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关于时间空间,质量能量,宇宙黑洞奇点,信息与结构,以及熵

 书蠹之家315 2018-10-01

时间的本质

最简单的理解,时间是用来描述变化的度量,没有变化就没有时间。如果宇宙全部的一切都静止不动了,时间也就不存在了。

想要一切都静止不动,就需要微观粒子停止运动,因为海森堡不确定性原理指出,无法同时精确的获得粒子的位置和动量。粒子绝对静止,动量为零,位置确定,就违反了不确定性原理,所以粒子无法静止不动。

不确定性是粒子内在的秉性,既波粒二象性,要测量粒子准确的位置就要波长尽量短,波长越短就越呈现非连续化的粒子特性,对被测粒子动量干扰就越大,而要测量准确的速度就要波长尽量长,波长越长被测粒子的位置就越不精确。

可以有两种方式来理解不确定性。第一种,确定就需要观测,而观测本身会影响观测结果,导致不确定。第二种,粒子的状态呈现一种概率,是粒子固有的秉性,精确性受到了更为深刻和本质的限制。如果可以确定,那么只要有足够的数据,未来就可以是确定的了。

微观无法停止变化,就表明时间是必须存在的,而微观物质的变化,可以用量子态来计数(度量或表示)。

量子态,由一组量子数所确定的微观状态。量子数,是表征微观粒子运动状态和性质的一些特定数字。而量子,是最小化不可分割的基本个体。量子化,就是存在非连续,呈现离散数值的量子个体。

相对论认为时间,空间,物质三者不能分开解释,它们是宇宙的基本结构。从某种角度说,时间是依附在物质变化上的,必然不能独立存在。

还有一些理论认为,时间不是连续的,而是量子化的,最小的时间单位就是普朗克时间(普朗克长度/光速)。微观粒子能量变化的非连续性,会让时间也一起变的非连续。但这不重要,所有对时间不同角度的描述,最终都会落实到物质变化上。

空间的本质

因为有了物质,物质变化的呈现就是空间,比如长宽高,比如位置差,比如大小方向。所以时间和空间是紧密联系不可分割的时空,都依附于物质的变化,而物质的变化是来自于物质之间的互相作用,这些作用形成的特性,也会体现在时空上。

空间感的最主要来源就是空。曾经人们觉得真空是没有任何物质。但量子场论认为真空,并不是没有任何物质,而是充满了场和能量。场是一种存在于时空中,看不见摸不着但确实存在的物质,比如引力场、电磁场、夸克场、电子场、中微子场、光子场、希格斯场,等等。场是物质发生作用的范围,并能够被量子化激发产生能量和动量,与微观粒子发生互相作用。

真空中的场处在能量最低的状态,也就处在了绝对零度。这时场中的虚粒子(确实存在有可观测效应,但无法直接观测到),能量为零,动量为零,因为不确定性原理,粒子就会表现出随机振动,从而无法获得其精确位置。这时候的振动就是零点振动,获得能量就是真空零点能,零点能就是量子真空的能量。

可见空间并不是空的,里面充满了场和能量,而时空与物质是不能够分割开来看待的,就像一个共同事物的本质,所呈现的不同表象

曾经人们认为宇宙空间中,充满了一种以太的物质,看不见摸不着。后来爱因斯坦在狭义相对论中否定的了以太的存在,当然科学实验也一直未能找到以太存在的证据。在后来广义相对论不断的被验证正确,可以解释越来越多的实验结果,爱因斯坦坦言广义相对论更像是一种场论。而同时量子场论在微观构建出了自己的场,并试图兼容引力场(仍未有结果)。

宏观的质量

首先牛顿提出了牛顿第二定律,并定义了惯性质量,就是物体改变运动状态的难易程度的度量。就是说,质量越大越难以改变运动状态,质量越小越容易改变运动状态。 (后来发现运动状态可由动量变化替换)

接着牛顿发现了万有引力,于是有了引力质量,就是物体互相之间吸引力大小的度量。质量越大,吸引力越大,质量越小吸引力越小。这种吸引力可以体现在重力上(产生重力加速度),也就是通常在地球上测量出来的重量大小。(后来发现引力由引力场产生,引力质量产生引力场)

我们可以看到,惯性质量需要通过加速度和力(或动量变化)才能测得,在坐标系静止的物体就没法测出惯性质量。但是引力质量是物体自身的原因,就算静止也可以测得引力质量。通过实验发现,引力质量和惯性质量严格成正比例关系

然后,爱因斯坦发现等效原理,就是引力质量产生的重力加速度,与惯性质量相关的运动加速度等效,引力质量可以等效于惯性质量。这说明了引力质量和惯性质量,是同一个本质原因产生的不同角度的表现。

在后来,爱因斯坦的广义相对论,把引力场解释为时空弯曲的原因,这样时空弯曲就形成物质之间的互相吸引,而引力质量越大时空弯曲越厉害,形成的引力场就越大,吸引力就越大。引力质量就变成时空弯曲程度的度量。同样等效的惯性质量,也会让时空弯曲,那么就是加速运动导致时空弯曲,形成了引力场。

就如前面所说,物质和时空是一体的,是同一事物体现出来的不同特性,而质量代表着物质一种状态的度量,这种状态本质也会影响着时空的变化,所以质量和空间弯曲产生了表面的联系

