3章第1节2

2、转化

运动和转化看起来是两个不同的方面，但实际上是同一个问题的两种表述。因为，凡是运动的东西必然转化，凡是转化的东西必然运动。

事物转化运动是自相运动和相互运动相结合所产生的结果。

一般日常事物的转化运动比较容易理解，比如水可以分解成为氢气和氧气；食物在我们体内被转化；人的腿部力量促使脚踏车行进；光合作用让庄稼成长等。

较难理解的是自发对称性破缺运动，以及背反性流变转化运动等。

其实，自发对称性破缺运动就是大自然本身自发产生出来的一种自相运动的加速度。一旦融入背反性流变转化运动，“这边世界”的熵就可以变成为“那边世界” 的背反性负熵，也就是说一种背反性的加速度被产生出来了，相应的一种全新的背反性运动也就诞生了。

另外，我们已经从前面第二章“四值形态”“逢四进一”的背反性流变转化运动模式中看到，一切存在着的事物皆来自于非存在，一切存在的事物又必然会流变转化成为不存在（这就像运动与静止的相对性关系一样，“存在”与“不存在”之间也是一种相对性关系，两种不同的认识结论完全取决于观察者当前所处的观察位置和不同角度，以及你所选取的背反性参照系）。

（三）质量和能量

1、物理学中的物质定义

什么是物质？物质是指我们所能够看见的这个宇宙中的物质化形态，它区别于精神化形态。可以说宇宙之中除去精神就是物质。

物质是普通人随口都可以回答的概念。喏，身边哪一样东西不是由物质所构成，一睁眼随处可见的东西，还用回答？！提问的人，你自己也正是由物质所构成的！

万事万物都是物质的某一种存在形态。但是物理学家并不像普通人一般来看待这个问题，常人对于物质的看法，根本还没有触及到物质的本质。

简单说，物质这个概念之中包含有两个大的分类：质量和能量。

物质=质量+能量。所谓物质就是质量和能量的混合体，质量和能量是物质的“一体两面”“一体二相”，物质就是指“质能一体化”的概念。

    2、什么是质量

一般情况下，质量是指物体中所包含的物质量。质量是物体的一种定量，一个物体中有多少质量，就说有多少物质。（但是从根本上说，质量是能量的凝聚产物，质量与能量之间是可以互相转化的。）

质量可以形成物体，物体是指以夸克为基础构成质子和中子并结合形成原子核，再与电子一起组成原子、分子，进而构成日常万物的。（可参见其它书籍）

附：物体的刚性

    以夸克来构成的无数实体粒子被约束在很小的空间区域内（比如原子之内），约束的区域越小，粒子的运动速度相对就越快，这样高速运动的无数粒子就使原子显得和刚性球一样。这也有些像螺旋浆转动时宛如圆盘一样。这样的原子是难以压缩的，因而就能够促使物质形成刚性的实体（其实原子内部的剩余空间仍然是很大的）。

使物体坚硬起来的原因就是无数基本粒子的近光速运动，形成了物体的坚硬度。

需要注意一个问题，所谓日常物体的坚硬性质，完全是相对于人类感官和认识而言的，如果将一个物体的自身振荡频率提升到宇宙伽玛射线的频率或者模拟“大爆炸”初期的极端高温高速时，任何物体的坚硬属性都将荡然无存。这样的情况也可以表现在一般物体燃烧、核裂变、核聚变的过程中。

从另一方面来说，所有关于物体“实在和坚硬”的感觉，都是因为我们每个人的生命时间太短暂，远来不及看清楚这些物体在无限宏观流变、衰变、质变过程中连续转化的真实景况。

3、什么是能量

就物理学范畴而言，能量包括了光、声、电、磁、热、力—波—场等形式。能量是日常看起来比较虚化的物质形态，都不具有实体的性质。（因此，物质包含了实在和虚化的两种形态，即质量和能量。）

能量可以简称为“能动”，（在一种神秘的自然对称性控制下）上面列举的各种能量形式在本质上都是一种运动振荡。所谓能量就是指运动振荡频率以及振幅大小加上作用时间的一种“运动量”标度，也就是运动振荡的可计算数量。

