构成宇宙的基本物质有哪些?

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客观地说,关于“构成宇宙的基本物质到底是什么”这个问题,目前科学家们还没有搞清楚。不过,科学家们正在不断地逼近这个答案,最终会不会到达获取到最终的答案,还未可知。

我们就来说一说,目前科学界对于这个问题的认识。

宇宙大爆炸

自从有了人类文明,人类就开始探讨宇宙到底是什么构成的。西方哲学的开端是泰勒斯,他提出万物的本源是水。后来,许多又有许多哲学家提出的了不同的观点。

在古希腊哲学四大门派中,有一个叫做巴门尼德的,他提出了“存在”,这也开启了本体论,所谓“本体论”就是说,我们感官接触的想象世界并不是真实的,而是存在着另外一个本体世界,它才是世界的本质。

除了巴门尼德的本体论,其实还有德谟克利特的“原子论”,他认为万物是由原子和虚空构成的。他这里的原子其实和我们现代意义上的原子是不同的。他的“原子”是指不可再切的粒子,而现代的科学理论中的“原子”还可以再继续切分成原子核和电子,而原子核还可以继续再分。

上文说到的都是西方的哲学的一些观点。其实在中国哲学中,也有类似的观点,这就是老子的“道”,它其实和巴门尼德的“存在”是有点像的,但同时也是有有差别的。老子也认为除了现象世界之外,还存在着一个本体世界,这被他称为道,因此,其实老子的“道”也是本体论。

我们会发现,无论中西方的哲学发展,都不约而同地把构成世界的基本元素指向了另外一个本体世界,只是中西方哲学对于另外一个本体世界的解释是不同的。这是哲学的观点,也是哲学认识世界的一种方式。

说完哲学的内容,我们来说说科学。其实科学是从西方的自然哲学之中发展而来的。只不过,科学的方法论和认识论后来和哲学区别开来,也就演化出了完全不同的知识体系和世界观。

按照目前主流的科学理论,我们知道,宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸。

大爆炸之后,宇宙的空间在快速膨胀,温度从极其高的水平逐渐降下来。在早期的宇宙中,主要都是一些高能光子,光子的反物质也是光子。光子之间会发生碰撞,并形成一对正反粒子,比如:在60亿度的环境下,一对高能光子对撞后,会产生一堆正负电子。实际上,在不同的环境温度下,会形成不同的正反粒子,这里对应的温度被称为 阈值温度

科学家发现,当时每10万亿对的正反粒子还会继续湮灭,产生高能电磁波,最终会有一个正物质粒子幸存。至于为什么会留下一个正物质粒子,目前也没搞清楚。不过,如今构成世界的这些粒子,都是当时的幸存者。

在宇宙大爆炸38万年后,宇宙的温度降到3000度,原子结构得以形成。这个时期,宇宙内部的粒子主要是氢原子和氦原子,这主要是元素周期表中的前两顺位。实际上,这个时期也是可以形成更高顺位的元素原子,只不过,它们不够稳定,又分裂成了氦原子。

因此,我们从这个角度来看,似乎构成宇宙的基本物质就是这些基本粒子。那都有哪些基本粒子呢?

标准粒子模型

上个世纪50年代左右,实验物理学家利用粒子加速器发现了许多粒子。当时的理论物理学家因此都有点懵了,他们开始思考如何用一套粒子把这些粒子都放到一起,这也就是后来的粒子物理标准模型,这个理论的基础就是量子力学和相对论。

在粒子物理标准模型中,一共有61种基本粒子,我们可以把这些基本粒子分为两大类:费米子和玻色子。简单理解就是,费米子是构成物质的基本粒子,而玻色子是用来传递各种作用力的基本粒子。其中费米子包括了夸克、电子、μ子、τ子、中微子。玻色子包括了胶子、光子、Z玻色子、W玻色子和希格斯玻色子。因此,从这里来看,似乎宇宙就是由这些基本粒子构成的。那真的是这样吗?

未完待续

实际上,并非如此,这是因为还有太多悬而未决的问题存在。首先,我们要知道的一点是,我们能够得出粒子物理标准模型的前提是我们观测到了相应的物理学现象。也就是说,理论是建立在相应的物理学现象之上,可问题是,人类能看到的物理学现象还很有限。举个例子,在宇宙中存在着暗物质和暗能量,它们不参与到电磁相互作用力当中,因此,我们无法直接观测到它们。

它们也是宇宙的一部分,那它们是什么构成的?其实我们也是不知道的。不仅如此,它们的占比还很高,目前我们已知的物质只占全宇宙总物质量的不到5%,剩余的95%以上都是由暗物质和暗能量构成的。也就是说,人类发展了几百年的科学,结果只看到了宇宙不到5%的世界,并以此构建了相应的理论。因此,这个理论无法描述全宇宙的情况。

除了暗物质、暗能量,宇宙还有太多迷,因此,我们如今其实还没办法对“宇宙到底是什么构成?”给出一个令人满意的回答。

由于自然界是不连续的,存在着质的变化,所以我们人类的认识只具有相对性。所谓认识的相对性,就是所有的理论都只是在一定的范围内是有效的,其并不是外在世界的客观反映。因为,科学理论只是相对于已有的现象,关于自然界的同构系统。

因此,我们需要借助于认识的基本原则,来作为认识的出发点和判断的依据。特别是关于宇宙构成的问题,其离我们实在是太远了。不是距离的遥远,而是隔着不同的层次,缺乏足够的信息。

这就好比是在我们面前有一块胶泥,我们要给宇宙做个塑像。没有照片,只能根据认识的基本原则和我们的想象力来切削泥块,从而得到一个大致的宇宙轮廓。参考的基本原则越多,获得的相关信息越充分,则得到的宇宙塑像就越精细和具象。