然而,爱因斯坦的狭义相对论还推导出了质能方程,找到了质量和能量的关系。这预示着,质量和能量之间有着等价的转换关系,但有两点值得特别说明。

第一,针对这个质量和能量的等价转换关系。有人说,其实没有质量,全部都是能量,质量只是能量的度量。也有人说,其实没有能量,全部都是质量,能量是质量的度量。还有人说,质量和能量是可以互相转化的。

这些是从不同的角度,对等价关系理解和描述。在微观粒子的实验中,正反粒子湮灭质量可以转化成了光子的能量。也有高能粒子对撞让能量生成了新的粒子。宏观的看这是质量和能量的互相转化,微观的看这是一种毁灭和另一种重生。但宇宙中总的能量和质量是守恒的,只是它们之间的比例在变化。

第二,就是在这个等价关系中,当能量是总能量的时候,质量就是动质量。动质量包括了静质量与相对质量。静质量是物质固有的质量,与运动无关,就像引力质量一样。而相对质量是运动相关的质量,运动产生动能,动能是能量,自然可以等价于质量。所以,动质量就是静质量加上动能转化的质量

所以狭义相对论说,速度越快质量越大,这个质量是动质量,增大的是相对质量,静质量不会增加。当速度接近光速的时候,相对质量会接近无穷大,加速需要的能量就需要无穷大,从而阻止了物体抵达光速。

但如果没有了静质量,运动产生的静质量的动能也就不存在了,这样相对质量也就没有了,更不会随速度而增加。所以,如果没有静质量,速度就可以抵达到光速,比如光子。

可见,有了质能方程。质量的来源除了固有的静质量以外,有很多的等价方式。比如加速度可以等效重力场,相当于模拟了引力质量。比如有静质量有速度就会有动能,动能是能量等价于相应的质量,就是相对质量。而有了质量,就会让时空弯曲,产生一系列的影响。

对于质量,我们需要改变是“物质的多少”,“重量”这些直观的感受。质量其本质,是在度量物质互相作用产生的结果的难易程度,从宏观到微观都是如此。有趣的是物质互相作用,是能量的传递和交互,能量与质量又等价,这就像同一种事物的两种状态在某个规则下互相转换。

静质量

有了静质量就无法抵达光速,而没有静质量就可以抵达光速。静质量一定对应了物质一种特别的存在。如果有静质量,加速度可以产生等效的引力质量,高速运动产生的能量又等效于相对质量。而这些引力质量和相对质量,相当于放大了静质量的效果。

如果没有静质量,比如光子有能量,能量可以等价质量,所以光子有质量,动能和动量。但这里等价的质量却不能让时空弯曲,产生引力场,更没有时间的概念。可见静质量与能量,可以等价,却有着本质的区别。静质量转化为能量之后,就失去了物质与时空的关系。那么时间也可以看成是静质量变化的度量,没有静质量也就没有时间

物质微观组成

宏观物质是由微观的粒子组成,微观粒子从大到小,由分子到原子到质子中子,最后到基本粒子,而基本粒子就是目前不再可分割的粒子。

这里不可分割的意思是,无法检测到其内部结构,所以也就无法在分析其组成结构。基本粒子主要由三大类(每一类又有多种)构成,夸克,轻子和玻色子。其中,夸克和轻子又称费米子,玻色子中有一类称规范玻色子

夸克与轻子,也就是费米子,形成了物质最开始可被观测的结构,而玻色子则提供粒子之间的相互作用,其中规范玻色子提供粒子之间的作用力。

分子由多个原子构成,原子(化学反应不可分割)由质子中子(原子核)构成,质子中子只有原子的十万分之一,而每个质子中子由三个夸克构成,夸克只有质子中子的万分之一,并且夸克不能被直接观测到,或被分离出来,只能通过其构造的复合粒子进行研究。如果原子是一个足球场,原子核只是足球场中的一个铅笔大小。

目前已知的力有四种,强力,弱力,电磁力,引力。而这些力由规范玻色子传递,传递方式是碰撞交换玻色子。那么,强力是由胶子传递,弱力是由W和Z玻色子传递,电磁力是由光子传递,引力是由引力子(未证实)传递

胶子,W和Z玻色子,光子,引力子都是规范玻色子。另外,还有一个特别的玻色子,是希格斯玻色子,它的作用不是传递力而是产生质量,这也是质量最根本的来源。质量产生方式是,希格斯玻色子在希格斯场里被量子化激发(类似电磁场的原理),通过自相互作用而获得质量。也就是希格斯玻色子在希格斯场里吸收或辐射场本身,从而获得质量,然后希格斯玻色子再与其它粒子耦合,从而让其它粒子也获得了质量,所以,其它粒子与希格斯玻色子耦合越强,获得的质量就越大。而根据标准模型理论,宇宙空间中的各处都充满了希格斯场,希格斯场引起自发对称性破缺,并将质量赋予规范玻色子(W和Z玻色子)和费米子(夸克与轻子)。

光子,引力子,都没有静质量,所以它们的速度都是光速。光子在电磁场中传递,引力子在引力场中传递。由于没有质量,传递的距离是无限远,所以电磁力和引力是长程力。

胶子也没有静质量,所以它也是光速,但它不在场中传递。它有一种叫做色荷属性,这种特性让胶子不仅可以传递强力,胶子之间也会强互相作用,由于胶子之间的强互相作用,束缚了强力的传递距离,所以强力是一种短程力。

