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粒子为什么不能无限分下去？

2016-07-30 12:44阅读：

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粒子为什么不能无限分下去？

很多网友对这个问题感到不好理解，众说纷纭，我想在网上或图书中找一篇科普做参考，写一篇更好懂的科普，没想到居然找不到，可见这个问题不好谈，只好自己写一篇，不一定能说服网友，但尽量做到通俗，只求交流。

 一、东西方不同
基本粒子能不能无限地分下去？东方人和西方人从刚开始就不一样。西方人在古希腊时就主张分割一定会有尽头，那个尽头就叫“原子”。而东方人普遍不这样认为。
比如《庄子　天下篇》提出一个命题，“一尺之棰，日取其半，万世不竭”。这个思想是十分精辟的，这是一种高等数学中的无穷小概念。

粒子为什么不能无限分下去？

佛教中也有这种类似的思想，即所谓大千世界，中千世界，小千世界。我们现在生活的天地算中千世界，而上面还有大千世界，在他们看起来，我们的世界只不过是一粒尘埃，无法觉察。而下面还有小千世界，我们所看到的一粒尘埃中也许还有一个世界，里面也有天地万物，江河山海，战争和平，万千历史。而我们也无法想象，无法察觉。
这种思想明显比我们中国人的思想更为精致，更为巧妙。而且在真实的物理世界中似乎也得了印证，比如我们所生活的太阳系，由一个太阳和九大行星组成一个旋转环绕的体系。而原子的内部结构也恰像一个小小的太阳系，若干电子围绕原子核分层旋转。这很像所谓“小千世界”。那么整个太阳系，会不会是另一层更大的“大千世界”中一个小小的原子呢？
但我认为，这只是表面的相似罢了，它们的相似只是出于同样的力学原理，即圆周运动与向心力的原理。我们都很清楚，电子决不等于我们的地球，那上面决不会另有天地万物，海洋大陆，人言兽语，儿女情长。
总之，“其大无外，其小无内”从数学上的确可以无限外推，无限分割。但在物理上却不一定正确。所谓“大千世界”“中千世界”“小千世界”只是一种有趣的哲学思维，说说而已，在实际中并没有证据。


二、为什么不能无限分下去？
我们就拿“一尺之棰”来说，为了叙述方便，我们不用木锤，木头结构太复杂，由许多种高分子构成，我们就用分子结构简单的“铜棰”。“日取其半”，怎么取？当然用钢刀来切。在古人看来，我们只要不断地把钢刀磨锋利，就能永远地一半一半地切下去。但当铜棰切到非常细小时，问题就出来了。铜棰和钢刀都是金属，都是由原子构成的，钢刀磨到极锋利时，也总有磨不下去的时候，比如刃口只剩一列铁原子了（这不过是极而言之，估计最锋利的刃口也得在纳米以上，远比原子要厚），那就无法再锋利下去。而铜棰切到只剩一层铜原子时，也就无法再继续切下去。用钢刀上的铁原子不可能把铜原子切成一半。
当然，在实验室里，我们可以用高能物理的方法，把铜原子打成两半，这就是所谓“裂变”，但这时每一半已经不再叫做“铜”，而成为别的元素了。这一点古人绝对想不到，他们以为“铜棰”只要永远切下去，就永远是铜，其实已经发生了质变。
如果我们以保持“棰”的材料不变为限度，那么当切到一个铜原子这么薄时，就可以说已经分割到头儿了。我们知道铜原子直径为2.55X10-10m，如果是一米的“铜棰”，每天切一半，只要切34天就这么薄了。还别说“万世不竭”，只切一个多月就“竭”了。
所以，虽然纯粹从数学上说，1/2、1/2地分下去，可以“万世不竭”，但从物理上，从实际上，不可能永远切下去。它将受到物质结构和工具的限制，一个月就切到原子级了。
数学和物理不是一码事，数学是纯概念，是虚的，可以无限小，而物理则是实打实的真金白银，不可能达到无限小。


