【原】科學(xué)研究的對象——物質(zhì)

項日算法 2023-02-08 發(fā)布于北京

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我一直都在一邊整理科學(xué)知識體系，一邊向大家介紹科學(xué)背后的邏輯體系。因為兩者相輔相成，才能讓你收獲最大。我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了牛頓三定律和萬有引力定律（關(guān)于萬有引力定律其實才剛剛開始），還有熱力學(xué)三定律。牛頓三定律是描述事物運動規(guī)律的，熱力學(xué)三定律是描述大量分子運動規(guī)律的。我們也了解了這些運動規(guī)律是如何被一步步被探索出來的。從歐幾里得《幾何原本》的公理體系到伽利略的數(shù)學(xué)-實驗方法，用這套科學(xué)方法就可以去研究世間萬物。

牛頓三定律研究某個物體的運動，我們主要認識了力、加速度、慣性的概念。熱力學(xué)三定律研究一大堆分子的運動，我們主要認識了溫度、能、熵的概念。但是我們好像都沒有好好介紹一下科學(xué)所研究得對象——物質(zhì)。今天我們好好談?wù)効茖W(xué)所研究的這個對象到底是怎么樣的。當(dāng)然有時候科學(xué)研究的不一定是某個物質(zhì)，可能是某一個現(xiàn)象。但是歸根結(jié)底，這些現(xiàn)象也是物質(zhì)的現(xiàn)象，所以還是物質(zhì)。

物質(zhì)是什么呢？你的第一反應(yīng)可能就是有重量的東西，我知道你的意思是說它們有質(zhì)量。還有呢？你可能說它們比較硬，肉眼可見等等，這都是比較直觀的認識。我們還記得第一次接觸到質(zhì)量這個概念是在哪里嗎？在牛頓第一第二定律的學(xué)習(xí)中。質(zhì)量是量度慣性的，質(zhì)量越大，慣性越大。能量是物體運動狀態(tài)的改變的量度，而慣性是物體的一種原有的運動狀態(tài)，所以二者似乎有關(guān)系，從而質(zhì)量和能量似乎也有某種關(guān)系。質(zhì)量和能量確實是有關(guān)系的，這種關(guān)系是被愛因斯坦的質(zhì)能方程明確表示出來的。

在物理上普適的定律、原理或者公設(shè)特別少，屈指可數(shù)。所謂普適，就是放之四海而皆準，永遠都是正確的。我們知道《幾何原本》是建立在五大公理之上的，量子力學(xué)也有五個公設(shè)。我們學(xué)的牛頓第一定律和熱力學(xué)第一定律應(yīng)該算是普適的定律了。

熱力學(xué)第一定律又叫能量守恒定律。其實能量守恒定律之前還有一個普適的定律，叫做質(zhì)量守恒定律。質(zhì)量守恒定律說，物質(zhì)不會憑空產(chǎn)生或者消失，只能從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種形態(tài)。這和能量守恒定律多么相似，簡直一摸一樣，只是換了主語。現(xiàn)在我們可以把這兩條定律合二為一，就是統(tǒng)一的質(zhì)能守恒定律。

物質(zhì)和能量之間的關(guān)系，是被愛因斯坦的質(zhì)能方程所描述的。質(zhì)能方程的數(shù)學(xué)表達是：E=mc2，這是你需要記憶的第三個數(shù)學(xué)公式。現(xiàn)代科學(xué)上，物質(zhì)和能本質(zhì)上是同一個東西，質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化成能量，能量可以轉(zhuǎn)換成質(zhì)量。從此我們關(guān)于物質(zhì)的認識，被擴大了。以后我們只要一提起物質(zhì)的質(zhì)量，你應(yīng)該想到的是質(zhì)量-能量。

回想我們學(xué)過的熱力學(xué)那部分知識，最難的恐怕就是熱力學(xué)第二定律了，尤其是熵的概念。一大堆分子在永不停息地做著運動，它們平均的動能其實就是宏觀上的溫度。分子在不停地變換著它的運動狀態(tài)，也就是說，它一直在改變著自己的能量，但是一定遵守能量守恒定律。一堆分子可能有不同的分布狀態(tài)，而且這些分布狀態(tài)的概率是不一樣的，分子肯定更有可能是處于最大概率的分布狀態(tài)，這就是熱力學(xué)第二定律的本質(zhì)，可以用熵來表示。熱力學(xué)第二定律的宏觀表現(xiàn)就是：熱量可以自發(fā)地從較熱的物體傳遞到較冷的物體。

熵能不能減少？一切都變得越來越混亂了嗎？熱力學(xué)第二定律就是絕對正確的嗎？對此，麥克斯韋有自己的思考。麥克斯韋做了一個思想實驗：假想有這樣一個小妖精，它能推測并控制單個分子的運動。一個絕熱容器被分成相等的兩格，中間是由“妖”控制的一扇小“門”，容器中的空氣分子作無規(guī)則熱運動時會向門上撞擊，“門”可以選擇性的將速度較快的分子放入一格，而較慢的分子放入另一格，這樣就實現(xiàn)了熵減，無序性減少了，和熱力學(xué)第二定律恰恰相反。

