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構成宇宙的基礎物質是什麼?為什麼至今還沒有人能回答這個問題?

宇宙大爆炸

自從有了人類文明,人類就開始探討宇宙到底是什麼構成的。西方哲學的開端是泰勒斯,他提出萬物的本源是水。後來,許多又有許多哲學家提出的了不同的觀點。

在古希臘哲學四大門派中,有一個叫做巴門尼德的,他提出了“存在”,這也開啟了本體論,所謂“本體論”就是說,我們感官接觸的想象世界並不是真實的,而是存在著另外一個本體世界,它才是世界的本質。

除了巴門尼德的本體論,其實還有德謨克利特的“原子論”,他認為萬物是由原子和虛空構成的。他這裡的原子其實和我們現代意義上的原子是不同的。他的“原子”是指不可再切的粒子,而現代的科學理論中的“原子”還可以再繼續切分成原子核和電子,而原子核還可以繼續再分。

上文說到的都是西方的哲學的一些觀點。其實在中國哲學中,也有類似的觀點,這就是老子的“道”,它其實和巴門尼德的“存在”是有點像的,但同時也是有有差別的。老子也認為除了現象世界之外,還存在著一個本體世界,這被他稱為道,因此,其實老子的“道”也是本體論。

我們會發現,無論中西方的哲學發展,都不約而同地把構成世界的基本元素指向了另外一個本體世界,只是中西方哲學對於另外一個本體世界的解釋是不同的。這是哲學的觀點,也是哲學認識世界的一種方式。

說完哲學的內容,我們來說說科學。其實科學是從西方的自然哲學之中發展而來的。只不過,科學的方法論和認識論後來和哲學區別開來,也就演化出了完全不同的知識體系和世界觀。

按照目前主流的科學理論,我們知道,宇宙起源於138億年前的一次大爆炸。

大爆炸之後,宇宙的空間在快速膨脹,溫度從極其高的水平逐漸降下來。在早期的宇宙中,主要都是一些高能光子,光子的反物質也是光子。光子之間會發生碰撞,並形成一對正反粒子,比如:在60億度的環境下,一對高能光子對撞後,會產生一堆正負電子。實際上,在不同的環境溫度下,會形成不同的正反粒子,這裡對應的溫度被稱為閾值溫度。

科學家發現,當時每10萬億對的正反粒子還會繼續湮滅,產生高能電磁波,最終會有一個正物質粒子倖存。至於為什麼會留下一個正物質粒子,目前也沒搞清楚。不過,如今構成世界的這些粒子,都是當時的倖存者。

在宇宙大爆炸38萬年後,宇宙的溫度降到3000度,原子結構得以形成。這個時期,宇宙內部的粒子主要是氫原子和氦原子,這主要是元素週期表中的前兩順位。實際上,這個時期也是可以形成更高順位的元素原子,只不過,它們不夠穩定,又分裂成了氦原子。

因此,我們從這個角度來看,似乎構成宇宙的基本物質就是這些基本粒子。那都有哪些基本粒子呢?

標準粒子模型

上個世紀50年代左右,實驗物理學家利用粒子加速器發現了許多粒子。當時的理論物理學家因此都有點懵了,他們開始思考如何用一套粒子把這些粒子都放到一起,這也就是後來的粒子物理標準模型,這個理論的基礎就是量子力學和相對論。

在粒子物理標準模型中,一共有61種基本粒子,我們可以把這些基本粒子分為兩大類:費米子和玻色子。簡單理解就是,費米子是構成物質的基本粒子,而玻色子是用來傳遞各種作用力的基本粒子。其中費米子包括了夸克、電子、μ子、τ子、中微子。玻色子包括了膠子、光子、Z玻色子、W玻色子和希格斯玻色子。因此,從這裡來看,似乎宇宙就是由這些基本粒子構成的。那真的是這樣嗎?

未完待續

實際上,並非如此,這是因為還有太多懸而未決的問題存在。首先,我們要知道的一點是,我們能夠得出粒子物理標準模型的前提是我們觀測到了相應的物理學現象。也就是說,理論是建立在相應的物理學現象之上,可問題是,人類能看到的物理學現象還很有限。舉個例子,在宇宙中存在著暗物質和暗能量,它們不參與到電磁相互作用力當中,因此,我們無法直接觀測到它們。

它們也是宇宙的一部分,那它們是什麼構成的?其實我們也是不知道的。不僅如此,它們的佔比還很高,目前我們已知的物質只佔全宇宙總物質量的不到5%,剩餘的95%以上都是由暗物質和暗能量構成的。也就是說,人類發展了幾百年的科學,結果只看到了宇宙不到5%的世界,並以此構建了相應的理論。因此,這個理論無法描述全宇宙的情況。

除了暗物質、暗能量,宇宙還有太多迷,因此,我們如今其實還沒辦法對“宇宙到底是什麼構成?”給出一個令人滿意的回答。