03.06 物質是可以無止境地細分下去的嗎?

海雲青


答:物質是不能無限細分的。


“一尺之棰,日取其半,萬世不竭“,這是古代莊子的思想,在數學中成立,但是在實際當中行不通,因為根據現有物理理論來看,物質存在最小單位。

生活中見到的大部分物體,都由原子組成,原子又由原子核與核外電子組成,原子核本身還可以細分為質子和中子,現代物理學中能接觸到的基本粒子,有夸克、電子、光子、中微子、希格斯玻色子等等。


在量子力學中,到了基本粒子層面後,物質就無法繼續分解了,至少在當前科學技術層面無法細分,這些基本粒子的組合,構成了紛繁複雜的物理世界。

另外量子力學指出,宇宙存在最小尺度“普朗克長度”,數值大約是1.6*10^35米,低於這個長度是沒有意義的:

在一些較為前沿的理論中,比如超弦理論,就認為事物由更小的“弦”組成,電子、夸克和光子等等,都可以繼續細分為“弦”,弦以不同的方式震動得到了不同的粒子。

弦的尺度數量級為普朗克長度,以現有的實驗技術,遠遠無法探尋弦理論研究的尺度,所以超弦理論目前還處於理論研究階段,也是被看好的最有可能成為終極理論的理論。

量子力學的觀點,就是假設世界是離散的,長度、時間、空間都是離散的,這樣的處理方式能避免很多悖論,也非常符合實驗觀測數據。


在數學中,有一個非常有趣的數學悖論,叫做“巴拿赫-塔斯基悖論”或者分球悖論,該悖論建立在選擇公理上嚴格推導出來。

分球悖論的大致意思,指的是一個三維實心球,可以通過細分為有限部分,每部分又分為無限份,然後僅僅通過旋轉和平移,就可以重新組合成兩個完全一樣的實心球,而且和原來的實心球一模一樣(質量相同,密度相同,半徑相同)。


該悖論或者說定理,在數學推導上無懈可擊,但是明顯違背了物理定律,其中的關鍵在於,分球過程涉及“無限細分”,一旦物理世界不能無限細分,那麼該悖論就無法在物理世界中出現。

這一悖論似乎暗示著物理世界不能無限細分,但是僅僅是一種暗示而已,大自然規律是和諧與美妙的,當然不允許這樣的悖論在現實世界中發生。


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艾伯史密斯


我覺得這張圖片非常有意思,局部放大後是第二張圖片。我覺得看了以後對“物質是不是可以無止境地細分下去”會有新的想法。

圖片來自11月16日今日頭條文章《量子力學與粒子物理科普貼/微觀世界的秘密》由作者“原點閱讀”發表。

根據今日頭條於11月28日晚發表的文章(見下文)

普朗克長度是長度的自然單位,大約為1.62×10∧-35米。如此之小的長度幾乎沒辦法度量。它有多小呢?一個質子的半徑大約是0.88fm,也就是8.8×10∧-16米,這個長度比普朗克長度還要大19個數量級。

這個長度是怎麼來的呢?

我們看到一個物體,是因為它反射了光進入人的眼裡,並被大腦感知。同樣,我們要測量一個微小的物質,就要發射一束光子去探測它。但由於這個長度太小了,光子的波長必須很短,也就是頻率非常的高,才能夠探測到它。

由於電磁波頻率與能量是成正比的,這意味著光子所攜帶的能量非常的高,當這個光子碰到這個尺度的粒子後,粒子會坍縮成一個黑洞,從而將光子吞噬掉,使測量失敗。

所以,低於這個長度的數值在物理學裡是無意義的。

由於真空中的光速是最快的,用這個長度除以光速,就得到了普朗克時間: 5.39×10∧-44秒。同樣,時間低於這個數值在物理學裡也是無意義的。

這說明普朗克長度是物質細分下去的極限,也就是物質是不可以無止境地細分下去的。“物質可以截而又截、截而無止”的認知可以壽終正寢了。








海雲青


如果按照量子力學的描述,構築整個宇宙的粒子都是由夸克、膠子、電子等基本粒子組成,那麼固然它們是不可分割的。



但是,自古以來就沒有絕對,當初認為不可分割的原子還不是隨著科學的發展被證明是可以繼續分割的。所以,萬事無絕對,現在我們的技術手段只能夠認識到夸克、電子等級別。如果那天人類能源技術發展了,可以製造出來更為強大的對撞機,不僅可以把質子、中子“撞碎”。甚至是電子、夸克等最基本的粒子也給撞碎,從而發現更為基礎的萬物構成組分。



即便是現在,有關基本粒子的形態存在還有爭議。其中致力於構建一個能夠統一相對論和量子力學的超弦理論則認為:構成萬事萬物的基礎材料並不是夸克、電子等粒子,而是一段段一維的能量弦,這些弦的不同振動形式,造成了多種多樣的粒子特徵。所以說,如果把物質最終分割,得到的可能就是一段段能量之弦!



