质能循环的回路世界

 

宇宙从哪里开始,又会到哪里结束?这要从质量与能量开始说起。

那么,质量与能量有等价关系,可以相互转化(后文有详细分析解读),这在整个宇宙舞台的背景下,有什么意义呢?以及运动与相互作用,又在质能转化的过程中,扮演着怎么样的角色呢?

本文,将会在一些物理概念上,进行推演,并给出一种视角下的答案——及丰富的物理图像,并且通读全文,会感受到一股淡淡的魔幻之感,或许这就是一种解密的欣快感,还有重要的是启发和思考的乐趣。

 

前提约定

  • 第一,本文所有“质量”,均代表“静质量”(Rest Mass,或译作剩余质量),又称不变质量(Invariant Mass)
  • 第二,在微观,由于波粒二象性,粒子之间的力,其实是概率云之间的相互作用,因此称之“相互作用”“力”更为贴切,但如果说的是,从微观到宏观的相互作用,就会仍旧称之为“力”。
  • 第三,本文是严谨的物理学视角,逻辑外推的部分有坚实的物理理论支撑,检索相关物理学名词,可以进一步了解更详细的信息。

 

质量与能量

能量的表现形式有很多,贯穿了从微观到宏观——有机械能、潮汐能、风能、热能、化学能、电能、光能、核能、辐射能、声能、内能、势能等等。

其中,海水运动是潮汐能、空气运动是风能,分子运动是热能,原子运动是化学能,电子运动是电能,光子运动是光能,核子运动是核能,电磁波运动是辐射能,声波运动是声能,物质内部运动是内能,不运动是势能,等等。

那么,以运动来划分就会简单许多,只有动能势能两种:

  • 动能——是运动的能量。
  • 势能——是运动趋势的能量,也就是静止的能量。

具体来说,势能在宏观是内能,来自于物体内部的相互作用,在微观是场能,来自于场的相互作用。

 

势能(Potential Energy)——是储存于一个系统内的能量,也可以释放或者转化为其他形式的能量。势能不是属于单独物体所具有的,而是相互作用的物体所共有。

 

可见,能量与运动息息相关,并且能量有两大特性:

  • 第一,是守恒,即总量固定。
  • 第二,是可以相互转化。

关于能量守恒,由诺特定理可知,它是时间平移对称性下的守恒量,即:时间平移对称性可以得出一个守恒量——它就是能量。

所谓时间平移对称性,就是在不同的时间(如过去、现在、未来),物理定律输入相同的变量,会输出相同的结果,即:物理定律不随时间变化。

从某种角度来说,对称意味着变换可以抵消,产生某种不变,而不变性的背后必定有守恒量

那么,诺特定理的数学证明,则让物理守恒定律,从一个经验定律(未来可能会不正确),上升到了一个被严格证明的定理(具有永真保真性)。

 

诺特定理——由著名数学物理学家,艾米·诺特(Emmy Noether)提出并证明,它表明对称性与守恒量是一一对应的,即:物理定律的对称性(即不变性),一定存在物理守恒量(即物理守恒定律),同理相反,物理守恒量,一定存在物理定律的对称性。

例如,空间平移对称性——对应动量守恒;空间旋转对称性——对应角动量守恒;时间平移对称性——对应能量守恒;电荷共轭对称性——对应电量守恒;规范对称性——对应电荷守恒,等等。

 

然而,在宇宙学的宏观尺度上,广义相对论的视角下,时间平移对称性并不成立,因为:

  • 第一,宇宙一直在膨胀,会导致参考系膨胀,从而使得物理定律会随时间变化,即时间平移不对称。
  • 第二,广相时空具有曲率,曲率是非线性模型,因此时空具有不对称性,即时间平移不对称。

要解决这个问题,有以下视角:

  • 第一,宇宙目前在膨胀,不一定会永远膨胀下去。换言之,膨胀时的能量不守恒,是因为这不是最终的总能量
  • 第二,时空曲率来自质量,随着宇宙演化质量消失后,时空曲率也会消失。换言之,有时空曲率的能量不守恒,是因为这不是最终的总能量
  • 第三,时空膨胀与时空曲率,可以通过引力波(即时空运动)释放能量。换言之,时空之中存储着势能,这个势能和动能,即是总能量

关于能量可以相互转化,则意味着,在能量守恒的情况下,运动是可以相互转化和传递的。

例如,热传递与热辐射,就是在以运动的形式传递能量,前者需要分子介质——如空气,后者需要场介质——如电磁场,所以热传递无法在真空中发生(保温杯原理),热辐射则可以在宇宙中发生(太阳辐射)。

因此,我们可以把能量的本质,看成是物质运动的一种度量。也就是说,运动可以用能量去度量,即是动能;那么如果不运动,其实也可以用能量去度量,即是势能——这是度量了运动的趋势。

当然,微观的一切都在运动,而光速——就是所有物质运动的极限速度,即是无质量的运动,也就是光子的运动。而当运动一旦抵达光速,运动即来到了最终形式。因此,我们可以看到,光子相对任何物质都是光速运动,不会相对静止,即:光速不变原理。

 

光速不变原理——是指无论在何种惯性系中观察,光在真空中的传播速度都是同一个常数,不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。(具体参看相关文章[5])

 

换言之,只要运动不抵达光速,就会表现出可测量的“质量”(各种不同种类的质量)

