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六、物质的微观结构
任何物质都是由极其微小的粒子组成的,这些物质保持了物质原来的性质。
物质由分子组成。
分子极小,只有百亿分之几米,用肉眼不能看到,只能借助电子显微镜才能观察到它。
分子由原子组成,原子由原子核和电子组成,原子核由质子和中子组成.质子和中子由夸克组成。
弦理论
弦理论是一门理论物理学上的学说。
理论物理模型认为组成所有物质的最基本单位是一小段“能量弦线”,大至星际银河,小至电子、质子、夸克一类的基本粒子都是由这占有二度空间的“能量线”所组成。
中文译作“弦”。
弦论的一个基本观点就是,自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的粒子。
这些看起来像粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈(称为闭合弦或闭弦),闭弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。
尽管弦论中的弦尺度非常小,但操控它们性质的基本原理预言,存在着几种尺度较大的薄膜状物体,后者被简称为"
膜"
。
直观地说,我们所处的宇宙空间也许就是九维空间中的三维膜。
弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论。
七、物质的三态——分子按照排列顺序有三种形态:
固态:
分子的间距极小,排列十分紧密,粒子间有较大的作用力,因而固体具有一定体积和形状。
液态:
分子的间距较小,分子没有固定位置,运动比较自由,粒子间作用比固体小,因而液体没有确定的形状,且具有流动性。
气态:
分子间距较大,分子极度散乱,运动绝对自由,可以高速向各个方向运动,粒子间作用力极小、几乎没有,因而气体具有流动性。
八、反物质,由反粒子构成,是物质的一种倒转的表现形式。
物质与反物质的结合即粒子与反粒子结合,导致两者湮灭,释放出高能光子或伽玛射线。
九、暗物质
暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。
暗物质的总质量是普通物质的6倍,在宇宙能量密度中占了1/4;
同时更重要的是,暗物质主导了宇宙结构的形成。
普通中发光物质占了宇宙总能量的0.4%,其他的普通物质占了3.7%,暗物质占了近23%,另外的73%是占主导的暗能量。
暗物质存在于人类已知的物质之外,人们目前知道它的存在,但不知道它是什么,它的构成也和人类已知的物质不同。
究竟什么是暗物质?
此乃二十一世纪最大的科学之迷。
第二章物质是运动的
一、运动是物质固有的属性和存在方式,是指宇宙间所发生的一切变化和过程,从简单的位置移动到复杂的人类思维活动乃至社会运动,都是物质运动的表现。
二、物质和运动的关系:
密切联系,不可分割。
物质是运动的物质,世界上的一切事物无一不是处在运动中。
运动是物质的运动。
物质是运动的承担者,运动必定是物质的运动。
由于事物的普遍联系,构成了事物的运动、变化和发展。
三、静止是物质运动的特殊状态。
1、相对于一定的参照系,事物的空间位置相对不变;
2、事物处于量变阶段,保持质的稳定性,呈现出相对静止的状态。
3、物质世界的运动是绝对的,静止是相对的。
运动和静止是事物存在和发展的两种状态,二者同时存在。
静止是运动的必要条件,是认识和区分事物的基础,运动打破静止使事物向前发展,没有运动就没有相对静止。
相对静止一般指以下两种形态:
①运动和静止互相渗透,一切事物的运动都是“动中有静,静中有动。
”
②运动是绝对的、无条件的,静止是相对的、有条件的。
二者在一定条件下能互换位置,相互转化。
绝对运动与相对静止的关系:
区别——运动是无条件的、绝对的、永恒的;
