物质,是构成宇宙中一切物体的实体和场,物质和能量一起共同组成了这个神奇的宇宙,从宏观上来看,宇宙中的物质形态多种多样。
固体,液体,气体都是人类日常生活中常见的物质状态。
古希腊时代的哲学家留基伯和德谟克利特提出,物质是由无数散开的“组件”组合而成,随着科学的发展,这种观点被证实,宇宙中的一切物质都是由基本粒子构成的,一个个微小的粒子就像是拼图一样,拼接在一起,形成了无穷的宇宙。
如果把宇宙中全部的基本粒子放在一起进行分类,可以简单分为两种:费米子和玻色子,费米子的自旋为半奇数,而玻色子的自旋为整数,不同的自旋差异使得费米子和玻色子拥有了不同的性质,在一个量子态中只能有一个费米子存在,但是允许有多个玻色子存在。
因为物质是由费米子组成的,费米子就是物质的基本机构,作为基本的组成单元,自然不可能有多个存在,玻色子负责传递物质之间的相互作用,在一个量子态中可以有多个玻色子存在。
在玻色子中存在一种特殊的“希格斯玻色子”,这种玻色子的自旋为0,是希格斯场量子化后的产物。
在标准模型中 ,希格斯场是一种假设中存在于整个宇宙的量子场,基本粒子和希格斯场发生相互作用后就能产生质量,而希格斯玻色子就是希格斯场震动的产物,科学家一直试图寻找到希格斯玻色子,试图证明希格斯场的存在,可是目前并没有成功。
粒子物理学的基本模型统一了宇宙中除了引力之外三种基本力:“电磁力”“强核力”“弱核力”,并且在基本模型中还指出,引力是因为“引力子”才产生的,但是因为科学家找不到引力子,而爱因斯坦的广义相对论很好地描述了引力的本质,导致了两个理论的不完善。
爱因斯坦同时在相对论中指出:一切物质都潜藏着质量乘于光速平方的能量,因此两个原子核发生聚变反应后才能产生巨大的能量,从本质上来看,物质和能量是等价的,只是存在的状态有差别,能量本身就是物质运动后产生的力。
质量是物质的本质,而能量是物质运动的体现,在宇宙中任何物质都在不断地运动,不断地产生能量,宇宙中不存在绝对静止的物质,虽然在人类的眼中有些物质在不运动时是“静止”的,但是在微观世界中,粒子在不断的运动,除非进入所谓的“绝对零度”,物质的才会静止,但是当物质停止运动后,时间也就失去了意义。
“热量”是粒子运动剧烈程度的体现,由此可见人类日常生活中的一切,其实都源自于微观世界中粒子的运动和变化,宇宙中的所有物质都是由基本的单位组成的,物理学中最小的单位是“普朗克尺度”,不论是是“时间”“长度”还是“质量”都存在一个最小的普朗克尺度。
普朗克关于黑体辐射的研究促使了量子力学的诞生,“量子”本身就是最小的能量存在单位,任何小于普朗克尺度的存在都是没有意义,因为小于这个尺度时,人类的物理理论就失去作用了。
简单地了解物质的本质后,再思考这个问题,宇宙中的物质是怎么出现的?
大爆炸理论在很长一段时间内,科学家认为宇宙永恒存在是稳定永恒的,但是随着科学的发展,科学家逐渐发现,宇宙中不断有恒星出现,也不断的有恒星死去,同时如果宇宙真的是永恒存在的,为什么夜空没有被无数的恒星照亮呢?
这个问题就是“奥伯斯佯谬”,关于这个问题的讨论让科学家意识到宇宙本身并不是永恒的,随着理论的完善“大爆炸宇宙论”诞生,哈勃定律的发现给静态宇宙模型最后一击,彻底证明了宇宙本身在不断膨胀运动。
137亿年前,无尽的虚无中发生了一场爆炸,一个温度无限高,且体积无限小质量无限大的奇点发生了爆炸,这个奇点会产生无限的时空曲率,在某个时间点内,时空和空间在充满着不确定性的量子扰动中诞生,随后发生了剧烈的暴涨,我们的宇宙就在暴涨的过程中缓慢冷却,最终变成了现在的样子。
现在的理论认为,宇宙大爆炸是宇宙的内禀属性,不需要去思考为什么会发生爆炸和大爆炸之前存在什么,因为在大爆炸之前除了奇点什么都不存在。
前文已经提到,最短的时间间隔是“普朗克时间”,在大爆炸后的一个普朗克时间内,引力已经存在,而其他三种基本力仍然融为一体,宇宙虽然已经诞生,但是因为宇宙刚刚诞生,空间无比炙热,一切粒子和基本力都不存在,宇宙中只存在单纯的能量。