W和Z玻色子,具有很大的质量,限制了它的传递距离,所以它是短程力。电弱统一理论,统一了弱力与电磁力。这意味着弱力与电磁力,是同一个互相作用不同的表现而已。所以,W和Z玻色子即参与弱力,也参与电磁力。

希格斯玻色子,具有很大的质量,只在希格斯场里发挥作用,它的作用就是把质量传递给W和Z玻色子。而W和Z玻色子传递的是弱力,所以有弱力参与就会获得静质量。而胶子和光子没有静质量,是因为与希格斯玻色子不耦合。

现在,我们在看,夸克与轻子拥有静质量,是构成物质的基础。夸克由强力束缚在一起,并有四种力的互相作用。轻子由弱力和电磁力束缚在一起,参与了非强力作用。所以,夸克和轻子的静质量都是来自于弱力作用,也就是希格斯粒子的作用

另外,光子在电磁场中传递电磁力,光子没有静质量。轻子参与弱力和电磁力的作用,而弱力和电磁力是同一个作用,所以轻子关联着光子。夸克维持了物质的稳定,轻子关乎着物质的放射与裂变。可以想象,静质量起源于希格斯粒子,最后会转变成光子携带的纯能量。或许这就是静质量和能量在微观的变化

最后,粒子具有对称性,每一种粒子都有一种反粒子。反粒子与所对应的粒子在质量,自旋,平寿命和磁矩大小都相同。如果带电,则两者所带电量相等符号相反,另外磁矩和自旋的取向关系也相反。正反反粒子相遇就发生湮灭,变成携带能量的光子(无静质量),即粒子静质量转变为能量。相反,两个高能粒子碰撞时有可能产生一对新的正反粒子,即能量也可以转变成具有静质量的粒子。

值得一提的是,引力子在引力场中传递引力,并且引力子是没有静质量可以抵达光速,所以引力波也是光速传播。如果引力来自于引力子的作用,那引力场的吸引力就不在需要时空弯曲来解释,并且光的弯曲可以理解为引力子和光子之间的互相作用,而不是时空弯曲的原因。但引力子并没有被证实存在。

微观的质量

前面说了,质量的本源来自于,希格斯粒子在希格斯场中的量子化激发,通过自相互作用而获得质量。

但有趣的是,三个夸克被胶子组合在一起,构成了一个质子。其中胶子负责传递强核力,没有静质量。而三个夸克的静质量加起来却远远小于一个质子的静质量。那么,质子除了夸克贡献的质量以外,其它的质量来自何处 ?

第一,夸克和胶子在互相作用,这是强核力的传递过程,这个过程产生的能量贡献了一部分质量。

第二,夸克和胶子的自旋角动量,贡献了一部分质量。

第三,夸克和胶子被禁闭在狭小的时空内,根据不确定性原理,它们就会具有不小的动量,从而产生动能。于是夸克和胶子的动能又贡献了剩下的质量。

由此看到,质能方程在最微观处,把质量和能量混合了起来。另外,没有静质量的玻色子,它们有能量(通过频率计算),有了能量就有等价的质量,这里就是相对质量,而有了质量(本身有速度)也就有了动量和动能。(不同物质的能量计算方式不同,一旦有了能量,就有了等价的质量)

时间膨胀

在狭义相对论中,指出速度越快时间越慢,速度达到光速则时间停止。这是已经验证的现实,其原因在于光速恒定不变,也就是相对于任何惯性参照系光速都是绝对数值,这也是已经验证的现实。时间膨胀是基于光速不变的前提,直接公式推导出的结论。

理解起来是这样的,时间是距离除以速度来得到(t=d/v),利用光(光速不变)走过的距离来就可以用来计时。比如一个事件,是光走过固定的距离,事件发生在运动的惯性系(光源在运动的惯性系),有速度和静止的双方观测计算同一个事件,但有速度的一方因为自己的运动,在静止一方看来,光走过的距离要更长。前提是光速针对有速度和静止双方都是一样的,这是客观的存在,所以静止方就会觉得事件的时间变慢(t变大=d变大/c不能变),而有速度方觉得事件的时间是正常的。同理发生在运动方的任何事件,对静止方来说时间都慢了,而运动方感觉是正常时间。

而运动方抵达了光速,运动方就与事件光(光源)同步了,事件光也就永远无法走过固定的距离了,时间也就不存在了。

在广义相对论中,引力质量会让时空弯曲,时空弯曲意味着时间和空间一起被拉长,时间也就变慢了。而引力质量等效于惯性质量,所以加速度会导致时间变慢。而根据质能方程,速度越快,动能越大,能量等价质量,所以相对质量越大,同样会引起时空弯曲。这也从另一方面解释了狭义相对论中,速度越快时间越慢的原因。

而当质量极大,大到让时空弯曲度无限大,时间也被无限拉长,也就相当于慢到停止了。这时候连光都无法从这个时空弯曲中(引力场)逃逸出来,时间也就不存在了(也没法观测计时)。

所以,相对论中影响时间变慢的有三个因素,高速运动,加速度运动,或者靠近引力场(产生重力加速度)。

而从微观角度看,时间变慢意味着物质变化减慢,也就是静质量的变化减慢。如果没有静质量,也就没有了物质变化,速度就会抵达光速,同时没有了时间意义,可以理解为时间停止。由此也能看到,更多的静质量,时间变化就慢,更少的静质量时间变化就快。而时间的变化和静质量相关,也就是和自身的状态相关,从而宏观上时间是相对的,没有绝对统一的时间度量

