世界是由什么构成的?有哪些基本要素?
霍金曾经教我创造一个宇宙,需要三样原材料:物质、能量、空间。那么基于我对能量和质量的理解,创造宇宙根本用不上能量。能量是对物质在空间中运动周期的测量,质量是对物质量的量度,是从两个角度来计量物质的本身,爱因斯坦进一步指出:“物体的质量是它所含能量的度量”,也就是说质量和能量本身就是一回事。那么现在造一个宇宙的话,只需要两样东西,一是物质,二是空间。
宇宙全景
空间是用来容纳物质的场所,在不同的学科中有着不同的表示方式,数学中以XYZ三轴之间的关系来描述,也就是生活中所说的长宽高三个标量。在经典物理学中被描述为物质本体之外的部分,在相对物理学中被描述为物质实体发生运动的部分。总之,空间是客观存在的,但是其本质是什么?量子物理学提出“场”这个概念,场被定义为对物质分布情况的描述,其本质是由不同的粒子构成的。粒子本身是物质,那么创造世界这个大项目就更简单了,只需要创造出物质就可以了。
那么创造“物质”需要哪些原料呢?这是基于霍金的思路来继续思考问题。假设“大爆炸”确实发生过,这是由许多科学研究成果支撑的假设。我们设想一下,在宇宙爆炸之前什么都没有,要“无中生有”地爆炸出一个世界来。这一步是如何完成的呢?我理解不了“从无到有”这个过程,于是对霍金“无中生有”这个猜想持怀疑态度。但是我能理解了理解“守恒定律”,于是可以从这个角度来聊聊。
银河系
最早提出来的是针对物质质量这个参数而言的,十八世纪拉瓦锡在化学实验中发现:在一个孤立的系统中,将实验对象和周围其他物质隔离起来,参加反应前各物质的质量总和等于反应后生成各物质的质量总和。无论如何实验,能被改变的只有物质的构成和形态,任何变化和反应都不能消除物质。于是提出“质量守恒定律”,又叫做“物质不灭定律”,后来发现这个定律在自然界是具有普遍意义的。
在十二世纪初,人们发现高速运动的物体质量随着运动速度的变化而变化,也就是说“物质的量”这个参数不是固定的,而是相对的。爱因斯坦进一步发现实物和场可相互转化,物质和能量可以相互转换,于是表示质量守恒的定律不得不加入对能量的思考,于是质量守恒和能量守恒通过质能方程合二为一,成为“质能守恒定律”。从这个角度来说,宇宙并不存在“无中生有”的说法,因为物质是不能被创造出来的。如果“大爆炸”是正确的,只能说明138亿年前,物质在结构、形态上发生了巨大的变化。
太阳系
如果不能科学地证明“物质不能被创造”这个观点是错误的,那么创造一个宇宙从理论上来讲是行不通的。我们只能通过“解刨麻雀”的方式来认识物质的基本构造。十九世纪生物学家提出了细胞学说,其实在十七世纪的时候列文虎克就已经采用显微镜发现了细胞,并为其命名,但是没有形成系统的理论。知道十九世纪陆续发现,无论是动物还是植物都是由细胞构成的,并且通过显微镜看到了细胞分裂产生新细胞的过程,于是生物的基本构成问题形成了系统的学说,那么非生物呢?
化学元素
化学这个科目是从人类对火的使用中逐步发展而来的,从最早的烧烤食物,到后来的陶器、冶金,以至于信心膨胀了之后的炼丹,虽然“长生不死”的目的没有达到,但是在实践中认识到不少化学变化的条件和具体反映。在十九世纪科学家开始整理已经认识到的基本原子,原子的本意就是不可再分割的意思,当时人们普遍认为已经发现了物质的本原,并以此为依据发展出形而上学唯物主义哲学。经过多年的修订,我们看到了现在的元素周期表。在哲学的观点之下:物质是由原子构成的,不同元素的差异是由原子所带的电子发生量变而引起了。
基本粒子
随着科学技术的发展,人们逐渐意识到了,世界没有这么简单。原子虽然在化学手段下无法分割,但是物理手段可以,期初科学家还在头疼如何表达原子模型,后来1932年发现了中子,1936年发现正电子,人们认识到质子、中子、电子和光子可以称为基本粒子。1947年又发现了介子,陆陆续续又发现多种“奇异粒子”,于是又开始了给这些发现列表的整理工作,就是我们今天看到的基本粒子表。目前已经发现62种基本粒子了。目前科学家正在磨刀霍霍地向万有理论进攻,他们认为整个宇宙应该有一套总结性的、一致性的理论框架,也就是说对于不同的问题,可以使用同一套不矛盾的理论来面描述,从宇宙的生成,到发展以及物质的运动、变化和规律,都可以融洽在一个理论之中,目前最不合群的就是对万有引力的解释。