宇宙有限论

半剑飘东半剑西

§13  宇宙空间与时间有限性的实证结果

       与“可观测宇宙”概念结合，就是说，“可观测宇宙”的直径有极限值2R亿光年，在大于T的某个宇宙时间，由“大爆炸”产生的宇宙天体，将出现发光源、发射源，即使再高级的宇宙人、再高级的基于光线电磁波宇宙仪器，也无法观测。

       “哈勃球”的球半径极限值，与宇宙的有限性没有矛盾，宇宙一直膨胀下去，宇宙的尺寸一直在增大，但诞生于“大爆炸”的宇宙，总是可包含在一个长、宽、高数值甚大而有限的正方体之内。
       宇宙的体积总是小于某个固定的立方米值，宇宙依然是有限的（尽管该立方米数值甚大）。

       因而，诞生于“大爆炸”的宇宙，其占有空间有限，宇宙时间源于“大爆炸”时的t=0，在测量宇宙的任何时刻，都是有限值。
       诞生于“大爆炸”的宇宙空间，可以用0xyz坐标系的一个有限立方体包含之。
       诞生于“大爆炸”的宇宙时间，可以用0x即正数轴的一个线段，表现之（线段当然有限）。
       到目前为止，均如此。
       “哈勃球”半径达到极限的宇宙年龄T，约发生在宇宙时间t = 288亿年到t =338亿年之间，也是如此。

       宇宙时间超过T之后，对宇宙空间、宇宙时间的有限性说明，需要多费些口舌。

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§14  基本粒子大观园

§14_1  物质分解：从分子到夸克

       分子是保持物质化学性质的最小粒子。
       分子由原子构成，更详细而言，分子是由原子通过化学键结合而成的。
       在化学反应中，分子会分解为原子，原子再重新组合形成新的分子。
       原子是化学变化中的最小粒子，在仅进行化学反应的前提下，原子无法被再被分解为更小的粒子。

       原子由原子核和核外电子构成。
       原子核由质子和中子构成，唯一的例外是氕的原子核——其原子核只包含1个质子、不含任何中子、且是稳定原子核。
       (氕是氢元素最常见的一种同位素)
       所有中性且稳定的原子，如果其原子核内的质子数目为k，则其原子核外的电子数目也为k，该原子对应的元素（在元素周期表的位置）由k值唯一决定。
       例如k=1对应于氢元素（H）；k = 6对应于碳元素（C）。

       同种元素允许其原子核内有不同的中子数，质子数相同、中子数不同的不同原子，均属于同种元素的同位素。
       例如，氢有且只有三种同位素：氕、氘（又叫重氢）和氚（又叫超重氢），此三种原子，其原子核内均有1个质子，中子数目分别为0、1和2。

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       虽然化学反应无法使原子分解为更小的粒子，但是原子可以通过电离过程将原子核和核外电子分离开。
       这一过程需要外界提供足够能量，使电子克服原子核的吸引力而脱离。
       最常见的方法包括：
       其一，加热至高温；在极高温度下（如恒星内部），原子剧烈运动，碰撞导致电子脱离，形成等离子体。
       其二，强电场作用；通过气体放电或高压电场，加速电子或离子撞击原子，使其电离。
       其三，光照（光电效应）；用特定频率的光照射金属，光子能量被电子吸收后可挣脱束缚，成为自由电子。这在太阳能电池中有实际应用。
       其四，高能辐射；如X射线或γ射线照射，也能使内层电子被击出，产生电离现象。

       当所有核外电子都被剥离后，剩下的就是裸露的原子核。完全剥离难度较大，通常需要粒子加速器或极端物理环境才能实现。

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       原子核中如何分解出质子和中子？
       原子核中的质子和中子可以通过核反应或高能粒子轰击的方式被分解出来。在自然状态下，原子核内的质子和中子被极强的强相互作用力（核力）紧密束缚，不会自发分离。要将它们从原子核中“拆”出来，必须提供足够的能量来克服这种力。
       主要方法包括：
       其一，核裂变；重原子核（如铀-235）在吸收一个中子后变得不稳定，分裂成两个较轻的原子核，同时释放出多个自由中子和大量能量。这些中子可被探测或用于链式反应。
       其二，核反应轰击；用高能粒子（如质子、α粒子或中子）轰击原子核，使其发生反应并释放出质子或中子。例如，在加速器中用α粒子轰击氮核可释放质子。
       其三，光致裂解；用极高能量的γ射线照射原子核，使其吸收能量后激发并“喷出”质子或中子，这一过程称为光核反应。
       其四，β衰变中的转换；在原子核内部，质子和中子可通过弱相互作用相互转化。