人类感知时间依靠的是内在的生物钟,环境光照,以及环境信息的相对变化。如果环境时间统一变慢,这是人类感知不出来的,所有一切的规律和变化被认为是正常。只有跳出这个环境,通过对比才知道时间的快慢。

超光速

在狭义相对论中,光速是物体运动的极限速度,更精确的描述是质量、信息和能量的传递速度不能超越光速。在前面我们看到,质量和能量有等价的关系;其实在后面我们还会看到,质量和信息也有等价的关系。

在狭义相对论的数学公式求解中,却存在一个有质量有信息超越光速的解,此时对应的质量是虚质量,而这个解对应的物质就被称为,快子。

虚数,在数学上就是平方等于负数的数,与实数对应,意义是虚幻不存在的数。数学上引入虚数是为了简化计算和问题,扩充数学维度;而在物理上一直都是使用实数的。所以,虚数不具有物理意义,也无法对应现实世界的客观存在。

亚光速的物质,就是通常拥有质量的普通物质,速度越快需要的能量越多,抵达光速理论上就需要无限多的能量,这是不肯能的。超光速物质,就是拥有虚质量的物质,如快子,它们始终是处在超光速运动的状态,相反对它注入能量越多速度就越慢,但要抵达光速,理论上同样需要无限多的能量,这也是不肯能的。

可见,狭义相对论的光速是一个屏障或说是壁垒,阻止了亚光速和超光速,各自抵达光速

如果从数学公式上看,速度越快时间就会越慢,如果从亚光速抵达了光速屏障,时间就会停止。这时,速度继续增加,也就是从亚光速加速到超光速,时间就会变成一个虚数,在这个时空观里时间的方向就会发生逆转,获得时间倒流的结果。

虚数在数轴上其实可以代表着旋转的意义,虚时间就是时间旋转了180度,相对于正时间,变成了负时间。

另外,不考虑信息的传递,有很多事物是可以超越光速的,比如影子,人浪,还有量子纠缠。

这里用人浪来解释一下信息传递:

第一种,有信息传递的人浪。后一排看到前一排的人坐下,才站起来,这样形成的人浪依赖观察前排坐下的信息,这个信息是光速传递的,所以这个人浪无法超光速。

第二种,无信息传递的人浪。试想后一排站起来与前一排没有任何关系,是约定好的时间点。这时,前后排的距离是d,前后排的站起来的时间间隔是t,这个d和t都是人为约定的,所以速度v=d/t,可以让d很大,t很小,从而让v超越光速。比如,前排在地球坐下,后排在月球站起来,站起来不需要坐下的信息,所以这个人浪可以超光速。

大统一理论

所谓大统一理论,又称万物之理,也是科学的终极理论。在自然界中,乃至整个宇宙之中,已知有四种最基本的力,就是强力,弱力,电磁力,与引力。理论上宇宙中的一切现象都可以用这四种力来解释,如果有一种理论模型可以统一解释这四种力之间的互相作用以及关联,那么这个理论模型就是大统一理论。但可惜的是,强力,弱力,电磁力是微观作用力被量子力学所描述,而引力是宏观作用力被广义相对论所描述。这两套理论在各自领域内都被证明是正确的,却无法适用于对方的作用范围。

因为在微观尺度上,也就是粒子层面,引力的作用微弱到可以忽略不计,广义相对论模型无法解释粒子的运动规律,但量子力学可以;而在宏观尺度上,也就天体星系层面,强力,弱力,电磁力的作用微弱到可以忽略不计,量子力学模型无法解释天体星系的运行规律,但广义相对论可以。

那为何,同一个宇宙,同样的物质构成,却在不同的尺度上表现出了完全不同的规律,并需要不同的理论来描述呢?所以,可以肯定量子力学与广义相对论是两种不同视角下的宇宙模型,那么必定会存在一种更高维度的抽象视角,能够从微观到宏观,统一最基本的四种作用力,描述一个更为全面完整的宇宙模型,这就是大统一理论一定存在的根基。

我们知道宏观世界的一切物质,都是由微观粒子所组成,微观粒子从大到小,由分子到原子到质子中子,最后到基本粒子,而基本粒子就是目前不再可分割的最小粒子。微观的三种作用力,强力,弱力,电磁力都是粒子之间传递规范玻色子所产生的。于是很自然的,人们联想到宏观的引力,是否存在一种微观的规范玻色子称之为引力子,那么碰撞交换引力子,就是引力在微观形成的本质原因。这样就可以把宏观引力,纳入到微观的量子力学之中,并得到合理的解释,而这就是引力量子化的研究方向,也是大统一理论的途径之一。

量子场论是,狭义相对论,量子论、以及经典场论,三者相结合的产物,这个理论是基本粒子物理标准模型的框架,随着物理标准模型中,所预测的基本粒子全部都被实验证实存在,这个理论框架已经完备,这意味着量子场论就是微观世界的真理,只是被引力挡在了宏观之外。可是宏观物质是由微观粒子所构成的,那为何宏观微观无法统一,这就是物理学中最大的谜案,也是人类认知宇宙本质的最大障碍。

