科学研究的对象——物质

我一直都在一边整理科学知识体系，一边向大家介绍科学背后的逻辑体系。因为两者相辅相成，才能让你收获最大。我们已经学习了牛顿三定律和万有引力定律（关于万有引力定律其实才刚刚开始），还有热力学三定律。牛顿三定律是描述事物运动规律的，热力学三定律是描述大量分子运动规律的。我们也了解了这些运动规律是如何被一步步被探索出来的。从欧几里得《几何原本》的公理体系到伽利略的数学-实验方法，用这套科学方法就可以去研究世间万物。

 

牛顿三定律研究某个物体的运动，我们主要认识了力、加速度、惯性的概念。热力学三定律研究一大堆分子的运动，我们主要认识了温度、能、熵的概念。但是我们好像都没有好好介绍一下科学所研究得对象——物质。今天我们好好谈谈科学所研究的这个对象到底是怎么样的。当然有时候科学研究的不一定是某个物质，可能是某一个现象。但是归根结底，这些现象也是物质的现象，所以还是物质。

 

物质是什么呢？你的第一反应可能就是有重量的东西，我知道你的意思是说它们有质量。还有呢？你可能说它们比较硬，肉眼可见等等，这都是比较直观的认识。我们还记得第一次接触到质量这个概念是在哪里吗？在牛顿第一第二定律的学习中。质量是量度惯性的，质量越大，惯性越大。能量是物体运动状态的改变的量度，而惯性是物体的一种原有的运动状态，所以二者似乎有关系，从而质量和能量似乎也有某种关系。质量和能量确实是有关系的，这种关系是被爱因斯坦的质能方程明确表示出来的。

 

在物理上普适的定律、原理或者公设特别少，屈指可数。所谓普适，就是放之四海而皆准，永远都是正确的。我们知道《几何原本》是建立在五大公理之上的，量子力学也有五个公设。我们学的牛顿第一定律和热力学第一定律应该算是普适的定律了。

 

热力学第一定律又叫能量守恒定律。其实能量守恒定律之前还有一个普适的定律，叫做质量守恒定律。质量守恒定律说，物质不会凭空产生或者消失，只能从一种形态转变成另一种形态。这和能量守恒定律多么相似，简直一摸一样，只是换了主语。现在我们可以把这两条定律合二为一，就是统一的质能守恒定律。

 

物质和能量之间的关系，是被爱因斯坦的质能方程所描述的。质能方程的数学表达是：E=mc²，这是你需要记忆的第三个数学公式。现代科学上，物质和能本质上是同一个东西，质量可以转化成能量，能量可以转换成质量。从此我们关于物质的认识，被扩大了。以后我们只要一提起物质的质量，你应该想到的是质量-能量。

 

回想我们学过的热力学那部分知识，最难的恐怕就是热力学第二定律了，尤其是熵的概念。一大堆分子在永不停息地做着运动，它们平均的动能其实就是宏观上的温度。分子在不停地变换着它的运动状态，也就是说，它一直在改变着自己的能量，但是一定遵守能量守恒定律。一堆分子可能有不同的分布状态，而且这些分布状态的概率是不一样的，分子肯定更有可能是处于最大概率的分布状态，这就是热力学第二定律的本质，可以用熵来表示。热力学第二定律的宏观表现就是：热量可以自发地从较热的物体传递到较冷的物体。

 

熵能不能减少？一切都变得越来越混乱了吗？热力学第二定律就是绝对正确的吗？对此，麦克斯韦有自己的思考。麦克斯韦做了一个思想实验：假想有这样一个小妖精，它能推测并控制单个分子的运动。一个绝热容器被分成相等的两格，中间是由“妖”控制的一扇小“门”，容器中的空气分子作无规则热运动时会向门上撞击，“门”可以选择性的将速度较快的分子放入一格，而较慢的分子放入另一格，这样就实现了熵减，无序性减少了，和热力学第二定律恰恰相反。

 