三、分割到夸克就分不下去了
到了十七、八世纪，科学家终于证实了古希腊时所说的“原子”，十九世纪初，道尔顿建立了“原子学说”，能解释许多前人无法解释的现象。19世纪晚期和20世纪早期，科学家又发现原子还能分成原子核和电子，而原子核又能分成一个个核子（质子和中子）。

粒子为什么不能无限分下去？

那么核子还能不能继续分下去？
1964年，西方科学家提出“夸克”模型，至1968年夸克在实验室中被证实。现代物理认为，核子由三个夸克构成，这是现在所知的最底层粒子。

粒子为什么不能无限分下去？
其实夸克到现在为止，只是被间接证实，没人能看得到它，也没有办法直接验证。所以有人认为实际上并没有夸克，但夸克理论与实验符合得比较好，所以物理学界普遍承认存在夸克。
那么夸克还能不能继续分割呢？要想分割它，首先得把它从核子里拿出来。而这又遇到了所谓“夸克幽闭”的障碍。
到了粒子物理学这一级，我们的“刀子”已不再是真实的钢刀，而是加速器中粒子之间的碰撞，或曰轰击。比如想把铜原子打成两半，就得靠高能粒子的撞击。而撞出来的东西，我们往往不能直接看到它，而要在气泡室里通过粒子穿过时造成的气泡轨迹，间接地看到它。结合越紧密的粒子，要想让它分裂，就得需要越大能量的轰击才行。
想把夸克从核子里打出来，也得靠其它粒子的轰击。而夸克在核子中是被一种结合力极强的“胶子”粘在一起的，极其牢固。周光召先生（中科院前院长，高能物理学家）说过：“要把夸克从核子中拉出来就必须消耗无穷多的能量，但这是不可能的。”这正是所谓“夸克幽闭”现象。
即使我们假设，夸克真被从质子中轰出来了，因为我们投入了无穷多的能量，也就使得夸克获得了无穷多的能量，而在粒子物理学里，质量与能量成正比，能量越大，质量越大，所以此时的夸克将远远大于质子。那么，岂不是越分越大？这还能叫做“分割”吗？连分割的概念都被推翻了，还能进行无限分割吗？再说这只是假设，我们不可能拥有无穷多的能量，所以也不可能把夸克轰出来。
也许有人会说，任何东西总有内部结构，难道夸克就没有结构吗？就没有内部吗？然而这种想法不过是一种哲学推理，说难听点只是凭空猜想。物理学家从来靠实验说话，不做无法验证的空想。物理学家只能说，到了夸克这一级，已经分不下去了，而且也看不到还能继续分下去的任何迹象。至于将来是不是还能继续分下去，你只好去问哲学家了。对于物理学家来说，这是个没有意义的问题。