量子场论的重整化数学计算,其结果都不能完整并自洽的对引力进行量子化描述。其根本原因是在于,当试图引入虚拟的引力子进行引力场的量子化计算时,因为引力子会互相吸引,而把所有的吸引力累加起来,总会得到许许多多的无限大数值,通过任何数学技巧都无法抵消掉这些无限大数值。所以,这是不自洽的失败结果。

广义相对论与狭义相对论

有趣的是,狭义相对论是可以和量子论完美结合的,原因在于狭义相对论的模型是一个平坦的时空结构,也就是闵可夫斯基空间——没有引力,曲率为零的空间。而广义相对论模型是一个弯曲的时空结构,也就是黎曼时空,引力就是时空弯曲所产生的效应,这就与量子论不兼容,因为引力无法量子化。

从此可以看出,平坦的时空没有引力,就可以兼容量子论,弯曲的时空存在引力,就无法兼容量子论。那么,广义相对论与量子论的不兼容,其实就是引力与量子论的不兼容,更准确的来说,是量子场论容不下引力子,也就是无法引力量子化。

所以,引力量子化从时空角度也可以理解为,是把宏观时空弯曲所产生的引力,规整到平坦的微观时空里,即是用微观的量子场论引入引力子,来解释宏观引力的本质。

在另一个层面,狭义相对论中超光速可以让时间逆转,但其本身又禁止从亚光速加速到超光速,所以否定了时间穿越,但广义相对论的推论产生了虫洞,又准许了时间穿越。

而微观和宏观是尺度上的概念,对于宇宙来说,天体星系就是微观,或许天体星系的运动,和微观粒子的运动本质是一样的。这么理解,微观世界是无数个平行世界的叠加,我们的世界如果是宇宙的微观,那么我们就生活在无数个平行世界的一个确定的世界里。所以,我们只能看到一个结果,就是广义相对论的模型,量子论的模型需要更高的宇宙维度才能看见无数个可能。

比特与量子态

不可在分最基本的物质是什么 ?基本粒子都已经被视为点粒子来对待了。因为检测粒子的结构,就需要另外的粒子来进行碰撞观测,而粒子小到一定程度无法发生碰撞效果,就只能认为是一个整体了。比如夸克无法检测到其内部结构,并且它还无法独立存在,需要观测它的效应和其组成的上层结构来了解它的特性。

基本粒子的大部分质量,都来自其能量等价的质量。那剩余的非能量转换来的静质量到底是什么呢 ?要回答这个问题,我们要从另外一个角度来看待物质。

物质的属性,是由构成物质结构的数量和排列组合所决定的。但属性需要通过结构所传递的信息来感知。物质由宏观到微观的变化过程,就是构成物质结构不断减少,信息不断丢失的过程。物质不断的分割到粒子层面,再不断的分割,不断丢失结构和信息,就会不断丢失特性。到一定程度就难以测量,变成概率。

微观粒子的信息,就是它所呈现的量子态,而量子态就是微观变化的最终计数器,也就是时间滴答滴答的来源。而波粒二象性,不确定性,以及观测手段的限制,让量子态呈现出一种概率

量子态由一组量子数组成,量子数是微观粒子状态的一个特定描述的数值,有主量子数,角量子数,磁量子数和自旋量子数四种表示。每一个量子数的数值,都是量子化的,也就是非连续数值,只能是某一最小能量值(与普朗克常数相关)的整数或是半整数。这些数值是代表着粒子状态的自由度,也就是观测到可能会出现的数值。这些数值是代表着粒子可观测到的状态,而在未观测之前,这些数值的可能性是叠加和纠缠的,也就意味着粒子的状态是叠加和纠缠的。

如果我们继续分割量子态对应的物质,其量子数表征的状态就会丢失,最后就会变得不可观测,但让我们继续突破量子化的极限与普朗克常数的限制,再继续分割,最终会得到0或1,就是比特,信息的最小单位。这是抽象的极限,也就是无限的最小。比特不在具有意义和可观测性,要么是0,要么是1,完全的随机。

量子数描述了微观粒子的状态,比特对应了物质本质的最小结构,这个结构无法感知无法观测可以说不存在也没有意义,但这些结构组合在一起形成了可观测的数值,就是量子数。

比特对应的最小结构,会以看不见的方式排列组合,形成更大的结构,这些结构又可以互相组合形成更大的结构,这是一种分形和递归的模式,最终在某个尺度上的结构会表现出特性,这些特性对应着量子态的意义

粒子自旋

粒子自旋,是粒子的重要属性,甚至可以用来对粒子的标识和分类,因为每个粒子都有特有的自旋,自旋数不同就是不同粒子,但这里并不对应宏观上的物体自转,比如地球自转(基本粒子没有轴,没有更小单元围绕质心自转)。粒子自旋是唯象的描述,仅能将自旋视为一种内在性质,为粒子与生俱来带有的一种角动量,是可观测量并且其值是量子化的,无法被改变,但自旋角动量的方向可以透过操作来改变。

自旋是实验中,发现了电子经过磁场产生了偏转,这说明电子自带磁矩。而磁矩产生的条件是在磁场中的闭合的环形电流,所以假设电子自旋形成了闭环电流,才产生了磁矩,而这个磁矩就称为自旋磁矩。

