喏,这就是物质

郑磊 原创 | 2020-07-18 16:40 | 收藏 | 投票
关键字:量子 物质 世界线 

 

郑磊

 

物质是什么?能量是什么?这些问题已经超出了物理学,上升为哲学问题。尽管我们还没有达成共识,物理学家又发现了“反物质”。那么世界上是不是也存在“反能量”。这些五花八门的说法指代的是一种东西的不同状态,还是不同种类的东西(或者用另一个词“存在”)?大爆炸模型给我们描绘的宇宙,包含了5%的我们可见的物质,还有26%69%暗物质和暗能量。物理学的研究从我们人类可触摸的三维物体出发,向微观和宏观两个方向推进,于是我们才能建立对宇宙和粒子的知识。《量子迷宫》和《物质是什么》是两位物理学家关于量子大小的物质的科普读物。前一本是科学传记,后一本更多体现了理论思辨。

量子世界留给我们的一个难题是测不准。只要一使用仪器进行测量,就干扰了粒子的运动,因此,我们只能得到一个描述量子运动的概率分布的规律,而不能像日常生活中得到的准确的有关速度和位置的数据。对于习惯于常规尺寸物体测量的我们来说,这很难理解。其实任何测量都必然对被测物发生干扰信号,只是不显著时可以忽略罢了。在量子尺度下,这种干扰可能远远超过了被测量子本身的信号强度,自然无法准确测量。在波函数表示的量子运动规律中,量子世界里发生的现实,似乎只能解释为一系列可能性的组合了。

解开量子世界秘密的物理学家里,不得不提的一位是理查德·费曼和他的合作者约翰·惠勒,这是这本传记的两个主人公。他们的合作是从身为研究生的费曼担任惠勒教授的助教开始的。量子研究产生了很多成果,其中对称性是一个特点,通过对电子的研究,狄拉克和安德森分别从理论和实验中发现了“正电子”,之后几乎发现了和所有一致粒子对应的“反粒子”。自然界深层存在着有序发展的规律,比如自组织,形成了对称的宇宙,而这就是我们的辩证法思维的物质基础。

其实人类一直生活在四维世界里,光或者我们对光的观测而得到的时间就是第四维。狭义相对论发表之后,爱因斯坦的数学教授闵科夫斯基很快提出了四维时空概念(闵科夫斯基空间),不仅更好地解释了相对论,也为量子理论研究打下了坚实基础。在四维时空里,每个事物都有自己的形态和一个“时间戳”。在我们的日常生活经验里,时间也是不可逆的。区块链技术正是充分利用了“时间戳”这个唯一不变的坐标,通过加密算法实现了不可逆的事件追溯机制。我们有很多这样的有趣悖论,比如一条线可以看作由无数个点组成,为什么我们可以在有限的时间里遍历这无穷多个点呢?可能一个答案是前面所谓“无穷”是粒子世界的概念,而后者指的是我们真实感知的世界,这完全是不同次元。人类无法观察一个可见的三维物体是如何在量子世界里移动的,因为在观察的一瞬间,这个量子世界已经“坍塌”了。如果你不是去宇宙探索或移民,大概也不会关注质量和能量会弯曲时空结构。

当我们对于自然界的研究达到了量子微观和宇宙宏观层面时,很多思想就上升到了哲学层面,而闵科夫斯基几何学在数学上给了我们解释工具。比如从正向“光锥”能得出存在负向的“光锥”,解释了光(时间)来自何方。尽管在现实生活中无法感知时间逆行,这可能只是局限于人类自身的单纯的感知或测量问题,在微观粒子层面,时空的变化是另一类感知或测量。在四维时空图上,我们可以看到一条代表人的现在和未来发展的一条弯弯曲曲的“世界线”,随着时间推移,与其他人的世界线相交,形成了人际关系网络。当一个人的生命终结之时,他或她的世界线终止了,但组成其身体的物质粒子不变,它们也有自己的世界线,会继续随着时间存续和变化。正是通过这些智慧超群的数学家、物理学家的卓越研究,人类今天成为了地球上最聪明的生物。我们现在知道所有物质都有一种叫做费米子的物质粒子构成,而一切力量来自一种叫做波色子的粒子,在微观层面是它们之间在相互作用和转换,而在宏观世界,时间和空间也是相互作用并且可以相互转换的。人类在超越常规尺度的时空中的研究并非只为满足人类探索世界的好奇心,我们正在一步步靠近那些尚无法被科学解释(一些被称作迷信)的神秘现象。

个人简介
宝新金融首席经济学家,香港中文大学(深圳)SFI客座教授,行为经济学者,创新发展,金融投资专家,南开大学经济学博士,荷兰maastricht管理学院mba,兰州大学数学学士 email:prophd@126.com
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