那么在广义相对论中,时空因为质量而弯曲,那么光子一定是与时空弯曲背后的“起因”,即质量,产生了相互作用。

是的,虽然光子本身不受力,但仍可以发生相互作用——如发射、吸收、湮灭,并且还可以传递相互作用,即电磁力——这其实是把光速运动,转化为了非光速运动。

例如,在光电效应中,如果把一束光照射在金属板上,金属板就会往外发射电子,这就是光子的光速运动,转化为了(有质量)电子的非光速运动。

例如,光压的来源,是光子的动量可以和物质发生作用,产生了动能的转移,即光子的运动转化为了物质的不运动,从而形成了力的表现。

由此可见,物质运动抵达光速的过程,就是质量转化为能量的过程,即是费米子(轻子与夸克)通过各种途径,最终全部转变为光子的过程。

例如,那漫天的繁星,就是恒星消耗自身质量,转化为能量,照亮宇宙的过程。

那么显然,如果质量与能量可以相互转化,它们也就是可以相互度量的。

从狭义相对论来说,能量和质量就像一枚硬币的两面,是同一事物的不同表现。这就如同水,有气态和液态两种状态一样。也就是说,质量与能量是同一个物质本质,按照一定比例“混合”,所表现出来的不同特征,即可观测量。

由此,我们可以把物质看成——有两种状态,即质量状态能量状态。所以,能量也是物质,是处在能量状态的物质。

事实上,物质还包括——时空(时间、空间)与场(以及暗物质和暗能量),并且质量与能量,还通过时空建立起了联系,即:质量弯曲时空,时空指引运动,运动产生能量,能量改变质量。

而如果能量度量了物质的运动,质量也就度量了物质的运动——这就回到了惯性质量的定义,即:质量是改变物质运动状态难易度的度量。

于是,从这个角度来看,质量所度量的能量,就像是存储的一种势能,即度量了运动趋势的能量。而把这种势能“释放掉”之后,运动就可以抵达光速了,此时质量就全部变成了光子,并且这些光子的能量总和,即等于势能,代表着质量所存储度量的能量。

那么,能量所度量的质量,其实就是动质量——因为运动而产生的质量,没有运动就没有动质量,这相当于度量运动的能量,被存储在了动质量之中。

综上可见,总能量守恒,质量与能量等价对应,其中能量有动能势能两种,于是:

  • 动能——对应了动质量,即运动的质量,由于运动是相对的,所以动能和动质量,都是相对的,即与参考系选择相关。
  • 势能——对应了质量,即静止的质量,也就是惯性质量,与参考系选择无关,其代表着物质内部微观势能的宏观度量。

用公式表示就是:总能量 = 势能(质量)+ 动能(动质量),而质量(有序结构)转变成能量(无序运动),即:势能转变成动能

  • 结合宇宙膨胀来看:动能与参考系相关,受膨胀影响;势能与参考系无关,不受膨胀影响。
  • 因此在膨胀过程中:动能不守恒,即能量不守恒;势能守恒,即质量守恒。
  • 但这里总能量是指:宇宙膨胀的终点,即宇宙在某个方向上的演化终点,此时没有势能的能量,它始终等于「势能 + 动能」,也一直守恒,即质能守恒

最后,更加简化和抽象的来看,能量即是运动质量即是不运动,从质量到能量,运动速度从0到光速——这也是使用能量的过程。而一旦质量消失,也就是没有势能可以降低,即没有了可利用能量。

 

势能与势垒

事实上,势能可以形成势垒,限制低动能物质的穿过,原因就在于——势能是不运动,低动能的运动无法“带动”高势能的运动,所以低动能的物质无法穿过势垒

 

势垒——是指一个势能比周围势能都高的区域。

 

例如,在宏观上,墙就相当于一个不运动的势能,如果物体的动能小就无法穿墙,并且还会被墙反弹,而如果物体的动能足够大,就可以穿墙,但在穿墙的过程中,墙会和物体一起运动。

那么在微观上,有两个与势垒有关的著名现象,即:量子隧穿效应超导能隙(Energy Gap)。

其一,量子隧穿效应——是基本的量子现象之一,即当微观粒子的总能量小于势垒高度时,该粒子仍能穿越这一势垒。因为量子不确定性,时间和能量为一组共轭量,在很短的时间中(即时间很确定),能量可以很不确定,从而使一个粒子看起来像是从“隧道”中穿过了势垒。

可见,量子隧穿效应,并不是低动能“带动”了高势能的运动,而是粒子以概率的形式,直接随机出现在了势垒的另一侧,此时高势能依然保持不运动。

其二,超导能隙——是一个有足够高势垒的区域,它能够保护电子不受“外界”(晶格原子)的影响,从而维持在超导的稳定状态。

原因就在于,晶格原子的振动,会试图剔除电子表现出阻力,但势垒阻止了这个振动的传递,即能隙阻止了电子与晶格原子的能量交换。

事实上,单电子的集合无法形成能隙,宏观超导现象,是电子对(库珀对)的集合产生能隙的结果,而能隙意味着低动能高势能

  • 对于低动能,超导电子对的角动量为0,动能很低,很容易被高温打破配对,所以需要低温。
  • 对于高势能,能隙表现出了“质量”的特性——这是电子对的形成过程中,规范对称性(Gauge Symmetry)发生破缺的结果(电子配对自由度减少,对称性下降),这与希格斯场(自发对称性破缺)赋予粒子质量的机制相一致。

那么换个角度来看,能隙具有“质量”特性,意味着电子就像“不运动”一般,即在非流动方向上没有运动,自然就没有了电阻。

最后,可以想象,如果是无限大势能构成的势垒,就会阻止一切粒子穿过,这样粒子就只能在势垒内运动,而不同这样的势垒,内部就会有不同大小的动能——这就形成了原子的能级

 