静止是有条件的、相对的、暂时的;
联系——任何事物都是绝对运动和相对静止的辨证统一;
动中有静——绝对运动中包含着相对静止;
静中有动——相对静止中包含着绝对运动。
四、量变与质变任何事物在保持自身性质不变的情况下,它还在进行着量的变化(见P35)。
五、运动的基本形式从低级到高级、从简单到复杂概括为以下六种:
(1)机械运动——指的是物体的位置变动,是最简单、最基本的运动形式,它的物质基础是物体。
(2)物理运动——指分子、电子和其他基本粒子的运动,它的物质基础是分子(热运动)、光子(光运动)、电子、基本粒子和场等。
(3)化学运动——指元素的化合与分解运动,它的物质基础是原子。
(4)生物运动——是生命的新陈代谢过程,它的物质基础是蛋白质和核酸。
(5)社会运动——指人类社会的发展过程,它的物质基础是社会生产方式,即生产力和生产关系的统一。
(6)思维运动——主体是人的大脑
各种运动形式既相互区别又相互联系、既互相依存又互相转化,简单和低级的运动形式是复杂的高级运动形式的基础,了解低级运动形式有助于解释高级运动形式的起源和特点,研究高级运动形式有助于理解低级运动形式的性质和特点。
六、物质的维度——时间和空间。
时间和空间是物质运动的两种基本形式。
时间是物质运动的顺序性和持续性(如一天是地球自转一周的时间,一月是月亮绕地球一周的时间,一年是地球绕太阳一周的时间)。
而空间则是物质运动的广延性或延展性(如任何物体都有一定的范围,以及同他物的位置关系)。
一切运动着的物质都有其时间和空间的存在形式,也只有在一定的时空中才能存在、运动和发展。
在牛顿经典物理学中,时空是绝对的、不变的,物体在绝对不变的时空中运动。
但爱因斯坦的相对论推翻了牛顿的绝对时空观,指出时空是客观存在的,但又是相对的,不是绝对的。
假如我们与光保持同步运动,那么我们会感到光是不动的,时间是停止的。
假如我们以超光速运动,那么我们会感到时间在倒退,光在退行。
在高速运动的物体上,我们会感到时间减慢,空间缩短。
所以科学幻想小说中讲乘宇宙飞船在太空高速飞行,在宇宙遨游,回来会产生天上才几天,地上已几年的感觉。
太阳的空间尺度也并不是固定不变的,它的大小按百年周期在变化,本世纪80年代发现它一年缩小了1314公里,但它又会膨胀,这就是太阳的脉动。
地球的空间范围也在变化,体积在增大,地球与月亮之间的空间距离也在拉大。
地球自转的时间也在变化,40亿年前一天只有8小时,9亿年前一天是18小时,36000年前一年长达480天,现在一年是365天。
时空确实是相对的。
时间与空间伴随宇宙大爆炸而产生。
宇宙大爆炸开辟了物理运动场,时间与空间是场的结构,也是物理运动的自由度,可以统称为“维”,定义为S={T,L}。
其中,T为时间,L为空间,S为时空关系的集合。
“维”表示方向。
由一个方向确立的空间模式是一维空间,一维空间呈现直线性,只被长的一个方向确立。
由两个方向确立的空间模式是二维空间,二维空间呈面性,被长、宽两个方向确立。
同理,三维空间呈体性,被长、宽、高三个方向确立。
四维空间呈时空流动性,被长、宽、高和时间四个方向共同确立。
人类社会的万千事物都只能存在于长、宽、高确立的空间和与时间的接触点“现在”所构成的生存模式中。
空间的测量:
孤立的点是零维空间,我们直接通过计数来测量。
线是一维空间,我们也称作线性空间。
测量一维空间要用到长度单元,我们称长度单元是一维空间的线性度量单元。
测量二维空间要用到面积单元,我们称面积单元是二维空间的线性度量单元。
测量三维空间要用体积单元,我们称体积单元是三维空间的线性度量单元。
零维空间是间断空间;
自然维空间(维数为自然数)是连续空间。
连续空间必须线性化以后才可进行测量。
空间的线性化就是对一个空间线性度量单元的选取过程。
在欧氏几何中,用长、宽、高三个维度来表示立体空间,即我们常说的三维空间。