       值得注意的是，自由中子不稳定，平均寿命约15分钟，会衰变为质子；而质子目前被认为是稳定的，尚未观测到其衰变现象。

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       质子和中子还不是构成物质的最小单元，到质子和中子由更小的物质“夸克”构成。
       物质的基本结构，可由：
       分子——原子——（原子核，电子）——（（质子，中子），电子）——（夸克，电子）
       表示之。

       1964年，物理学家默里·盖尔曼和乔治·茨威格独立提出夸克模型，认为质子和中子并非基本粒子，而是由更小的粒子——夸克组成。
       1968年，斯坦福直线加速器中心（SLAC）进行的深度非弹性散射实验提供了关键证据。科学家用高能电子轰击质子，发现电子以大角度散射，表明质子内部存在坚硬的点状结构——这正是夸克的存在迹象。

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       但是，无法“拆出”自由夸克（原因可由“夸克禁闭”理论解释），只能通过间接方式研究其存在。

       夸克是否还可再分解？是否存在比夸克更小的粒子？
       按照目前主流的物理学标准模型，夸克是基本粒子，无法再分解为更小的粒子。这意味着在现有理论和实验框架下，夸克被视为物质的最基本构成单元之一。
       尽管科学家无法直接分离出自由夸克，但通过高能对撞实验（如大型强子对撞机LHC）观测到的现象与标准模型预测高度一致，支持夸克无内部结构的观点。

       如果未来出现更高能量的对撞机，不排除能揭示夸克中的更深层结构。因此，科学家并未完全关闭“夸克可以再分解”的大门。
       另外，当代前沿新理论如弦理论，对物质结构提出新的观点，其观点之一是：所有基本粒子（包括夸克）实际上是一维“弦”的不同振动模式，其尺度约为普朗克。
       弦理论认为，“一维弦”可以生成不同的基本粒子，包括夸克；换言之，比夸克更基本的结构是某类“一维弦”。
       但弦理论仍属于数学自洽的理论模型，尚未有实验验证。     
       故，对“夸克是否可再分解”的答案，首先来自数学理论，而非物理实验，直到出现更高能量的对撞机且有新实验结果出现。

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§14_2  物质粒子的“身份标签”

       物质粒子是构成物质的基本单元，其中（当前）不可再分的物质粒子称为基本粒子，例如夸克和电子。
       由基本粒子构成的物质粒子，称为复合粒子，例如质子、中子。

      “物质粒子”有几大重要“示性”，包括物理特性、几何特性等，不妨称为“身份标签”。

       第一种“身份标签”是寿命。
       物质粒子的寿命指，粒子产生后到衰变时为止的平均存在时间，又称平均寿命。

       第二种“身份标签”是质量。
       质量之所以重要，原因也包括：基本粒子的质量越大，往往其平均寿命也越短。
       根据爱因斯坦公式E=m×(c^2)，质量m=E/ (c^2)与能量只差一个常数倍数（c是光速），因此物质粒子的质量可以用其携带的能量表示。
       通常使用MeV(百万电子伏特)或GeV(十亿电子伏特)作单位。
       1GeV=1.783*10^(-24)克。
       由于相对论公式，这里的质量均是静止状况的质量。

       第三种“身份标签”是电荷。
       物质粒子的电荷，均是e的整数倍，其中
       e=1.602×10^(-19)库伦。
       需要指出的是，电子的电荷是-e，复合粒子中，质子的电荷是e，中子的电荷是0（e的0倍）。

       第四种“身份标签”是自旋量子数（在不引起混淆时简称为自旋）。
       物质粒子的自旋量子数值均非负，且均为半奇数（奇数除以2）或整数（等于偶数除以2），复合粒子的自旋量子数是其包含所有基本粒子的自旋量子数的总和。

       根据自旋量子数，所有的物质粒子可分为两类：
       凡是自旋量子数为整数的物质粒子，均称为玻色子(Boson)；
       凡是自旋量子数为半奇数的物质粒子，均称为费米子(fermion)。

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       物质粒子的寿命、质量、电荷有相对固定、可取的测量方式，也容易理解。
       但自旋量子数如何得到？
       定义普朗克常数（Planck constant），单位是焦耳·秒（J·s），数值是6.62607015×10 ^(−34)。
       普朗克常数(h)除以圆周率π再除以2，称为“约化普朗克常数”或“狄拉克常数”。
       记为ħ (读h折)。