就宇宙能量运动的表现形态而言，可以包括动能、势能、热能、电磁能（光能、声能）、化学能；另外还有特殊形式的生物能、精神能（智能）等。

正如不会发生“绝对空”的运动一样，一切运动形式必然是能量（包括质量）的振荡。能量就是光、声、电、磁、热、力—波—场形式的振荡运动。我们可以看到，光是一种振荡运动的电磁波，声音是一种振荡的声波，热也是一种振荡运动的效应，力也可以被看作是一种不同时空尺度、不同频率的振荡，比如由外力所推动的物体位移运动，可以被认为是在时空中的半幅振荡效应，犹如巨大的钟摆只摆动了一半的幅度。因此物理学所称的能量皆可以是指运动振荡，以及运动振荡的量。

附：从另外一个角度描述，物理学所认识的能量可以被称为动量（角动量）和热量。

动量首先是指一种运动力量，同时也可以是指其中包含的运动总量（即频率高低、振荡大小、维持的时间长度），角动量（有角度的力导致曲率产生，比如行星绕轨道运行，电子绕原子核运行），热量（动量以热能的方式转化释放出来）。

再解释一下，动量进一步包括两个方面的认识：一是粒子（物体）内含的能量大小以及可释放的运动；另一方面是指粒子（物体）外部位移运动时所具有的动能和势能；其中，动能的大小与粒子（物体）自身质量和运动速度相关，势能与引力源质量和距离相关。

另外，凡动量（光、声、电、磁、力）作功即有相当部分可以转化成为热量，热量是动量的一种副产品。但反过来说，热量亦可作功转化为动量，比如物体受热膨胀效应，蒸汽机车运动，这种转化就是热功当量转换（会有一定的摩擦损失）。

动量是一切能量的根本形态，热量是动量的一种外化。动量会产生出热量，热量又可以转化成为动量。

一般认为动量（角动量）是守恒的，即动量是永动的，在封闭系统中能够形成可逆的运动（比如原子运动、行星运动）。而热的运动是不可逆的过程，会出现熵增加，如果不继续增加热量，就一定会自动冷却下来，最终达到“热寂”，一切热的运动都会停止，这就像一盆热水放在那里最终会变冷一样。

这当中已经出现了一个奇怪的问题，既然动量会产生出热量，热量又可以转化成为动量，两者就是互通的；那么怎么会一个是永动不停止（运动守恒）的，而另一个却一定会自然冷却下来，一切热的运动都必然停止呢？这个问题就是“能量守恒与熵增加悖论”（后面章节论述）。

能量还有一种表现方式，这就是力（波—场）。

严格说来，力是一种动量的转移。力可以划分为外力和内力。

在不同的物体之间，随着动量的转移过程就会产生出相应的受力效应，因此，物体一旦受到（动量转移的）外力作用就会发生位移运动。另外，物体自身具有的内力可以促使物体自身产生振荡运动，包括产生粒子自旋运动（自旋运动初看上去是一种振幅加倍的运动）。

我们也可以说，力其实是描述宇宙中各种东西互相“联系”起来的一种方式，力能够把宇宙中的某一部分和另外一些部分联系起来。

在物理学中，力被划分为四种基本形式，也就是四种基本作用力，它们包括：

    引力——其载体是尚未发现的引力子；

强作用力——被胶子所承载，胶子把核粒子胶住；

电磁力——其载体是光子；

弱作用力——其载体是W粒子、Z粒子。

    力—波动—场是一体化的。比如电磁力就是一种振荡波动，而电磁力又必然产生出电磁场。引力也会产生引力场。

（由于物质在量子层面上具有“波粒二象性”，以及量子“测不准原理”的限制，关于力—波—场的本质探索，到目前为止，尚停留在“超对称”、“超弦”、“真空”等新理论的推断上。距离终极答案还十分遥远。）

4、质能互换

在物质中，质量和能量是紧密融合在一起的，是一在俱在的。质量当中包含着能量，能量可以积聚形成质量。

爱因斯坦洞悉了物质本身的这种奇妙关系，他的著名方程式E=mc2表示了质量是被“凝结”了的能量（E代表能量，m代表质量，c是光速。用语言表述：静止能量等于质量乘以光速的平方）。狭义相对论证明了在将光速作为速度极限值的情况下，质量与能量两者之间是可以互换的，质量是能量的一种形式，能量也是质量的一种形式。