动质量与相对质量

如果有质量,有运动,就会有动能(E = mv^2 / 2),动能即是能量,能量等价质量(E = mc^2),于是我们就会看到,有质量的运动,就会增加一部分,由动能转化的质量——这就是动质量

那么,在测量有相对运动的质量时,其结果就是动质量与质量之和,而这个质量之和被称为——相对质量,或是相对论质量,即:相对质量 (m)= 质量(m0) + 动质量(m1)。

事实上,根据计算公式会发现,只有高速运动的物体(如微观粒子),增加的动质量才会有明显的体现,因为其效果因素在于速度与光速的比值(v / c)——而这可以看成是静止向光速转化的因子。

 

相对质量公式:m = m0 / sqrt(1 - (v / c)^2),m是相对质量,m0是质量,v是速度,c是光速。

 

所以,狭义相对论指出——速度越快质量越大,其实这个质量是——相对质量,增大的是动质量质量本身并不会增加。

于是,当速度无限接近光速(但不等于)的时候,通过计算公式就会发现,相对质量会接近无穷大,再加速需要的能量就需要无穷大,从而就阻止了有质量物体抵达光速。

也因此,粒子加速器需要很大的能量,才能将粒子加速到接近光速(所以粒子加速器又贵又难造)

而换个角度,从前面的论述的来看,质量即是阻止运动的势能,有这个势能,就不可以抵达光速。

那么,如果没有质量,运动的阻力(即惯性力)就会消失,速度可以抵达光速,此时质量运动产生的动能,就不会存在,其对应的动质量也就会一起消失,但这并不是说,就没有动质量了。

因为光子还有能量(E = hv,h普朗克常数,v电磁波频率),这个能量等价的质量——就是光子的动质量

要知道,动质量只与运动相关,光子的动质量度量了光子的运动

因此,当光子被吸收,或是两个高能光子湮灭,光子的运动消失,对应的动质量就转为了——其它粒子的质量;同理相反,发射或生成光子的时候,是质量转化成了动质量

于是,这就有两种产生动质量的形式:一种是有质量的运动,一种是无质量的运动。

 

第一种,有质量的运动。

如果没有运动,那么自然就没有动质量,但此时有质量,也有引力质量,同样也有等效的惯性质量

这里有一个重要的区别,就在于不运动的质量,可以产生时空效应,即:时间膨胀(时间)与引力场(空间)。并且如果再有加速度,则就会增强时空效应——这相当于增加了质量、引力质量与惯性质量。

动质量本身,就无法产生任何时空效应,因为动质量是运动的动能,所代表的是能量,而不是真正的质量——它与参考系选取相关,并不是绝对的存在。

所以可见,质量——是加速度的效果,即运动趋势的度量;动质量——是速度的效果,即相对运动的度量。

那么,如果从微观角度来看,把希格斯场想象成充满宇宙的——“浓汤”,惯性质量体现的——就是“浓汤”阻止运动的惯性力,并且惯性质量越大,“浓汤”的阻力就越大,也就是惯性力越大。

就此逻辑,我们可以看到以下图像:

  • 如果在“浓汤”中有加速度,就会受到加速度的反作用力(即增强了阻力),等效于增加了惯性质量。
  • 如果没有加速度,则“浓汤”的阻力恒定不变,此时无论速度多少——代表着动质量的多少,都不会增加惯性质量。
  • 如果没有质量,则就可以没有阻力的在“浓汤”里自由穿行——速度抵达光速。

由此可见,质量、引力质量、惯性质量三者等同,会受到“浓汤”的阻力,但运动无加速度带来的动质量,则不会受到“浓汤”的阻力。

那么,可以想象,时空效应——其实就是微观希格斯场的相互作用,对宏观时空的影响。也因此,时空会因为质量而产生弯曲,并且惯性力就像是来自希格斯场的反作用力。

所以,结论就是,有质量无加速度的运动,会有两部分质量——质量动质量。其中,质量会对时空产生影响,而动质量则无论多少,都不会对时空产生影响。

同理,我们可以把时空结构——看成是物质质量状态的构造,它不受物质能量状态的影响。

 

第二种,无质量的运动。

如果没有质量,就没有引力质量与惯性质量,也没有与希格斯场的相互作用,速度就可以抵达光速。

所以,光子在宏观上就没有时空效应——不会产生时间膨胀和引力场,也没有时间的概念。

而从微观角度来看,时间是来自费米子(夸克与轻子)的量子态计数,那么属于玻色子的光子,自然就不会有时间,更不会有时间膨胀了。

 

综上,我们会发现,有质量就可以与希格斯场相互作用(没有则不行),可见希格斯场的作用,就是阻止运动,产生不运动的质量,而这个质量也就是——微观质量(不是能量)。

最后,对于光子有没有引力效应,有所争议,更进一步的说明是:

理论上,光是一种电磁波(宏观),电磁波是电磁场的一种运动形态,而电磁场又具有非零的能动量张量,将其代入爱因斯坦的场方程,就可以求出电磁场产生的时空几何变化,从而产生时空效应。

但在实际中,引力实验的精度,还无法测出电磁场的引力效应。

而事实上,一个光子和很多个光子,是非常不同的两种情况,前者的个体状态信息是概率的叠加,而后者具有确定的整体状态信息。

从另一个方面来看,目前的理论(广义相对论与量子力学)还无法在微观描述引力,而光子是微观模型(小尺度),电磁场是宏观模型(大尺度),引力效应是从微观不存在,到宏观存在的涌现。

那么,小尺度小到什么程度,广相就不适用了?