事实是，我们到目前为止没有发现麦克斯韦妖的存在，热力学第二定律依然是正确的。但是麦克斯韦妖的想法启发了我们，也从另一个角度回答了为什么熵会增加。熵之所以增加是因为缺乏信息。你可以观察下课时间孩子们在操场上是怎么样的？肯定是到处都是，没有任何秩序。但是如果这时候老师发出全体集合的信息，又会怎么样呢？这时候操场上立马就变整齐了，变得很有秩序。

 

认为“熵”是一个关于物理系统信息不足的量度的，是美国著名物理化学家吉布斯。吉布斯创立了向量分析并将其引入数学物理中，使事件的不确定性和偶然性研究找到了一个全新的角度，从而使人类在科学把握信息的意义上迈出了第一步。后来数学家香农在题为“通讯的数学理论”的论文中指出：“信息是用来消除随机不定性的东西”。创建一切宇宙万物的最基本单位是信息。

 

不知道到这里你会怎么想？我们不是介绍物质嘛，为何又讲能量和信息（熵）？难道物质、能量、和信息有某种关系？答案是确实如此，物质、能量和信息，某种程度上是一个东西。研究物质和能量，可能到最后都是研究的是信息。可能最终的定律用一个关于信息的方程就解决了。当然这一切都只是在发展的过程中，最终是什么样的，目前还很难知道。

 

希望上面的理论对你有所启发。为了让你有一个更清楚的认识，我用我们日常的生活再来解说一次。人与人之间相处，最高级的是信息，其次是能量，可以看得见的是物质。人与人之间的问题本质上都是沟通上的信息不畅。信息郁积，人就会发火，和别人吵架等等，这就是能量的发泄。情侣之间吵架了，赠送个礼物吃个饭也就没事了，这属于物质层面。但是物质层面上解决问题可能只是治标不治本，问题归根结底还是沟通的问题。

 

廖一梅有一句话，我特别喜欢。她说——在我们的一生中，遇到爱，遇到性，都不稀罕，稀罕的是遇到了解。如果从物质、能量和信息的角度来看，性就是物质，爱是能量，了解就是信息。当然这三者没有高低贵贱之分，只是属于不同层次而已。人的结构有天生的局限性，很难像三体人一样做到信息通达。但是只要我们每个人努力，不虚伪，真诚真实，就一定可以做到良好的沟通。只有沟通畅通，我们才可以做到心态平和、享受物质带来的满足与快乐。

 

写到这里，感觉有一种鸡汤的味道。但是也请你干了这碗鸡汤，因为它是科学的鸡汤。接下来最后我们讲一些更加实在的知识吧。简单点说，实物粒子和场统称为物质或者有能量（质量）的统称物质。关于质量和能量，我们上面说了很多。我们现在主要说说实物粒子和场。

关于物质的认识，人类首先认识的肯定是实物。这是再明显不过的，桌子、椅子、房子等等，我们的世界充满了实物。其次是人们对粒子的认识。我们学习热力学知道，玻尔兹曼是因为粒子是不是真实存在这个问题而自杀的。经过粒子物理的发展，我们已经不会对粒子的真实存在有所怀疑了。而且关于粒子的认识，我们已经积累了很多知识。我们知道物体是由原子构成的；原子由质子、中子和电子构成；电子是不可分的，而质子和中子是由更小的夸克构成的；夸克是目前已知的最小粒子，一共有6种；目前已经建立起了由基本粒子构成的标准模型。

 

还有一种形式的物质叫做场，这是大家比较陌生的。场的概念是法拉第最先提出的，它是被用来表示电学和磁学上力的作用线的。后来被麦克斯韦引用而建起了伟大的麦克斯韦方程组，麦克斯韦方程组是关于电磁学统一描述的公式，但是它更是关于场的描述方程。经过很多实验验证，场最终被确定为真实存在的物质，而不仅仅是一种概念。

 

关于物质的认识远还没有结束，科学家正在探索暗物质和暗能量。暗物质和暗能量目前只是一种理论推测，真实到底是怎么样的？会不会也像场一样真实存在？目前没有人知道。不管怎么样，新的物质对应着新的理论。无论是我们先发现物质从而再发展出理论，像经典力学，还是先发现理论再确认物质的存在，像场的概念，都将会是人类在科学上的巨大进步。

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