確實,很多人了解這樣一個事實:宇宙中的一切都是由更細小的物質構成的,但這些更小的物質是否有終極的邊界或者是否無限細分,往往無法明確回答。
在人類的思想史中,許多哲學家堅信存在一種基本的、不可再分的最小單元。例如,古希臘的哲學家德謨克利特提出的原子說,就認為宇宙萬物由不可再分的原子組成。
然而,也有許多哲學理論反對這種觀點,例如佛教中提到的「一花一世界」理論。
實際上,這些理論大多基於主觀推測,並沒有實驗數據支持。
這類問題最終還是需要物理學來解決。
在現代物理學中,更多支持德謨克利特的原子理論。
雖然古希臘時期的原子概念與現代的原子理念大相徑庭,但共同之處在於,根據現代物理學的理解,物質最終可分解到基本粒子這一不可再分的單元。
在量子力學的框架下,任何物體最終都可以分解為基本粒子。目前已知的基本粒子共有61種,構成了宇宙中所有的物質,包括光子、電子、微中子和誇克等。
基本粒子的運動並不遵循經典的牛頓力學。量子力學經過長時間的發展和完善,演變成了相當成熟的量子場論。
物理學家用量子場論來描述基本粒子,這一理論之所以極其復雜,是因為微觀粒子表現出極其反常的特性。
最明顯的特性是波粒二象性,即在微觀尺度下,粒子既表現為波,也表現為粒子。
這些粒子甚至不占據固定的空間位置,而是可能同時出現在多個位置,遍布整個空間。只有當我們進行觀測時,才能確定粒子的具體位置,此時粒子的波函數態將會塌縮。
因此,描述粒子的空間位置變得復雜。在觀測前,粒子以波的形式存在於空間中。雖然觀測後能得知粒子的確切位置,但這一位置是隨機的,再次測量可能得到不同的結果。
薛定諤方程式描述了粒子的波動性,雖然在此方面取得了巨大成就,但它未能兼顧粒子性,也未能考慮相對論效應。
在微觀世界中,接近光速的粒子運動非常常見。當粒子速度接近光速時,其質素會增加,時間則會變慢,這是狹義相對論的效應。
薛定諤方程式描述了粒子在空間中的波動變化,而狹義相對論則描述了時間上的變化。
為了精確描述粒子的運動,必須同時考慮粒子在空間和時間上的變化,這也是量子場論產生的原因。在量子場論中,粒子被視為量子化的波。
可能有人會對「量子化的波」感到困惑。由於粒子具有波粒二象性,它既是波又是粒子。要處理這種雙重性,需要在計算時將粒子統一描述為波動性或粒子性。
將粒子統一描述為波動性時,我們可以較好地考慮到粒子性。
量子化的波意味著波的狀態是離散的、不連續的。如果波是連續的,那麽它就失去了粒子性。因為波的不連續性,即量子化,波的粒子性才得以體現。
為了形象地理解,可以將波比作海面上的波浪。每一個波都代表一種基本粒子,但重要的是要記住,量子場論中的波是離散的、不連續的。
不連續的具體含義可以這樣理解:在現實的海洋中,波浪的高度可以是任意值,如1米、0.5米、2米等,這些高度是連續變化的。
但在量子場論中,波的高度只能是整數倍,比如1米、2米、3米等,不存在0.5米、1.25米等過渡高度。
在量子場論中,粒子是波的激化,波的高度變化必須是整數倍,才能增加粒子數。比如,兩個1米高的波相撞,形成2米高的波,就會在真空中產生新的粒子。但很快,其他波的撞擊會使這個新波消失,從而使粒子迅速消失。
這樣的場景在真空中不斷上演,因此量子場論中的波形成了一種非常活躍的海洋,這就是所謂的狄拉克之海。
量子化的波動性海洋是量子場論的核心概念。每一種基本粒子都對應一種量子場,如光子場、電子場和誇克場等。
標準模型中有61種已知基本粒子,因此至少有61種量子場。在標準模型中,各種基本粒子透過它們的量子場進行傳播和相互作用。粒子在加速碰撞中產生新粒子的現象,就像海浪的互相撞擊生成新波浪一樣,這些新波浪可能代表新的未知粒子。