(1)[转载]物质与能量及其特性

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(1)[转载]物质与能量及其特性

物质与能量

一 哲学陷阱

我们大多数人在学习哲学的时候,都被告知哲学分为两大派:唯物主义和唯心主义。但很少有人想过,这样的分类是否合理。我们如果能够回到问题上看的话,会更容易得出正确的结论。哲学的基本问题之一就是“世界由什么组成”,由这个问题又延伸出来另一个伪问题——“世界由物质决定还是由意识决定”。各位可以试着分辨这两个问题的区别。

当问题是“世界由什么组成”的时候,问题是开放性的,每个人都可能有自己的答案;如果问题变成了“世界由物质决定还是由意识决定”时,我们实际上已经变成了做选择题,而且是一个单项选择题,但最要命的是,这两个选项都不正确,这才是陷阱所在。就好像有人问你“你住的房子是石头做的,还是水做的?”你会如何回答呢?如果不跳出陷阱,无论说房子是石头做的还是水做的,恐怕都难以令人信服。我的回答是“我住的房子是钢筋水泥和砖头沙石做的,过程中还使用了水”。各位觉得如何呢?

世界由什么组成呢?我的答案是“物质与能量”。物质与能量共同组成了我们的世界。物质是一种有实体的存在,而能量是一种没有实体,但能够被感知,能够使物质发生变化的存在。意识只是能量的一种。物质具有普遍性,那么能量是否具有普遍性呢?答案当然是肯定的。万有引力和分子热运动现象就是这一普遍性存在的最好证明。

二 哲学与物理

所谓哲学、物理、化学、数学或其他等等,不过是我们在观察世界时采取不同角度而得到的结果,而我们所观察的对象,从来都是同一个,那么它们互相印证也就不足为奇了。

关于能量,我们知道最基本的定律就是能量转化和守恒定律。如果承认世界是由物质与能量共同组成,那么,物质转化与守恒定律也是同样成立的。所谓“物质不灭”,不正是物质转化与守恒定律的另一表述吗?

承认了世界是由物质与能量共同组成,许多物理现象解释起来就简单得多了。

比如光电效应,就是能量从光的形式转化为电的形式,能量发生转化,这不是再正常不过的事情吗?

比如极光。极光不仅在南北极存在,在特殊的磁场环境中也存在,那表示,磁能是可以转化成光能的,这不难理解吧?

再比如惯性定律。运动的物体具有动能,如果动能没有转化成其它形式的能量,也没有其它能量(外力)来影响,那原来的动能就不可能有任何改变,当然就物体的速度和方向都没有改变了。

再比如光和影的现象。光能在传递的时候遇到障碍物,如果障碍物不是非常小,障碍物就吸收转化了相当部分的能量(大多数时候是转化为热能)。由于光能减少了,所以我们看到光变暗了,这样就形成了影子。只要光能在传递过程中有能量的转化,就会有影子的存在,。障碍物吸收转化的能量越多,影子就越重。从实际生活中我们也可以看到,一张纸的影子不如一块木板的影子重。其实就是木板吸收转化的能量比纸吸收转化的能量多的缘故。实际上,透明的玻璃、水甚至大气层,都是有影子的,只不过由于透明的玻璃和水吸收转化的能量相对比较少,所以我们看到光变暗的程度不深而已。同样,没有经过大气层过滤的阳光是可以烧死人的,而经过大气层的阳光却不会,所以我们实际上是生活在大气层的影子里。

还有波的干涉现象。波是能量传递的一种方式。如果一种能量在传递过程中遇到障碍物,障碍物就要吸收转化一部分或者全部的能量。如果障碍物足够小的话,转化的能量也就非常少,远远小于剩余部分能量,那么剩余部分的能量与原来能量的相差就非常小,小到难以测量出来,那么剩余部分能量就以与原来能量相差非常小的方式继续传递(其实二者之间还是有差别的,只不过由于差别非常小,小到我们难以察觉而已),我们就看到了干涉的现象。

水变油可不可能?点石成金可不可能?当然可能。很多人之所以失败,是因为目标与方法相违背。比如水变油,如果是为了获得能量,当然不可能;因为要使一克水变成一克油,可能需要一座核能发电厂的能量。水变油不能使我们获得能量,反倒要消耗更多的能量,点石成金也类似。如果目标仅仅是水变油,那么建一座核能发电厂来试试,应该不成问题的。

承认世界是由物质与能量共同组成,我们也不用再派卫星去寻找所谓反物质了,所谓反物质,就是能量嘛,我们每天都看得到,感受得到的,何必派卫星跑到地球外去寻找?我们也不用再为白洞的理论困惑了,如果说黑洞是不断吸收物质的,那白洞就是不断放射能量的,它有另一个名称,叫做恒星。

三 能量的分类及特性

能量的基本特性是促使变化的发生,也即具有变化性。物质的基本特性是妨碍变化的发生,也即具有阻碍变化的惰性。这两者的特性也可以用另一方式表述:绝对运动与相对静止。我之所以采用“变化”一词,是因为运动也可以说成是物理位置的变化,而变化的范围更广阔。

物质的分类我就不说了,“前人之述备矣”,说说能量的分类。普通的分法有许多种,风能、光能、电能、磁能、热能、动能、势能、化学能、生命能等等,但这种分法不能帮助我们更好地认识能量的特性。根据能量与物质的关系特性,我把能量分为两大类:动能和势能。能量的变化性大于物质的惰性时表现为动能,能量的变化性等于物质的惰性时表现为势能。当然,可能有人要问物质的惰性大于能量的变化性会怎样,不过那是另一种情形,我们将放在以后进行讨论。