四、电子、光子更无法继续往下分
前面我们说过，原子可分为原子核和电子，既然夸克这边分不下去，那么电子那边能不能往下分呢？
电子的质量只有质子的1/1836，因为太小，实际上它已经到了量子力学里的最底端，属于“量子”的范围，量子的意思就是不连续的物理量的最小单位。到了这一级，便呈现出“波粒二像性”的特征。我另有一篇博文《趣谈“波粒二象性”》，可以参阅。
比如光子，也可以叫光量子，它既能表现出粒子的特征，又能表现出波的特征，也就是说，它既是光子，又是光波，频率高时更像粒子，频率低时更像波。
我们知道，所谓波，实际上就是能量场，或者说，粒子是聚集起来的能量，波是发散开的能量，到这个层次，质量和能量是可以相互转化的，
所以，对这个东西，你说怎么分割？它已经不是一个像铜球一样的，硬帮帮，沉甸甸，实实在在的一个实体，而是既像粒子又像波的，很模糊的一团能量。而能量也就是场，它是无限扩展的空虚中的一种力，对这东西，你还能怎么分割？划出来半个场？1/4个场，把它拿走？已经没办法分割了。
如果你要刨根问底，今天不能分，今后科学发展还能不能分下去？做为物理学子，我可以给你一个比较明确的答案：因为现在我们已经分到了基本粒子这一级，已经出现了波粒二象性效应，也就是说，到了这一级，实物和场的界限的已经很模糊了，做为实物的粒子，其本质不过是浓缩的能量包，再往下就不是实物了，而是场了，是空虚的，没结构了，没内部了，你还怎么分割？没的可分了。
所以，从物理学角度明确地说，到这一级，真的分割到头了，一点儿不含糊。
五、还要考虑“测不准原理”
“测不准原理”也叫做“不确定性原理”（Uncertainty rinciple），这个理论是说，你不可能以无穷精确度既知道1个粒子的位置又知道它的速度，粒子位置的不确定性，必然大于或等于普朗克常数除以2兀，测不准原理是量子理论中最根本的部分。
不确定的程度由普朗克常数确定，从它可以定出最小的长度量子，即普朗克长度，为10E－33厘米。这远远小于原子核的尺度。测量任何长度不可能比这个更精确，所以比普朗克长度更短的长度是没有意义的。同样，作为时间量子的最小间隔，即普朗克时间，为10E－43秒。没有比这更短的时间存在。
所以，当你分割到这个尺度时，实际上就已经到头了，再往下连精确测量都无法进行了。
为什么会测不准？因为你只要测量粒子，比如电子，起码要用光来测，也就是说，要用光量子来碰撞电子，光子要跟这个粒子发生作用，因为我们要测量的粒子太小，即使一个光量子打上去，它的位置或速度都会变化，你就无法测准。一个光量子已经是最小，不可能有更小的光量子。
还有，光量子是波，它的波长是有限的，不可能无限小，如果粒子的尺度小于波长，就无法测精确。波长相当于尺子的刻度，波长不可能无限小，也就是尺子的刻度不能无限小，这样你就不能测出比尺子刻度更小更精确的量值。
波长为什么不能无限小？因为波长越小，就说明频率越高，对于光子来说，能量与频率成正比，频率越高就意味着能量越高，如果波长无限小，就是频率无限高，也就是能量无限高，一个光子的能量能达到无限高吗？显然不可能。所以波长也不可能无限小。
综上所述，如果粒子尺度小于普朗克尺度，就没有意义了，无法测出准确的值。比如你宣布把最小的粒子又分割成了1/2、1/4、1/8，但实际上测不出来，谁知道你那个所谓分割是真是假？一个物理实验要想被证实，必须能测量出来，而且大家（世界各主要实验室）都要能重复测出来一样的值，才能获得承认。既然无法测量，所谓无限分割也就无意义了。