通常只要出现“量子不确定性”,广相就会失效,因为广相要求几何结构是平滑连续的,而不能是非连续量子化的,更不能是随机不确定的。

 

微观质量与宏观质量

微观质量

事实上,像质子、中子这类复合粒子的质量,只有约1%是归因于——将质量赋予夸克的希格斯机制,剩余约99%则是——夸克的动能与胶子的能量。

例如,三个夸克被胶子组合在一起,构成了一个质子,其中胶子负责传递强核力,没有质量。但我们会发现,三个夸克的质量加起来约5MeV,却远远小于一个质子的质量约938MeV,可见大约只占5%的比例。

 

eV(Electron Volt)——称为电子伏特,是能量单位,代表一个电子经过1V(伏特)的电位差加速后,所获得的动能。
MeV——是eV的一百万倍。
GeV——是MeV的1000倍,是eV的10亿倍。

 

那么,质子除了夸克贡献的质量以外,其它95%的质量来自何处呢 ?

答案就是来自于,各种运动产生的——动质量,即:运动的能量等价的质量。换言之,能量就是运动,能量等价质量,运动产生动质量

  • 第一,夸克和胶子、胶子和胶子在强相互作用(胶子质量为0),即是胶子的发射与吸收,这个运动过程产生的能量,贡献了一部分动质量(约36%)。
  • 第二,夸克和胶子自身的运动(如自旋角动量),贡献了一部分动质量(约36%)。
  • 第三,夸克和胶子由于夸克禁闭,被困在在狭小的空间内,根据不确定性原理——位置可能性越小,动量可能性就越大——于是这些动量产生的动能,又贡献了剩下的动质量(约23%)。

另外在实验中,还发现同样是由三个夸克组成的质子,其质量约是1232MeV,这比结构相同的一般质子质量938MeV多出了很多,这多出来的质量是从哪里来的呢?

后来发现,夸克之间的强相互作用,具有渐近自由的性质即越远作用越强,于是这多出来的质量,就是夸克相距较远时,强相互作用增加的能量,减去夸克禁闭(空间变大)减少的能量,之后剩下的能量,也是动质量

由此可见,在我们测量微观粒子(尤其是复合粒子)的质量时,其实测得的是——相对质量,并且其中99%的都是——动质量(由强相互作用贡献),只有1%的是——质量(由希格斯机制贡献),甚至像光子的“质量”,100%都是动质量

但正是这些微观粒子构成了原子,分子及其上层的一切复杂宏观结构。

所以,为什么宏观上我们会直觉的——把质量看成是“物质的多少”,就是因为质量与这些微观粒子的数量成正比。但实际上呢,这些微观粒子的质量,大部分是动质量,也就是能量

 

宏观质量

可想而知,宏观物质如果抛开微观的动质量,其剩下的质量必然是极小的,于是这些极小质量,产生的时空效应,必然也是极小的。

因此,我们最终看到,时空效应带来的引力,是极其微弱的,只有超大质量的宏观天体,才能带来可观的引力。

不过呢,从另一个方面来看,我们测得的宏观质量,即是引力质量,其来源是引力——这是关联着质量,而非动质量的结果。

所以,引力质量(包括等效的惯性质量)即代表了微观的质量,而不是微观的动质量。

需要说明的是,在广相理论上,质量让时空弯曲,时空弯曲形成引力场,引力场中有引力作用。可见在此,质量与引力,是共变量正比例关系,而不是质量直接产生了引力——中间隔着“时空弯曲”这一层。

事实上,如果没有引力,都无法测量出引力质量,所以引力质量其实度量了引力的大小,而不是决定了引力大小,即:引力的微观成因,产生了宏观的引力质量。

 

最后

我们看到,大部分微观质量——都是依靠胶子,封装在原子核中的动质量,而原子核最重要的作用,就是:

  • 第一,稳定性,即构成基本物质结构。
  • 第二,动力学隔离,即使得微观质量不受宏观运动的影响,从而形成了宏观质量的稳定与守恒。

事实上,正是在不同层面与尺度上的动力学隔离,才使得相对的微观与宏观不会相互干扰与影响,让我们只专注于某个层级的事情,而不会遭遇“细节膨胀效应”,如:

  • 化学反应不考虑量子效应,
  • 低速运动不考虑钟慢效应,
  • 宏观运动不考虑微观粒子,
  • 心理学不考虑脑细胞通信,
  • 等等。

但层级,除了封装了大量细节,还有巨大且难以想象的未知能量——如核能。

因此可以说,层级层层封装了更微观更高能的物理规律,只有我们提供了足够高的能量,才能够进入层级内部,看到那些自由度。

那么,在不同能量之下,对应不同的规律,就是涌现的底层来源——所以,涌现 = 复杂性 + 能量,即:运动突破层级。

同时,这也是幂次法则的底层来源,即:在x^n中,底数x是层级内的变化,指数n是层级间的变化,指数n是确定常数时,称为幂次常数,而幂次常数的切换,则就对应了突破层级的涌现现象

 

进入循环

质量与能量可以相互转化,其本质共同度量了运动:

  • 运动的起点——此时质量无限大、能量无限小,一切运动静止,物质仅以质量状态存在。
  • 运动的终点——此时质量无限小、能量无限大,一切运动光速,物质仅以能量状态存在。