根据能量与物质的关系特性将能量分为动能和势能两大类后,每一类可再行细分。动能包括光能、风能、电能、热能等等,风能实质上是气体分子的动能之和;电能是电子的动能之和;热能则是物体内部所有分子无规则运动的动能之和。动能的基本公式是E=mv2/2(光能除外)。势能包括磁能、化学能、分子势能等等,基本公式是力与距离的乘积。生命能则是动能与势能的结合体。

四 能量的传递与转化

能量具有变化性,变化又分两种:传递与转化。所谓传递,是指能量的位置发生变化。所谓转化,是指能量的形式发生变化。二者经常是同时发生的。比如一束光照到木板上,木板会变热,这是光能转化成了热能,同时我们可以看到木板,是光在照到木板时,产生了反射,也就是说,一束光照到木板上,部分光能被吸收,转化成热能,部分光能被木板反射,继续以光的形式存在。

五 特殊的光能

光是能量的一种特殊形式。其它形式的能量,无论风能、热能或是电能磁能,都必须依赖物质而存在。没有气体分子,就不存在所谓风能,没有某种介质,我们也无法感觉到热,没有导体就没有电能,没有磁极就没有磁能,种种能量都无法脱离物质而存在,也就是说物质是这些能量的载体。而光是一种可以脱离物质存在的能量形式,光不需要物质作为载体。比如阳光从太阳传递到地球上,就不需要借用任何物质作为载体。但光遇到物质又必定会发生转化,转化成热能、电能或其它形式的能量。

六 时间与变化

时间是衡量变化的工具。我们所能认识的变化都是相对不变而言,如果我们处于绝对变化的状态中,没有相对静止的状态,或是处于绝对静止状态,没有改变发生,我们就不可能认识变化。变化就是物质惰性与能量变化性的统一表现。我们计算时间也都是通过变化来进行。时钟的设计就是通过时针的物理位置的变化来显示时间。如果确认这一点,那么回到过去就是不可能的事情,因为所有的变化都是不可逆的。变化是同时涉及物质与能量的,如果要产生逆变化,那必须是物质与能量同时逆向改变。但使某种物质发生某种改变的能量,与使该物质发生逆变换的能量必定是不一样的,就比如加热水的是热能,使水降温的却肯定不是热能那样。因此,变化是不可逆的,我们不可能回到过去。但光速是一个临界点,我们处于临界状态时,也就是说改变尚未发生,既然没有变化发生,时间看起来当然是静止的样子了,时间是衡量变化的工具嘛。

七 慢速宇宙与快速宇宙

光速是一个临界点,光速以下的世界被称为慢速宇宙,慢速宇宙中,物质是能量的载体。光速以上的世界被称为快速宇宙。我推测,在快速宇宙中,能量是物质的载体。慢速宇宙中,不变(相对静止)是基本特性;快速宇宙中,变化是基本特性。慢速宇宙是往外膨胀的,快速宇宙是向内塌缩的。快速宇宙中,能量被局限在物质内部发生高速变化,物质的质是不稳定的,这就是前面所说的物质的惰性大于能量的变化性的情形。爱因斯坦做过的超光速传送试验,也验证了这一点。船员跟船融为一体,这正是快速宇宙向内塌缩,物质内部发生高速变化这些特性的表现。其实用活物或活人在两种宇宙之间进行传送实验是很恐怖的事情,因为快速宇宙的发展规律完全不同于慢速宇宙,用死物还好些。但也并不是完全没有办法在两种宇宙中进行穿梭。因为光速是一个临界点,临界状态是两种宇宙中的共同部分,人可以处于临界点上在两种宇宙之间进行穿梭。我们古人所谓的元神出窍应该就是指这种方法。

物质与能量是构成宇宙的最基本元素,是亘古以来便存在的,而且它们并不是孤立存在的,而是同时存在的,无始无终。它们以某种形式存在,它们的存在形式是不断变化的,或分裂或结合,又因分裂和结合的程度和方式不同而气象万千。我们所谓的存在和有无,通常只是指某种形式的阶段性存在。人类于宇宙,实在不过是一粒微尘,转瞬即灭。

(点击进入)能量与物质转换

暗物质与暗能量

宇宙的起源和进化是物理学研究的最基本的问题之一。建立在广义相对论和宇宙学原理(即在宇宙大尺度上,物质的分布是高度均匀各向同性的)之上的大爆炸宇宙模型告诉我们大约137亿年前,大爆炸发生的那一刻,宇宙处于一个极致密、极高温的状态,形成了空间和时间,宇宙随之诞生,并经过膨胀、冷却演化至今。在这个过程中,宇宙经历了原初轻元素合成、光子退耦和中性原子形成、第一代恒星形成等几个重要的时期,星系、地球、空气、水和生命便在这个不断膨胀的时空里逐渐形成。

二十世纪二十年代,天文学家哈勃从星系光谱的红移的观测中发现宇宙中所有的星系都在彼此远离退行,距离越远,退行速度越大,二者成正比,这个比例系数被称为哈勃常数,这个规律叫哈勃定律。在此基础上,产生"膨胀宇宙"的概念和"大爆炸宇宙模型"。二十世纪大量的天文观测和天体物理研究结果都证实这个模型。

2003年威尔金森微波背景各向异性探测器(WMAP)和斯隆数字巡天(SDSS)天文观测以其对宇宙学参数的精确测量,进一步强有力地支持了这一模型。这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就。WMAP的结果告诉我们,宇宙中普通物质只占4%,23%的物质为暗物质,73%是暗能量,SDSS也给出类似的结果。从物质基本结构的观点出发,普通的物质,如树木、桌子以及我们人类本身,是由分子、原子构成。然而分子、原子不是最基本的,目前已知的最基本的粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递相互作用的粒子(如光子,胶子等)。北京正负电子对撞机就是系统地研究其中的粲(charm)夸克和陶(tau)轻子。