宇宙之大,規律之精妙,我們也只是略知皮毛,期待往後科學更大的發展吧!


科學探秘頻道


量子力學的研究表明,物質並不是無限可分的。從現有技術來看,標準模型下的61種基本粒子,就是屬於不可分類型的物質了。

關於這類問題,古人很早就開始思考了。現代科學研究表明,我們日常生活中所見到的物質都是由原子構成的,原子則由原子核(質子和中子)和電子組成,而質子、中子等強子則由更基礎的夸克構成。



無限這種概念只存在於數學領域,不適用於現實世界。地球上的沙子確實很多,多的幾乎數不清,但是地球上沙子的數量肯定是有限的。從數學上來看,將1不斷除以2,永遠也除不盡,只會變得越來越小。

如果物質是無限可分的,就會產生很多悖論。其大無外,其小無內,很明顯這樣的物質在宇宙中不存在。一個物質無限分下去,最後會變成無限多個點,這本身就很不可思議。

無限可分本身就意味著連續,而量子力學描述的是離散量。在微觀世界中,物質的運動變化是不連續的。物質只有存在最小尺寸,才能符合量子力學的描述。在量子力學中,物質所能存在的最小尺寸被稱之為普朗克長度,即1.6x10^-35米。除此之外,還有普朗克時間、普朗克質量等概念。

為了解決物質的終極結構問題,科學家們提出了弦理論,認為物質本質上是由微小振動的弦構成的。弦的不同振動模式,對外表現為不同的粒子。


弦論拋棄了點粒子的概念,認為粒子是由一維的弦構成的。在此基礎之上,科學家們又提出了膜理論。不管是膜理論還是弦理論,目前都還停留在理論階段,現有的技術手段根本無法證明。

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科學探索菌


首先,物質不是無限可分的,所謂“無限可分”的概念只存在我們想象中,或者說只存在數學概念裡!在數學領域,數字可以無限“分割”,你可以把數字“1”無限地平分下去,永遠每走盡頭。也可以說你不可能找到“比0大的最小的數”!

但有時候數學概念並不一定適用於物理定律和現實世界,從這點來講,數學並不是科學,它只是人類探索宇宙的手段,為人類服務的!

那麼是否存在不可分割的物質呢?

目前的科學發現並沒有指定那些物質是不可分割的,但存在一些基本粒子,比如說電子,中微子,希格斯玻色子,夸克等,我們並沒有真正發現這些粒子是否具有內部結構!

不過即使這些基本粒子有內部結構可以再分,但由於物理學上存在最小的長度,意味著基本粒子不可以無限分割下去!

這個最小的長度就是“普朗克長度”(對應的還有普朗克時間和普朗克溫度等),這個長度是由普朗克常數,光速和引力常數的數值決定的,約等於1.6x10的-35次方米,相當於一個質子大小的10^22分之一,被任性是“有意義的可測量最小長度”!

普朗克長度的存在可以避免一些悖論的產生,也意味著我們的時空結構並不是連續的,在最小的時空結構層面存在著時空“跳躍”!


宇宙探索



我們中國古代道家代表人物莊子(約前369――前286年)曾說:“一尺之棰,日取其半,萬世不竭”,體現了物質是無限可分的思想。而差不多同時代古希臘的德謨克利特(前460――前370年)卻提出物質原子論,他認為一切事物都是由原子和虛空組成,虛空是原子的活動場所,是真正的空無一物,這些原子並不一樣,但不可再分,原子是組成物質的最小單位,這些原子沒有實質內容。他還認為原子是一種存在,虛空是一種非存在,非存在不等於不存在。這些思想與現代科學思想很接近。道爾頓就是在他的理論基礎上發展成近代原子論。只不過現代科學理論認為原子是化學變化的最小單位,不是物理上的最小單位,原子還是可分的,盧瑟福α粒轟擊散射實驗證實原子由原子核和核外電子組成,而原子核由質子和中子組成。1964年美國的蓋爾曼提出質子和中子是由夸克組成的模型,1968年被發現。那夸克又有什麼組成的?量子力學的思想是物質應該存在最小組成單位即基本粒子,物質不能無限可分。於是一場尋找基本粒子的行動開始了,歷經三次變更,目前確認存在62種基本粒子,數目有點大。那它們真的不能再分了?現代科學認為這些基本粒子是“可分而不可分離”,就是它們是有質量內容的,不是虛空,所以應該有“東西”組成它們,但這些“東西”又不能單獨存在,因此不能分離。“量子”的精髓是數學上比量子更小的東西是沒意義的。以此來鎖定物質的無限分割。這些基本粒子就是量子。