最浅显说明质能互换的例子就是燃烧了。把物质转换成能量是每天都会遇到的现象。每一次你点火或者烧煤，你就把物质的能量转换成热能。

    在爱因斯坦的方程式中，光速C的平方（每秒三十万公里的平方）是个很大的数字，这就解释了为什么小小的煤球可以产生出很大的热量。核弹的质量很小，但可以释放出大了许多的能量。太阳的能量也来自核反应，每日它向太空辐射出兆吨级的光能量。①

能量是“虚态的质量”，质量是“实态的能量”，两者是物质自身的“一体二相”“一体两面”。

有一种理论认为，在宇宙大爆炸起始时间为零的开端处，曾经是一个密度和温度都无限高的“原始火球”，这样会促使质能互换，一切物质运动都将转化成为光量子的传递（而常观物质是作亚光速运动的），由于光子是一种纯粹的能量形式，这表明一旦所有物质转化成为光量子，质量就可以全部转换成为能量。

在宇宙大爆炸那样的过程中，只要具备相应的高温，即可促使一切质量变成“燃料”，并且全部转化成为能量，从而取代物质的质量。从核弹爆炸，恒星上的热核反应等等现象都可以印证这种说法。

反过来看，能量也可以转变为质量，在宇宙大爆炸的初期，一切物质都以光量子的形式存在着，只能看见一片光的海洋，光子是没有静止质量的纯能量，随着温度的下降，构造原子所需要的质子、中子、电子从中产生出来了，我们的这个宇宙就是这样从一片纯粹的能量大海中产生出了质量。此后，再由这些基本粒子形成各种元素，首先产生出了氢元素，然后进一步聚变形成较重的氦元素……，后来各种物质微粒相互吸引、融合，形成越来越大的团块，这些团块又逐渐演化形成星系，出现了恒星、行星，在个别的天体上还出现了生命现象，随着生物不断进化，终于人类诞生了。 

附1：还有一种科学推论，质子的起源是自发对称性破缺的结果。在宇宙的初期，每产生10亿个反质子，同时就会产生10亿零1个质子。同理，电子也会比正电子多出10亿分之1。

虽然只多出这么一小点，但其意义却十分重大。在后续的物质大厮杀中，10亿成对的质子和反质子彼此湮灭，留下了一个未配对的质子和一个孤立的电子。这些近乎是大自然计划外的添加物的剩余粒子，就变成了后来构成所有星系的物质，所有的恒星和行星，还有我们人类本身，都是由这些物质构成的。根据这一理论，我们的宇宙是由微量剩余的非对称物质构成的。

另外还有一种情况，在高能物理实验室里，粒子可以极高的速度相互碰撞，于是，以前只有两个粒子的地方，会出现四个粒子。新粒子的出现，是以那两个原先的粒子的速度降低为代价的，把那无形的运动转化成为有形的物质，这很有从无中创造有的味道。还一种情况，由爱因斯坦证明了：质量可随快速运动而增加。

据说引力场的情况就更奇特了，因为引力场只不过是空间弯曲，是弯曲的空间，锁闭在空间弯曲中的能量可被转化成物质和反物质的粒子。这种情况现在在黑洞附近就有，而且很可能是大爆炸时粒子的最重要来源。这样，物质就自发地从空空如也的空间里出现了。②

有一个情况很特殊，在日常情况下科学家们并没有发现太多明显的能量聚合形成质量物体的事例。这已经成为质能互换关系中的一个谜题。为什么质量转化成为能量的现象比比皆是（比如燃烧），而能量聚合形成质量的事情却鲜为常人所知呢？这仿佛是可见宇宙自身的一个秘密。

还有一种情况，就是能量可以促成某些质量形态向着另外一种质量形态转化。比如光合作用，阳光照射进植物叶片中，光能量可以通过叶绿素促成二氧化碳转化成为淀粉。再有，

人们吃进食物，可以转化成为肌肉、骨骼等。

    我们还需要简要说明以下问题：

能量是物理学中描写一个系统或一个运动过程的一个量。任何系统的能量总是处于一种注入和传递状态，一个系统的能量永远都不会是固定不变的。也就是说，一个系统的能量总是“吐故纳新”的，任何能量系统都是能量耗散系统。“四维时空”区域也不例外。

