爱读书 探索 宇宙是一个微观宇宙与宏观宇宙的物质系统

宇宙是一个微观宇宙与宏观宇宙的物质系统

作者:黄姤

旁述:黄媂

编著/配图:K²(黄金)

宇宙是一个创造万物的作坊,最值得骄傲的产品就是——人类,宇宙有两点让我们感到非常困惑:

①人类在宇宙中非常独特,因为我们费尽心力也始终没有在除了地球以外的其他天体找到一点点和我们相似的智慧生命存在,似乎宇宙中允许有偶然。

②宇宙又处处表现出它的标准化,一些基本原则在宇宙中非常通行,因此宇宙应该不是一个刻意创造偶然的场所。

然而,不管我们的存在是普遍还是偶然,生命能够在宇宙中被创造已经是毫无议义的了。

宇宙是一个微观宇宙与宏观宇宙的物质系统

宇宙——一个能产生智慧的物质系统

我们处在被称之为“宇宙”的物质系统之中,我们越来越认识到宇宙的物质性,随着对宇宙了解的增多,对物质的认识深度也不断地增加,如今大多数的人都认为宇宙是一个完全可以理解的物质行为,虽然它本身并没有智慧,但由于宇宙物质系统的精妙,就能使我们这种和宇宙以同样的元素构成的物体能够具有智慧,也就是说宇宙可以通过对原子等基本粒子的不断加工使它们变得足够的复杂和巧妙,直至生命的产生,当然这需要漫长的历程来进化,所谓进化它是一个生命的专有名词,实际上就是指一种携带有信息密码的物质能够自己复制,并且不断地利用复制的错误或者不准确,让环境选择消灭其中一部分和保留其中的另一部分继续生存的过程。

物质系统——微观宇宙

对原子进行加工的力量其实来自原子核内部的几种力:

  • 强核力(强相互作用力)
  • 弱核力(弱相互作用力)
  • 电磁力
  • 引力
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图解:自然界四种基本作用力

这些力的概念,虽然还很陌生,但以后人们就应该像熟悉自己的菜谱一样熟悉它们,因为人类已经到了相对论和量子力学时代,这几种力特性不一样、力量不一样、延伸的长度也不一样,而一个物体中什么时候什么力占上风就决定着这个物体是什么性质,而什么力能够主宰一个物体又取决于这个物体中原子核数量的多少,准确的说在每个原子核中同时存在着4种力,这4种力根据周围原子核数量的情况,在力与力之间会形成不同的力量对比,有时候相互竞争,有的时候相得益彰,于是就出现了它们合并的时候的恒星(燃烧的太阳),也出现了它们和谐状态下不燃烧的宁静地球。

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图解:自然界四种基本作用力示意图

物质系统——宏观宇宙

我们生存在一个由发光的恒星和不发光的岩石星球天体的组合之中,这是生命能够存在的最直接的模式,那个发光的星球就是太阳(恒星),它的质量在我们的生活中通俗地说就是质量,太阳的质量大约是地球的33万倍(地球质量约为 5.965×10^24kg),更具体的说,就是一个太阳拥有的原子核数量大约相当于33万个地球所拥有的原子核的数量,这样表达更准确,因为重量的概念和秤的状态有关,而宇宙中秤的状态很难有标准,而原子核是标准的,太阳之所以是太阳就因为它拥有的原子核数量多,通常叫做质量大,而不是因为物质成分的不同,也不是因为太阳是一种物质成分,而地球是另一种物质成分,除此没有别的奥秘。太阳中拥有的元素,地球上也全部拥有,然而太阳在燃烧,而地球则是冰冷的,除了地球的核心,这是因为在不同质量大小的物体中,力的表现形式不同。

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物质系统——生命

从生命的角度说,我们既需要几种力相互竞争的星球,也需要几种力和平共处的星球,一颗热的星球照耀着一颗冷的星球就会产生生命,这是没有任何意义的,然而事实是这颗热的星球和这颗冷的星球必须搭配的非常微妙,才能使生命的产生成为可能,而这种微妙的概率甚至微小到几万亿分之一 ,因为到目前为止,在宇宙的其他地方始终没有发现有确切的生命迹象。