什么是暗物质呢?暗物质是不发光的,但是它有显著的引力效应。比如,对于一个星系考虑距其中心远处的天体的旋转速度,如果物质存在的区域和光存在的区域是一样的话,由牛顿引力定律可知,距离中心越远,速度应该越小。可是天文观测事实不是这样的,这就说明当中有看不见的暗物质。目前各种天文观测和结构形成理论强有力地表明宇宙中有大约三分之一是暗物质。中微子是一种暗物质粒子,但WMAP和SDSS的结果说明,它的质量应当非常小,在暗物质中只能占微小的比例,绝大部分应是所谓的中性的弱作用重粒子。它们究竟是什么目前还不清楚。理论物理学家猜测,它们可能是超对称理论中的最轻的超对称粒子,是稳定的,在宇宙演化过程中像微波背景光子一样被遗留下来。目前世界各国科学家,例如中意科学家合作组DAMA实验,丁肇中先生领导的AMS实验,正在进行着各种加速器和非加速器实验,试图找到这种暗物质粒子。

暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明,宇宙在加速膨胀,星系膨胀的速度不象哈勃定律描述的那样,是恒定的,而是在不断加速。按照爱因斯坦引力场方程,加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的"暗能量"。另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密度。但是,我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1/3左右,所以仍有约2/3的短缺。这一短缺的物质称为暗能量,其基本特征是具有负压,在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。最近WMAP数据显示,暗能量在宇宙中占总物质的73%。值得注意的是,对于通常的能量(辐射)、重子和冷暗物质,压强都是非负的,所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙。

然而现在物理学的基本理论还无法解释观测到的这一暗能量。暗能量是二十一世纪物理面临的最大的挑战。物理学对暗能量这种新类型物质的探索才刚刚开始。众说纷纭,但仅仅是一些猜测和设想,远没有形成一个基本合理的解释。科学家正在计划发射新的探测卫星,对于宇宙大尺度空间进行更多更精确更系统的观测,进一步研究宇宙加速膨胀的规律,确定暗能量的形式和物理特征,不同的暗能量形式将导致非常不同的宇宙膨胀的规律。解决这一问题需要新的理论,这样的理论一旦被找到,很可能是人们长期追求的包括引力在内的各种相互作用统一的量子理论。这将是一场重大的物理学革命。

综上所述,研究暗物质、暗能量这些新的问题需要将描述微观世界的粒子物理与描述宇观世界的宇宙学结合起来。这一极大与极小的联系是21世纪物理学和天文学研究的一个新特点。

观念的冲击和突破

波兰天文学家哥白尼(NicholasCopernicus,1473-1543)(左图)1536年写成《天体运行论》,1543年公开出版。他在书中指出,地球不是宇宙的中心而是围绕太阳运行的普通行星,其自身又以地轴为中心自转。哥白尼的日心说推翻了统治天文学1000多年的地心体系(即地球是宇宙中心的学说),引起了全世界的轩然大波,人们不得不重新审视自身在宇宙中所扮演的角色。

在此之后,天文学上的发现不断地突破人们所建构的关于宇宙中心的知识体系,地球不是中心,太阳也并非就是,银河系也不是,随着爱因斯坦广义相对论的提出,人们才认识到宇宙根本没有中心。

暗物质和暗能量的存在是以前人类无法想象的事情,随着暗物质、暗能量被证实存在,并证实它们在宇宙中占有很大比重,人们的观念受到极大的冲击和突破。“宇宙由暗物质组成并因暗能量而彼此分开”这一难以理解而且违反常理的宇宙模型,也由于WMAP、SDSS以及新的超新星数据,逐渐得到了验证。科学家们已经开始研究一系列新问题,进一步探索这些“不可见宇宙”如何影响银河系和宇宙的过去、现在和未来。可以相信,人类最终一定能够理解宇宙的起源。

物质和能量的种种特性

用“顶天立地”来形容人类的处境是最恰当不过了。人同时存在于两种不同的世界,头上顶着高层次的灵性世界,脚下踏着物质化的实体世界,人既有肉体也是灵体。乍听之下灵与肉是两个截然不同的观念,但灵性和肉体并非毫不相干,因为物质即能量,有形无形皆是不断振动的能量,两者的分别在于振动频率不同,因而产生不同意识或形式的不同物质。振动频率高的成为无形的物质,如人的思想、感觉和意识;振动频率低的成为有形物质,如看得到的桌子、椅子、人体等等。

关于物质即能量(energy,也就是我们熟知的“气”或是物理学上的“振动”),源自古埃及和希腊的“秘传哲理”谈到宇宙七个原理的“振动原理”(principleofvibration)就明白指出:“没有任何东西是静止的,一切都在动,一切都在振动。”而东方圣贤如佛陀,也在2600年前指出,宇宙间的所有事物,都是由振动组成。近代的科学也印证了能量和物质间的关系,最有名的就是爱因斯坦的E=mc2(E是能量,m是质量,c是光速)。

然而,由于人类受限于感官所能触及的三维空间及线性的时间观念,误把实体的、有边界的物质,与连续的、波动的能量场视为两种不同的东西,前者以牛顿的古典动力学(classicaldynamics)为代表,而后者以马克斯威尔(James C. Maxwell)的古典电动力学(classicalelectrodynamics)为代表,两者成为19世纪末古典物理学达到巅峰的两大支柱。可是,当科学家再往最微细的次原子领域探索,或向最广阔的宇宙苍穹深究时,却发现在人类感官经验所不及的境地,物质与能量的本质其实是合而为一的。20世纪初的量子力学及相对论,也彻底颠覆了古典物理机械式的时空观。

