这个世界的本质何在?这是一个足以挑战人类智慧极限的问题,虽然我们迄今为止尚未找到确切答案,但人类对这个谜题的追求从未停歇。自生命降临地球之初,人类就已开始探索自然界的秘密,最初的哲学思想,是人类在科技水平相对落后时的理论诠释。
时间来到近代,科学领域的璀璨之星如开普勒、伽利略和牛顿等相继升起,共同催生了物理学这门研究自然界奥秘的新学科。物理学是剖析万物构成与运作的科学。
究竟宇宙万物由何构成?如若将一个物体无限分割,最终会得到什么呢?
早在几千年前,古人们就已提出了这些疑问,比如古希腊哲学家德谟克利特曾设想“原子论”,认为万物皆由原子构成。
然而,德谟克利特的原子论与现代物理学中的原子概念有天壤之别。他认为,宇宙万物都是由不可再分的原子堆砌而成,这些原子犹如坚硬的“玻璃球”,通过不同的排列组合形成大千世界。
一直到18世纪,科学家们通过实验证实了原子的存在,但当时对原子的理解仍旧浅显,与现代科学所描述的原子差异巨大。
在随后的两百年间,科学家们对原子的认知逐步加深,从道尔顿的实心球模型,到汤姆逊的枣糕模型,再到卢瑟福的行星模型,以及玻尔的原子能级模型,逐步发展到我们如今所知的电子云模型。
几个世纪来,科学家们不断探索原子的内在秘密。如今我们已经知道,原子并非不可再分,它有自己的内部结构,由核外电子与原子核组成,而原子核又由质子和中子构成,质子和中子则由夸克构成。原子的大部分质量集中在原子核上,电子的质量微乎其微。
人类对原子内部结构的认知,仅仅起源于两百多年前的19世纪。那时的科学家们对电子的运动以及原子的内部构成知之甚少,当时占据物理学主导地位的还是牛顿的经典力学。
科学家们在发现核外电子的运动方式后,发现经典力学在微观世界中不再适用。按经典力学的计算,电子在运动中会不断辐射能量,降低轨道,最终被原子核所吸收。
然而,现实中的电子并未落入原子核,而是在核外稳定运行。这使得科学家们陷入了困惑,不知如何解释这一“奇异”现象。
经过将近一百年的探索,量子力学终于诞生,帮助科学家们描述微观粒子的运动规律。
自然界中的四种基本作用力——强力、弱力、电磁力和引力,是如何传递的呢?
科学家们从电磁力传递方式中得到启示。电磁力通过“场”传递,传播媒介是光子。那么其他三种力也应当通过场中的某种传播子传递。
场和传播子(比如光子)的关系是什么呢?
我们知道,静止的电荷会产生电场,电场中的其他电荷会受其影响,但并不会产生光子传递。当静止的电荷开始运动,形成的电场就会产生波动,变化的电场会产生振荡的磁场,从而产生电磁场。
电磁场通过光子传递,光子即量子化的能量,拥有波粒二象性。实际上,不仅是光子,所有微观粒子,甚至是宏观物体,都有一定的波长,这就是德布罗意提出的物质波概念。
可以认为,电磁波实际上是电子跃迁时辐射出的光子能量,由于电子的持续运动,产生了变化的电场和磁场,最终形成了电磁场的传播,传播的是能量,即光子。
现在我们知道,光只是电磁波的一种,我们平时所说的光默认为可见光,实际上光的波谱范围极广,可见光只是其中极窄的一部分。
除了可见光外,还有无线电波、红外线、紫外线、X射线、伽马射线等。
电扰动也是电磁波,但波长极长,频率极低,通常被认为更像场。随着频率增大,波长变短,有的电磁波波长甚至小于原子半径,看起来更像粒子,而不像波。
简单来说,波长较长的电磁波更像场,波长较短的更像粒子,中等波长的最像波。总体上,光子即电磁波具有波粒二象性。
德布罗意的物质波概念表明,即便是宏观物体如人类,也有波粒二象性,但由于频率极高,波长极短,任何仪器都无法检测到人体波动,因此宏观物体通常表现为粒子性。
在现有物理学体系中,电子、光子等被视为基本粒子,不可再分。但随着科技水平的进步,未来或许能发现基本粒子也有内部结构,可以进一步细分。
如果继续细分基本粒子,最终会得到什么呢?
前沿的弦理论或许能提供答案。弦理论认为,基本粒子如电子并非基本的,而是由更小的波动能量构成的“能量包”,这些波动就是弦,有闭合的弦,也有开放的弦,它们不断振动,形成不同的基本粒子。
如果弦理论正确,科学家们就可以统一看似杂乱的基本粒子,从更微观尺度解释宇宙万物。通过探索弦的振动规律,科学家们可以寻找不同基本粒子的生成机制,包括一直寻求的引力子。
物理学家们已经对基本粒子进行了深入研究,建立了粒子标准模型,将基本粒子分为玻色子和费米子两大类。尽管如此,众多基本粒子的存在仍显得繁琐,不同粒子的作用和特性难以在现有物理学框架下统一。弦理论用振动的弦描述所有基本粒子,显得简洁许多,因此被寄予厚望,可能成为终极的大统一理论。
然而,弦理论虽然简洁,但弦的尺度极小,远小于电子和光子,无法在实验室中观测到,其具体振动模式更是难以探知。目前,弦理论更多停留在数学概念中,涉及复杂难懂的数学公式和高维度概念,难以在现实中验证,这正是弦理论尚未成为真正大统一理论的主要原因。
孩子,你相信光吗?
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