能量虽然是一个常用的物理概念，但却是一个非常抽象和非常难于定义的物理概念。由于能量实在是太过“虚无”，它一般蕴涵在物体中，并且扩散于物体之外，难以分离和观察，人们只能以间接的方式来研究。“功”便是这样一个产物，能量和“功”虽然是不相同的概念，但是通过做功，势能、动能、电能等可以互相转换，从这个角度可以将“功”作为能量转换的一种量度。

能量是一种不停歇的运动，能够以动能做功，也可以用势能方式储存。

另外，能量是空间和时间的本质形态，空间和时间是能量的存在方式。从来没有过不存在能量的时空区域，也从来没有过不具有时空形态的能量。目前能够认识到的最小能量时空尺度是普朗克常量；最大尺度的时空形态是四维时空引力场（也就是我们目前能够看见的这个宇宙时空区域）。

能量具有光、声、电、磁、热、力—波—场的相互作用效应，以及随之附带的丰富信息。

附2：能量与质量的关系，体现了“光速是宇宙中的速度极限”的含义。在当代物理学中没有任何能量或质量形态能以超光速运动，因为任何东西接近光速的时候，根据E=mc2质量就会愈来愈大。质量实际上也是惯性的度量，而惯性是抗拒运动状态改变的阻力。因此速度愈大，运动愈快，就更难把它推动得更快，因为它的质量也就更大，最后，这个物体的质量将会变成无穷大；换句话说，要无穷大的力才能把它推动得更快。所以，就连惯性也是不绝对的：物体运动得愈快，惯性阻力就愈大。一旦一个物体以光速行进时，它的质量就将成为无穷大。而这是不可能的。①

5、质能守恒

由于质量和能量可以互换，专业术语叫做“质能等当性”。因此可以简单说，能量守恒也就意味着质能守恒。

能量守恒定律的简单表述：一个系统纳入与排出的能量是相等的。

在一个封闭系统中能量的纳入与排出始终是相等的。比如，电流在灯泡中发光，汽油燃烧在发动机中作功，推力转化为动能，食物转化为生物能等等。（但是需要注意另外一个问题，任何一种运动过程，都会产生摩擦效应，以及系统自身必然会发生熵增加。因此每一种做功的过程，总是会伴随一定的能量转移损失。）

能量在转化过程中既没有被创造也没有被消灭，它是从一种形式转化成为了另一种形式。这便是“能量守恒”定律的含义。与之相应的是“质量守恒”定律，即质量既不能被创造也不能被消灭。

根据爱因斯坦的质能方程和大量的试验数据，能量守恒定律和质量守恒定律后来被发展成为“质能守恒”定律，就是说质量和能量既不能被创造也不能被消灭，但它们能够相互转化。从这个概念来讲，质量物体可以被看作是能量的一种高度聚合形式。

能量和质量是一体化的，可以称之为“质能”。质能绝不是一团僵死的物质，包含着永不停歇的动态流变转化运动。值得注意的是，质能物体在“一定的时空区域”内，还会呈现出一种从低级到高级的不断演变的“进化”也包括退化的趋势。从这个角度看，质能就像一团魔幻的可以无限流变转化的“活性”存在物。

另外，一旦结合背反性流变转化的概念，质能就能够以永恒地背反性流变转化运动达到“不灭”；即一种形态的质能被“消灭”了，另外的背反性“质能”形态即刻被“产生”出

来，形成永续的链接。

6、“基本粒子”问题

物质（质量和能量）的基本构造可以由基本粒子来描述。随着人类的高能对撞试验不断进行，已经发现了数百种基本粒子，大量存在的基本粒子被划分为两种类型：

（1）构成质量物体的基本粒子（夸克、轻子），此类粒子被称作“费米子”。

（2）作用力的传递粒子（光子、胶子、W粒子、Z粒子、引力子），此类粒子被称作“玻色子”。

这种分类是根据粒子自旋不同来定义的，具有整数自旋的粒子称为“玻色子”（由印度物理学家玻色发现），而那些自旋为整数加1/2的粒子称为“费米子”（由意大利物理学家费米发现）。两者都遵守波粒二象性原则。同一类型的两个费米子绝不能处于同一点，这就是“泡利不相容”原理的规定；玻色子的行为与费米子不同，玻色子的行为是集体性的，它们可以大量的集聚在同一地点。