物质和能量的种种特性依近代量子力学的观点,古典物理将波动的能量场与粒子化的物质区分为二的观点并不正确,物质其实是同时具有波动与粒子两种特性。而量子力学的几率特性也否定了古典观点确定性的因果律,粒子在受到观测之前并没有客观而确定的存在,也就是说,透过观测者的眼睛,才会出现有形的形式。

科学家的主动观测行为,是确定粒子存在与运动状态的必要条件,这里面就同时有主观与客观的成分,而这一点也促使一些知名物理学家如惠勒(JohnA. Wheeler)、玻姆(David Bohm)、韦格纳(EugeneWigner)及心理学家韦伯等,将“讯息”或甚至“意识”引进其关于物质存在的理论中。

另一方面,爱因斯坦的狭义与广义相对论也否定了古典绝对的时空观。在分析物体的运动时,三维的空间与第四维的时间不可分开来看,没有绝对的惯性坐标系统,光速对所有运动参考坐标系都是相同的数值。爱因斯坦也在相对论里进一步确立了物质与能量的关系(E=mc2)。物质和能量其实是同样东西的两个面向,在特定条件下两者可以互相转换,第二次世界大战曼哈顿计划所制造的原子弹及现代的核能发电都印证了这个理论,物质和能量只是以不同的频率振动着,而我们感官所觉知的物质,只是在极小空间中高度浓缩的能量。

尽管量子力学在技术应用上极为成功,但其本质的物理诠释至今仍未定论;而量子领域的贝尔定理(Bell sTheorem)也预测对两个相隔遥远的粒子其中之一观测后,讯息会实时传递给另一粒子,以物理学术语来说就是“非地域性的实时作用”(nonlocalized instant action),这点也与相对论所要求的“任何作用不能超过光速传递”的结论矛盾。

到底量子力学的本质是什么?现在仍居于物理学主流地位,由波尔(Neil Bohr)、海森堡(WernerHeissenberg)及波恩(MaxBorn)所提出来的几率性诠释(即所谓哥本哈根诠释)是否并不完整?例如爱因斯坦及创立量子波动力学的瑞士物理学家薛定谔(E.Schroedinger)等就无法认同哥本哈根诠释,认为量子的本质不应是全然的随机性(或无秩序性),必定有一些隐藏变量决定其量子态。

针对这点,美国量子物理学家玻姆曾经提出高维的“隐秩序”(implicateorder)次元及类似于全息摄影(holographic)的整体理论(Theory ofWholeness),作为量子力学的物理诠释,说明量子如何从所有隐藏的可能态表现出外现的随机事件,也成功地解决贝尔定理与相对论的矛盾。

在玻姆的隐秩序理论中,高次元的隐秩序层级是具有所有可能量子态的“能量海”,而我们的三维空间只不过是从隐秩序中特定量子事件所投射或绽放出来的一种呈现(玻姆称为显秩序层级)。玻姆认为隐秩序层级的能量海,由包含所有电磁波频谱的广义的“光”所构成,光在显秩序层级的来回卷缩与绽放(foldingand unfolding)中被凝聚或冻结(condensed orfrozen),而形成我们三维空间中物质的稳定存在。也就是说:万物皆由能量形成,物质是浓缩凝结的光(光是振动频率极高的能量,我们的灵体即是光)。总而言之,许多量子物理学家将物质分析到最后都发现,物质其实是没有任何形状的,有的只是一些能量的振动。

撇开高能物理学及粒子物理学不谈,就从与我们日常生活关系密切的量子化学角度来看,我们所看到及摸到的物质,分析到底层,可说都是由原子组成,原子是由原子核及其外带负电的电子构成,而原子核则由带正电的质子与中性的中子组成,电子在外,围绕着原子核旋转。而原子的质子数不同,组成不同原子序的元素,也就是我们在中学时所学的周期表的一百多种元素,这些元素构成大部分固态物理、凝态科学及分子物理学的素材。由于不同元素其电子波函数各有不同的波长和频率,形成不同的电子能态(energystates),而造就其不同的化学性质,所以我们也可以说各个元素皆以其特定的振动频率保持活动,从而产生不同的能量。再进一步将原子、原子核及电子三者的大小作比较。我们可以打个比方:假设原子是一座足球场,那原子核只不过是一颗棒球大小,而电子是几乎看不到的一个小黑点。由于质子的质量是电子的数千倍,原子的质量几乎集中在原子核内,换言之,整个足球场其实是空荡荡的,除了一颗棒球以及一些神出鬼没的电子云外,几乎没有什么实体,这就是微观的物质基础。从原子结构可以了解宏观物质的基础是多么的“空”。

不仅对次原子领域的研究有这些结论,就是关于宇宙起源的大爆炸理论(BigBang),也发现我们的宇宙时空是始于太初约一个质子那么大空间的剧烈波动而迅速膨胀冷却所产生的,而在大爆炸初期(即宇宙太初的10-41~10-33秒),由于时间之短与空间之小,能量密度非常高,像个大火球,空间中只有稠密的能量、光子及电磁力,随着之后宇宙不断扩张、温度不断下降,质能也不断产生相变(phasetransformation),才渐次产生夸克、质子与中子,并进而与电子稳定结合而成为稳定的氦及氢原子,进而形成我们所谓的物质。从宇宙太初浓密的能量火球,到衍生出现的丰富的宇宙万物,也再一次验证:能量与物质不过是在不同条件下同一本质的不同面向罢了。

我们之所以认为“物质和能量”或“肉体和灵体”截然不同,是因为我们人类有着二元(两极)化思考模式。我们所知道的事物,几乎都是来自知识和逻辑,而知识和逻辑形成了思想,思想就成为语言的基础,这种模式使得人类变成二元化的产物,有着二元化的思考方式。因此,在人的世界里有“善”就有“恶”,有“对”自然有“错”,有“好”更是有“坏”,有“快乐”当然也有“痛苦”,一切皆有对立面。事实上,善与恶属同一本质,对错是一样的东西,好坏更无差别,快乐即是痛苦。