首先,根据自然界的不连续性,以及宇宙并不是刚性的物体。因此,宇宙只是自然界的一部分,是一个相对独立的封闭系统。也就是说,宇宙是一个具体的物体,而不是抽象的哲学概念。

其次,根据认识的基本原则,凡是具体的都是有限的。于是,不仅宇宙的体积、能量以及寿命都是有限的,构成宇宙的基本物质也一定是不可再分的最小粒子。因为,只有不可再分的特性保证了该粒子是基本物质,而最小粒子则确保了宇宙是一个具体的物体。

由于能量包括热能,后者是粒子的无规运动,所以能量是关于粒子运动能力的度量。因此,为避免连续的能量导致紫外灾变,需要存在着不可再分的最小粒子。于是,能量的最小单元就是关于单个量子运动能力的度量。

普朗克在其建立的黑体辐射公式中,设立了一个量纲为粒子角动量的物理常数h。由此,消除了辐射的无限大。这说明,该常数的产生,意味着不可再分的最小粒子的存在。该粒子的本征参量即与自身能量无关的角动量,就是普朗克常数h。所以,我们把这一最小粒子命名为量子,其质量和半径都是大于零的,是名副其实的粒子。

反观其他粒子如电子和质子,反倒是由量子的运动所形成的封闭体系,它们并非是真正的粒子。这也是为什么,这些被称为物质的粒子,都具有较大的质量和半径的原因。如果我们把量子比作气体分子的话,那么电子和质子等基本粒子就是充满着量子的气球。

对此,也许你会提出异议,认为电子和质子有确定的质量和半径,从而具备粒子的实体性。其实,电子在原子中的能级也是确定和不连续的。如果我们从封闭体系的角度来看问题,则电子和质子仅只是量子封闭体系的两个不同的基态,而其他基本粒子则分别为该封闭体系的激发态。

因此,所谓物质,就是由量子的运动形成的封闭体系,是同一个物体。只是因为能级的不连续,是量子化的,从而使该物质表现为无数种不同的基本粒子。类似于我们根据光子的不同能量,分别称之为引力波、电磁波、可见光、x射线、伽马射线和中微子。这也是为什么,能量越高的基本粒子越不稳定,它们会在极短的时间内释放能量,衰变为基态的电子和质子的原因。

总之,作为不可再分的最小粒子,量子是宇宙的基石。宇宙是由无数个量子构成的封闭系统。而物质即其他粒子,都仅只是宇宙极速膨胀的产物,它们是宇宙内部的能量缓释器。当宇宙的膨胀平缓时,作为耗散结构的物质会逐渐地解体,由质量转化为能量,使封闭的量子解放出来。

所以,宇宙在其绝大部分的时间内,都只有单一的量子,其是量子的等离子体。所以,由普朗克常数h定义和定量的量子是宇宙中唯一的基本物质。此时的物质,并不是物理上的封闭体系,而是哲学意义的“有”。所以,量子使宇宙具有了现实的意义。

【原创】对于构成宇宙的基本物质有哪些呢之话题,我个人的观点认为,构成宇宙的基本物质有如下两大类:

其一是可视见物质类。包括了实体物质和光色物质两大部分。实体物质包括了恒星、大行星、中行星、小行星、卫星、巨石块、大石块、中石块、小石块、尘埃云团、尘粒流物质,恒星拥有的基本物质是一种有机的可燃核能物质,能在持续核聚变燃烧的过程中,释放出光和热以及尘粒流物质。

除恒星和地球的生命物质是有机物质外,上述各类的实体物质都是无机的自然定体物质,都是由恒星持续释放出来的尘粒流物质聚集而形成阶段性质量与体积的表现结果,主要是由二氧化碳、氮、氢氧(水)和有毒化学物质五种基本元素所构成,都属于原子物质结构。光色物质,即是存在于太空中色彩的可视见物质,包括了气态物质,如蓝色的大空和七彩的彩虹以及太阳的光照、折射与反射等,都属于可视见的光色物质,主要是由恒星(太阳)的光子物质所构成。

其二是不可视见物质类。包括了磁场、磁力线圈、暗物质和暗能量四大部分。磁场与磁力线圈都属于实体物质先天性的不可视见的磁性物理现象,具有同性相斥,异性相吸的磁性物理表现特征,实体物质的自转运动,会形成磁场范围内的圆周循环运动现象,而存在于磁场之中的磁力线圈,就会形成物质圆周运行的天然轨道,能牵引着磁场磁控范围内的物质进行圆周循环运动现象。磁场和磁力线圈物质都是由不可视见的电子群体所形成的磁性而构成的。

暗物质和暗能量是存在于宇宙之中的网状天体现象,是包裹着宇宙数之不尽恒星系与恒星系边缘与边缘之间无尽网状的天体,是宇宙所有恒星的光和热都无法到达的地方,是宇宙暗物质和暗能量专属运行的网状通道,作用于平衡宇宙数之不尽恒星系同向的自转运动,并能在每个恒星系边缘高速同向运动的作用下,会产生强大的对流和旋涡运动现象(即是目前科学界所说的黑洞现象),形成宇宙暗物质和暗能量的自然天体现象,这种现象可统称之为宇宙之网天体现象。

宇宙之网天体现象是人类不可视见的情况,但它的确客观现实存在,暗物质也是由无机的自然定体物质和无透光的太空气体两部分所构成;暗能量是由每个恒星系边缘高速运动过程所产生的同向牵引力作用而形成的一种惯性高速运动之物理现象。这样现象只存在于宇宙之网天体之中。

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