玻色子可以作用于费米子，比如光子可以作用于费米子，在费米子之间玻色子来回往返，产生了我们所能够观察到的力。所有作用力的运作方式都与这样的关系十分类似，例如引力是由于交换引力子所产生的；在弱作用中，被交换的粒子称为W玻色子和Z玻色子；至于在强作用力时，则是由胶子上场。在这些情况下，我们说光子、W玻色子、Z玻色子、胶子和引力子传递作用力。

粒子物理学家最终想做成的一件事情就是把费米子和玻色子两者统一起来，用一个完整的理论来表述。这就是“超对称” 理论，实现费米子——玻色子对换不变性，亦即“超对称”性。

另外还有一种粒子分类的方法，除光子之外，粒子分为轻子和强子，后者又细分为介子和重子。这种分类是根据出现在这些粒子之间不同类型的力来划分的。

接下来一个问题是，产生粒子质量的根源究竟是什么?这一直是困扰人们的问题。

由于“质能等当”“质能互换”，那么质量与能量两者之间就会拥有一条分界线，也就是说，质量是怎样从能量转变出来的？

这个问题可以变成“日常物体是由什么组成的”?物理学家会说，是由原子组成的，原子由电子、质子和中子组成，而质子和中子由一种更小的叫夸克的微粒组成，更完整的说法物体由电子、夸克、中微子组成。

夸克是粒子质量的来源，理论上已经知道：质子是由三个夸克所组成。夸克是受强力作用的粒子，共有六种，每一种又有三种颜色。（夸克具有一种神奇的性质，被称为“小气猫”，它在树梢上会突然消失，但它的笑容却还在。）于是有人问：夸克之前又会是什么呢?

在自然界的边缘，当夸克隐身消失之后，人们认为“存在变为了真空”，但是真空依然具有能量，于是1964年英国理论家彼得·希格斯提出了具有“真空能量”的“希格斯场”理论，以一个假设来解决“存在产生于真空”的这个矛盾，即一种粒子被其它粒子“吃掉”了，从而令后者获得了质量。理论家们接受了这一假设，并将这种粒子命名为希格斯粒子。就这样，希格斯粒子似乎成为了产生粒子质量的来源。希格斯粒子具有质量，于是它被视为夸克及其所有质量的来源。

    附：希格斯粒子就是探求“波粒二象性”之中的粒子属性，以及除去光子之外的所有粒子的质量呈现是如何从纯粹的能量背景中产生出来的。也就是质子、中子、电子等的质量从何而来？

另外有一个值得注意的问题，光子是目前唯一未找到对称性反粒子的存在物。光量子的静止质量为零（这使得光子就像是来自背反性区域的使者）。

有一种说法，自然界中真正唯一的基本粒子就是光子。

只有静止质量等于零的物质，运动速度才可能达到光速，而以光速运动的典型代表就是光子（有些物理学家认为还有引力子）。光子具有许多怪异属性，后续会有阐述。

（更多的基本粒子情况描述，请参看其它相关书籍）

7、关于粒子物理学“标准模型”

标准模型理论是对构成宇宙的力和粒子进行描述的最成功的单一理论，它是在过去80年里逐渐形成的。它解释了一系列物理现象，并且引出了很多惊人发现，例如反物质的存在。

粒子物理标准模型，首先在以夸克模型为结构载体的基础上，列出了大量的基本粒子，并描述它们相互作用的法则。这种模型所预言的许多基本粒子已经被实验发现并证实，然而它的理论基石——希格斯粒子——到目前为止还没有被人发现。按照标准模型的假设，希格斯粒子是物质的质量之源，其他粒子在希格斯粒子构成的“海洋”中游弋，受到希格斯粒子的作用而产生惯性，这才拥有了质量。在这一基础之上，所有的粒子相互作用，统一于标准模型之下，构筑出大干世界，所以希格斯粒子也就被称为“上帝粒子”。目前，物理学家正在利用高能加速器设法捕捉希格斯粒子。就算发现了希格斯粒子，但又是谁产生它的呢？

