第六讲 物质世界与现代物理统一理论
本讲涉及到较深的物理学和哲学问题。本来打算不讲这个内容，但是，要真正认识我们的世界（宇宙），必须讲这个内容，大家必须了解这方面的内容。当你了解了这方面的知识后，你就会感叹：呵，原来我们的世界既是如此的深奥，又是如此的“通常”，既是这样的无限多彩又是如此的简单统一。有如人生。
世界是物质的，物质是统一的。从哲学角度讲，物质的统一性包括：(1)宇宙是统一的，因为我们的宇宙只有一个，所有物质统一存在于一个宇宙之内；(2)宇宙的统一性就在于它的物质性，即宇宙统一的基础是物质，而所有物质都是由构成物质分子的最基本单位（如夸克）组成的；(3)物质宇宙的统一性是多样性的统一，而不是单一的无差别的统一，宇宙的物质统一性以具体物质形态的差异性、多样性为前提，这是因为物质是变化的，我们的宇宙而始至终处于运动和变化之中。
这就说，宇宙间的一切事物和现象，包括精神和意识，归根到底都是物质的表现形态或物质的属性和存在形式；世界上的一切发展、变化及其过程都是物质运动的具体表现。我们的世界“除了运动的物质以外，什么也没有。”
如何认识世界是物质性的。人类认识世界是从认识物质开始的，中国古代学者认为万物是金木水火土五种基本元素构成的。今天，我们可以透过物质的外在而深入物质的内部去观察物质的“质”。
物质是客观存在的，但是物质有我们看见和看不见。在看不见的物质中，有的可以借助先进技术工具进行观察，也可以看见，有的无论如何是不能直接看见或观察的到的。所以，大家要知道：眼不见为实，这句话是有很大局限性的。在我们的世界中，有很多物质和现象是我们不能直接观察到的。
但是，既是客观存在的，我们最终总是可以认识它的，只是时间和方法问题。
对于一般意义上的物质，我们比较容易认识和观察清楚。因为，物质具有形态、属性、结构与尺度，并且总是在运动着。
近几十年来，我们似乎认为，研究微观粒子世界，对于研究天体宏观世界意义不大。今天，我们发现，微观粒子决定了宏观世界。
宇宙和微观世界。我们知道宇宙是由物质组成的，物质是由分子和原子组成的，分子和原子是由其它更小的物质单位组成的。现在我们有非常先进的观测工具，可以看清楚比针尖还小几百倍、甚至几十万倍的“细微”物质及其结构。将来我们还可以制造出更加先进的“量子显微镜”，这样就可以观察到微观世界里的一切物质及其构成。观察微观物质，主要是观察其尺度大小、物理和化学属性、结构、运动状态、运动规律及其运动变化的结果。
物质的状态总是在不停地发生变化的，体积发生变化是见得到的，但是物质的内在变化我们通常不能直接用目观测，内在变化是构成物质的分子在排列方式上发生了变化。
物质的结构是奥妙的。例如，把糖分割到分子时，糖分子还保持着糖的性质，如果再分下去，更小的微粒就不再是糖，而是原子，原子就不具有糖的性质。我们过去只知道物质是由分子组成的，分子又是由原子组成的，有的分子由单个原子组成，有的分子由多原子组成。20世纪初，科学家发现，原子也具有结构，它的中心是原子核，在原子核周围，有一定数目的电子在围绕原子核不停地运动着。今天科学家们发现原子也是由其它更小的“粒子”组成的。人们不禁要问：构成物质最小的基本单位是什么东西？是夸克？是弦？还是“其它”？
物质内在分子的性质与变化更是神奇和惊人的。小小的氢弹只所以能有如此的威力，就是物质分子结构及其化学性质的原因。
一切物体都具有质量。质量是一个基本物理量，是物体惯性大小的量度，质量又与能量相联系。在生活中，人们还习惯上把物理学中的质量叫做重量，其实这是不正确的，重量是因为地球的引力而存在，重量与质量是两个不同的概念。
密度反映的是物质本身所具有的特性。通俗地去理解，密度大的物质比重大，这是因为物质内部的“分子”结构排列“紧密”，物质内部“分子”结构排列越“紧密”，其密度就越大。宇宙在大爆炸之前的密度可以说是无限大。
认识微观物质，不是为了认识而认识，而是为了人类的幸福与和平。譬如，研究表明，当物质小微粒小到1～100 nm时，物质的属性一般会发生比较显著的变化，例如大块金子是黄色的，10 nm的金颗粒是绿色的，而1 nm的金颗粒是红色的。自从我们认识了纳米技术后，可以利用它在某一特性方面的变化来改变原材料的效能。随着今后我们对纳税技术的不断提升，其对于人类的健康、幸福与和平是极有帮助的。
