目前对于世界(整个宇宙)的物理学认知基本用一句话就可以概括:空间和时间的本质是力与能的内外平衡。我认为目前我所了解的一切事物都可以用这个去解释。
粒子:文中不会就粒子做很详尽的阐述。个人认为,在技术允许的情况下粒子可以被无限分割,但其结构均是由更小的粒子和其相互作用力形成,只是越小的粒子其相互作用力越大,所以更难以被分割。
力:自然界的四种基本力;强力>电磁力>弱力>引力。我们之所以能感知空间的存在正是因为有这四种基本力的相互作用。(有些称其为力,有些又称其为相互作用,文中并不会作以区分。)
能:各种不同形式的能量。
内/外:一个相对的参考体系。能被观察和测量的事物(一个观测系统)总是相对于一定的时空环境而存在。这个观测的事物称为内,相对的时空环境称为外。
平衡:事物发展的趋势方向。
1,力能平衡
能量守恒定律——在一个观测系统内,能量既不会凭空产生,也不会凭空消失。所以有一个外部环境来对内传递能量,而且系统总是趋向力与能的内外平衡。
2,力能转换
力散成能,能散成力。
氢气和氧气燃烧的实验很多人应该都知道!2个氢分子+1个氧分子燃烧后得到2个水分子,这个过程会放释放出能量。但能量守恒定律告诉我们:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失。那能量从何而来?答案是化学键:纯净物分子内或晶体内相邻两个或多个原子(或离子)间强烈的相互作用力的统称。化学键在本质上是电性的,原子在形成分子时,外层电子发生了重新分布(转移、共用、偏移等),从而产生了正、负电性间的作用力。根据这种电性作用的方式和程度不同,所以将化学键分为离子键、共价键和金属键等。
假设氢分子中2个氢原子之间的化学键用A表示(随便写的代号,不要纠结),氧分子中2个氧原子之间的化学键用B表示,水分子中氢原子与氧原子结合的化学键用C表示。若化学键断裂吸能,化学键形成放能。单从能量来讲,由其过程放热可知,断开2A+B的能量要小于形成4C的能量。(当然,对于这些有专业的名词来说明:键能、键长、键角。不过我并不打算在这问题上深入,有兴趣自行了解。)重点是前面说过化学键本质也是一种力,所以也可以理解成断开2A+B的力要小于形成4C的力,这个过程宏观来看就是:粒子间总的作用力增加了。
假设:如果系统对外放出能量,则系统内粒子间总的作用力会增加。如果系统对外吸收能量,则系统内粒子间总的作用力会减少(特别要注意这个总字!)。系统所处的外部环境决定了系统内部能量的传递方向。事物都保持力与能相互转换过程中的内外平衡。
这种平衡在宇宙中具体表现成怎样?
在目前所观测的宇宙范围内,不受外部环境影响的内部系统是不存在的。只是影响的大小不同。绝对静止状态的事物是无法被观测的,能被观测到的事物,都是处于运动状态——这里的运动指含力或能并与外部平衡。比如我们之所以能观测到黑洞以及各种宇宙射线,正是因为它与其自身周围环境的这种力能平衡关系作用。
第一种表现:热胀冷缩
分子的空间结构能够决定物质的一些性质,比如硬度和体积,让分子或原子形成某种空间结构的本质还是力,也就会受到能量的影响。在外部环境中受热后内部能量增加,粒子间作用力减小,在分子结构不发生改变的情况下,其硬度降低、体积增大。反之大多数物质在低温条件下硬度也会增加、体积缩小。有没有热缩冷胀的情况呢?有的:在分子结构发生改变的时候。
水变成冰的冷胀过程:水在放出能量形成冰的过程中,其分子的空间结构会受氢键的影响形成有规则的空间结构。这种结构比液态水分子的间隙更大,所以水形成冰后体积会变大。但这种结构也比液态水分子的结构更牢固,所以水形成冰后会变硬很多。
在大尺度(宇宙天体)范围上,“热胀冷缩”同样适用。因为通常事物中的能量传递基本都是在分子或原子层面完成。量子级(亚原子级)的能传递暂不在此讨论。
第二种表现:旋转
很多时候外部环境对系统内部的力能作用都不是均匀的!比如太阳只能照到地球的一面。旋转就能很好的去平衡这种作用不均匀的状态!
天体自转和粒子自旋都是因为其内部系统需要和外部环境达到力能平衡而产生的。但由于系统内部和外部环境的力能作用方式不同又表现得不同。
天体自转的主要力能作用来自公转中心的大引力天体。
粒子自旋的主要力能作用则来自四面八方。
现在研究发现的最小粒子是夸克,因为无法更近一步探究夸克内部的系统构成(实在是掰不开啊),所以目前对夸克的解释也仅止于归纳总结其表现出来在外部的特性。
个人猜测:夸克可以被分割。但夸克内部的相互作用力将远大于强相互作用力,根据之前说过的力能转换:要分开夸克所需要的能量也将是另一个数量级。
当然是否有必要更深一层的分割研究就是另一个问题了……
(PS:目前有理论用方程计算推测:夸克是由两条弦组成——“一个开弦像1,一个团弦像0,是这么形容的”。)
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