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宇宙所有物质的本质到底是什么?可能不是弦理论,而是能量片段

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在两千年前的古希腊,人们就开始思考物质的本质到底是什么。自然界的物质五花八门,树木、动物、岩石、空气……它们难道就没有共同之处吗?

从五大元素到微观粒子

古希腊人认为,世界上所有的物质,都有着相似的本质。他们相信,这些物质的本质无外乎有五种形态,分别是水、火、土、气和以太。其他的我们都熟悉,以太到底是什么呢?原来,以太是亚里士多德编出来的一种物质,分布在天空之上,是光的传播介质,也是我们能看见夜空中星星转动的原因。

显然,这种分类更偏向于哲学,而不是科学。到了19世纪,英国化学家J.道尔顿在总结了以往人们的成果后提出了现代的原子学说。后来,卢瑟福又进一步发现,原子还分为原子核和核外电子。后来,人们又发现了原子核内质子和中子的区分。到目前为止,我们能够证明的最小基本单位是夸克,包括中子和质子在内的所有重子都是由夸克组成的

这里还有一个问题,那就是光。光是不是物质呢?

光的波粒二象性

从大约300年前开始,牛顿和胡克就因为这个问题争论不已。牛顿相信,光是一种物质,有基本粒子。胡克则坚信光是一种波,通过振动来传播。随着胡克的去世和牛顿地位的不断崇高,光的粒子假说越来越被人们广为接受。直到托马斯·杨和麦克斯韦出现,波动说才重新占据上风。

(图片说明:光的折射是波动性的典型表现)

这个问题最终还是被另一位大神——爱因斯坦解决,为了解释光电效应,他提出了著名的光量子假说。在爱因斯坦的指示下,人类才意识到光的确具有量子和波动两种性质,二者之间并不违背,这也就是所谓的波粒二象性

同时,在最广阔的宇宙尺度上,爱因斯坦用他的广义相对论也进行了很好的解释,让人类重新认识了引力的本质。不过,在解释这个问题的时候,爱因斯坦是采用了时空扭曲的方法来分析的。那么,我们是否能够从微观粒子的角度,来解释这些问题呢?

更基本的粒子?

来自于北卡罗来纳州立大学的机械和航空航天工程教授Larry M. Silverberg为了解释这个问题,提出了一种全新的假说。他们认为:宇宙中还有比波和粒子更加基本的组成结构。

通常我们认为,虽然波粒二象性远不止是体现在电磁波上,但既然我们在讨论粒子性和波动性,就是将二者区分开来进行看待。而Silverberg认为,二者之间的联系实际上比想象中要更加密切,甚至有着相同的本质,而且在逻辑上也是合情合理的。

他们将自己的目光锁定在了能量上。

这就是他们这个理论的基础:能量始终在时间和空间中不断地流动,充斥在时间与空间之中的线条,在不同的位置不断流入和流出,永远没有起点也没有终点,而且彼此之间不会交叉。

那么,如果真的有这样的能量存在,这个能量的基本结构是什么呢?

能量片段

他们认为,构成这种能量的基本结构是一种类似于恒星系统的结构,在越靠近中心的位置上能量越大,远离中心处则能量较小。这样的结构同时具备粒子和波两种性质,既像粒子一样集中,又像波一样分散在宇宙时空之中。

有趣的是,虽然从数学角度上出发,他们可以找到很多描述这种能量流动的方法,但在考虑到能量集中的情况时,就只有几种是符合要求的。在进一步的筛选之后,只有一种描述方法符合他们对能量流动的数学定义。

它们将这个基本结构命名为能量片段(fragment of energy),用符号A来表示。同时,他们也给出了一个公式:A = -⍺/r,其中α代表的是强度,而r代表的是距离函数。

在提出这个理论后,他们需要解决的问题,就是如何去验证它。

惊人的吻合

为了验证这个理论,他们回到了爱因斯坦的广义相对论。105年前,爱因斯坦发表了自己的这个伟大理论。这个理论如此高深,以至于我们在地球上几乎无法验证,只能向宇宙求助。

通过广义相对论,物理学家们可以轻松地解释困扰了科学家数百年的水星近日点进动问题。同时,相对论所预言的引力透镜效应,也可以通过太阳的引力所产生的效果来验证。果然,在接下来的天文观测中,宇宙中上演的现象完美地印证了爱因斯坦的理论,从此也奠定了广义相对论的崇高地位。

(图片说明:水星近日点进动问题在爱因斯坦提出了广义相对论后才被解决)

Silverberg认为,如果自己的这个理论想要成立,那也要能够解释这些问题。而且,和爱因斯坦的广义相对论不同的是,他们不需要通过扭曲的空间来进行解释,而是利用自己假设的能量片段来完成。

在解释水星近日点进动问题时,他们假设太阳就是一个巨大的能量片段,而水星则是一个相对小一点的缓慢移动的能量片段。而对于引力透镜效应也是一样的,太阳还是被看作是巨大的能量片段,而光子则是极其微小并且以光速运行的能量片段。

然后,他们利用这个模型,对水星版的能量片段和光子版的能量片段计算其运行轨迹。结果令他们大吃一惊,因为他们得到的答案与广义相对论完全一样!

(图片说明:引力透镜效应)

这意味着,至少从这两个极端事件中判断,他们的理论还是比较可靠的。

总结

他们的目的,是希望找到一种最基本的粒子,能够解释我们这个宇宙中从微观到宏观所有物质的构成,这也是目前许多科学家们渴望去破解的谜题。现在物理学标准模型里的基本粒子真的不能再分了吗?目前的研究似乎已经到了极限,但是科学家们仍然在不断探索。

(图片说明:弦理论目前是最有望成为万有理论的假说之一)

目前比较流行的说法,就是大家比较熟悉的弦理论,不过这个理论目前也非常难以证实,而且其中的版本也非常多。如今,Silverberg等人又提出了一种新的见解,或许也是科学家未来探讨的一个方向。至少,这也给我们提出了一种新的对宇宙进行思考的方式。

直径940亿光年的宇宙,充满了无数的秘密。而这些秘密,可能最终却要在最小最小的基本结构中才能找到答案。宇宙的神奇之处,还真的是令人感到匪夷所思!

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