自旋为半整数(也是半奇数)的粒子称为费米子,自旋为0或整数的粒子称为玻色子。自旋为0的粒子从各个方向看都一样,就像一个点。自旋为1的粒子在旋转360度后看起来一样。自旋为2的粒子旋转180度。自旋为1/2的粒子必须旋转2圈才会一样。 自旋为1/2(电子、正电子、中微子、夸克)的粒子(费米子)组成宇宙的一切,而自旋为0(希格斯玻色子)、1(光子、胶子)、2(猜想引力子)的粒子(玻色子)产生物质体之间的互相作用(力与质量)。

自旋1/2,反映到波函数上,就是粒子转一圈之后,波函数的相位会与原来的正好相反,只有转两圈波函数才能彻底恢复原状。直接测量波函数的相位当然不可能,但是我们可以测量相位差。

就像双峰干涉实验一样,相位差不同的两束波叠加在一起会发生干涉现象。这样的话,通过干涉条纹的分布,我们就可以计算出相位差,也就可以证明粒子自旋确实是1/2了。

而复合粒子的自旋,是其内部各组成部分之间相对轨道角动量和各组成部分自旋的向量和,即按量子力学中角动量相加法则求和。比如,质子的自旋可以从夸克和胶子的自旋得到。

粒子自旋角动量是量子化的,其值是自旋量子数与h/2π(h为普朗克常数)的比例关系,其中自旋量子数是整数或半整数倍(正负代表了自旋是顺时针还是逆时针)。上面说的自旋数,其就是自旋量子数,可以唯一标示粒子自旋。

自旋量子数是量子态中一组量子数的一种,其本质代表着表征粒子状态的自由度,而自由度可以理解为状态呈现的一些数值。自旋量子数是不连续的,跳动的数值,这些数值对应着基本结构的信息——比特。

结构与信息

结构对应着物质的本质,而关系是与结构绑定的(不可分割的),是对结构从某个视角观察的结果,并且这个角度看到的是可以被观察者所理解的。这里的理解包含可感知,有些结构的排列组合所呈现出来的关系无法被感知。所以,不同的角度看相同的结构也会有不同的关系。

那我们如何去表达、描述、甚至是传递这个关系,这就是信息。所以,信息描述了关系,就是描述了结构,在观察者看来结构是什么,自然就是信息的排列组合,这其实就是在描述结构,通过关系来描述结构。

而信息的载体也是一种结构,那么也就可以被其它信息所描述,所以信息是一种描述性结构。

比如,数据本身是一种结构,这个结构所呈现的关系就是信息,从不同的角度去解析数据,就会看到不同的关系,从而得到不同的信息。数据这个结构的主要功能就是传递信息,其载体和形式不重要,重要的是其组成结构的排列组合,所形成的关系,即信息。

可见,结构和数据之间存在一种可以互相转化的关系,数据是传递信息的结构,而结构可以吸收数据所传递的信息,形成新的结构,从而不断的变化。

我们可以把信息理解为,人类可以理解的关系。有结构就会有关系,基本信息比特,描述了基本结构的关系,就是随机的0或1。所以,比特描述的关系,是基本结构自身的变化(自身与自身的关系),是一种无法被理解的关系,相当于没有信息,也没有可观测的结构。如果基本结构没有变化,比特描述的关系就是全0或全1,这是所有一切的开始与结束。

在物质本质的层次,就是结构的传递组合分解,无差别的最小结构自由的排列组形成了上层的一切。结构之间的关联和作用就是一切力的来源,结构的稳定性就是上层质量的体现。质量越大意味着结构越稳定,结构变化的速度就越慢,从而体现出时间越慢。而加速度和高速运动,都会让结构受到其它结构的作用效果增强,等效于增强了结构的稳定性,同样会减慢结构的变化速度,就是让时间变慢。

宇宙充满了各种规模和形式的结构,不同的排列组合形成了不同的可观测效果,比如引力场、电磁场、夸克场、电子场、中微子场、光子场、希格斯场,看不见的真空场等。波粒二象性就是结构变化的非连续性和结构互相作用的传播形式。

物质的运动,其本质是结构的转移和传递,会受到其它结构的作用。时空只是结构组成的一种形态,时空的弯曲是结构排列的一种变化。结构抵达了可观测效应,就会表现出具有信息,而物质就是这种信息的可观测体现。

信息是结构可感知的有意义的表征,结构的传递和组合,就是信息的传递和组合。所以我们可以认为,一切都是数据,一切都是信息,万物皆比特。

结构与能量

最直观的感受是,有些能量可以利用,有些能量则不能利用。其本质区别在于能量有没有结构,可以利用的能量,其实利用的是其中的结构,把结构转化为纯能量

前面说了,没有静质量就可以抵达光速,静质量是结构的表征,转变成纯能量后,结构消失了运动不会受到其它结构的阻碍,自然就可以抵达光速。没有结构也就意味着没有信息,达到光速就不含有任何信息(或可理解的信息)。

能量没有结构,所以我们并没有真正的观测到能量,而是看到了能量对结构的扰动效应,就是结构最小单位比特的变化——随机的0或1,这种扰动。能量在结构中的传播,就是结构本身被扰动产生变化的表现。质能方程中,结构和能量的等价性,在于能量对结构的扰动,等效于结构自身的变化所产生的效果。

所以,静质量的运动所产生的能量是结构之间的互相作用(有信息),而纯能量只是结构被扰动(无信息),本质不同。那些没有静质量的粒子,比如光子,胶子,引力子其实传递的是无信息的结构扰动(比特随机变化),这些随机的扰动与现有结构意外的组合(随机概率),产生了可观测的结构组合,就是信息(能量生成了新的粒子)。