地球与宇宙宏观世界。地球及其他一切天体都是由物质组成的，物质处于不停的运动和发展之中。不仅地球，就是地球上的空气、岩石、高山、大海、树木、花草、鸟、兽，等等，也都时时处于运动和变化之中。这种变化是有规律的，若能完全认识其规律，显然可以为人类所用，造福于人类。
宇宙无限广阔，无限奥妙和丰富多彩。宇宙怎么会是一个比芝麻还要小很多倍的“点”演变而来的呢？
银河系只是宇宙中的一个星系，但一束光从银河系的这头传播到那头已经需要十万光年，而太阳系只是银河系中一个小家庭，宇宙之中难道只个一个人类家庭？
宇宙之大，决非你我所能想象，宇宙之中，决非你我所能所思。
考察宏观世界，也决非为考察而考察，而是为了人类的和平。因为，我们通过考察宏观世界后，发现地球和太阳都是有寿命的，太阳和月亮对地球都是有影响的，许多地球灾害都与之密切相关。人类可以减少地球灾害吗？可以认识灾害发生的原因及早预防以减少灾害损失吗？
现代物理统一理论与量子物理学。现代物理理论中，以量子力学与相对论为基础创建的物理学统一理论，统称为现代物理统一理论。
我们的宇宙世界是物质的，物质是由“粒子”组成的。反过来也可以这样说，“粒子”是客观存在之物，我们称之为客体，粒子及由粒子组成的所有客体的集合，称为物质世界。描述物质世界行为统一性的物理理论，就是物理学统一理论。这一理论是由近代一部分著名科学家提出来的。
要建立统一的物理理论并非易事，因为它必须要解决以下矛盾：量子理论与相对论的统一。了解量子力学与相对论的都知道：它们都有各自特定的完全不同的描述对象，各自也都有自身无法解决的疑难或逻辑悖论，而且它们的逻辑基础，量子力学具有随机不确定性，而相对论则具有因果确定性，二者并不具有相互自洽的协调性，如果说这是物质世界相互补充的两个方面，这也正好就说明它们都不是普遍描述物质世界的真理。由此有理由怀疑：量子力学与相对论由于都不是普遍描述物质世界的真理，因此它们也难能成为物理学中描述物质世界行为统一性的理论基础；以量子力学与相对论为基础创建的现代物理统一理论，对描述物质世界行为统一性并不是有效的，至少目前来说是如此。
现在，我们是否已找到了答案呢？
在现代物理理论探索中，规范场标准模型的最基本组成单位（基元）是夸克、轻子及传递力作用的玻色子，有61种之多，其中弦就有十维超弦。科学家相信“弦”的振动是物质—宇宙运动和变化的“源”。
超弦理论是否就是现代物理的统一理论，或者叫万能理论，或者叫终极理论呢？
目前看来，是。
或者在超弦理论基础上，再前进一步，就是了。
但是，从逻辑上说，宇宙间没有终极理论，若有终极理论，那么，现代物理学研究的框架不就定型了吗？即便我们发现了宇宙统一理论，难道可以说，宇宙间的一切问题都可以解决了吗？
宇宙间的事物与问题远远不止于此。因为，我们迄今为止，研究的对象都是正物质。科学家们惊叹：宇宙间居然存在反物质，而且反物质的质量从理论上讲与正物质相等。
反物质仍然是物质。反物质是相对于正物质而言的。反物质可以理解为一切反粒子及其集合的总称。反粒子是相对于“正”粒子而言的。按照量子场论，反粒子和它所对应的正粒子都是同一场的激发，它们之间以确定的方式相联系。粒子和与它对应的反粒子有某些物理量完全相同（如质量、自旋等），有些物理量大小相等但符号相反（如电荷、磁矩、奇异数等）。对于某些粒子来说，用于区分正反粒子的所有物理量为零，这些粒子的反粒子就是它们自身，这种粒子被称为真中性粒子。例如，正电子是电子的反粒子（正电子带正电，电子带负电），反质子是质子的反粒子（质子带正电，反质子带负电），光子则是一种真中性粒子。正粒子和与它对应的反粒子相碰可以转变成光子或介子，这个过程称为正反粒子对湮没，其反过程也存在。例如,正、负电子可以湮没成光子,光子在一定条件下也可变成正、负电子对。
20世纪60年代以来，关于强子结构的夸克模型获得重要进展。按照夸克模型,强子由夸克和反夸克组成,例如重子由3个夸克组成，介子由正、反夸克组成。另一方面，现代宇宙学中有一种假说，运用反物质和正物质对称的观点研究宇宙的起源和结构，推测可能存在大量反粒子集中的反物质区域，认为反物质和由正粒子组成的物质体系相碰，也会发生湮没，并认为这种湮没及其反过程在宇宙的演化中起着重要作用。反物质的发现和有关物质的物理学说的发展，说明了物质形态的多样性和统一性。