爱因斯坦相对论把时间、空间和物质运动联系起来,统一起来,把物质运动置于四维时空中。
但在罗巴切夫斯基几何中,在黎曼几何中,空间是弯曲的。
因为假如我们在欧氏几何小尺度范围看,地球上的大地是平直的。
但在非欧几何大尺度范围看,地球上的地面实际上并不平直,而是一个弯曲的球面。
质量与能量的本质:
质量的本质是空间;
能量的本质是时间。
温度与压强的本质:
温度的本质是能量,也就是时间。
压强的本质是质量,也就是空间。
时间与空间的真貌:
空间、时间、质量、能量、压强与温度的测量都是对于一定的度量单元而言的。
在选取恒定的有限度量单元的条件下,它们都成为绝对的物理量。
使用恒定的有限度量单元测量宇宙时间的时候,时间是无始无终的,而且时间流速是恒定不变的。
这就是牛顿数学时间。
使用恒定的有限度量单元测量宇宙空间时,你会发现它是一个平滑的无边无际的欧几里得三维空间。
我们的宇宙空间就是时间与空间的黑白复合空间。
时间与空间相互占据。
空间的运动形成时间,时间的运动形成空间。
我们体验到的时间流速与空间度量单元的大小成反比。
我们取的空间度量单元越大,时间流速越慢。
生物体的体积越大,它的空间度量单元越大。
因此,生物体的体积越大,它的时间流速越慢。
我们都有这样的经验:
体积越小的生物物种自然寿命越短,体积越大的生物物种自然寿命越长。
我们体验到的时间流速与环境温度成正比。
温度高的地方时间流速快;
温度低的地方,时间流速慢。
有研究证实:
生活在热带的人的平均寿命比生活在寒冷地区的人的平均寿命要短。
当然,谁也不会忘记,食物放在冰箱里会保持新鲜更长时间。
我们甚至可以推论:
原子钟在寒冷的环境中比在热的环境中走得慢。
因此,那个据说证实了相对论的钟慢尺缩现象的原子钟之所以走的比地面上慢,是因为在太空中它所处的环境温度比地面上低许多。
时空结构
当代物理学的超弦理论,已发展为膜理论,需要十一维时空,而我们说时间只有一维,那么,另外十维空间在哪里?
依据广义相对论把万有引力解释为时空弯曲,可知万有引力等价于一维时空。
同理,人类已知的万有引力、核弱力、核强力、光、电、磁共六种力,它们分别等价于一维时空,共六维时空。
所以,在人类已知的六种力中,除了等价于时间的一种力外,其余五种力又分别等价于可弯曲的一维空间,此类空间可以弯曲,故称自由空间。
其弯曲幅度取决于力的大小。
黑洞理论
黑洞是在宇宙大爆炸时产生的空间扭曲现象。
由于空间扭曲在周围造成了无比大的引力场,引力场的效果大到可以吸住光线(很多光子)导致人眼睛看过去就是一片漆黑。
1976年,霍金称自己通过计算得出结论,他认为黑洞在形成过程中,其质量减少的同时还不断在以能量的形式向外界发出辐射。
这就是著名的“霍金辐射”理论。
但是,理论中提到的黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息,一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后,其中的所有信息就都随之消失了。
这便是所谓的“黑洞悖论”。
最近,美国印第安纳大学布卢明顿分校的科学家尼科德姆·
波普瓦夫斯基使用修正过的爱因斯坦广义相对论,即ECKS重力理论来分析计算黑洞中基础粒子的旋转动量(或称为角动量),计算出时空的几何特性——扭力,扭力可以抵消重力,从而得出结论:
每个黑洞中都可能存在一个全新的宇宙,而我们所在的宇宙就可能身处黑洞中。
他说:
“或许银河系和其他星系中央的巨大黑洞就是通往不同宇宙的桥梁。
”他说,与爱因斯坦相对论所阐述的黑洞中的物质无限压缩至无穷密度产生“奇点”不同,其实时空会像弹簧一样,物质会出现反弹并不断膨胀。
这种反弹现象源于时空扭力对重力产生的反斥力,或许正是这种反斥力现象创造出了如今还在不断膨胀的宇宙。
七、能量
(1)什么是能量?
