宇宙的最小物质有多小,物理学上的“有”与“无”

伤我心太深

　　宇宙的最小物质有多小

　　现代物理学上的有与无

　　夸克是构成原子核中质子与中子的基础物质，是目前为止发现的最小层的物质，大小为10的负18次方米(10-18米)。而目前全世界的科学家正热衷研究能穿透地球的神秘中微子。中微子个头小，小于电子的百万分之一，电子的数量级别在10的负17方(10-17)。

　　中微子不带电，可自由穿过地球，几乎不与任何物质发生作用，号称宇宙间的“隐身人”。科学家们观测它颇费周折，目前全球很多国家都在建立专门的大型实验室来观察中微子，这些实验室建在南极、地下、在废弃的矿井里。中微子是当前粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉前沿学科，本身性质也有大量谜团尚未解开。



　　中微子 图片来源：维基百科—中微子。


　　而在弦理论框架里弦更加微小，甚至我们无法真正观察到。弦理论者认为弦隐藏在普朗克长度(10-35厘米)以下的空间里。为了更好地解释宇宙的本质，我们应当承认，关于中微子、电子、光、夸克，根本不是最小的基本粒子。正如几百年前我们还不相信沙子、面粉都是由更微观的原子构成的，而原子核是有夸克构成的一样。由于人类观察宇宙条件本身的限制，我们目前无法再继续弄清楚光、电子、夸克、中微子等基本粒子的内在结构，更别说更小的物质结构了。

　　爱因斯坦与哥本哈根派关于量子争论的时候，把电子看做电子云。意味着电子不是基本的粒子可以再分，最近几年科学家们证明了电子可以再分为自旋子和空穴子。玻姆认为，量子世界还有不被人所知的隐变量、更深度的关系。



　　图片来源：微图网。


　　每秒中几乎有几十亿个中微子穿越人体。中微子之所以能穿透人体与地球，是因为其实我们身体是有原子组成的，而原子核只占有原子很小的一部分空间，原子大部分是虚空的。假如原子是二百米直径的圆球，原子核也就是葡萄大小。原子核是有更小的夸克组成，夸克在原子中的大小，好比二百米直径圆球中的一粒沙子。我们的身体、所有的生物、物质大体都有这样的空间组成。宇宙的大部分区域没有星系，是由真空组成的。


　　物理学上的“有”与“无”


　　中国的先人早就认识到了自然界的魅力。中国的古人认为万物都在变化，在阴阳之间、虚实之间互相转化。《易经》是中国的古老哲学，其哲学思想诞生的时候还没有现代物理学具备的观察证据及条件，但是其辩证哲学思想对于现代物理学的探索也是具有启发意义的。现代物理学对于正反物质，能够守恒、有与无、真空下的虚实粒子对，都有类似《易经》的对称表述，这在哲学意义上有对比作用。


　　量子力学的不确定性原理意味着宇宙空间并不是真的空无一物。相反，宇宙空间时刻都发生着虚实粒子对的随机涨落，随机波动宇宙真空变成了“一锅热腾腾的粒子汤”。在这样的真空涨落中，像电子以及其对应的反物质正电子也在其中，正负能量平衡，几乎不影响客观的宇宙规律。对于虚实粒子对来说，因为其体积非常小，极短时间内成对出现与消失，所以人们难以探测到它们。不过，物理学家在20世纪30年代曾预言一个非常强大的电场可以让，比如正负电子对“幽灵粒子”显露形迹，由于这些粒子带有相反的电荷，电场可以将它们推往相反的方向，使它们分开而不至于同归于尽。


　　寻找“幽灵粒子”是科学家的梦想，早在2010年8月，俄罗斯科学家就着手研究下一代激光器准备让“幽灵粒子”显形了。俄罗斯国立核研究大学的亚历山大·费德罗夫及其同事将要发表在《物理评论快报》上的研究论文中说：“根据他们的计算，一个强大的激光器可将制造出的首个正负电子对加速到很高的速度，从而让它们发光，这道光再与激光‘合力’，产生更多的电子对”。而这正是量子力学在20世纪30年代的一种预言。


　　霍金认为宇宙真空不能确定为零，否则违背了不确定性原理。真空中有起伏，其中拥有大量的虚粒子对，在时空中同时出现的虚粒子对相互分离，再回到一块相互湮灭。
　　霍金在描述黑洞蒸发的时候，认为当真空中虚粒子对靠近黑洞事件的视界的时候，虚粒子对中一个携带负能量的粒子可以落入黑洞，另一个携带正能量的粒子逃逸无限远处(如右图182)。对于一个远处的观察者而言，这看起来就像粒子是从黑洞发射出来一样。由于它是向外带去能量，所以它是吸收了一部分黑洞的能量，黑洞的质量也会渐渐变小、消失。




　　】霍金阐述黑洞蒸发中的虚实粒子


　　在聚合模型里，黑洞辐射是因为黑洞拥有飓风那样的旋转中心，受到星系挤压，而向外辐一些能量与粒子，其中可能包含一些看不到的高能粒子能量。著名的卡西米尔效应：根据量子电动力学，绝对真空是不存在的，真空中到处充满着称作“零点能”的电磁能，这正是麦克莱希望加以利用的能量。“零点能”中的“零”指的是如果把宇宙温度降至绝对零度(宇宙可能的最低能态)，部分能量就可能保留下来，实际上这种能量是相当多的。物理学家对究竟有多少能量仍存在分歧，但麦克莱已经计算出，大小相当于一个质子的真空区所含的能量可能与整个宇宙中所有物质所含的能量一样多。



　　【183】卡西米尔效应图片来源：维基百科，版权CC BY-SA 3.0，左图作者：MissMJ;右图作者：Emok.