自20世纪30年代以来，物理学家发现了为数众多的基本粒子，它们组成了这个可见的宇宙，都被包含在“标准模型”之中。

另外一个重要的方面，物理学已经将研究重心集中于统一和整合基本粒子之间的四种相互作用力，即电磁力、弱力、强力、引力。

首先得以实现的是弱电统一理论，就是将弱力与电磁力相互统一了起来。（有三位科学家因为这项成就获得1979年度诺贝尔物理学奖）

接下来，哈佛大学的格拉肖还发现了把电磁力、核弱力和核强力统一起来的一个数学公式，它称为“大统一理论”(GUT)。也就是理论上可以将三种力合并成为电磁力。

进一步，理论家们于70年代初发现了“超对称”，这是一项把构成物质的粒子——费米子，与携带着力的粒子——玻色子——统一起来的数学方式。

接着，物理学家还勾画出了一种超对称标准模型(Supersymmetric standar model)，这是包含超对称性的粒子物理标准模型的推广，它要找到所有已知粒子的“超伴子”(superpartner)，使已知的基本粒子类型增多了一倍。

后来，人们发展出了“弦理论”，并且将它与超对称性相互结合，使之成为“超弦理论”，这种理论认为基本粒子不是点，而是“弦”，甚至是“膜”。在超弦理论中，除了我们熟悉的三个空间维度以外，空间还存在着其他的维度。不过这些尝试都是探索性的，尚未取得实际结果。

曾经，有人提出了试图将四种基本相互作用，即强力、弱力、电磁力与引力统一起来的规范对称性理论，被称为“超引力理论”。根据这个理论，当能量大于普朗克能量时，四种基本力是完全可以统一的。

但是，后来标准模型理论却不断地遭遇巨大挑战，并且陷入了空前困境。人们逐渐开始发现它的许多漏洞，这些漏洞预示着可能存在一个更重要的理论，其影响力之大超乎想象。

首先，标准模型理论并没有涵盖所有力中最重要的一种：引力。

1998年，人们对标准模型理论的希望遭到粉碎，因为科学家经测量发现，幽灵般的中微子是有质量的。尽管其质量差不多只有电子的百万万分之一，但仍然令标准模型理论难以解释。

    另一个重大打击接踵而来。标准模型理论的一个成功之处在于能精确预测μ介子的某种磁性值，而现在的精确测量发现，标准模型的预测值与实际测量值有偏差，尽管偏差很小，但它们意味着可能存在某些认识宇宙的新方法。

美国国立布鲁克黑文实验所的科学家2004年1月8日称，一项跟踪亚原子粒子——介子细微运动的实验发现了令人心动的证据，证明一个由通常看不见的物质构成的巨大隐秘世界与我们的世界并立。

对新物质存在的预测来自尚待证实的“超对称性”理论。根据该理论，宇宙中的每种已知粒子，从电子到中微子，都存在一个无法探查到的对应体“超伴子”。对该理论的某些解释认为，这种“黑体”，即一种在宇宙中的重要性似乎超过寻常物质的物质实际上由在空间飘荡的巨大超对称性粒子群构成。①

其实这并非什么新鲜想法，早在1928年，物理学家保罗·狄拉克就预言存在与普通物质的性质完全相反的“反物质”（注意：“反物质”的正确叫法应该是反粒子）。1932年，人们在研究宇宙射线时发现了正电子——电子的反粒子。后来，反粒子可以十分容易地制造出来，但它们不能持续存在很长时间，因为它们会很快与常规粒子发生撞击并被抵消掉。

“反粒子”可能只是宇宙真相展露出来的“冰山一角”。这给予人们一些想象的空间，一个由常规粒子和反粒子构成的整体宇宙。但是，从来没有人看到过它们。人们甚至也期望，常规粒子与反粒子在两个区域的边界处激烈湮灭，放射出大量光子；但是，天文学观察从未看到这些神秘的光子。

与之相似的一种理论还提出了“镜物质”。镜物质与一般物质类似，只是在量子层面上它与一般物质的关系就像左手对右手。由于它只与一般物质发生微弱的相互作用，因而可以在我们毫无知觉的情况下存在于我们周围。

与此同时，新的物理现象仍然在不断出现，使得统一四种基本作用力的目标变得更为遥远。有人说，看来人类对客体世界的探索和研究将是无穷无尽的。②