物体可以用速度、加速度、动量等物理量来描述和比较;
两股作定向运动的电流可以用电流强度、电压、功率等物理量来描述和比较。
但是,当运动形式不相同时,两个物质的运动特性唯一可以相互描述和比较的物理量就是能量。
能量就是一切运动着的物质的共同特性,能量尺度是衡量一切运动形式的通用尺度。
物质运动有多种形式,表现各异,但可互相转换,表明这些运动有共性,也有内在的统一的量度,即能量,简称“能”。
所以,能量是物质运动的量化转换,是用以衡量所有物质运动规模的统一的客观尺度。
(2)能的形式:
相应于不同形式的运动,分为机械能(動能)、位能、分子内能(热能)、化学能、电能、光能、原子能等。
世界万物是不断运动着的,在物质的一切属性中,运动是最基本的属性,其他属性都是运动属性的具体表现。
例如:
空间属性是物质运动的广延性体现;
时间属性是物质运动的持续性体现;
引力属性是物质在运动过程由于质量分布不均所引起的相互作用的体现;
电磁属性是带电粒子在运动和变化过程中的外部表现;
等等。
物质的运动形式是多种多样的,对于每一个具体的物质运动形式存在相应的能量形式,例如:
与宏观物体的机械运动对应的能量形式是动能;
与分子运动对应的能量形式是热能;
与原子运动对应的能量形式是化学能;
与带电粒子的定向运动对应的能量形式是电能;
与光子运动对应的能量形式是光能;
原子核内部的运动形式是原子能等等。
当运动形式相同时,两个物体的运动特性可以采用某些物理量或化学量来描述和比较。
(3)能量的转换与能量守衡
能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转化或转移的过程中,能量的总量不变。
能量的各种形式通过作功、传热等方式进行转换。
摩擦生热是通过克服摩擦做功将机械能转化为内能;
水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起,表明内能转化为机械能;
电流通过电热丝做功可将电能转化为内能等等。
某种形式的能减少,一定有其他形式的能增加,且减少量和增加量一定相等.某个物体的能量减少,一定存在其他物体的能量增加,且减少量和增加量一定相等。
能量守恒的具体表达形式:
保守力学系统:
在只有保守力做功的情况下,系统能量表现为机械能(动能和位能/势能),能量守恒具体表达为机械能守恒定律。
热力学系统:
能量表达为内能,热量和功,能量守恒的表达形式是热力学第一定律。
相对论力学:
在相对论里,质量和能量可以相互转变。
计及质量改变带来能量变化,能量守恒定律依然成立。
历史上也称这种情况下的能量守恒定律为质能守恒定律。
总的流进系统的能量必等于总的从系统中流出的能量加上系统内部能量的变化,能量能够转换,从一种形态转变成另一种形态。
系统中储存能量的增加等于进入系统的能量减去离开系统的能量。
(4)能的量度
能量在物理中的符号一般是E,其国际单位是焦耳J。
此外,常用的还有千瓦小时kWh和卡cal、千瓦时。
在原子物理和粒子物理中还常使用电子伏:
1eV=1.602176462(63)·
10-19J。
(5)质能关系
在狭义相对论中,能量和另一个重要物理概念即质量联系在一起了,建立了质能关系公式:
E=mc2,这个公式更深刻地阐明了能量的物质性,表明两者存在某种深刻的联系。
即质量和能量就是一个东西,是一个东西的两种表述。
质量就是内敛的能量,能量就是外显的质量。
正如爱因斯坦而言:
“质量就是能量,能量就是质量。
时间就是空间,空间就是时间。
八、暗能量
21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。
在宇宙中,暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。
暗能量更是奇怪,以人类已知的核反应为例,反应前后的物质有少量的质量差,这个差异转化成了巨大的能量。
暗能量却可以使物质的质量全部消失,完全转化为能量。
宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。
什么叫暗能量?