事實是，我們到目前為止沒有發(fā)現(xiàn)麥克斯韋妖的存在，熱力學(xué)第二定律依然是正確的。但是麥克斯韋妖的想法啟發(fā)了我們，也從另一個角度回答了為什么熵會增加。熵之所以增加是因為缺乏信息。你可以觀察下課時間孩子們在操場上是怎么樣的？肯定是到處都是，沒有任何秩序。但是如果這時候老師發(fā)出全體集合的信息，又會怎么樣呢？這時候操場上立馬就變整齊了，變得很有秩序。

認為“熵”是一個關(guān)于物理系統(tǒng)信息不足的量度的，是美國著名物理化學(xué)家吉布斯。吉布斯創(chuàng)立了向量分析并將其引入數(shù)學(xué)物理中，使事件的不確定性和偶然性研究找到了一個全新的角度，從而使人類在科學(xué)把握信息的意義上邁出了第一步。后來數(shù)學(xué)家香農(nóng)在題為“通訊的數(shù)學(xué)理論”的論文中指出：“信息是用來消除隨機不定性的東西”。創(chuàng)建一切宇宙萬物的最基本單位是信息。

不知道到這里你會怎么想？我們不是介紹物質(zhì)嘛，為何又講能量和信息（熵）？難道物質(zhì)、能量、和信息有某種關(guān)系？答案是確實如此，物質(zhì)、能量和信息，某種程度上是一個東西。研究物質(zhì)和能量，可能到最后都是研究的是信息。可能最終的定律用一個關(guān)于信息的方程就解決了。當(dāng)然這一切都只是在發(fā)展的過程中，最終是什么樣的，目前還很難知道。

希望上面的理論對你有所啟發(fā)。為了讓你有一個更清楚的認識，我用我們?nèi)粘５纳钤賮斫庹f一次。人與人之間相處，最高級的是信息，其次是能量，可以看得見的是物質(zhì)。人與人之間的問題本質(zhì)上都是溝通上的信息不暢。信息郁積，人就會發(fā)火，和別人吵架等等，這就是能量的發(fā)泄。情侶之間吵架了，贈送個禮物吃個飯也就沒事了，這屬于物質(zhì)層面。但是物質(zhì)層面上解決問題可能只是治標不治本，問題歸根結(jié)底還是溝通的問題。

廖一梅有一句話，我特別喜歡。她說——在我們的一生中，遇到愛，遇到性，都不稀罕，稀罕的是遇到了解。如果從物質(zhì)、能量和信息的角度來看，性就是物質(zhì)，愛是能量，了解就是信息。當(dāng)然這三者沒有高低貴賤之分，只是屬于不同層次而已。人的結(jié)構(gòu)有天生的局限性，很難像三體人一樣做到信息通達。但是只要我們每個人努力，不虛偽，真誠真實，就一定可以做到良好的溝通。只有溝通暢通，我們才可以做到心態(tài)平和、享受物質(zhì)帶來的滿足與快樂。

寫到這里，感覺有一種雞湯的味道。但是也請你干了這碗雞湯，因為它是科學(xué)的雞湯。接下來最后我們講一些更加實在的知識吧。簡單點說，實物粒子和場統(tǒng)稱為物質(zhì)或者有能量（質(zhì)量）的統(tǒng)稱物質(zhì)。關(guān)于質(zhì)量和能量，我們上面說了很多。我們現(xiàn)在主要說說實物粒子和場。

關(guān)于物質(zhì)的認識，人類首先認識的肯定是實物。這是再明顯不過的，桌子、椅子、房子等等，我們的世界充滿了實物。其次是人們對粒子的認識。我們學(xué)習(xí)熱力學(xué)知道，玻爾茲曼是因為粒子是不是真實存在這個問題而自殺的。經(jīng)過粒子物理的發(fā)展，我們已經(jīng)不會對粒子的真實存在有所懷疑了。而且關(guān)于粒子的認識，我們已經(jīng)積累了很多知識。我們知道物體是由原子構(gòu)成的；原子由質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成；電子是不可分的，而質(zhì)子和中子是由更小的夸克構(gòu)成的；夸克是目前已知的最小粒子，一共有6種；目前已經(jīng)建立起了由基本粒子構(gòu)成的標準模型。

還有一種形式的物質(zhì)叫做場，這是大家比較陌生的。場的概念是法拉第最先提出的，它是被用來表示電學(xué)和磁學(xué)上力的作用線的。后來被麥克斯韋引用而建起了偉大的麥克斯韋方程組，麥克斯韋方程組是關(guān)于電磁學(xué)統(tǒng)一描述的公式，但是它更是關(guān)于場的描述方程。經(jīng)過很多實驗驗證，場最終被確定為真實存在的物質(zhì)，而不僅僅是一種概念。

關(guān)于物質(zhì)的認識遠還沒有結(jié)束，科學(xué)家正在探索暗物質(zhì)和暗能量。暗物質(zhì)和暗能量目前只是一種理論推測，真實到底是怎么樣的？會不會也像場一樣真實存在？目前沒有人知道。不管怎么樣，新的物質(zhì)對應(yīng)著新的理論。無論是我們先發(fā)現(xiàn)物質(zhì)從而再發(fā)展出理論，像經(jīng)典力學(xué)，還是先發(fā)現(xiàn)理論再確認物質(zhì)的存在，像場的概念，都將會是人類在科學(xué)上的巨大進步。