解读几个问题

为什么光速恒定不变与光源无关 ?
这是因为光是在结构中传递的扰动,速度相对于结构本身而不是光源,光子只是结构扰动的体现。而光速在介质里会变速,是因为结构扰动的特质所决定的。

就像一排电灯泡,亮与不亮就是比特的两种状态,光的传播就相当于,按顺序点亮灯泡。这时光速就是亮灯对于灯泡本身的速度,这里点亮就是扰动,灯泡就是结构。

为什么光在不同介质里速度不一样?
这是因为光在不同介质中,对相应结构扰动的传递速度不一样。

为什么能量是非连续量子化的并且是普朗克常量的倍数 ?
这是因为结构是非连续化的,能量的扰动在最小结构上表现出观测效应,普朗克常量代表了结构的可观测尺度。

为什么测量粒子位置的精准度,无法达到普朗克长度以下?
因为要测量一个粒子的位置,就需要用光子撞击,位置精确度越高,就必须用更短波长的光子。当位置精确度低于普朗克长度的时候,光子的波长就会短到一个尺度之下,这个时候光子对结构扰动效应,达到了不可观测的程度,这就相当于光子消失了。

为什么眼睛通过光可以看见东西 ?
因为结构的特性会吸收相应的扰动,以随机概率的方式形成信息,而光就是扰动的传播,所以物体呈现的色彩就是被吸收后剩下的扰动效果。比如物体是蓝色,就是因为蓝色对应的扰动没有被结构所吸收,从而进入眼睛的视觉系统产生了效果。之所以,视觉系统能够呈现扰动,那是因为万事万物都是由最基础的同样的结构组成。那么,没有光,就没有扰动,就无法被视觉感知。

如何理解“质量是物质的多少”,“能量是物质的运动” ?
这是宏观的直接感受,因为物质多少就直接体现在质量大小上,物质运动就产生了能量转换。但其实本质上,质量是结构改变的难易度可观测效应,而纯能量是对结构的扰动的效应,物质的运动产生了微观结构之间的相互作用,也就产生并传递了微观结构的扰动,表现出宏观上能量的转换。

黑洞与奇点

黑洞最神秘的地方就是,拥有视界,光无法逃逸,吞噬信息,存在奇点。前面说了,光其实是结构扰动的表现。那么,黑洞里光无法逃逸是怎么回事?(不用空间弯曲形成无限大曲率来解释)

首先,结构和信息其实是等价的。物体进入黑洞就出不来了,就意味着结构和信息进入黑洞就没了。其实并不是没了,而是成为了黑洞的一部分,变的无法被观测到了(或理解了)。

其次,黑洞里是结构和信息密度无限大的,以至于结构的扰动无法存在,也就是最小信息结构的状态不在发生变化。

最后,这种结构和信息状态不在变化的区域,就是奇点。光进入黑洞,就是结构扰动就进入黑洞,但扰动是传递不进去的(或说被吞噬了),也就无法存在了,也就消失了。那么,黑洞里是没有光的 ! (并不是光无法逃逸)

奇点,物理上把一个存在又不存在的点称为奇点。在一定情形下奇点必须存在的,特别是宇宙必须开始于一个奇点。 但由于理论在奇点处失效,所以不能描述在奇点处会发生什么。

奇点是没有大小的“几何点”,就是不实际存在的点,黑洞中心因为物质在此点密度极高,向内吸引力极强,因此物质压缩在体积非常小的点,此时此刻的时空方程中,就会出现分母无穷小的描述,因此物理定律失效。

而这也是宇宙刚生成时的那一状态,密度无限大、时空曲率无限高、热量无限高、体积无限小,一切已知物理定律均在奇点失效。

这也说明了,在奇点处,信息量抵达了无限大,信息的可组合数是0,任何结构的状态变化都不复存在。这时候,可以说能量是0或无限小,也可以说是无限大。所以,最大与最小其实是同一个点,就是奇点。

宇宙与黑洞

有意思的地方来了,如果说宇宙起源于奇点,黑洞的中心是也是奇点,而黑洞形成于超大质量天体的塌缩,再把宇宙看成一个整体——一个超大超大质量的天体,那么宇宙起源的奇点,就是这个宇宙天体塌缩形成黑洞的中心奇点,那么这也是一个递归的过程。

这么看来虫洞连接的就不是时空,而是平行宇宙!那么,黑洞奇点,其实是一种逃逸行为,逃逸的地点就是另一个平行的宇宙。奇点处的熵力无限大,熵值无限小,试图扩散到另一个宇宙,以增加熵值。

宇宙与人类

从前我有个认知,人作为一个部分被包含在宇宙之中,所以一个部分的我们无法完全了解宇宙。这也阻止了人可以创造像人一样的智能,因为我们不是宇宙,缺少足够的信息。

但是从人是由细胞构成,细胞内的DNA蓝图拥有人的全部遗传信息来看,DNA蓝图可以克隆出完整的人(但除了记忆和思维,因为这是环境信息通过时间训练出来的,对人类智能的思考)。那么我们可能也拥有宇宙全部的信息,那么我们就可以创造像我们自己一样的智能,就是人工智能,并且这些智能,能递归的创造自己。(对人工智能的思考递归