它是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量,宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量来推动的。
之所以暗能量具有如此大的力量,是因为它在宇宙的结构中约占73%,占绝对统治地位。
宇宙的运动都是旋涡型的,所以暗能量总是以一种旋涡运动的形式出现。
所以,在暗能量的旋转范围内能形成一种旋涡场,我们称之为暗能量旋涡场,简称为旋涡场。
我们用En来表示太阳系的暗能量,用Ep来表示物质绕太阳系中心运动的总动能。
当En=Ep时,太阳系旋涡场处于平衡状态,它既不会膨胀也不会收缩。
但当En衰退时,太阳系旋涡场就会收缩,太阳系中所有的行星就会向太阳靠近。
九、事物的永恒发展
事物的运动、变化与发展。
事物的相互联系包含事物的相互作用,而相互作用必然导致事物的运动、变化和发展。
事物之间相互作用的结果,使事物原有的状态和性质发生或大或小的变化。
地球和太阳的相互作用构成地球绕太阳的运动,并引起地球上一切事物和现象的变化,比如四季更迭、寒暑易节、日食月食、风云变幻等。
一定形式的运动都意味着一定的变化:
最简单的机械运动会引起物体位置的变化,物理运动是物质分子状态的变化,化学运动是物质化学成分的变化,生物运动是生物肌体的变化,社会运动会引起社会有机体的变化,等等。
总之,联系构成运动,运动引起变化,变化的基本趋势是发展。
发展的本质。
发展是运动变化的结果,但并非任何的运动变化都是发展。
发展是前进的上升的运动,发展本质是新事物的产生和旧事物的灭亡。
发展的过程性。
事物的发展是一个过程。
过程就是指事物自身发生、发展和灭亡的历史。
一切事物,只有经过一定的过程,才能实现自身的发展。
自然界、人类社会和思维领域中的一切现象都是作为一个过程而向前发展的。
十、十大宇宙惊奇
茫茫宇宙,浩瀚星空。
这是一个对于人类来说充满种种疑团而又神秘的空间,宇宙的起源与演化、结构与发展、以及未来、地外文明等等。
这是人类自古以来一直在探索、苦苦思考的问题。
然而苦于科学技术条件的限制,人们一直难以解开这些疑团,于是也就出现了当今种种关于这方面的猜想的宇宙观和学说,目前比较流行的有宇宙大爆炸理论、平行宇宙理论、霍金的果壳中的宇宙以及宇宙膨胀理论、宇宙全息论等等,对于这些理论目前人们还无法用充足的事实(或实验)来加以证实,也只能是解释个别或部分现象。
尽管我们对宇宙的了解比历史上任何时候都多,但我们只能看到不超过2%的宇宙,以下是我们已经知道的宇宙最惊人的10个方面:
1、所有人类都可以装进一块方糖。
这是因为物质内部有着不可思议的空间。
原子是物质的基本组成部分。
与太阳系类似,在原子内部,电子围绕一个极小的原子核运动。
这意味着如果我们把全世界进行压缩,全人类将只有一块方糖大小。
因为我们99.9%是空的。
2、太阳就算是香蕉做的也会一样热。
太阳中心由于质量很大,所以温度超过1500万摄氏度,一切物质(究竟是什么物质已经不重要了)都呈离子状态。
任何同等质量的东西聚集一起达到这么高的温度,即使是百万亿根香蕉集中在一起也会获得与太阳一般的温度。
3、96%的宇宙是看不见的。
组成人类、地球、行星和恒星的物质只占宇宙质量的4%。
我们了解的物质仅占宇宙的一半。
23%的宇宙由看不见的暗物质组成,它的存在是因为它的引力可以拉伸恒星。