反物质是正常物质的反状态。当正反物质相遇时，双方就会相互湮灭抵消，发生巨大爆炸，并产生巨大能量。能量释放率要远高于氢弹爆炸。根据大爆炸理论，宇宙诞生之初，产生了等量的物质与反物质。目前，人们发现和制造的反物质粒子虽然不多，但正电子作为反物质的一种形式美已经有了许多实际用途，例如，正电子发射X射线层析照相术（PET），医生利用它对人体进行扫描，不仅能得出病人软组织的详细图像，而且能够观察人们体内的化学过程以及在进行认识活动时大脑各部分消耗“燃料”的速度。
反物质正如你所想象的样子——是一般物质的对立面，而一般物质就是构成宇宙的主要部分。直到最近，宇宙中反物质的存在还被认为是理论上的。在1928年，英国物理学家修改了爱因斯坦著名的质能方程（E=mc2）。他说爱因斯坦在质能方程中并没有考虑“m”——质量——除了正的属性外还有负属性。他的方程（E=+或者-mc2）允许宇宙中存在反粒子。而且科学家们也已经证明了几种反粒子的存在。这些反粒子，顾名思义，是一般物质的镜像。每种反粒子和与它相应的粒子有相同的质量，但是电荷相反。以下是20世纪发现的一些反粒子。
正电子——带有一个负电荷而不是带有一个正电荷的电子。在1932年发现，正电子是反物质存在的第一个证据。
反核子——带有一个负电荷而不是通常带有一个正电荷的核子。由研究者们在1955年的伯克利质子加速器上产生了一个反质子。
反原子——正电子和反质子组合在一起，由CERN的科学家制造出第一个反质子（CERN是欧洲核子研究中心的简称）。共制造了九个反氢原子，每一个的生命只有40纳秒。到1998年CERN的研究者把反氢原子的产量增加到了每小时2000个。当反物质和物质相遇的时候，这些等价但是相反的粒子碰撞产生爆炸，放射出纯的射线，这些射线以光速穿过爆炸点。这些产生爆炸的粒子被完全消灭，只留下其它亚原子粒子。
1955年，在美国的实验室中反质子被找到了。后来，又发现了反中子。60年代，基本粒子中的反粒子差不多全被人们找到了。一个反物质的世界渐渐被科学家像考古般地"挖掘"了出来。
反物质的发现，使人们自然地联想起了本世纪的许多不解之谜。
1908年6月30日凌晨，俄国西伯利亚通古斯地区的泰加森林里，突然发生了一场剧烈的大爆炸。随着一道白光闪过和一声天崩地裂般的巨响，一片沉睡的原始森林顷刻化为灰烬。大火吞没了数百公里之内的城镇和生命，融化了冰层和冻土，引起山洪爆发、江河泛滥，仿佛"世界末日"到了。通古斯爆炸震惊了全世界，"通古斯"也一夜之间名扬全球。世界上其他国家相继派团考察，但至今通古斯大爆炸之谜依然众说纷纭，莫衷一是。其中一种说法便认为是反物质引起的"湮灭"现象。因为这种能级的爆炸除非是流星或陨石坠落，否则无法解释，而那里却没有任何陨石碎块。
1979年9月22日，美国的一颗卫星拍摄了发生在西非沿海一带的酷似强烈爆炸的照片，经分析，它的强度相当于一次核爆炸。当时，只有美、苏、英等少数几个国家拥有核武器，谁会到如此遥远的地方进行核试验呢?美国政府几经调查，否定了核爆炸的可能性，认为是卫星和陨石撞击使仪器发错了信号，但第二年，这颗卫星又在同一海域记录到了与上次相同的现象，令政界和科学界大惑不解。对坚持通古斯大爆炸是反物质"湮灭"现象的科学家来说，又多了一个论据。
反物质的研究者认为，宇宙中存在着我们看不见摸不着的"反物质世界"，它的基本属性同我们周围的世界正好相反。反物质的原子核是由反质子和反中子构成的"负核"，外有正电子环绕。反物质一旦同我们世界的"正物质"接触，便会在瞬间发生爆炸，物质和反物质变为光子或介子，释放巨大能量，产生"湮灭"现象。物质和反物质相遇所产生的爆炸把两种粒子的质量转换成能量。科学家们相信这种方法产生的能量比任何其它推进方法产生的能量强的多。
"反物质说"虽然只是科学上的一种假说，还有待证实，但反粒子等"负性物质"是确实存在的，而且现在又发现了反氘、反氢、反氦等等一系列反物质。
发现了反物质，进一步证明了宇宙世界的物质性和物质的多样性。宇宙的统一性就在于宇宙世界是物质的，并且物质必是由一个最基本单位（基元）构成。 |
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