打个比方,物质和能量像是处于一渐层连续体(continuum)的两极,一极为黑,一极为白,介于两极之间是灰色,而这具有黑白两极特色的灰色,包含着从偏白的灰色渐次发展到偏黑的灰色,这现象正如“秘传哲理”中“两极原理”(PrincipleofPolarity)所说的:“一切成双,一切皆有两极,一切皆有对立面,相似和相异是一样的,相反的东西其本质也是一样的,只是在程度上有所不同,极端的状况会彼此相遇,所有真理不过是半真理,所有的矛盾也许互相调和。”因此,人的灵体和肉体是同一件事,同属一渐层连续体的两端,正如是与非、善与恶、快乐与痛苦本质并无不同,分别只在于能量振动有所差异。如果以灵学和疗愈学来说,能量振动频率高而且精细的能量,是属于高层次的自性本体,当振动频率降低时,产生的物质就愈粗重(比如人的肉体),肉体在人类的四个次元中是频率最低的。

物质的“唯一特性”与“根本属性”究竟有何不同

一、在含义上比较。

物质的唯一特性是客观实在性,“客观实在”是指物质不依赖于人的意识,并能为人的意识所反映。当我们把万事万物用意识联系起来进行考察时,物质概念的内涵只能是指“不依赖于人的意识”,“能为人的意识所反映”。因此,只有这样的客观实在性才是物质的唯一特性。而物质的根本属性是运动。因为,事物只有在运动中才能存在,没有运动就没有事物,绝对静止、不做任何运动的的事物是没有的。运动属性是物质其它属性存在的前提,如运动的可知性、永恒性等。离开了运动属性,物质本身就不会存在,也就谈不上物质的别的属性。

二、在表现形式上比较。

物质的“客观实在”性,就是从千差万别、千变万化的物质具体形态中抽象出来的共同的唯一特性。没有物质的具体形态,就没有它们的客观实在性,就没有物质。物质只能存在于物质的具体形态中,而万事万物都是物质的具体表现。物质的具体形态是多种多样的,作为物质的根本属性,运动的形式也是多种多样的:如机械运动、物理运动、化学运动、生命运动和社会运动。各种运动形式之间又是相互联系、相互转化的,但运动是绝对的、永恒的,它只能从一种形式转化为另一种形式,人们既不能凭空创造运动,也不能使运动化为乌有。

三、在回答的问题上比较。

物质的“唯一特性”,是在研究物质与意识相互关系的问题时提出来的,它所回答的是物质的本原问题。物质和意识相比,它只能有一个特征,即“客观实在”性。只有物质才具有不依赖于意识而存在的客观实在性,而意识则依赖于物质,,不具有客观实在性。物质的“根本属性”,是对于物质和运动的相互关系而言的,它所回答的是物质存在的方式问题。运动是一切物质形态的存在方式,不存在没有运动的物质。

四、在地位上比较。

物质的“客观实在性”,是物质的最高、最普遍、最根本的特性。物质的一切其它特性总是体现着物质的这一根本特性。它必须符合这一根本特性,绝不能违反这一根本特性。我们的“客观实在”的物质世界,是有结构、有层次、有丰富特性的世界。不管结构多么复杂,层次多么丰富,特性多么多样,它们总是“客观存在”的,不能脱离客观实在性而存在。运动是物质的运动,任何运动都有物质承担者。早在100年以前,恩格斯就深刻研究了各种运动形式的物质承担者。现代科学的发展,又进一步丰富和发展了恩格斯关于物质运动承担者的思想。因此,离开物质的“客观实在”性就谈不上物质的运动。

五、在意义和作用上比较。

物质作为世界的本原和基础,就在于它的“客观实在性”。这一结论永远不会被推翻,只能为科学和实践的发展而不断证实和丰富。只有坚持物质的客观实在性,才能坚持唯物主义一元论,同唯心主义、二元论划清界限,也才能把辩证唯物主义和形而上学唯物主义区分开来。坚持物质的根本属性是运动,物质和运动不可分割的原理,对反对唯心主义和形而上学,坚持辩证唯物主义原理有着重要意义。唯心主义往往把物质和运动分开,设想没有物质的运动,总想把运动看成精神力量的运动,视为神灵的运动;形而上学者也总是把运动和物质割裂开来,设想没有运动的物质。因此,坚持物质和运动不可分割的原理,是坚持辩证唯物主义物质概念和运动概念的关键和前提。

物质的特性---能量释放

物质大到宏观宇宙的星体,小到微粒子都时时向外释放着能量,后果是物质不断地聚集和反聚集运动。微观物体随机发射引力粒子,同时为保持微观粒子返回回到发射这个引力粒子前的状态,也要回收到近似的相同引力粒子。由于引力粒子与物质之间的作用力和反作用力大小的不相等,引力粒子进出能量消耗是不同的,造成的结果是一物体对另物体产生了吸引力。发射和回收使微观物体是不断失去能量过程,也就是向外释放能量的过程。

物体向外释放能量所产生的吸引力结果造成物质不断聚集。物质不断聚集是要损失大量的能量,是通过物质内部引力粒子数量减少,和外部引力粒子数量不断增加为条件的。引力粒子和物质发生引力作用是需要物质载体的,除了看得见与重子物质发生物理引力的交互作用外,大部分是看不见的暗物质为载体。为保持引力粒子在空间上的分布,符合宏观物体引力满足平方成反比的客观现实,暗物质很自然成为空间的背景。暗物质粒子的质量比电子还小很多,没有光电特性。它遍布宇宙,空间位置不同暗物质的密度和能量也不尽相同。暗物质的存在保证了任意方向上引力场的连续和万有引力的现实。

