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空间到底是不是物质?

如果掌握了不断向微观层面探进的技术手段,我们最终将发现空间也具有复杂的内部结构。

我的朋友谢君峰博士曾经在80年代当面向诺贝尔物理学奖李政道提问,问道:空间是物质吗?李政道不假思索的回答“空间是物质以外的态”。在李政道来看,“空间”是与“物质”截然对立的两种系统,它们的属性是完全不同的。

空间到底是不是物质?

李政道

当物质存在的时候,就会占据空间,但是物质与空间又是有密切依存联系的,这是因为如果世界上不存在任何物质,就不会有空间的存在——世界上不存在纯粹的的空间,我们也无法去描述这种东西。因为我们必须依照物质为参照物,才能去描述空间。就比如,我们首先知晓了温暖的存在,才能去描绘寒冷。这样看,物质是空间“成立”的基础。

传统对物质的理解

那么,什么是“物质”呢?在古代,很多哲学家、思想家都思考过这个问题。2300多年前,雅典的一个哲学家德谟克利特就指出:世界上所有的物质,它们都是由不可分的最小单元——原子所构成。

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德谟克利特

在德谟克利特来看,物质其实就是一大堆原子的堆积。当然,德谟克利特的原子,并不是现代物理学意义上的原子,他说的仅仅是一种哲学上的纯粹思辨,并没有任何科学依据。我称之为“哲学原子”。德谟克利特认为,所有的物质都是原子这种建筑材料构成的,原子就是砖块,而这些砖块的性质都是一模一样的,只不过是因为排列、堆砌的形式不同,所以造成了宏观层面物质有不同的形态。

与德谟克利特生活在同时代的一位哲学家,叫做恩培多克勒,他就对德谟克利特的原子论提出了质疑。恩培多克勒也相信世界万物是由最小的单元原子构成,但是他认为,这些原子是有很多很多的种类的。是各种各样不同性质、种类的原子,它们一起构造完成了丰富多彩的物质世界。显而易见,恩培多克勒的原子论,比德谟克利特更胜一筹,更加接近现代物理学的描述。

但是,哲学家毕竟是哲学家,我之前说过,“哲学其实就是瞎猜”,恩培多克勒他依据自己所接触到的粗浅表象,搞出了玄学色彩的原子论。因为他说,原子是有种类的,那么有哪些种类呢?包括了火原子、空气原子、水原子、土原子。原来,当时的古希腊人不懂科学原理,也不会做真正的去做科学研究论证结论,他们依照自己的想象力,提出了最基础的物质就是火、空气、水、土四种元素。

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恩培多克勒

现在当然知道这些说法都是错误的了。就是说,古希腊人对基础物质的理解原本就是错误的,恩培多克勒把错误的认知直接照抄过来,他却没有做出任何的实验,就拍脑门弄出“四种原子”学说。所以说,这些古希腊的哲学家也不过如此,瞎猜谁不会啊,四岁小朋友也会。除了毕达哥拉斯还能做具体的有意义的科学实践,其他绝大多数哲学家都是幻想家而已。他们最大的贡献就是启蒙一下,但是这些启蒙是原始的,我们如果继续把阴阳五行等玄学作为科学,其实和2300年前的古代人没有区别。你说,阴阳五行有什么科学依据,有科学实验的支持吗?没有。阴阳五行和古希腊的火、空气、水、土四种元素学说没有任何区别,都是想象力的产物。

近现代物理学对物质的探索

只有当大牛伽利略(1564年2月15日-1642年1月8日)出现之后,实验才成为科学的一个重要支柱。如果没有实验,就不配称之为科学。现代物理学家建造了庞大的电子对撞机,用高能射线去碰撞原子,发现原子下面还有复杂的结构。古希腊哲学家们口口相传2000多年的“原子不可再分”的学说,被科学实验击得粉碎。

依据现代物理学的认知,我们所知的物质的基本构成,就是费米子和玻色子。费米子和玻色子都有各自的族群,性质也都有差异。我们人类自己的身体,就是费米子组成的。我们玩的手机、电脑,也是费米子构成的。而像太阳那么巨大的恒星,同样是费米子组成的。

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费米子和玻色子家族

费米子是物质的组成材料,我们日常在各种科普文章之中经常听到夸克这个词汇,夸克就是费米子。对了,夸克是由物理学家盖尔曼命名的,而盖尔曼是中国科学家杨振宁的粉丝,他一辈子最崇拜杨振宁。夸克有6种,什么上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克,你们没有必要一一知道它们具体的性质,记得这些就行:目前已知最小的物质就是夸克,弦理论中夸克就是弦,夸克组合起来,就是强子,到了强子这一层面,物质才能具有真正的物理意义,而质子、中子,就是强子家族的成员。

而玻色子是传递力的信介,是一种传递粒子。光有费米子,没有玻色子,物质就只能单个存在,没有什么意义。就比如一栋大楼,你没有混凝土,光靠几块砖头是盖不起来的。玻色子大致可以分为希格斯粒子、光子、胶子、Z玻色子、W玻色子,它们也是基本粒子,但不属于夸克,不是费米子。

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神秘的暗物质

总之,只要是物质,就会涉及费米子和玻色子。我们听说过很多人在说暗物质,据说暗物质是与我们所知的“正常物质”的物理性质不同的。主流科学界认同暗物质是存在的,当然也有一小部分科学家认为暗物质不存在。我们先假设暗物质是存在,只要它们存在,就一定是费米子和玻色子组成的——即使与“正常物质”存在差异。我们考察费米子的性质,可以发现它们具有两种最基本的性质:

第一,费米子必须占据一定的空间,是有体积的。

第二,它们具有质量。

我们分析一下,占用空间,则意味着它们是物质,因为物质必须占据空间,不占据空间的物质根本不存在。就和我上面第一段说过的话一样,“当物质存在的时候,就会占据空间”。具有质量,则依据爱因斯坦的相对论理论,质量导致了万有引力,而万有引力会卷曲时空。这样,空间会被物质的质量所“控制”。可见,空间依赖物质而存在,空间被物质所“控制”。

很多人问我:为什么宇宙空间的膨胀的速率会超越光速?我告诉他们,这是因为空间不能传递信息。

那么,他们又会问,你凭什么说空间不能传递信息呢?