还有73%的宇宙是由暗能量组成,它充斥着整个宇宙,并具有排斥力。
如果你能发现宇宙看不见的96%,诺贝尔奖正在向你招手呢。
4、我们现在看见的日光是三万年前发出的,而现在生成的日光在三万年后才到达地球。
因为太阳的密度非常大,使内部核爆炸产生的光很难释放出来。
假设畅行无阻,无须数秒即可抵达地球,而实际非常复杂的过程则需要3万年。
换句话说,我们现在接受到的日光是最后一次冰川时期生成的。
5、生活在一楼的人变老速度比五楼的人更慢。
这是因为爱因斯坦的万有引力理论说,引力更强的地方时间更慢。
一楼比五楼距离地心更近,因此引力更强,人变老的速度也就更慢。
当然,这种效应是非常微小的。
6、你的电视机接收的电波中有1%直接来自宇宙大爆炸(宇宙大爆炸理论)。
宇宙起源于像火球一样的大爆炸,充斥整个宇宙。
大爆炸至今137亿年来,仍在我们周围扩张,但已经冷却下来了,其残余形式不是可见光,而是微波,与电视机经常接收到的一样。
7、一个原子可以同时位于两个不同的地方,相当于你可以同时出现在新泽西和北京。
这不仅是事实,而且在实验室中甚至可以观察到一个原子同时位于两个地方,或者至少可以观察到其后果。
目前世界上有种专业专门开发原子的这种能力。
(宇宙全息论)
8、100万个宇宙的信息可以装进一个1GB大小的闪存中。
因为根据宇宙的标准模型,宇宙是从一个极小的空间膨胀而来的(宇宙膨胀理论)。
9、我们每呼吸一次,就能吸入一个曾被玛丽莲·
梦露呼吸过的原子。
这是因为原子非常小,填满一页纸的厚度需要1000万个原子。
玛丽莲·
梦露呼出的原子足可传遍整个大气层,所以我们每呼吸一次都会吸入一个由她或塞万提斯或某只恐龙曾经呼出的原子。
10、宇宙之外存在着无限数量的你的复制品正在阅读无限数量的同一篇文章。
这是科学家不想让你知道的秘密,因为这让他自己也很茫然(平行宇宙理论)。
根据量子论标准模型合成的宇宙标准模型,可能存在与我们的宇宙平行的无限数量的宇宙。
可能会有某种理论证明我们现在对宇宙的认识和量子论是错误的,而在平行宇宙中也可能存在无限数量的我们的复制品。
第三章物质运动是有规律的
在事物的运动发展过程中,既有偶然的转瞬即逝的方面,也有其必然的稳定的方面。
规律这一范畴,揭示的就是事物运动发展中的本质的、必然的、稳定的联系。
一、任何事物的运动都是有规律的
规律就是物质运动过程中自身所固有的本质的必然联系。
规律和物质一样,具有不依赖人的主观意识的客观性,因而又叫客观规律。
任何人既不能创造也不能消灭任何一条客观规律,如果违背了客观规律,就会受到规律的惩罚。
二、物质运动规律的特点是:
客观性,稳定性,普遍性,重复性。
1、客观性——规律是事物本身固有的联系,不以人的意志为转移;
规律不能被创造、改变、消灭、废除。
相反,人的意识活动要受规律的支配。
荀子名言:
“天行有常,不为尧存,不为桀亡”,“天不为人之恶寒而辍冬,地不为人之恶辽远而辍广。
认为:
规律是“客观精神”外加给事物的——客观唯心主义;
“人的理性为自然界立法”(康德)——主观唯心主义。
2、规律是事物内部的本质的联系。
任何规律都是事物的内在根据和事物内部的本质联系。
万有引力定律揭示了物体之间的本质联系;
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