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量子力学:物质不可无限分割

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原创 药仙子周灵彤 量子科学 2020-12-13

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     两千多年前,有一个叫庄子的哲人,用深邃的目光打量着世界,然后意味深长地吟唱:“一尺之棰,日取其半,万世不竭。”(《庄子·杂篇·天下》)

     将哲人的意思翻译成大白话:一尺长的小木棍,今天取其一半,明天取其一半的一半,后天再取其一半的一半的一半……一直这样取下去,永远都取不尽。

     用数学语言表达:如果把小木棍的长度看成是1,那么,1÷2=1/2,1/2÷2=1/4,1/4÷2=1/8……可以永远除下去。

     物质能否无限细分,是个永久的哲学话题。支持可无限细分的哲学家,大都秉持着芝诺的思想观。反对物质可无限细分的哲学家,源于德谟克利特的古典原子论,认为物质具有基本单位。

     “物质无限可分”的观点,在今天仍然有很多人赞同。

     宇宙之中的大部分物体,由原子组成,原子又由原子核与核外电子组成,原子核由质子和中子组成,质子又由夸克组成……也许某一天,科学家还能发现夸克还可以分割。许多人坚持认为,随着科学技术的进步,夸克仍然可以分割,组成夸克的因子,同样可以分割……

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     比如,现在的超弦理论认为,弦以不同的方式震动得到了不同的粒子,电子、夸克和光子等,都可以继续细分为“弦”。

     但是,弦的尺度为普朗克长度,以现有的科学技术,还远远无法达到这个尺度。超弦理论目前还属于哲学范畴,不属于科学理论。

     量子力学认为,物质和能量,都存在着最小单位。物质在数学中可以抽象地无限分割,但在实际的实验实践中却无法实现。

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     分割物质,有两种刀:一是物理之刀,二是思想之刀。

     物理之刀又有几种:有日常生活中用的铁制刀具;有金刚石制成的专用玻璃刀;有超高压水制成的“水刀”;有激光束制成的激光刀等。这些刀具能够切割的都是分子以上的宏观物体。要对亚原子粒子进行切割,传统的刀具当然不行了。

     要“切割”亚原子粒子,科学家通常采的是“对撞机之刀”。例如利用大型质子对撞机(LHC)加速质子,使超高速运行的质子相互对撞,便会“破碎”成更基本的亚原子粒子。这令人想到了猴子砸坚果吃的场景。亚原子粒子就是让科学家垂涎欲滴的坚果,要砸碎它,除了对撞原理,目前还没有更好的办法。

     思想之刀,即不需要任何物理工具,在思想里面对物体进行切割,不受任何技术条件和物理定律的限制。

     思想之刀也可以说成是数学之刀,即把一个物体看成是一,然后除以二得二分之一,二分之一再除以二得四分之一……可以这样无限除下去。

     思想之刀不受技术条件和物理定律的限制,故可以对物体进行抽象的无限分割。

     物理之刀则既要受到技术条件的限制,又要受到物理定律的限制。

     普朗克常数级别的能量子,处于不确定的量子真空涨落态。在奇妙的量子真空涨落中,一个能量子会瞬间出现又瞬间消失,会瞬间出现在这里又瞬间出现在那里。

     在普朗克常量的极小时空里面,能量子处于不确定性的量子真空涨落态,要准确地测量一个能量子的位置或动量都做不到,更不要说对其进行“分割”了。

     应用物理之刀分割能量子,必然要对分割对象施加能量。对处于普朗克常量级别的能量子施加能量,要么就是找不到它,要么就是产生出光子或电子之类的新物质来。

     之所以说在普朗克常量的极小时空里,对物体的分割失去意义,是因为技术条件和物理定律都不允许。就像妖怪国师要砍孙悟空的头,砍一刀生一个,砍两刀生两个。由于存在不确定性,你甚至根本无法“砍”到它。

     结合量子真空涨落和不确定性原理,是理解物质是否无限可分的关键。

     量子系统作为一个整体而存在,一个电子不能分割成为半个电子、一个光子不能分割成为半个光子、一个质子不能分割成为半个质子、一个夸克也不能分割成为半个夸克,即便是一个氢原子也不能分割成为半个氢原子。微观粒子没有大小之分,在量子尺度谈论物质分割便失去了意义。

     因此,物质在哲学思辨上可以抽象地无限分割,但在科学实践上无法实际地无限分割。

     长久以来,我们一直认为物质是由各种细小的基本粒子组成,基本粒子作为一种实体,与空间和时间有着绝对的区别。或许这是一种误导,物质和时空,到达普朗克尺度,可能就统一起来了。

网友留言:

相互守望:也许这个问题还会继续争论。比如说光子就是波,也可以认为无限可分。

回复:其一,当你对其进行观测时,光便会由波态坍缩为粒子态;其二,对波的“切割”,会产生干涉效应,产生出更多的波来。

天之痕:很久以前思考过这个问题:如果物质可以无限分割,空间就会呈现虚无状态。

回复:物理上的虚空并非一无所有。数学上的空间才是一无所有,是纯粹的、绝对的、抽象的虚空。

陈子君:我提供一个思想的方法,如果有最小的粒子实体存在,它一定有体积,则可进一步分下去,它就不是最小的粒子,那最小的粒子如何存在?如果不存在,则整个宇宙是怎么样堆叠出来的?

回复:要理解不确定性原理和量子真空涨落之后,才能更好地讨论这个问题。在量子力学里面,微观粒子的确没有大小。

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