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物質的基本結構是什麽?

物理學上的壹系列成功無疑代表了以還原論為基礎的現代物理學思想的壹次勝利。物理學家試圖將物質簡化成它的最終組成部分——輕子、誇克、信使粒子——這樣他們就能對這壹基本定律有所了解。就是那個基本定律控制了形成物質結構和行為的力量,可以解釋宇宙的很多基本特征。

然而,追求以這種方式感受到的某種終極真理是不夠的。比如我們不能用誇克去理解意識,活細胞,甚至龍卷風等無生命系統,否則就鬧笑話了。

到目前為止,本章使用的語言在很大程度上沒有傳達物理學家心目中的物質結構概念。當壹個物理學家說質子是由誇克“組成”的時候,他並不是這個意思。例如,當我們說壹個動物是由細胞組成的,或者壹個圖書館是由書籍組成的,我們的意思是我們可以從那個更大的系統中取出壹個細胞或壹本書,或者任何東西進行孤立的研究。但是誇克不是這樣的。據我們所知,真正把質子拆開拿出誇克是不可能的。

然而,現在把原子拆開已經很普遍了;很難敲開原子核,但在高能的沖擊下也會分裂。這可能意味著用高速粒子轟擊質子或中子會把它們壓成誇克。然而,實際情況並非如此。壹個微小的高速電子將穿過質子內部,並猛烈地反彈其中壹個誇克,從而使我們確信質子內部的某個地方存在誇克。但是,如果撞擊質子的不是壹個小電子,而是壹把大錘,也就是另壹個質子,那麽我們在質子的碎片中就不會看到誇克,而只會看到更多的強子(質子、介子等。).換句話說,誇克從來不會孤立出現。大自然似乎只允許誇克作為壹個群體出現,總是兩三個在壹起。

所以當物理學家說質子是由誇克組成的時候,他並不是說這些神秘的誇克可以單獨出現。他只是指壹個描述性的層次,比質子層次更基礎。支配誇克的數學定律比支配質子的更簡單、更基本。從某種意義上說,質子是合成的,而不是基本的;但是從誇克合成質子和在圖書館合成書是不壹樣的。

如果把量子因素考慮進去,就更難理解物質的基本結構了。這是因為沒有壹個亞原子粒子(無論是誇克還是其他基本粒子)是真正的粒子。事實上,亞原子粒子甚至可能不是“東西”。這讓我們再壹次認識到,所謂物質是某某粒子集合的描述,實際上必須算是數學確定的壹個描述層面。物理學家只有通過抽象的高等數學才能準確描述物質結構,人們只有認識到這壹背景,才能理解還原論的真正含義。

海森堡測不準原理的壹個方面很好地說明了量子因子給“什麽是由什麽構成的”的研究帶來的困難。但這個二元性不是波與粒子的二元性,也不是運動與位置的二元性,而是能量與時間的二元性。能量和時間這兩個概念是壹種神秘而對立的關系:妳知道壹個卻不知道另壹個。因此,即使在短時間內觀察到壹個系統,其能量也可能有很大的波動。在日常世界中,能量永遠是守恒的,這是能量守恒的經典物理學的基石。但在量子微觀世界中,能量可能會不知從哪裏冒出來,或者以壹種自發的、不可預測的方式消失。

當考慮愛因斯坦著名的公式E=mc2時,量子能量的漲落就變成了壹個復雜的結構。愛因斯坦公式說能量和質量相等,或者說能量可以創造物質。在這裏,我們想討論在沒有外部能量輸入的情況下,如何從量子能量的漲落中創造出物質粒子。海森堡的原理很像壹個能量銀行。能量可以短期借用,只要歸還得快。借款期限越短,可借金額越大。

從量子的角度來看,電子不僅僅是電子。能量變化的模式在它周圍閃現,不知道什麽時候突然導致了光子、質子、介子甚至其他電子的出現。總之,亞原子世界的壹切都依附於電子,比如電子披著壹件看不見摸不著的外衣,或者像幽靈壹樣,成群的蜜蜂圍著中間的蜂巢嗡嗡作響,形成蜂巢的掩護。當兩個電子相互靠近時,它們的覆蓋層也糾纏在壹起,於是發生了相互作用。所謂的蓋,不過是之前被認為是力場的量子化表達。

我們永遠無法把電子和它們攜帶的幽靈粒子分開。當有人問“什麽是電子”時,我們不能說電子就是那麽小的粒子;我們必須說,電子是不可分割的壹整串東西,包括與之產生力的鬼粒子。而說到內部結構的強子,就更加模糊不清,難以分辨了。壹個質子不知何故總是攜帶誇克,而誇克是由膠子連接的。這裏還有壹個怪圈:力是由粒子產生的,產生的力產生力...

對於光子這樣的粒子來說,這個怪圈意味著光子可以表現出很多不同的面貌。通過借用能量,可以暫時變成電子-正電子對或者質子-質子對。已經進行了實驗來觀察光子如何變成正負電子對或正負質子對。然而,人們再次發現,不可能從這種復雜的變化中分離出“純”光子。

就大部分不穩定粒子而言,很難分辨哪些是“真的”,哪些是“鬼”。有壹個粒子ψ在11021秒內衰變;海森堡原理導致的正負電子對的壽命與ψ粒子的壽命相似。誰能說前者是真的,後者只是鬼?

美國物理學家傑弗裏·邱(Jeffrey Qiu)曾將亞原子世界中的這種閃爍變化比作民主。我們不能抓住壹個粒子,說它是這樣那樣的實體。我們必須把每個粒子看作是由所有其他粒子組成的壹個沒有盡頭的怪圈。沒有任何粒子比其他粒子更基本。

我們會看到,物質的本質在其量子論中帶有強烈的整體論味道:對物質不同層次的描述是相互聯系的,壹切都是由其他壹切組成的,但壹切同時又表現出結構的層次順序。正是在這種無所不包的整體性中,物理學家追求物質的終極分裂和終極統壹力。

1916年,愛因斯坦提出廣義相對論時,預言質量大的物體加速時可能產生引力波。當時,許多科學家對引力波的存在表示懷疑。直到物理學家皮蘭尼創可貼等人從理論上證明了引力波的存在並且可以被探測到,人們才對研究引力波產生了興趣。

雖然引力波的探測到目前為止還沒有被直接證明,但是科學家們並不懷疑引力波的存在,並且正在努力讓引力波的面貌為世人所知。