針對上面的觀點,有的科學家提出質疑:物質不能無限可分在哲學上邏輯上講不通。第一,基本粒子數量太多,失去了基本的意義。好多粒子都是為滿足標準模型才出現的,如果沒有,就用大型對撞機去撞擊產生,直到撞出理論預測的粒子,好多人為撞擊產生的粒子壽命短的只有10的負幾十次方秒,這樣下去,基本粒子的數量還會增加,想要什麼樣的就能“製造”什麼樣的。從這個意義上說,基本粒子不基本。第二,正如上面所說,基本粒子有質量有實質東西,實質東西就應該有大小有多少,這個“東西”不管能不能獨立存在,它都是基本粒子的組成部分,是基本粒子分的,是更基本的東西,再往下一層,這個東西還是有內容,有內容就能繼續分,……直到從有形實質變為無形虛無,就像數學上的極限,這樣才算完美。極限是什麼?極限既是目標結果,過程又是數學上的無限。因此物質應該是無限可分的,根本不存在基本粒子。從這裡也可得出結論,物質是由虛空組成的。

兩種觀點走向兩個極端,一種認為存在基本粒子,物質不能無限分割。一種認為不存在基本粒子,物質能無限分割。第一種觀點認為所有物質都是由62種基本粒子不同的組合組成,雖然基本粒子種類多一點,但比說“所有物質都是有最最基本的一種粒子組成”更合理一些。但由此還是容易引出一個問題:為什麼有不同的基本粒子及不同的組合方式組成不同的物質?本質上都是由一種最最基本粒子組成的物質為什麼出現差異?還有同一種基本粒子比如說中子質子吧,所有的中子都一樣嗎?所有的質子都一樣嗎?答案是宇宙中不會存在完全相同的兩個東西,包括基本粒子數量級的,因為完全相同就沒有存在的必要了,這應該是個具有普適性的宇宙基本原理。從這個意義上說根本不存在基本粒子,每一個基本粒子個體都是不一樣的。這也部分解釋了物質出現的差異(物質多樣性)。還有我們一定不要犯牛頓時代的機械論,認為原子是世界的本原,原子的屬性就是物質的屬性,所有運動現象都理解或歸結於機械運動。實際上宇宙複雜的很,物質和物質之間、物質和意識之間都存在著聯繫,它們是一個系統。不能單純把物質歸結為只是由什麼基本粒子組成,它們還存在一些別的東西,這才是物質多樣性的真正原因。所以第二種觀點認為不存在基本粒子還是有一定道理,至於物質是否無限可分的問題,應該說現在就分到這一層了,以後肯定能分下去,最後分到和宇宙本質相通。所以物質的分割與對宇宙的認識層次緊密相連,物質的分割最後必然和宇宙的其它東西聯繫在一起。

另:西方有的科學家提出“超弦”理論,M理論,他們拋棄基本粒子是點粒子的看法,取而代之的是一維的弦,實際上“弦”是什麼物質的問題仍然沒解決,最後又回到了原來的問題了。解決此類問題還是我們東方。