　　卡西米尔效应的试验原理就是在真空中两片平行的平坦金属板之间的吸引压力。这种压力是由平板之间空间中的虚粒子的数目比正常数目减小造成的。这一理论的特别之处是“卡西米尔力”，通常情况下只会导致物体间的“相互吸引”，而并非“相互排斥”。


　　据2011年6月英国《每日邮报》报道，一个瑞典物理学家小组最近成功地实现了真正意义上的“无中生有”，首次从真空中创造出闪光。该小组让一个特殊组件在磁场中以1/20倍光速移动，这一器件被用来充当这个金属板，并通过改变磁场的方向导致该组件出现“震动”。这样做的结果是从真空中产生了一束粒子流，这完全符合理论预计。这一不寻常的发现被认为是物理学的一项重大进展，并引起了物理学界的关注。实验显示真空中“凭空出现”的光子频率约为超导量子干涉器件震动频率的一半，这完全符合量子力学原理的理论预计。


　　瑞典物理学家根据卡西米尔效应在真空中创造出闪光，使无中生有，而无中生有在物理学上非常具有意义。无中生有，自我创造，诞生生命，是霍金的最新哲学观点，也是物理学家惠勒的观点，这也属于中国古代著名哲学家老子的观点。宇宙规律不仅仅包含着物理定律，也包含着生命的诞生。


　　宇宙最小基本元素“元”


　　第二章提到1981年大物理学家惠勒在访问中国的时候，了解到老子《道德经》里说“万物生于有，有生于无。”惠勒感到非常吃惊，他认为这就是自己倡导的“质朴性原理”。他没想到的是，“近代西方历经数代人，花费大量物力财力才找到的结论，在中国的远古早已有了思想的先驱。”


　　惠勒在“质朴性原理”提出没有物质的物质，没有电荷的电荷，这位大科学家生前提出过这样的论断：“万物源于比特”。他认为，物理世界的所有单元，在最根本、最基础的意义上，具有非物质的来源和解释。也就是说，我们所说的实在归根结底产生于“是-否问题”的提出及其所激起的仪器反应的记录。简而言之，所有的物质性事物，究其根源都是“理论上的信息”。惠勒认为宇宙的基本单元应该非常朴素，都像计算机一样来自“是—否”的基本逻辑。其实早在中国古代，道家的哲学思维里“万物生于有，有生于无”及“道生一，一生二，二生三，三生万物”的思想，恰恰对这个问题做出了最先的答案。在《周易正义》二七则里论易之三名讲到，《论易之三名》：皇侃《论语义疏》自序：“舍字制音，呼之为‘伦，’伦者轮也，言此书义旨周备，圆转无穷，如车之轮也。”


　　圆转聚合运动：在这里圆转无穷，如车之轮，如下图是宇宙的朴素之理，也是宇宙深层的简单哲学。但是这个简单的圆转无穷，恰恰是构成宇宙的万物之理，是宇宙的第一推动力，是微观与宏观宇宙联系的纽带，使宇宙从“无”到“有”，然后“有”生万物。这符合万物生于有，有生于无的朴素物理哲学。


　　无中生有：万物生于“有”，有生于“无”。这个“无”并不是真正的无，而是宇宙中微观元素，甚至可以是没有形状的形状，没有质量的质量，没有速度的速度，但速度可以达到一秒内充斥整个大宇宙。



　　【184】圆转无穷的宇宙图片来源：微图网。


　　这个“无”元素非常小，可能小于10-160厘米，甚至无法数字衡量。也许是点状、也许是丝状、也许是点与丝的线性连接，也许既能丝状连接，也能独立点状表达。他们组成力弦粒子，连续成的几亿光年或与宇宙同样跨度的丝状，它充满整个宇宙，是组成宇宙的最小、最基本的单元。


　　单个的“无”元素因为速度等于或者超越量子纠缠，所以能量也非常大。在这里“无”也是有，由于聚合运动，“无”元素开始变成有形的粒子，力弦粒子(力线粒子)聚合纠缠于是“无”中开始生有。


　　万物生于有：中国哲学思维“有”生于“无”与霍金思想，惠勒的质朴性原则如此接近的时候，一个新的描述宇宙的假想诞生了。混沌深层的宇宙深处，宇宙成为一体(道生一)。宏观大宇宙(10160光年)属性与微观“无”元素(10-160厘米)构成宇宙双重属性(一生二)成为宇宙的两个特性。通过多层聚合运动(二生三)，形成多层级的万物(三生万物)。一个简洁的宇宙观呈现在人们面前，中国传统哲学的质朴、深度，再次熠熠生辉。


　　基本“无”粒子属于虚实之间，所以在宇宙深处“有就是无，无就是有”。