而为什么能量,是诺特定理得出的时间对称守恒量?就是因为,在时间的维度上,系统总能量不变,其内部物质状态,就会在运动与不运动之间转化。

对应到四维时空上,就是:

  • 三维空间的不运动与一维时间的运动(时间变化)——是质量。
  • 三维空间的运动与一维时间的不运动(时间静止)——是能量。
  • 时间运动与空间运动的混合——就是质量与能量的混合。
  • 时间运动与空间运动的合速度上限——就是光速。

这也就是说:

  • 空间速度为0(即运动的起点,代表质量),时间速度就是光速(辐射光子)。
  • 空间速度为光速(即运动的终点,代表能量),时间速度就是0(时间静止)。
  • 时空中的任何速度,都可以分解为空间速度时间速度的混合,也就是不运动与运动的混合,即:质量与能量的混合。

那么,在“运动的终点”,(暂时)不知道为什么,发生了一件事情——那就是“大爆炸”,或称“创世纪闪光”

接下来,形成了一个奇点,其密度无限大、体积无限小,物理定律在此处将会失效。而所谓奇点,就是在理论上会出现无限的地方。

在此别忘了,“运动的终点”时间速度为0,即时间静止,没有时间就没有距离(因为无法测量),接着没有距离就没有长度,没有长度就没有体积,所以无论是“运动的终点”还是奇点都——体积无限小。

而有了“体积无限小”这个因素,就给予了暴胀的条件(暴胀理论,Inflation Theory),即:空间以指数倍的形式膨胀,再后来继续膨胀,一直膨胀

 

暴胀理论指出,在10^-36秒到10^-32秒之间,宇宙半径膨胀了至少10^26倍,相比之下,在标准图景中,宇宙在相同时间间隔内,只膨胀了大约100倍。这意味着,在10^-36秒的瞬间,宇宙比它在138亿年以后增大的还多。

 

而有了膨胀(也是运动),局部的运动就会扩散,从而局部运动的剧烈程度就会减小,于是温度就会不断下降(温度的本质即是运动)。

而从高温到低温的冷却过程,即是:从能量到质量的转化过程。于是,在“大爆炸”之后,物质逐渐从能量状态,转化成了质量状态,即:形成了“运动的起点”。

当温度不再下降的时候,即来到了——从“运动的起点”向着“运动的终点”的转变过程。当然,这个过程可以在局部发生(如恒星太阳的核聚变反应),即:整体上温度在下降(产生质量),但在局部有温度升高(产生能量),就会发生运动“终点”(质量)向着“起点”(能量)的转变。

那为什么,在“运动的终点”会发生“大爆炸”,然后形成体积无限小的奇点?

很可能,质量到能量,是能量到质量的逆过程,即:温度升高(对应下降)、体积收缩(对应膨胀)。

而体积收缩,则代表着空间的收缩,显然正是有了空间,才会有场和运动的存在,质量才能够起源于希格斯场——因此,空间收缩,也就体现了质量的减少。

至于,空间收缩的原因,可能是由于随着能量的不断增加,“中和”了产生膨胀的斥力,使得绝对引力强于斥力,从而令膨胀转为了收缩。

事实上,以上过程是一个普遍的原理,即:被压缩(收缩)的事物会变热,反过来,如果什么东西解压了(膨胀了),它就会冷却。

例如,空调和冰箱就是应用了这个原理——工作物质(如氟利昂)经过循环的压缩与膨胀(同时也蒸发或凝结),可以让热量朝着需要的方向流动。这说明了,地球上寻常简单的物理事实,其实就是(也必然是)整个宇宙运作的缩影。

那么,综上可见,运动——就是质能转化的两个相互过程,在空间结构中的表现 ,而质量会自发的转化为能量,能量会自发的膨胀(冷却)形成质量(空间膨胀提供了运动的场地)。

最终,这就形成了——质量与能量永无止境的运动循环。

而这个模式,很好的对应了,广相引力场方程所描述的那个模型:宇宙结构要么膨胀,要么收缩,但永远不会静止,也不会有永恒。

 

概念陈述

以下,是对前文观点的概念提炼,及简单陈述。

 

第一,运动有起点和终点,即是“静止与光速”——代表着“质量与能量”,前者低温有序,后者高温无序。

温度是运动的剧烈程度,即:温度越高,运动越剧烈、越无序;反之温度越低,运动越缓慢、越有序。而绝对零度,即是运动静止,绝对最高温,即是运动光速。

 

金属能有效传递热,是因为有足够的微观态(Microscopic Configurations)让个别电子在其间跳跃。

 

那么,有序代表着结构性高,确定性高,状态组合性低,信息量低;无序代表着结构性低,随机性高,状态的组合性高,信息量高。

光子光速运动,其代表着能量及运动的终点,同时它也负责传递信息——这个信息的作用就是,消耗质量。

最后,能量是运动就可以被精确计算,温度是宏观统计(即概率)无法被精确计算——它代表的是微观运动整体的效用。

 

第二,运动从静止到光速的过程,即是质量到能量的转化——反之亦可。

不同的运动速度,对应了不同质量与能量的比例,即:速度越慢能量越少,质量越多;速度越快能量越多,质量越少;抵达光速质量为0,只有能量。

 