黑洞星体周围存在巨大的引力场,这样巨大的引力场是通过暗物质为载体交互作用的。万有引力在空间上分布的存在,正是通过暗物质为载体实现的。能量需要以物质为载体才能实现能量转换。根本不存在无物质的能量。这也就是我提出暗能量的载体是中性物质的原因。物质的性质应该是连续的,从正物质到反物质之间应该存在中性物质,我们的宇宙只是物质世界的部分组成部分。物体是不连续的,即使宇宙奇点的物质之间仍然存在着空隙。

物质的释放与聚集是有极点的,物极必反。如地球引力场的能量释放作用,到了一定的时间,由于其内部物质结构排列的不均匀性造成,或者是火山爆发,或者是地震爆发,或者是磁场变化和地壳变化等等。而宇宙星体奇点的物质聚集,到了极点后发生的大爆炸,正是反聚集最极端的运动。反聚集运动其实也是物质的释放的本质的特性。

2003年年底以来,从国内外众多刊物和媒体评选出的2003年世界十大科技进展新闻看,物质本源及生物起源仍是世界科技关注的重点,入选的多项科技进展都属于这一领域。其中,"科学家发现暗能量存在的直接证据"这一物质本源研究进展更是受到广泛关注。如美国“科学”杂志评出年度十大科学成就时评价说,“明确宇宙能量分布,找到暗物质和暗能量存在的新证据,是2003年所取得的最重大的科学突破。”

2003年7月23日,美国匹兹堡大学斯克兰顿(Scranton)博士领导的一个多国科学家小组宣布,他们借助美国“威尔金森微波各向异性探测器”(WilkinsonMicrowave Anisotropy Probe,简称WMAP)(右图)的观测数据(观测宇宙微波背景辐射的微小变化),发现了暗能量存在的直接证据。作为“大爆炸”的“余烬”,宇宙微波背景辐射大约在“大爆炸”后38万年产生,

其中的光子在宇宙中穿行时会经历一系列物理过程,特别是在经过质量较大的星系时,这些光子将遭遇“引力陷阱”。探测结果显示,宇宙年龄约为137亿年,宇宙由23%的暗物质,73%的暗能量,4%的普通物质组成。宇宙中所占比例最多的东西反而是人类最迟也是最难了解的,至今仅知道它们存在着,但还不清楚它们的性质。

斯克兰顿等人介绍说,如果星系主要由普通物质组成,那么光子在落入“引力陷阱”以及从中逃逸出来的过程中,由于“陷阱”深度固定,其能量总体上将不会变化。但是,如果星系中包含暗能量,情况就会不同。由于暗能量的排斥力作用,光子在落入“引力陷阱”并逃出来的过程中,“陷阱”会逐渐变浅,能量反而增加。体现在微波背景辐射观测图上,经过这些星系区域的宇宙微波背景辐射温度将出现细微上升。(右图为威尔金森各向异性微波探测器观测到的宇宙第一束光线--宇宙大爆炸的余辉)

斯克兰顿博士等将WMAP以及另一项名叫“斯隆数字天宇测量”(Sloan DigitalSkySurvey,简称SDSS)(测定宇宙中星系的位置和彼此间距离)观测计划的结果进行了对比分析,结果发现,经过一些大质量星系区域的宇宙微波背景辐射温度确实出现了微升。科学家认为,这一结果只有用暗能量才能予以解释。(左图中左侧的黑色物为SDSS的主望远镜)

“暗物质、暗能量”到底是怎么回事呢?

暗物质

普通物质是那些在一般情况下能用眼睛或借助工具看得着的东西,即使藏身于最黑暗的角落,只要有光照总能发现它们。

谁最先发现了暗物质呢?二十世纪30年代,瑞士天文学家茨威基(FritzZwicky,1898-1974)(左图)发表了一个惊人结果:在星系团中,看得见的星系只占总质量的1/300以下,而99%以上的质量是看不见的。茨威基首先发现了暗物质的存在,他的发现大大推动了物理学的发展,他对科学的重大贡献是不可估量的。但当时许多人并不相信茨威基的结果。由于暗物质根本不与光发生作用,更不会发光,在天文上用光的手段绝对看不到暗物质。(右图为兹威基正在望远镜前观察)

万物之间存在万有引力,太阳系的九大行星围绕太阳旋转(左图),越往外其转动的速度越低,比如地球绕日速度是每秒30公里,高于火星,而火星的速度又高于位于它之外的木星,这是典型的中间有一颗大恒星的行星系表现。

二十世纪70年代初,科学家在观测宇宙其他一些星系(包括银河系(右图))中的恒星运行速度时就发现,越往外,围绕中心的速度并不都是衰减下去,而是和内圈恒星的速度差不多。这与越往外,物质越少,引力也越小,速度也应该越低的常规不符。由此反推,此时虽然外圈的那些能被直接观测到、数出来的星星数目变少了,但其实内部的物质数量并没有减少,引力也没有变小,只不过观测不到而已,科学家们大胆地猜测:宇宙中一定有某些物质没有被我们的天文观测所发现,这些物质被称为“暗物质”。

UGC10214星系是天文学家们发现的一个典型例子(左图),其中的物质不停地向它自己的外围流出,但在其外围却看不到任何别的星系存在。据猜测,该星系的旁边存在着一种“暗星系”,这些物质流就是在暗星系引力的作用下才流出来的。

科学家认为,通过测量物体围绕星系转动的速度可以找到暗物质存在的证据。根据人造卫星运行的速度和高度,就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离,就可以测出太阳的总质量。同理,根据物体(星体或气团)围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离,就可以估算出星系范围内的总质量。计算的结果发现,星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和,推算的结果:星系中的暗物质约占宇宙物质总量的20-30%。