生命的稀罕是我们认识宇宙的一个非常大的心理障碍,在没有找到第2个生命的形式之前,人类总是难以消除自己心中的阴影或者困惑,自己到底是不是宇宙中纯粹物质的产物呢?我们渴望见到和自己相似的生命在另外的宇宙空间存在,这恐怕已经是人类心目中最崇高的目标了,不过宇宙也没有太难为执着追求自己来龙去脉的人类,地球的周围就是宇宙的通向四面八方的窗口,除了有一层必不可少的大气,使得星光有些朦胧以外,人类追寻自己的身世是没有障碍的,而人类也从没有停止对黑暗中物质的思索,现在人类向宇宙证明了一个智慧生命的群体可以自学成长并且可以在这种探索中极大的受益。

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E=mc²——物质和能量的转化

物质如何化为能量首先要研究的是太阳,因为我们明白每天都轮回一次的光明和黑暗到底是怎么回事,我们需要知道给予我们所深深依赖的热量和光明的是什么东西,然后才能理解宇宙中其他的事情,认识太阳:“一个是要认识太阳为什么在目前这个位置上,另一个是要认识太阳为什么能这样的发光”。

为什么在这个位置上是一个观测的问题,这一点在500年前由波兰天文学家哥白尼开始了正确的论述,证明了太阳比地球大得多而且控制着地球围绕它旋转,然而认识它的发光机制确实又费了一番周折,因为这种发光机制在地球上没有,无论怎样发挥想象力,都只能用化学或者常规物理的方法来猜测,但都无法解释太阳为什么能长久而稳定地高效燃烧。

前人根据牛顿定律计算出了太阳的质量,如果把这些巨大的质量换算成煤居然只能烧几千年,而从地球上的生命存在的证据来判断,太阳至少已经存在了45亿年以上。

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图解:太阳(恒星)结构示意图

太阳燃烧的究竟是什么呢?

这需要伟大的想象力,这个思考的成就主要应归功于爱因斯坦,他把宇宙的运动在一个高度上统一了起来,这种统一就是物质和能量的转换,这种转换就发生在物质的本身(原子核)上,爱因斯坦计算出太阳的燃烧是物质的燃烧或者说是原子核的燃烧,因为所谓物质就是原子核,只要追究到原子核的行为才能解释像太阳这样的天体为什么能够存在这么长久。

☆地球上我们所熟悉的燃料比如木头、煤、石油等等的燃烧,这都是电子的燃烧,是电子在不同的分子结构中蹦蹦跳跳所释放的能量。

★核能和电子能也就是化学能,能量效率的差距是有天壤之别的,有一个公式E=mc²是爱因斯坦智慧的经典,用它就能计算宇宙中最重要的一个现象——物质和能量的转化,当然就能计算太阳以及任何与核燃烧有关的物质的状态。

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图解:质能方程(质能方程式)

原子核无处不在

其实原子核到处存在,我们人体就主要是由它组成的,它们都是可以燃烧的,但人体里的原子核不具备燃烧的条件,因为它们被分隔得很远,比如说原子核是一颗玻璃弹珠,那么每颗玻璃弹珠的距离差不多就是10公里,如果把人体中的原子核一个一个地挨在一起放着,整个人的体积就会比一粒花生都还要小,所以每个原子核就像散落在银河系中的恒星一样,在正常的情况下根本就不会碰在一起。

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图解:原子结构示意图

为什么不会碰在一起?

因为每个原子核都有电,也就是有电磁力,而电磁力是同性相斥的,宇宙中所有的原子核都是正电荷,它们相互排斥,在正常情况下原子核们没有机会碰到一起,而能够和它们接近的是拥有负电荷的电子,它们能被原子核的电磁力吸引,但由于电子以极快的速度围绕原子核旋转,离心力使它们和原子核保持相当远的距离。

其实从物质的角度来说人体是通透的,我们在触摸的时候有实体感是因为我们触摸的是电磁力,是电子和原子核之间的相互作用的力,其实这是宇宙中最好的状态,它说明宇宙为物质创造了宽松的环境,让每个原子核拥有足够的空间使自己成为拥有电子的完整原子,并且可以用它外围的电子去构造各种物质的形态,这就是说,如果不是这样不给原子以这种自由,那么宇宙中很多东西比如生命,人类甚至地球就都不存在了。