第三,能量——度量了运动,这是动能,所以传递能量,即是传递运动。

对于非光速运动,能量与速度相关(E=mv^2/2,v是相对速度);对于光速运动,能量与频率相关(E=hv,v是频率);而速度与频率都是运动的体现。

例如,人体补充能量,就是在补充动能,以提供身体的各种运动,如果不从外界补充能量,那么人体的运动就需要消耗,人体的质量,即减肥。

做功,度量了能量的转化量,而能量转化,即是运动的转化,所以有运动状态的变化——才有做功,否则没有做功。

例如,匀速运动就不做功,有加速度且静止也不做功,显然这两种情况,运动状态都没有变化。

此外,能量度量了运动,即是和速度相关,说明能量是一个相对量。

例如,相对静止,能量可以相对为0,代表运动状态相同。

可见,能量需要参照物,宏观静止,其能量来自于微观运动,有运动就有参照物,但光速不需要参照物,所以光速运动的能量,由频率决定。

而吸收能量的本质,其实就是吸收了运动,即把(微观或宏观的)运动转化为了某种程度的“不运动”。

同理,节省能量,即节省(微观或宏观的)运动,如休息就是少运动或不运动。

 

第四,质量——度量了不运动,这是势能,所以产生质量,即是产生不运动。

因为不运动,阻碍了运动抵达光速,所以非光速运动才有质量,而没有了质量,运动就可以抵达光速。

那么,这个不运动的根源,就是来自宇宙场中,量子真空虚粒子低能量概率的涌现,即自发对称性破缺,所体现出的效应——这就像是在高能量的运动中,随机出现了低能量的不运动。

但重要的是,不运动有着自发运动的趋势,这带来了最初始的相互作用力,而可以看成是宇宙一个发展方向下的必然产物。

 

第五,质量与能量——可以相互度量彼此。

能量度量的质量——是动质量,代表着光速运动如果静止,所具有的势能;质量度量的能量——是势能,代表着静止转化为光速运动,所具有的动能。

例如,核能即是把质量的不运动,转化为了运动,即是动能,其破坏力就在于这个动能,会让其它质量的不运动转化为运动,即是摧毁物质有序,变得无序。

例如,火箭就是把燃料的质量,转化为了自己的动能,即运动。

  • 光速运动,没有“不运动”的质量(即没有质量),其能量只等价于动质量,无法产生时空效应——时间膨胀(时间)、引力场(空间)。
  • 非光速运动,有“不运动”的质量(即有质量),如果还有加速度,那么就会增强时空效应,否则时空效应恒定;如果非光速运动的速度为0,那么就只有不运动的质量,没有运动的动质量。

动质量只有在高速运动时,才会有明显的体现,而低速运动,则可以忽略不计,并且动质量无法产生时空效应。

例如,微观复合粒子的质量,99%都是动质量,单个粒子的时空效应忽略不计。

最后,通常所说的“能量”,其实是指可利用的能量,即存在有序结构的质量,当有序结构(势能)转化为无序运动(动能)之后,就只剩下了不可利用的能量。

 

第六,不运动自发运动,接着运动变化产生力,力产生后续的运动变化。

任何力,都来源于一个前置的运动,直到不运动为止,而从不运动到运动,即从静止到光速,这是自发的趋势,接着运动产生了相互作用,这就是力。

  • 运动可以不受力——例如:匀速运动本身不受力,但有运动。
  • 引力源于不运动的质量,这是微观运动的结果——例如:希格斯场的振动带来质量,粒子运动带来动质量。

由此可见,力是产生运动状态变化,或是运动变化趋势的原因。也就是说,运动会产生(相互作用)力,接着力产生加速度,以驱动运动状态的变化,即从非光速趋向光速。

因此,是不运动自发运动,产生了最初的力(即第一推动力),接着力驱动运动变化,运动变化又接着产生力,如此循环,直到所有运动状态的变化消失(即加速度消失),抵达光速。

 

第七,运动状态不变,就不受力,但可以产生力,或是传递力。

  • 不受力产生力——如:匀速运动自身不受力,但可以产生引力。
  • 不受力传递力——如:发射吸收光子,是在传递电磁力,但光子本身不受力,这其实是光速运动与非光速运动的相互转化。

 

第八,质量度量了力,质量其实来源于受力。

惯性质量——度量了惯性力,引力质量——度量了引力。也就是说,没有受力(相互作用),就没有质量,也没有加速度。

由此可见,重力加速与运动加速度——本质都来源于受力,所以对时空的影响相同。因此,引力质量与惯性质量,也都来源于受力,即:非光速运动趋向光速运动,所带来的相互作用。

同时,受力的方向即是运动变化的方向,或是运动变化趋势的方向;而反作用力,则指向运动变化或是运动变化趋势的反向,所以质量代表的不运动,会有惯性力,其实是反作用力,反向于运动变化的方向。

从另一个角度来看,是微观的相互作用力——产生了质量。

例如,希格斯场的相互作用产生了1%的质量,其它“电弱强”相互作用产生了99%的动质量,两者区别在于——前者是场的不运动,后者是粒子的运动,不运动产生质量,运动产生能量。

需要指出的是:场不运动,是因为低温,低温是因为时空膨胀,这个过程可逆。

而微观的相互作用,是以概率的形式随机出现的不运动(因为低温),然后这个不运动趋向运动,就产生了相互作用,于是在宏观概率统计上,最终呈现出了引力(也是惯性力)。

因此,引力在微观是随机不确定的(不存在),但在宏观则展现出了引力质量(也是惯性质量)。

那么,宏观的力,最终是作用并相对于微观场的(不相对于被作用物体),而力带来的加速度,其实就是微观场的状态变化。

所以,力与加速度都是绝对的,不具有对称性。

 