这是因为只有正常的物质才能传递信息,而传递信息,就要依靠玻色子。比如,我在上面说过,光子就是一种玻色子,一颗恒星发射出无数的光子,其中的一部分光子没有被宇宙粉尘吸收,没有被其他恒星遮盖,历经千辛万苦,终于来到了地球,被地球上的望远镜捕捉到,我们可以说我们接收到了来自遥远太空的一颗恒星的信息。

我们还听说过引力波这一热门词汇。有科学家就靠研究引力波拿到了诺贝尔奖。2017年的诺贝尔物理学奖得主是雷纳·韦斯(Rainer Weiss),巴里·巴里什(Barry Clark Barish)和基普·索恩(Kip Stephen Thorne)。他们是因为通过Ligo(激光干涉仪)首次探测到引力波,由此斩获了诺贝尔大奖,从而大名垂青史。

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激光引力波干涉天文台

引力波是指时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,这种波以引力辐射的形式传输能量。两个黑洞或者中子星发生碰撞、吸收的过程中,都会释放出剧烈的引力波。既然引力波已经被证实是客观存在的——有科学实验为证——那么,会不会存在引力子这种传递引力作用的基本粒子呢?按照玻色子的定义,引力子是传播作用力的,而万有引力的四大基本力之一,则引力子也属于玻色子家族。不过,目前科学界还没有真正的证实引力子是存在的。我想,这个问题很有希望在本世纪内解决。

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爱因斯坦

当真正证明引力子存在的时候,九泉之下的爱因斯坦博士一定会非常高兴。这是因为在爱因斯坦活着的年代,引力场效应被认为是几何效应,是物质的质量让四维的宇宙时空产生了扭曲,而时空的扭曲才诞生了物质相互之间“吸引”的引力现象。如果真的发现了引力子,是对物理学的巨大贡献。

我们归纳一下,凡是物质,它们通常就会具有这样的基本性质:

1,占据空间;

2,具有质量;

3,可以传递信息。

反过来说,凡是满足以上三个基本属性中的两个,它们就算得上是物质。

以上,是指的我们日常所能理解的一切物质,包括“正常的物质”加上暗物质。它们都是物质范畴,是与空间的定义截然相反。空间内没有类似玻色子的存在,不能传递信息。

这也是80年代李政道先生所认知中的“物质”的概念。

新物理学对物质给出的新概念

但物理学是要不断向前发展的,过去的概念未必就一定会保持下去。在新物理学概念里面,空间也可以是一种特殊的“物质”,但是这种物质的物理属性是非常特别的,因为它不具备以上的三个基本属性,不具备质量、不可以传递信息。我们对空间的物理性质,所了解还很少,但是我们知道空间不是真正的“空无一物”,而是有非常复杂的内部结构,有巨大的真空能。

学过物理学的朋友都知道卡西米效应。卡西米效应是有实验证明的,该实验证明了真空里面有“东西”,即真空能。当我们把两块不带电荷的导体板互相非常接近时,它们之间就产生了一种非常微弱,但是可以被测量出来的力,这就是卡西米效应。一般认为,真空态能量本身是不可被观测的,但它如果发生了变化就可以被观测到。

空间到底是不是物质?

卡西米效应

关于空间,我可以打一个比喻。

现在,我知道在遥远的地方有大海,于是我乘坐汽车去海边游玩。

当我距离大海有30千米的时候,我从汽车里面往大海的方向眺望,我发现看不见什么。我也听不见什么。我接受不到任何关于大海的信息。这是因为,我距离大海还非常的遥远。从几十千米的远处来看,大海和天空融合为一体,颜色一样,海天一色,没有任何波动的存在。

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海天一线,看不出什么东西

于是,我继续驾车前进,来到了距离大海10千米处,我看见大海的方向,隐隐约约有了一个弯曲弧度,这是第一个变化。

我继续驾车往前开,距离大海5千米处,我听见了海浪的声音传来,还看见大海海面上有一些海浪,但是还看的不怎么清晰,感觉海浪似乎并不大。

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好像有点细浪

我再往前,现在距离大海1千米了,我看见大风让大海卷起滔天巨浪,海浪轰鸣,煞是壮观激烈。

我不怕这一切,我继续向前,我现在来到了大海的海岸边,我看见大海在发怒,海浪一波又一波的猛烈的撞击着礁石,乳白色的水沫溅湿了我的衣襟。

空间到底是不是物质?

吓人的惊涛骇浪

我在岸边掬起来一捧海水,将海水置放在显微镜下观察,我看见了无数的水分子在欢快的游动。

空间到底是不是物质?

复杂的水分子运动

空间就是如此,我们如果仅仅立足于宏观层面的角度来观察它,就会认为它是波澜不惊的,没有任何的波动,似乎什么都没有。但是如果掌握了不断向微观层面探进的技术手段,我们最终将发现空间也具有复杂的内部结构。

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