六、结语
总之，物理学与哲学、数学都不一样，它是实证科学，一切都要拿实验说话，而不是凭空想象，无限推想。物理学定律永远是相对真理，永远有个适用范围，不可能穷尽宇宙真理，不会靠凭空想象去描述宇宙最终是怎么回事儿，它只能回答现在所认识到的宇宙是什么样儿。
至于宇宙的终极描述，那是哲学家或者神学家的事儿，他们不靠实验，只靠聪明大脑想出来，上下嘴皮碰一碰，就出来一套所谓“理论”，但他们的说法你无法验证，不知道他说的是对还是错，所以这种所谓终极回答其实没什么意义。
另一个问题，物质世界在宏观尺度上很正常的思维，到了微观世界往往会完全换一种思维方式，甚至完全不适用了。宏观的一个小球，肯定有半径、硬度、色彩等特征，但到了微观就不一定了。
比如色彩，我们知道金子是黄色的，纯金发红，叫做“赤金”，但实际上这只是金块在光线下反射出的一种视觉而已，如果我们把金子打成极薄的金箔，透着光它就成为绿色，因为这时光线与金箔内部的结构相互作用，会呈现出不一样的反射效果。所谓颜色，必须由大量原子组成一定结构，光线在这种结构中某些光线被吸收，某些光线被反射，这样就呈现出不同的颜色。而对于单个的金原子来说，它是没有什么颜色概念的。颜色这个概念到了微观世界就没有意义了。
再比如硬度，一个宏观小球，你必须放在硬度仪上，对它施加一定压力，产生一定形变，你才能确定它的硬度。而形变必须是大量分子原子组成一定的结构才能产生，而对于一个原子来说，不可能有什么形变的概念，所以一个微观粒子，硬度也是没有意义的。
再比如半径，你必须要测量才能得知，到了光子这样的级别，它此时算粒子还是算波都是模糊的，说不清的，又何谈半径？
总之，从宏观到微观，很多概念都需要推翻，重新认识，重新建立，不能拿着宏观观念，一成不变地往微观上套。比如分割就是这样，宏观上可以无限往下分，待分到微观量子级别时，分割这个概念本身就变得没有意义了。
现在我们再看看佛教中的所谓“三千大千世界”，听起来充满智慧和想象力，但实际一分析，其实没什么意思。小千不过是中千和大千的同构重复而已，只有量变，没有质变，中千的所有概念，别说硬度、颜色、半径，连生物世界、海洋天空、战争和平等等，全都一丝不变地在小千世界中重现，一点儿意外的新思维、新概念都没有，不过是大小不同罢了。
而真实的物理世界，远比“三千大千世界”要复杂得多，丰富得多，深刻得多，变化大得多。古代哲人非常伟大，但他们无法想象出如此不同的另一个“小千世界”。
其实“大千世界”又何尝不是这样？我们在地球上得到的常识，到了星系宇宙这样的大尺度，又要推翻重建，不过这是另外一个问题了。
为什么古人（包括现代某些文科生）固执地认为可以无限地往下分呢？因为受观察工具的限制，他们的认识比较单一，比较简单。尤其中国古人的思维没有层级概念，认为宏观和微观无非是大与小不同而已，在他们的肉眼观察范围内，木棰无论分割多细永远是木头，铜棰无论磨成多细的铜粉也永远是铜，本质不会变。所以认为无限可分。
他们万万想不到铜粉到了最细时，比原子还细时，就已经不是铜了，他们没有原子概念。
印度古人的思维比中国要高明一些，有层级观念，但下一层级与上一层级也没有本质区别，只是大小不同而已，并无任何新意。
只有现代物理学家通过实验才发现，微观世界与宏观世界有本质不同，不光是小一些，实际根本不是那个东西，两码事儿了，宏观常识到这里已经行不通了。到了最细微时，甚至已经不再是实物，而变成了空虚的能量和场，分割自然就会受到限制。
也许有人会说：科学没有止境，永远在向更深更广进军，今天说不能再分，明天难道就不能再分吗？
这番道理听起来正确无比，明天也一定会有更深的认识。但所谓科学无止境，并非任何领域都一定要推翻前人结论。现在已经成为物理定律的东西是不可能被彻底推翻的，最多在适用范围上有些修改补充。比如牛顿三定律，在相对论量子力学出来之后，已被证明不适用于微观高速条件，但在宏观低速情况下（即我们感官能感受的一切范围）仍然是正确的，如果牛顿定律被彻底推翻，飞机会掉下来，轮船会沉底，火车会出轨，衣服穿不住，人走不成路，连地球也会飞离太阳系，一切都不存在了。
所以，虽然科学虽然无止境，但也有它不可推翻的规律。粒子的继续分割，现在已经遇到了一些无法克服的障碍，比如“能量无限高”“光波无限小”“波粒二象性”“测不准原理”等，看不出能克服的迹象，将来是不是一定会突破？不一定，也许这些障碍如同牛顿定律那样不可逾越。

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