第九,质量限制了运动距离。

光速运动,没有质量,不受力,可以运动无限远;非光速运动,有质量,受力,因为有力的相互作用,所以限制了运动距离。

微观粒子被束缚在一起,构成了宏观物质,这些粒子不断衰变,过程中减少质量,辐射出光子,即:抵达光速,摆脱束缚。

那么,束缚微观粒子的,就是基本粒子,束缚基本粒子的,就是希格斯场,希格斯场的束缚就是质量,而衰变是自发的,也来自基本粒子,这相当于逃脱了希格斯场的束缚,形成了质量自发转化成能量,即:从静止到光速。

 

第十,质能转换产生对称与破缺。

质量是对称性破缺,产生时空曲率,打破时间平移对称性,导致能量不守恒,接着质能转化,产生时间不均匀流逝,使得能量增加,对称性提高,直到质量消失,对称性恢复,能量守恒,其间总能量,即质量与能量,一直守恒。

以上过程是因为,高温让质量转化为能量,对称性提高,势能减小;而相反,低温让能量转化为质量,对称性破缺,势能增大。

那么,我们宇宙目前的整体状态是,质量自发衰变,势能减少,能量增大。

而在局部,由于相对低温,高能量会(大概率)流向低能量,低势能会(大概率)趋向高势能——这可以理解为,无序运动中和有序结构,以增加整体熵值。

可以想象这样的物理图像:自由度高的无序运动,在自由度低的有序不运动的周围,有自由度的“运动”,有极大的概率,流向无自由度的“不运动”,而不是相反。

 

第十一,宇宙舞台上的大戏——质量、能量、运动与相互作用。

运动是第一性的,即:

运动的起点是——低温静止,运动的终点是——高温光速,对应的就是——质量与能量,而从“低温静止质量”到“高温光速能量”的过程,是由自发“运动”趋势带来的“相互作用”所推动的。

而当抵达“运动的终点”,此时会在“空间”的调控下,再次回到“运动的起点”,从而最终形成了——质量与能量的运动循环

于是我们看到——“运动”带来“质能转化”推动“空间变化”进而又调控了“运动”本身。

是的,宇宙中,没有无限,只有循环,而循环即是无限……

第零,运动是万物的第一性。

质量与力(相互作用)都是运动的“效应”,运动即是能量,能量变化就是质量与力

  • 在微观,一切都具有波粒二象性,波态是场的传播,粒子态是场的振动。
  • 在宏观,宇宙的膨胀与收缩,是物质与时空的运动。
  • 在统一,超弦理论认为,最微观的实体是振动的弦,而弦的振动形式决定了上层的基本粒子。

显然,运动是“第一性的”,能量则可以解释万物。

 

黑洞循环

根据黑洞无毛定理,一个黑洞就像一个基本粒子一样简单,因为基本粒子也是把质量、角动量、电荷集中在一个很小的体积内,而基本粒子反过来,可能就是一个“微型黑洞”

黑洞无毛定理(No-Hair Theorem)——是指无论什么样的黑洞,其最终性质仅由几个物理量(质量、角动量、电荷)唯一确定。这里“无毛”是信息量少的体现(或说是信息都丢失了),而“黑洞无毛”最初是物理学家惠勒的猜想,后来得到了证实。

实际上,根据广义相对论,黑洞没有极小质量的限制。任何质量的物质,如果被挤压得足够小,它可以成为一个黑洞——因为不论质量多小,只要挤压的更小就可以了。这样,从理论上,我们可以得到和基本粒子一样大小的黑洞,而基本粒子和黑洞之间的性质,又是如此惊人的一致。

而在弦理论中,布赖恩·格林(Brian Greene)在《宇宙的琴弦》中,说道:

“我们发现,当卡-丘空间经过空间破裂锥形变换时(即卡-丘空间的相变),原来的质量黑洞会越来越轻,最后转化为一个没有质量的粒子——如零质量的光子——在弦理论中,那不是别的,就是一根以某种特别方式振动的弦。在这个过程中,我们看到黑洞与基本粒子像冰和水那样,是同一枚硬币的两面。”

 

相变——就是从一种形式转化为另一种形式,就像水能以固体(冰)形式存在,也能以液体(液态水)和气体(蒸汽)形式存在,这些都是水的相。

 

有意思的是,如果说宇宙起源于奇点,黑洞的中心是也是奇点,而黑洞形成于超大质量天体的塌缩,再把宇宙看成一个整体——一个超大超大质量的天体,那么宇宙起源的奇点——就是这个宇宙天体塌缩形成黑洞的中心奇点,那么这不仅是一个循环,更说明我们的宇宙处在一个黑洞之中。

对此,格林在《宇宙的琴弦》中,指出:

“还有些物理学家,这些年来用爱因斯坦方程探索了黑洞中心的性质。他们发现一个近乎疯狂的结果:黑洞中心可能隐约地连着另一个宇宙的入口。大概地说,我们宇宙时间在哪里结束,相连的另一个宇宙的时间就从哪里开始。”

黑洞又像一个粒子——于是,我们的宇宙就是一个“微型黑洞粒子”

那么,两个黑洞纠缠可以形成虫洞,两个粒子纠缠可以形成量子纠缠,所以虫洞就是量子纠缠的产物——两者都不稳定容易坍缩,都建立了超越时空距离的“超距作用”——只不过虫洞是宏观,量子纠缠是微观,这是宏观与微观的“循环统一”

接着,M理论(即弦理论的上层理论)的构造者,物理学家——爱德华·威滕(Edward Witten),在接受格雷厄姆·法梅洛(Graham Farmelo)采访时,曾这样说道:

“这两件事情很相似,都非常令人困惑:宇宙常数非常小但它不是0,还有弱相互作用的能量尺度,以及基本粒子的质量尺度,从人类的角度看,这似乎是很多能量,但是与物理学中的其它能量相比,它们也很小。”

从此,我们可以看出什么呢?