当然,如果宇宙中的原子都这么自由,生命也不会存在,因为正是需要剥夺许多原子的自由,让它的原子核裸露才能使我们这种自由的原子组合成智慧的生命,得到足够的能量,这种能量就是来自原子核们被强迫的碰撞,因为在原子核的里面有宇宙中最强大的力——强核力,它由强子组成,每个原子核中都有3个强子,它们原本极其活跃,就像三只暴躁的青蛙,总想离开井底传到外面去,只有强核力能够束缚它们,不过这个强核力虽然力量极大,但它的作用距离却特别的短,只能作用在原子核的半径范围,也就是说宇宙中最大的大力士他(她)的胳膊却是最短的。

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图解:原子核中的3个强子

强子极大的能量就是把物质变成能量

强子平时相互根本就挨不着,所以也无法体现出它强大的威力,然而一旦有机会使它们相互能够碰到对方,那就要惊天动地的相互结合了。而它们在结合的时候需要极大的能量,这些能量就只能在原子核里面获得,而获得的方式就是把物质变成能量,物质里蕴藏能量极为惊人,当强核力向物质所要能量的时候,仅仅只使用物质的一点点大约只占到原子核总质量的7‰,但这一点点就创造了像恒星这样辉煌的燃烧,这么明亮和长久,这就是一部分原子核在结合时抛出的物质所创造出来的宇宙的火焰。

当原子核们聚合在一起,一部分物质变成能量从原子核中迸发出来时,原子核就会减轻,太阳就是这样,它在燃烧的过程中体重在不断的减轻,它每秒钟有7亿吨的原子核参与碰撞,而彻底消失的物质大约是每秒钟400万吨,这就是不断发生的永久化为能量的7‰的质量,这和地球上人类所熟悉的燃烧完全不同。

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黄姤结语·宇宙其中的一个原则,分子改变格局

地球上的燃烧无论怎么燃烧,地球都不会变轻,因为地球上的燃烧只是分子在改变格局,比如说是氧气和碳的结合,从一种状态变成另一种状态,地球上的这种分子级别的被称之为化学能量的燃烧和太阳的原子核的燃烧相比要差20000000倍,1公斤的氢原子核聚变相当于4000吨石油和6000吨煤的能量,太阳之所以能够让原子核燃烧,是因为它能让这些原子核近距离地接触,也就是说宇宙中原子核一般是不接触的,而一旦接触就要爆发能量,这是宇宙的一个原则。在太阳内部就能够让原子核接触,因为它能使原子核运动,运动中的原子核就可以跨越它们之间坚实的隔膜——电磁力。

电磁力是宇宙中第二强大的力,它只有强核力的1%,但是强核力的特点是缩在原子核里面,在核的范围内才能发挥作用,而电磁力却可以无止境地向外延伸,因此强核力实际上就像是被关在电磁力里面的青蛙,虽然弹跳力很惊人却没有用武之地,幸亏这样,否则人体的电磁力如果突然消失,那么原子核就会瞬间碰撞,一个人拥有了原子核的能量足足相当于一颗氢弹。

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宇宙中大部分的原子核是被以电磁力的电网相互隔离的状态存在的,这原子核都很懒惰,所以它们并没有产生什么光彩,只是以尘埃的形式漂浮在宇宙之中。

然而在宇宙中还有不少被强迫运动的原子核它们的运动场就是恒星,在恒星上原子核精神抖擞,争先恐后地相互碰撞,因此宇宙中就出现了无数闪烁的光点,我们称之为——恒星,也就是大小不一的太阳,这些都是原子核集体运动的成果,宇宙因为它们的运动而星光灿烂,原子核的运动场必须很大,当一个物体不断地增大,它的内部就会发生一种现象,那就是越来越热,热会使原子核快速运动,就如同汽车高速行驶一样,它们会产生巨大的冲撞力量,这种力量能够突破原子核原有电磁力的隔离,而使原子核的距离越来越近,当距离近到强核力能够相互接触到对方的范围时,它们就会瞬间碰撞在一起,同时用7‰的物质产生出巨大的核能来完成这次碰撞。

在太阳的内部就是这种高速运动的原子核,每时每刻稳定的发生着碰撞,太阳才因此而发光,虽然太阳的质量随着它的能量的不断释放而减少,但是它的质量非常大这点损失无足轻重。

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图解:星光灿烂的宇宙

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