物質可以無限細分嗎科學以為找到了答案,但宇宙又出了個難題

其實這個問題從古代就有,哲學家在刨根問底追尋答案。

中國古代有一個哲學典故,出自《莊子》:一尺之錘,日取其半,萬世不竭。這就是說物質是無限可分的。

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當然,這只是存在人類的數學理念中。

對應於物理世界,量子力學認為物質是有最小基本組成單位的,時間和空間都有最小的單位,就是普朗克時間和普朗克尺度。

如果我們仔細看一下我們周圍的世界,看一下宇宙萬物星辰的運動規律,就會發現:不管星辰多遙遠,都有統一的法則所支配。在地球上的任何一個角落,物質的運動規律都是相同的。

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無限複雜的世界和無限廣闊的宇宙,能夠協調有序運動,這就要求物質世界的規律是有限的,如果物質世界的規律是無限的,這個世界就會亂套。

那麼我們反過來說,假如物質是無限可分的,那也意味著會有無限多種規律存在。

也正因為如此,量子力學給出的答案是合理的,也就是說物質是由最小基本組成單位的。

基本粒子分成兩大類,一種是費米子,符合泡利不相容定律。另一種是玻色子,其運動規律服從玻色愛因斯坦統計。

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正因為宇宙間物質種類有限,最小單位有限,所以物理學的規律也是有限的。

物理學前進的方向,就是要把眾多的規律歸結為簡單和統一的規律,這也必然要求物質世界有最小刻度。

根據量子力學的說法,真空是虛粒子的海洋。這些虛粒子隨時在漲落過程中出現,瞬間又湮滅。

所以真空是含有能量的。

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為了證明這個觀點,一個叫卡西米爾的科學家,用了兩塊平行的金屬板放到足夠近,板外側會產生輕微的推力,這被稱為卡西米爾力。

現代積體電路,就需要用這個理論來製造半導體器件。

所以,關於物質是不是無限可分的,應該就到此為止了:一尺之棰日取其半,萬世不竭,是不可能實現的。

但是,真空是虛粒子的海洋,與虛粒子的海洋就是真空,是不是全等價關係呢?

為什麼我們要提出這樣一個問題,就是因為光在真空中是無障礙透過的。

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如果真空和虛粒子的海洋是全等價關係,就意味著真空是離散的。光在離散的介質中透過會發生色散現象。

如果出現這樣的現象,日月星辰就會變得一團模糊。望遠鏡望向太空,就感覺鏡頭被蒙上了一層霧。

但是實際上這種現象並沒有發生。

這個問題引申開來,最後會產生一系列的廣泛影響。因為電場、磁場根據量子力學的觀點是由光子傳播的,所以如果量子力學是對的,電場和磁場也是離散和不連續的。

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但是,在實驗室中從來沒有發現電場和磁場是離散的。

所以,今天的理論物理學正處於一個關鍵的轉折點。

廣義相對論和量子場論是現代物理學最重要的組成部分,但是廣義相對論描述的時空幾何結構是連續的。而量子引力描述的時空幾何結構是離散和不連續的。

為了彌補連續性和離散性的問題,量子力學發展出了弦理論和圈量子理論。

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根據最新的量子場論,所有的東西都可能是由顆粒組成的,但是所有的粒子都是由摺疊的連續場組成的,我們只是把它當作顆粒來測量。這就是物理學家所說的“微擾理論”:無限連續的離散測量。

換句話說,離散粒子是連續場中的褶皺。

所以到目前為止,量子力學的答案是這樣的:時空不是連續的,它是由量子粒子組成的,但是量子粒子不是離散的,因為它們是無限連續振動場的褶皺。自然界不僅僅是連續的,而是一個被摺疊的連續統(連續統是集合論的概念,簡單的說就是一根包含了所有數的數軸,有理數在數軸上的分佈就是離散的)。

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這個問題好像到這裡已經終結了,但是量子場論沒有辦法描述大尺度的宇宙形狀,也沒有辦法描述宇宙的起點和終點,而且無法解釋宇宙的高速膨脹和遙遠星系的退行現象。

到目前為止,描述時空最準確和最正確的理論仍然是廣義相對論。

弦理論和圈量子理論都沒有被實驗證實。

所以,到目前為止,物理學仍然沒有找到答案。

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