确实,很多人了解这样一个事实:宇宙中的一切都是由更细小的物质构成的,但这些更小的物质是否有终极的边界或者是否无限细分,往往无法明确回答。
在人类的思想史中,许多哲学家坚信存在一种基本的、不可再分的最小单元。例如,古希腊的哲学家德谟克利特提出的原子说,就认为宇宙万物由不可再分的原子组成。
然而,也有许多哲学理论反对这种观点,例如佛教中提到的「一花一世界」理论。
实际上,这些理论大多基于主观推测,并没有实验数据支持。
这类问题最终还是需要物理学来解决。
在现代物理学中,更多支持德谟克利特的原子理论。
虽然古希腊时期的原子概念与现代的原子理念大相径庭,但共同之处在于,根据现代物理学的理解,物质最终可分解到基本粒子这一不可再分的单元。
在量子力学的框架下,任何物体最终都可以分解为基本粒子。目前已知的基本粒子共有61种,构成了宇宙中所有的物质,包括光子、电子、中微子和夸克等。
基本粒子的运动并不遵循经典的牛顿力学。量子力学经过长时间的发展和完善,演变成了相当成熟的量子场论。
物理学家用量子场论来描述基本粒子,这一理论之所以极其复杂,是因为微观粒子表现出极其反常的特性。
最明显的特性是波粒二象性,即在微观尺度下,粒子既表现为波,也表现为粒子。
这些粒子甚至不占据固定的空间位置,而是可能同时出现在多个位置,遍布整个空间。只有当我们进行观测时,才能确定粒子的具体位置,此时粒子的波函数态将会坍缩。
因此,描述粒子的空间位置变得复杂。在观测前,粒子以波的形式存在于空间中。虽然观测后能得知粒子的确切位置,但这一位置是随机的,再次测量可能得到不同的结果。
薛定谔方程描述了粒子的波动性,虽然在此方面取得了巨大成就,但它未能兼顾粒子性,也未能考虑相对论效应。
在微观世界中,接近光速的粒子运动非常常见。当粒子速度接近光速时,其质量会增加,时间则会变慢,这是狭义相对论的效应。
薛定谔方程描述了粒子在空间中的波动变化,而狭义相对论则描述了时间上的变化。
为了精确描述粒子的运动,必须同时考虑粒子在空间和时间上的变化,这也是量子场论产生的原因。在量子场论中,粒子被视为量子化的波。
可能有人会对「量子化的波」感到困惑。由于粒子具有波粒二象性,它既是波又是粒子。要处理这种双重性,需要在计算时将粒子统一描述为波动性或粒子性。
将粒子统一描述为波动性时,我们可以较好地考虑到粒子性。
量子化的波意味着波的状态是离散的、不连续的。如果波是连续的,那么它就失去了粒子性。因为波的不连续性,即量子化,波的粒子性才得以体现。
为了形象地理解,可以将波比作海面上的波浪。每一个波都代表一种基本粒子,但重要的是要记住,量子场论中的波是离散的、不连续的。
不连续的具体含义可以这样理解:在现实的海洋中,波浪的高度可以是任意值,如1米、0.5米、2米等,这些高度是连续变化的。
但在量子场论中,波的高度只能是整数倍,比如1米、2米、3米等,不存在0.5米、1.25米等过渡高度。
在量子场论中,粒子是波的激化,波的高度变化必须是整数倍,才能增加粒子数。比如,两个1米高的波相撞,形成2米高的波,就会在真空中产生新的粒子。但很快,其他波的撞击会使这个新波消失,从而使粒子迅速消失。
这样的场景在真空中不断上演,因此量子场论中的波形成了一种非常活跃的海洋,这就是所谓的狄拉克之海。
量子化的波动性海洋是量子场论的核心概念。每一种基本粒子都对应一种量子场,如光子场、电子场和夸克场等。
标准模型中有61种已知基本粒子,因此至少有61种量子场。在标准模型中,各种基本粒子通过它们的量子场进行传播和相互作用。粒子在加速碰撞中产生新粒子的现象,就像海浪的互相撞击生成新波浪一样,这些新波浪可能代表新的未知粒子。