另外,通常我们认为,整体大于其任意一部分。但是在无限领域内,部分可以和整体等势。这有点像全息宇宙理论,每一个部分都包含了整体的全部信息。我们可以说是被包含在宇宙之中,那么利用无限理论,我们可能拥有宇宙全部的信息与其等势也就是能找到一一对应的数据。

如果宇宙是分形递归的,那么人类就可以通过自身了解到整个宇宙的秘密,那么每个人都是上帝,或说身体里隐藏着一个上帝。那么每个量子就会有宇宙的全部信息,那么量子就是无限小与无限大的交汇点。

结构与宇宙熵

熵,有序无序,这个序是什么,为什么要存在序。序的字面意思是存在区分可以排列,如果无法区分也就没有序。

如何才能区分,这就是结构,序就是结构及其形成的关系。有了结构和关系,就有了属性,属性就可以被测量,观测和感知。很多结构聚集在一起就形成了宏观物质,产生了可被测量的(静)质量。所以,如果检测不到(静)质量就没有了所谓的序。

人类在试图创造有序,就是创造新的结构,产生新的属性和功能。但宇宙整体变的无序,就是整体结构(信息量)在下降,转变成能量一种没有结构(信息)的状态。可见人类虽然创造了新的结构,但过程消耗了更多的其它结构,所以整体在变的无序,这就是宇宙熵在不断的增加。

熵,是一个统计学概念,宏观上才有意义,微观是没有意义的(规律)。宇宙熵增规律也是体现在,宏观整体上,微观并不一定是熵增的,甚至是可以随机到熵减。其原因在于,熵统计出来的是概率或说趋势,微观概率就是可以随机到熵减,但在宏观上随机到熵减的概率虽然有可能性,但是逼近无限小。

另外,熵统计和系统的封闭还是开放相关。封闭和开放关乎这宏观还是微观,更宏观的看就是封闭,更微观的看就存在开放。增加开放的无序,可以创造封闭的有序,使局部熵减。人类,文明,生命,耗散结构,自组织系统等等,都是在创造局部的熵减,但创造了宇宙整体的熵增。但可能存在一个平衡点,开放系统的无序饱和,无法在供给封闭系统的有序,这时文明发展到了极限了。

而熵统计的本质是,状态组合的数量,也就是可组合信息的可能性数量。熵增,状态组合数量增加,信息量下降,但是可组合信息的数量增加。

无序,也就是无法区分排列,也就是失去结构和关系,丢失属性,减少信息。当所有的结构全部消失的时候,或许就是一片虚无,或许就会发生大爆炸,新形成一个静质量无限大体积无限小的东西,就是宇宙的最开始,一个循环的开始。

物理是一门唯象的学科,只要你的理论能够解释现象,并且推论能够被实践证明,那么你的理论就是真理,无论你发明多少不可思议的概念和名词,比如空间弯曲,光线弯曲,量子纠缠,量子态叠加等等,都将会被认可和接受。

One more thing 熵力与引力

熵力,其本质是宇宙熵增在宏观上所表现出来的趋势效应,是宏观统计量,微观就会失效。宇宙熵增,即宇宙作为一个孤立的封闭系统,其总体熵值会一直不断的增加,这是热力学第二定律的表现之一。而熵值,度量的是无序的程度,熵值增加意味着一切都在变得无序。

这就像装在容器里的气体,没有容器,气体就会变得无序,即熵值增加,最终会达到一个平衡,如果容器不断缩小,其中的气体就会变得有序,即熵值减小,但同时压强也会增大。这里熵力的体现就是压强,是熵值增大的趋势所带来的效应,熵值越小变大的趋势就越强,压强也就越大。所以,宇宙熵增的本质,必然会产生熵力。这就像是,有质量,就必然会有引力一样。

还有,就单个气体分子来说,其运动是随机的,可能会撞击容器也可能不撞击,这代表着微观,这时压强是不确定的,但很多很多气体分子对容器的随机撞击,在整体上所有撞击的统计效应,就形成确定的压强,这代表着宏观。那么,压强的本质来源——熵力,必然就只能出现在宏观,而在微观熵值不一定始终增加,甚至会随机到熵减小,也就是从无序变的有序,这就没有了熵增的趋势,熵力也就消失了。

熵是宏观的,正巧引力也是宏观的,引力在微观某个尺度上的突然失效,正好与熵力表现一致,再加上引力量子化的受阻——也就无法解释引力的微观本质,这让引力与熵力看起来是高度统一的。

而在广义相对论中,引力是时空弯曲的效应,时空弯曲是质量的原因,且质量越大,时空曲率就越大,引力就越强,所以引力是正比于质量的。而质量越大,就是更有序,熵值就越小,熵增的趋势就越大,熵力也就越大,可见熵力也是正比与质量的。

如果引力就是熵力,那么自然在微观是不存在引力的,就像微观的气体分子不能产生压强一样,同样,也就不会有引力子这种微观粒子了。这也意味着大统一理论是不存在的。

我认为结构之间的作用产生了引力,引力在微观失效,可能是结构互相作用所形成的扰动没有抵达可观测效应。而这种扰动的本质是来自于比特随机概率的趋势。

熵力代表着无序的趋势,是一个统计概率,微观就会失去效用,这与比特的随机概率不谋而合。

或许熵力就是引力的本质,谁知道呢?

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