物原愛牛毛1


物質的分級程度,取決於物質的分佈狀態。把物態分佈的密度大小的分級,簡稱“密級”,包括“質量密級”與“能量密級”。就可以說:物質的分級——取決於——物態的密級。

筆者根據前沿物理的測量與實驗成果,將物態分為三類九級,從最高密度/最小熵值的中子態,到最低密度/最大熵值的場量子態,場量子是宇宙中的最小基本單元。見下圖。


▲三大物態體系的密級總序列示意圖

結合態,包括三個密度級別,按大小有:中子態>固態>液態。也叫凝聚態(condensed)。中子態是宇宙中最大密度的物質形態。

分散態,包括三個密度級別,按大小有:常規氣態>等離子氣態>超低溫氣態。超低溫氣態,包括:玻色-愛因斯坦凝聚態與費米子凝聚態。

介質態,是吸納與傳播能量與力的真空場介質,包括三個密度級別,按大小有:電磁場>引力場>基態真空場。

基態真空場,是幾乎絕對零度的最低密度的真空場,其量子化單元,叫場量子。

公設定義:場量子是以光速自旋且以光速做最無序震盪的最小物質單元。

附言:若對筆者的物質定義,有不同意見的,請給出定義,並簡述理由。謝謝。

物理新視野,旨在建設性新思維,共同切磋物理/邏輯/雙語的疑難問題。


物理新視野


如果《生活大爆炸》裡的謝耳朵來給你講一講可能效果更好一些,因為他研究的就是弦論。

現實中弦論是維內奇諾最早提出來的。就是說亞原子粒子,比如電子光子中微子夸克之類的粒子,其實不是點狀的粒子,而是很小很小的線狀的弦。這個弦通過不同的振動以及運動就成產生各種粒子,也符合能量和物質可以互相轉化。

目前如果弦論被證實的話,就可以將基本粒子和四種相互作用力統一起來。誰能證實弦論,諾貝爾獎是跑不了的,而且還還可以掀開人類對於自然理解的新篇章。

所以物質是不是可以無限細分,目前還沒有定論。我們能知道的就是能量和質量可以互相轉化。想動腦子的話,可以想象一下如果粒子全部轉化為能量,那其實還是這坨東西。能量可不可以細分呢?


蛋科夫斯基


看得出,您想問物質的最基本構成。物質不只是我們所看到或所觸摸到的,所認識的那個概念。其實“物質”這個概念是我們從外向內跨層次認識的物理特性空間。

這樣說吧:只要有能量的空間就有差異性,同層次的差異導致空間運動,空間運動導致空間外層出現磁場,磁場會由內向外層層相反組合。不同磁場中心的空間“所謂的物質體”在遠離誇外層時會提現出相互吸引,在靠近跨內層時會相互排斥。只要是跨層運動就會出現磁場結構矛盾。這就是物質體積形成的原因。

具體描繪一下跨層磁場矛盾。磁場總是層層箱套的,在分界處,就是左右相反的兩個磁場,當外來磁場未達到分界線時可以通過旋轉180°調節方向來構成相互吸引。當,兩個中心不同的磁場靠到分界處時,繼續靠近就會出現磁場矛盾,進入彼此內層還未全部進入狀態時,由於無法同時符合對方分界線內外兩個不同方向相反的磁場,所以會出現排斥性體積。物質體積就是這麼被人認識到的,但那絕不是物質的全部……


愛因斯坦也是民科二


物質是無限可分的嗎?

我國古代哲學家莊子說過:“一尺之捶,日取其半,萬世不竭。”其含義如題理解,一根一尺長的木頭,每天取走一半,永遠都取不完......這從一定意義上理解確實如此,物質可以無限細分,中國古代即有如此認識,難能可貴!!

但隨著我們對微觀世界的瞭解,物質的細分是會到盡頭的,我們先不用去理解各種“子”的尺寸,單獨從普朗克長度來理解,一個普朗克長度為1.6x10^-35M,小於這個長度即不存在任何意義!簡單的說,普朗克長度就是930億光年中的最小像素,無法在進行分割......那麼就如開頭說的那樣,日取其半,中有一天會取到只有一個普朗克長度....至此再也無法細分!

1/2^x=1.6x10^-35M

X= 115.58941142次,大概能連續取接近四個月差5天,最終到剩下一個普朗克長度再也無法分割了!

但是我們的微觀世界從來都沒有到達過如此小的尺寸,那麼我們觀測到的極限在哪裡呢?

物質的細分,從大到下

分子:10^-10m(各個分子的直徑大小不一定一樣,大的有10^-8m)

質子:10^-15m

中子:10^-15m

電子:10^-16m

夸克:10^-18m

那麼如果切到夸克為止,又可以取多少天呢?

1/2^x=10^-18

X= 59.794705708 大約可以取2個月左右!

即取到夸克了,再也無法分割了!

因此兩種方式是不一樣的,一個是理論的理論值,一個是實際的理論值!但實際上....切個幾天沒看不到了哈!

我們宇宙中所有的已知物質都是由基本粒子構成的,即輕子和夸克、還有傳遞能量的光子、W玻色子、Z玻色子、和膠子和賦予基本粒子質量的希格斯粒子。我們最熟悉的電子是基本粒子,不過原子核裡的質子和中子並不是基本粒子哦,質子和中子是由夸克組成的,夸克與夸克之間的媒介是膠子。這個理論模型久經所有實驗和觀測檢驗的,而且這個模型中所有預言的現象都已經被驗證,這是一個被普遍接受的“標準粒子物理模型”。


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