宇宙常数——代表的是未知的能量,即暗能量,它提供了宇宙膨胀的真空斥力,与物质(即暗物质和普通物质)非常不同,目前对它的物理机制还不明确。

曾经,爱因斯坦在引力场方程中加入宇宙常数,是为了得到一个静态宇宙,但后来哈勃常数的发现,证明宇宙是在不断膨胀的,于是爱因斯坦就去掉了这个宇宙常数

但再后来,天文观测发现,宇宙不仅在膨胀还在加速膨胀,这与原来认为的——宇宙从大爆炸开始减速膨胀的观点相矛盾,这说明一定存在什么“东西”,提供了强大的斥力,抵消了引力,才能够令宇宙加速膨胀,而这个“东西”,就以“暗物质”的形式,命名为了——暗能量

 

暗物质——提供了“看不见”的引力,存在于星系和星团中,占全部物质总质量的85%,占宇宙总质能的28%,和宇宙常数无关。

暗能量——提供了“看不见”的斥力,均匀分布在宇宙中,占宇宙总质能的68%,代表宇宙常数的贡献。

注:暗物质和暗能量,都不会吸收、反射或者辐射光,所以人类无法直接使用现有的技术进行观测。

 

于是,宇宙常数——就以暗能量的身份,又回到了引力场方程中,充当了令宇宙加速膨胀的常数项。

那么,从宇宙尺度来看,暗能量的密度、基本粒子的弱力与质量都很小。而如果宇宙就是一个基本粒子——暗能量弱力质量,这三者的相似性,就可以很好的结合到一起。

因为按照前文的观点,我们可以得到这样一个图景:

宇宙粒子通过弱力把质量转化为能量,这个能量就是暗能量,弱力的作用是微小的,它所能转化的暗能量也是微小的,而基本粒子的质量微小,则对应了宇宙粒子相对于“上层宇宙”来说,质量微小。

在此,我们看到的依然是一个——循环嵌套的宇宙模型,而光是无法离开黑洞的,这说明信息是无法离开宇宙粒子的,但质量可以(通过弱力),所以嵌套宇宙之间传递的信息——就是质量转化的能量——这有点粗略的类似,恒星消耗自身质量,向外辐射能量。

数学物理学家(诺贝尔物理学奖得主)——罗杰·彭罗斯(Roger Penrose),在《宇宙的轮回》一书中,就说道:

“经过那么漫长的岁月,宇宙的物理组成(以粒子数来说)将主要包含光子——来自经过巨大红移的星光和CMB(宇宙微波背景)辐射,也来自霍金辐射——它最终将以低熵光子的形式,带走无数巨大黑洞的几乎所有的「质量-能量」。”

而有趣的是,理论物理学家——加来道雄,在《平行宇宙》一书中,指出:

M理论,还为暗物质之谜提供了说得通的答案,虽然还只是猜测性的。想象有一个平行世界,恰好悬在我们的宇宙之上。在那个平行宇宙中的任何星系,对我们来说都是不可见的。但因为引力(根据M理论)是由超空间(即超过四维的空间)的弯曲造成的,所以引力可以在宇宙间跳跃。……因此,暗物质有可能是由平行宇宙的存在而造成的。”

简而言之,暗物质可能就是来自平行宇宙的质量,它通过超空间对我们的宇宙产生了“看不见”的引力。

 

时空循环

哥德尔从(广相)引力场方程中,解出了一个时空循环的宇宙,即:宇宙中存在一种世界线是“封闭”的自我循环结构,这被称为——封闭式类时间曲线(Closed Time Like Curves, CTCs),并且根据哥德尔的计算,这类宇宙的尺寸应该是极大的——可能达到数十亿光年。

而这种宇宙,没有入口也没有出口,从起点可以回到终点——这不仅说明,宇宙将会周而复始的循环,还隐含着穿越时间回到过去的可能——但回到过去,并不能改变历史(因为一旦改变就会形成一个新的平行宇宙)。

 

为了庆祝爱因斯坦70岁的生日,哥德尔送给他一个令人惊讶的计算结果,作为礼物,即:引力场方程中——存在时空循环的宇宙。

 

可以想象,就像乌比斯环(带)克莱因瓶这种封闭的循环结构,如果宇宙就是这样类似的结构,那么身处其中就会发现,宇宙没有边界、没有内外、没有尽头——开始就是结束,结束就是开始。

 

结语

什么?这不是产生“永动循环机”了?那么,请问这个无限循环,是如何开启的呢?

答案是——上层循环(不是上次循环),即:上层的无限循环,开启了下层的无限循环。

是的,循环的答案——就是循环本身,也只需要循环,这是既是开始也是结束,即:循环(回路)就终极答案(永动机就是循环)。

那么,这又有什么意义呢?——循环就是意义,也是意义的意义……

 

后记

据说,只要理解并掌握了质量和能量的奥秘,就可以成为全宇宙最出色得魔法师。

 

整理自:@scottcgi

 

作者:阿古
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来源:方舟(ark.ooo)
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