暗物质的物理组成到底是什么?科学家们早先推测它可能由一种不带电的、质量很轻的、数目繁多的中微子构成,中微子的运动速度很快,可称之热暗物质;相对的,候选者还有可能是种质量大的、运动慢、引力大的冷暗物质粒子。天文学家后来在实际的观测和计算当中发现,答案更倾向于后者。冷暗物质粒子很可能是宇宙早期遗留下来的稳定、只有弱作用的重粒子(WIMP)。

2003年7月28日,以享克-霍克斯特(HenkHoekstra)为首的加拿大多伦多大学(York University inToronto)的天文学家成功测出了看不见的星系光晕(Dark matterhalos)(也称晕圈,星系光环)的大小并确定了其形状(左图)。根据最新的天文学理论,这些星系由暗物质构成。多伦多大学的天文学家解释称,这些光晕的体积要比看得见的星系(也就是发光物质——星体)体积大5—8倍。

享克-霍克斯特与他的同事霍华德-伊(HowardYee),以及目前在加利福尼亚帕萨迪纳(Pasadena)天文台工作的迈克尔-哥拉德(MichaelGladders)等在各自的研究中都运用了“引力透镜”(gravitationallens)效应(即质量庞大的天体通过引力作用使其它光源发出的光线在行进过程中发生偏离和扭曲)(右图)。天文学家们通过测算光线与光源之间的偏移度就可以对那些借助任何仪器都难以观察得到的天体进行研究。

天文学家利用1亿像素的数码照相机和安装在夏威夷岛上的大功率天文望远镜(Keck)(左图),对150多万个被附近12万个星系的“引力透镜”所扭曲的遥远星系的形状进行了研究。这一研究过程从1999年开始持续了两年,然后又花了两年时间对所获取的数据进行处理。最后得出结论:这些看不到的光晕被急剧“削弱”而形成鸡蛋状或橄榄球状。

享克-霍克斯特还指出,我们所在的星系—银河系的光晕超过50万光年,其质量约为太阳的8800亿倍。

这一研究数据再次证实了当前被天文学界普遍接受的理论——宇宙充满着“冷暗物质”,也就是运动较缓慢的微粒(与快速运动的“热”微粒相区别)(“热暗物质”占的比例极小)。这一研究结果还为其它宇宙模式理论给予了必要的冲击。因为目前一些科学家试图发展另外一种学说,即不存在任何暗物质,所观测到的“引力透镜”现象也只是星系中普通物质万有引力定律的特殊情况。但享克-霍克斯特教授相信,他们的研究工作将最终推翻这种学说。

世界各国的科学家为寻找暗物质正在进行着各种实验。

近十年前,一些科学家开始探索用测量年度调制的方法探测可能存在的冷暗物质粒子—弱作用粒子WIMP。由于地球绕太阳公转的原因,使得地球与WIMP的相对速度随季节变化,在每年的6月份可能通过一个较高的WIMP流强,而在

每年的12月份可能通过一个较低的WIMP流强,比率的涨落差约为7%。WIMP的年度调制,有助于将WIMP信号从本底中剥离出来。为了探测到这一调制,需要有大规模、很低放射性本底的探测器。

意大利格朗萨索(GranSasso)国家地下实验室(位于地下1400米深处)DAMA实验组从1996年开始选用放射性本底极低的碘化钠晶体阵列来探测WIMP。实验的初步结果观察到了碘化钠晶体中的原子核与WIMP粒子碰撞的效应也随季节有微小的变化,即观察到了它的年调制效应,并由此推算出WIMP粒子的质量至少比质子大50倍,引起世界科学界的重视。(右图为安装在意大利格朗萨索国家实验室中的碘化钠晶体阵列)中国科学家参加了此项国际合作。DAMA组的结果说明了有WIMP可能存在的初步证据,但美国斯坦福大学的科学家作了与DAMA类似的实验,尚未能证实DAMA的结果。最后的结论还有期待国际上更多实验的结果,例如,建在英国北约克郡(NorthYorkshire)海岸博尔比(Boulby)地下1100米深处盐钾碱矿的英国暗物质实验中心已经于2003年4月28日正式启动。

除了地下的探测,利用强磁场和精密探测器来探测宇宙空间的反物质和暗物质,探索和研究宇宙物理学、基本粒子物理学和宇宙演化学的一些重大和疑难问题的阿尔法(α)磁谱仪

(Alpha MagneiticSpectrom-eter,简称AMS)的研制工作正在进行。AMS是人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪,这是美籍华裔物理学家丁肇中教授提出并领导的大型国际合作科学研究项目,由美国和中国等10多个国家和地区的37个科研机构参加科研工作。1998年6月,AMS由“发现号”航天飞机载入太空,进行了约10天的试验性探测。计划将来通过航天飞机把它送到由美、俄、西欧、日本和加拿大等国联合研究的“国际空间站”上运行3-5年。(左图为“发现号”航天飞机上的AMS)

AMS由一个直径约1.2米、高0.8米、重量约为1.85吨的圆环形永磁体产生均匀的平行磁场,磁束密度约为0.15特斯拉。圆环内安装6层硅微调探测器,用来记录带电宇宙射线粒子的运动轨迹。一个带正电荷的粒子在穿过磁场时,其运动方向将与带负电的相反。根据每层记录下来的带电粒子穿过的轨迹,可以推算出粒子的偏转方向及带电荷的大小。带电荷量愈大,

在穿过每层硅微调探测器时能量损失愈快。具有较大动量的粒子在穿过探测器时偏转的角度较小,从而可以估计出粒子的质量。磁谱仪的上、下两层还装有闪烁体,当粒子穿过时会发出亮点,其亮度与粒子穿过时的能量成正比。通过上、下两层光点亮度及穿过瞬间的比较,可以得出粒子能量的损失大小以及粒子穿过所需的时间。反物质、暗物质在磁场中运动时会表现出不同的特点,因而可以探测出来。

