物质世界究竟如何构成?
我以怎样的形式存在?
客观物质与我有着何种关联?
倘若拥有一架全能的深空望远镜,用以探索浩瀚宇宙中的一切,我们会惊觉宏观世界的无边无际,相比之下,人类渺小得难以企及。而若有一台超分辨率显微镜,能窥视物质粒子的结构,又会发现微观世界超乎想象的奇妙,且似乎可以无穷无尽地细分下去,直至人类在 “夸克禁闭” 这一难题前停住脚步。
物质世界的结构看似扑朔迷离,但科学家坚信,再宏观的存在也由微小单元构成。探索宇宙奥秘,需从微观粒子入手。经典物理理论已证实,自然界万物由分子和原子构成,原子由原子核与核外电子组成,原子核包含质子和中子,更小的夸克粒子则构成了质子和中子。
然而,夸克粒子无法单独存在,它必须与其他夸克共同存在,使夸克所带色荷总和为零,从而维持平衡。正因如此,人类无法直接观测到夸克结构,这便是 “夸克禁闭”。
粒子物理学依据作用力的差异,将基本粒子分为夸克、轻子和传播子三类。这些基本粒子,由于色禁闭以及极其微小的特性,难以通过科学仪器直接观测,通常是在大型粒子对撞机的对撞实验中,依据数据推测出来的。
标准粒子模型把希格斯玻色子视作模型的基本单元,希格斯场赋予物质质量,所以希格斯玻色子也被称作 “上帝粒子”。2013 年,欧洲核子中心的大型粒子对撞机(LHC)实验结果证实了希格斯玻色子的存在。
但希格斯玻色子并非微观世界的尽头。所谓 “无内为小”,从理论上讲,物质能够无限细分,这一观点在粒子物理界已得到广泛默认。近年来,欧洲核子研究组织的观测数据不断表明,完美且自然的粒子模型并不存在。部分粒子物理学家提出,若有更大的粒子对撞机,或许能撞出比 “上帝粒子” 希格斯玻色子更小的粒子,这意味着在技术层面,粒子标准模型存在不完美与不自然之处。2017 年,CERN 的理论负责人发表论文,委婉指出人类目前的粒子研究存在问题,而多数粒子物理学家对明显失败的预测选择沉默。
那么,微观世界究竟是怎样的结构呢?量子力学的量子场论给出了全新解释。该理论认为,基态量子是物质世界的最小单元,离散的量子构成宇宙空间(量子真空),激发态的量子之间形成对应的量子场,所谓的 “粒子” 就是激发态的量子场。粒子间的相互作用,本质上是激发态的场与场之间的动力学作用。相互作用的粒子构成原子,原子又构成分子,因此,物质世界就是由激发态量子构成的无数场。
在量子场论基础上发展起来的弦论,致力于将宇宙中的四大基本力统一起来,这是一种前卫理论。
弦论认为,自然界的基本单元是普朗克尺度的能量弦闭合圈,闭弦的不同振动和运动产生出各种不同的基本粒子,宇宙万物皆由振动的能量弦构成。所以,这个世界实际上不存在物质,只有能量,结构化的能量包就是粒子,而宇宙最初便是一团炽热无比的能量体。
在我们眼中,万物皆由微小的振动能量场构成,我们每个人自身也是一个复杂的能量结构体,特别之处在于,这个能量结构体能够意识到自身由能量组成。