《物质信息论》第二章 三位一体的世界—物质、能量、信息 1

 第二章  三位一体的世界 —物质、能量、信息

 

在宏观世界里，物质、能量、信息以相互联系的不同形式来表现。信息表现的是物质存在的多样性和有序性；能量表现的是物质存在的非均衡性。能量包括势能和流动能，流动能指的是传递能和转换能。

    在量子理论所研究的微观世界里，物质、能量、信息得到了明显的统一。对于物质的存在形式不仅不能忽略任意小的能量的影响，而且也不能忽略信息的影响，这是因为对于任意微小的信息也不能忽略与它联系为一体的物质的质量和能量。相对论和量子论的出现都与信息跟物质、能量的密切联系有关：在量子论中，与信息密不可分的能量特性以及与任何微小能量密不可分的信息受到了重视；在狭义相对论中，信息的速度有限特性受到了重视；在广义相对论中，信息的速度有限性和与信息密不可分的质量特性受到了重视。而在经典理论中，这三者都被忽略了。

 

 

 

2-1  物质与能量

 

2-1.1  物质与能量的联系与区别

物质是个绝对概念，能量是个相对概念。如果说一物具有能量，那么这能量总是相对于另一物来讲的；如果说一物的某个状态具有能量，那么这能量总是相对于此物的另一状态来讲的。

有静质量的物质是能量的凝聚态（束缚态），是能量的“冰冻”形式，没有静质量的能量（光，引力场等）是物质质料的自由态（非束缚态），是能量得到充分表现的物质，也称为“纯能量”。凝聚态是存在于自由态中的非平衡态，具有势能 E=mc2，它的势能的释放是有条件的，就目前所知，需要正反物质相遇，或者，低势态环境。在低势态环境下，需要足够长的时间，质子的寿命大约为 1030 年，相当于现在宇宙年龄的一万亿亿倍。正是由于凝聚态的存在，宏观的动力学才有用。我们所知道的一些场，如引力场、电磁场都是自由态的能量形式，即没有静质量的纯能量形式。物理学家说这些“场”没有静质量，其实它们本来就不是静止的，而是以极限速度（c）运动的，而且“场”是有引力质量的，受万有引力的作用。 “场”所具有的能量可以通过质能方程式换算为质量。

凝聚态的物质也具有能量性（只要不处于绝对零度），这种能量性表现为波动性，其波动性越强，它的能量（动能）与其质量的比值就越大。质量特别小的物质粒子（费米子，如电子）表现出明显的波动性。量子论还告诉人们，不仅“场”具有波动性，电子具有波动性，一切凝聚态的物质都具有波动性质，即物质波，只不过像质子、中子这样的重粒子的波动性极其微弱罢了。从本质上讲，波动性是能量性，粒子性是物质性（或者说质量性），波粒二象性实质上是物质能量二象性。任何物质都具有这种二象性，只不过场粒子（如光子）的波动性更明显，而重粒子的物质性更明显。

不能因为E=mc2就认为物质和能量没有本质的区别。无论是动能还是势能，还是作为纯能量的光能，都体现着物质状态的差异性，而质量并不体现差异性。任何单个的物自体都没有能量可言，能量是伴随物质的相对关系的出现而出现的。单个物体不跟其他物体比较、不跟其他物体发生相互作用，它就没有运动，也没有动能和势能。光相对于任何物质都在以光速运动，所以光有能量。单光子对于自身而言却无所谓能量。但是单个的物自体却是有质量的。物质与能量虽然可以相互转化，但转化是有条件的。

能量是物质状态的差异，这是对于我们身边的这些有质量的物质体而言的，动能、势能、热能、光能等等，都是物质体状态的差异。反过来，如果对于“纯能量”的存在而言，或者说对于能量场而言，物质又是能量的差异。当一些能量在活动过程中“析出”了凝聚态的物质，那么这些能量就少了一部分，其前后的差异就是“析出”的物质的质量。例如，在一个能量场中突然出现了有质量的粒子，这就意味着这个能量场中的能量比之前少了一部分。因此，我们可以说，物质与能量具有共轭的关系，或者说，质量与能量具有共轭的关系。由于我们认识者都是物质态的，所以在物质与能量这一对共轭存在中，我们视物质为实体，能量为虚体。

能量与质量的可转化性使得两者适用同一个度量单位。

在普朗克单位制下，完全自由态是动能与质量之比等于1，即Ek/m=1 的状态，一般认为，光子是这样的一种状态；完全束缚态是动能与质量之比等于0，即Ek/m=0 的状态，也就是绝对零度。根据热力学第三定律，在多粒子系统中，绝对零度是不可能达到的，在多个束缚态粒子组成的系统中，会有一定的动能，我们可以认为这是束缚自由态。束缚自由态中的动能与质量相比是很小的，动能与质量之比接近于零。对于不可拆分的单粒子，我们可以认为它相对于自身是静止的，Ek/m=0；或者它的能量是完全自由的，永远以速度 c 运动，如，单光子，这时 Ek/m=1。