AMS能精确测量存在于太空中的反质子、正电子、光子和其它粒子的能量分布,从而有可能揭开暗物质的秘密。中国在这项重要的研究和应用中也作出了重要的贡献。(右图为由中国科学家设计制造的AMS-01永磁体系统在北京进行震动实验)

暗能量

天文学家认为,暗能量在宇宙中起斥力作用,但又不能严格说其是一种斥力,只能称其为能量。宇宙大爆炸时发生膨胀,产生的能量把物质往外排斥,暗能量斥力作用的发现,使学者们认识到,宇宙不光是在膨胀,而且还是在加速膨胀。

暗能量在宇宙中更像是一种背景,让人根本感觉不到它的存在,但它确实存在,且起着非同一般的作用。有人把暗能量称为“真空能”。上世纪20、30年代,就有科学家认为真空不空,只是物理的探测仪器探测不到“真空”中并非真的什么都没有。

对暗能量理论上的猜测可追溯到爱因斯坦年代,1915年爱因斯坦(AlbertEinstein,1879-1955)(右图)提出了广义相对论,这是自牛顿时代以来第一次出现的重力理论。1917年,他将广义相对论公式应用到整个宇宙,想看看能否获得对宇宙本质的新认识。世界上的物理学家、数学家随即开始解其中的引力方程,方程有两种解,结论是宇宙不会完全静止,宇宙没有静止点。

方程的第一种解是,如果宇宙只存在引力,没有别的力作用的话,出于相互吸引,宇宙不可能静止.

方程的另一种解是,宇宙爆炸的那一瞬间获得了一个初速度,向外膨胀,但由于引力作用往回拉,宇宙肯定越胀越慢,所以宇宙不是膨胀就是收缩,不可能静止。

爱因斯坦觉得从哲学思想上分析,这两种解都不合适,按他的想法宇宙应该是静止的,不能永不停息的运动。因此,爱因斯坦又向广义相对论引力方程中引入了一项“宇宙常数”(cosmologicalconstantλ)。这个宇宙常数起排斥力的作用,有了该常数之后,引力方程同时具备了引力和斥力,

正好能够达到平衡,可让宇宙“静止”下来。

上世纪20年代,美国著名天文学家哈勃(Edwin PowellHubble,1889-1953)(右图)经过观测发现,宇宙确实是在不断膨胀,他根据星系的距离和运行速度证实,离我们越远的星系向外运动的速度越快

,这是宇宙正在膨胀的表现。这一观测结果完全与引入“宇宙常数”之前的引力方程的计算结果相契合,迅速得到了世界上绝大多数科学家的认可。爱因斯坦本来是想把宇宙“静止”下来,但实际的宇宙是在膨胀着。他认为:“引入宇宙常数是我这一生所犯的最大错误!”(左图为哈勃正在帕洛马山上48英寸望远镜前进行天文观测)

但爱因斯坦提出的“宇宙常数”并未被科学家们遗弃,一小部分科学家此后在将观测结果与理论进行对比的时候,常常会把此常数捎带上。如果计算结果显示“宇宙常数”等于0,就证明该数确实不能用;反之,就证明爱因斯坦引入一个常数的思路是对的。

1997年哈勃太空望远镜拍摄到一颗超新星,编号为“1997ff”(左图)。美国马里兰州太空望远镜研究所和劳伦斯伯克利国家实验室的天文学家通过对该超新星光线的相对强度进行的研究表明,“1997ff”爆发于110亿年前,是迄今发现的最遥远的超新星,当时宇宙的年纪只有现在的四分之一,宇宙的膨胀很可能经历了一个先减速、后加速的过程。科学家为爱因斯坦的“暗能量”理论找到了第一个直接证据。

超新星即爆炸中的恒星,它发出的亮度是几十亿颗恒星亮度的总和。测定超新星的亮度,可以用来判断宇宙膨胀的速率。

在宇宙减速膨胀中诞生的星体,其发出的光到达地球时,该星体和地球之间的距离由于膨胀减速的原因要比预计的近,因而地球上的观测者会发现其光要比预计中更亮。(右图为超新星的爆炸)

经过大量的计算和分析,科学家们确认“1997ff”的亮度是预计正常亮度的两倍,比距离更近、更年轻的超新星爆炸发出的光还要亮。科学家们据此判定,这颗超新星爆发于宇宙的减速膨胀阶段。

科学家们指出,新发现和此前的观测结论相结合,证实了宇宙膨胀先减速后加速,同时也证明宇宙中确实存在“暗能量”。

“暗能量”据认为更接近能量,而非物质。科学家认为,与暗物质一样,“暗能量”构成了宇宙中不可见的一部分。科学家估计“暗能量”可能占据了宇宙成分的三分之二,对它的了解对于理解时间、空间、物质和能量具有关键作用。

1998年,天文学家们在南极用80万立米气球搭载BOOMERANG(BalloonObservations of Millimetric Extragalactic Radiation andGeophysics))微波探测器(气球从1998年12月29日到1999年1月9日从37公里的高空飞越南极)

BOOMERANG在空中控测了宇宙微波背景(CMB)下扰动的大量样本,其中,CMB是从各个方向袭击地球的持续的电磁声波。这些遥远的声音是大爆炸之后的遗留辐射。他们探测的只是全天中的一小块,得出的结论是:“宇宙常数”不等于0,且在整个宇宙中所占比例还很大。此后,“宇宙常数”正式被称为“暗能量”。

爱因斯坦没有想到,当初他认为是错误的“宇宙常数”——暗能量,竟然是极有道理的,几乎可称得上是宇宙的本质。

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