       记自旋量子数为s，所有“物质粒子”，存在一个可测量的自旋角动量，自旋角动量在选定方向（如磁场方向z 轴）上的投影，严格等于磁量子数m_s 乘以约化普朗克常数。
       如果此“物质粒子”的投影方向为沿z轴正向，则磁量子数m_s取正值，否则沿z轴负向，则磁量子数m_s取正值。
       特殊情况下，自旋角动量为0，则磁量子数是0。
       自旋角动量在z 轴上的投影值绝对值的最大值，就是自旋量子数s。

       实际上，自旋量子数s等于(2k+1)/2的费米子，其在任意选定方向（如磁场方向z轴）上，自旋角动量的投影只能取离散值，不能连续变化；而且投影值只能是
       m_s= -(2k+1)/2，-(2k-1)/2，……，-1/2，1/2，……，(2k-1)/2，(2k+1)/2；
       共有 2s+1=2k+2个可能的量子态，对应2k+2种不同的能量或磁性取向。
       不存在介于2s+1个值中相邻两个值之间的中间值。

        而自旋量子数s等于q的玻色子，其在任意选定方向（如磁场方向z轴）上，自旋角动量的投影只能取离散值，不能连续变化；而且投影值只能是
        m_s= -q，-(q-1)，……，-1，0，1，……，q-1，q；
        共有 2s+1=2q+1个可能的量子态，对应2q+1种不同的能量或磁性取向。
        不存在介于2s+1个值中相邻两个值之间的中间值。

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§14_3  夸克与反夸克及其分类

        夸克有6种基本类别，以前称夸克有6种“味道”，分别是：
       上夸克u、下夸克d、粲夸克c、奇夸克s、顶夸克t、底夸克b。
       三种夸克（上u、粲c、顶t）的电荷为+2/3e，剩下三种夸克（下d、奇s、底b）的电荷为-1/3e。
       这6种“味道”的夸克，自旋量子数均为1/2，因此夸克都是费米子。

       夸克的自旋量子数均为1/2，也意味着，在磁场方向z轴上，夸克自旋角动量的投影只能取离散值，其投影值只能是m_s= -1/2，1/2。
       在几何上分别对应于 “自旋向上”（↑）和“自旋向下”（↓）。

       科幻小说《三体》中，介绍了反物质武器。在宇宙诞生初始，既有物质、也有反物质，只不过物质数量恰好比反物质略多。
       质子是物质，反质子是反物质，当质子与反质子在静止或低速状况相遇时，会发生湮灭（故合理控制之下可制造成反物质武器）。

       夸克也是物质，因此也存在反物质即反夸克。
       夸克u、s的反粒子分别记为ū、s̄；在不引起混淆情况下克分别记为uˉ、sˉ 或u 、s 。

       同一种“味道”的夸克与反夸克，例如上夸克u与反上夸克u，有个特殊的秉性，当u处于“自旋向上”（↑）时，ū必处于“自旋向下”（↓），反之亦然。
       因此，同一种“味道”的夸克与反夸克，“自旋方向相反但自旋角动量（绝对值）相等”。

       那么，如何区分夸克与反夸克？
       夸克与反夸克还有个重要的秉性，其电荷异号而绝对值相同。
       由于三味夸克（上u、粲c、顶t）的电荷为+2/3e，因此其反粒子（反上uˉ、反粲cˉ、反顶tˉ）的电荷为-2/3e。
       另三味夸克（下d、奇s、底b）的电荷为-1/3e，其反物质（反下dˉ、反奇sˉ、反底bˉ）的电荷为+1/3e。

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        这样，同一种“味道”的夸克与反夸克，自旋角动量（绝对值）相等但自旋方向相反，电荷绝对值相等但符号相反，而质量、寿命均相等。

       对三味电荷为+2/3e的夸克（上u、粲c、顶t），对其区分主要依靠质量的不同，上夸克u的质量是1.7~3.3 MeV，粲夸克c 的质量是1180~1340 MeV，顶夸克t的质量是15900~172900 MeV；
       质量大小出现低、中、高的变化，容易分辨。

       对三味电荷为-1/3e的夸克（下d、奇s、底b），对其区分主要依靠质量的不同，下夸克d的质量是4.1~5.8 MeV，奇夸克s 的质量是90~130 MeV，底夸克b的质量是4130~4370 MeV；
       质量大小出现低、中、高的变化，容易分辨。