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宇宙誕生的三大基本定律!物質不滅、能量守恒,只差信息沒搞懂了
2023/09/18

基本定律,塑造了整個世界。然而在我們現實中除非是牛頓、愛因斯坦那樣「愛鉆牛角尖」的天才,基本沒可能發現它們的存在。

這些基本定律,就如同上帝為我們設定好的齒輪,藏在幕布后緩緩旋轉,控制著全世界,乃至整個宇宙。

然而,人類至今還有一個基本定律沒有搞懂,它就是——和物質、能量相對應的, 信息

物質不滅

「世界是由物質組成的」,這句話對于我們來說,絕對聽了不下上百遍。物質到底是什麼?這個詞 具有科學與哲學上的雙重意義,并且最開始思考物質定義的并不是科學家,而是哲學家。

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在哲學上,物質指的是 與精神相對的東西,只要不是只存在于大腦意識中, 只要在世界上實際存在的東西,就可以被稱作「物質」

在這個定義下,所有的 粒子、光、聲、波、場、能量,哪怕是 時空都可以被認為是物質。在辯證唯物主義中, 世界的統一性就在于物質性

科學家又是如何看待物質的呢?

經典物理學和化學中,物質是任何有質量且通過體積來占據空間,并且是由原子及分子依照某種規則或形式組合而成的物體。

雖然這句話很長,但是得注意,

科學實際上沒有給物質做出明確定義,只有通常定義。比如物理定義的物質 通常是由夸克和輕子組成的物體,而光子、玻色子在物理定義中 通常不被認為是物質

根據E = mc²,即質能等價(mass-energy equivalence), 物質具有不滅性,即物質是無限、永恒、絕對的

明明一杯水可以因為高溫而蒸發,原子核也能被中子集中進而碎裂成更多的中子, 前者已經「消失」,成了新的物質,為何還說物質不滅?這就不得不提到質量守恒了

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質量守恒

按照教科書的說法:

任何一個物質和能量的所有轉移都封閉的系統(封閉系統)而言,系統的質量必須隨時間推移保持不變;又因系統質量不能改變,所以系統的量既不能添加亦不能移除。據此,質量的量值隨著時間變化并不改變而是守恒的。

這個定律旨在說明, 宇宙中所有的質量是恒定的,它既不可以被額外創造出來,也不可以因為破壞而削減

前文我們提到的水蒸發「消失」在空氣中,以及微觀世界中的核裂變,都沒有讓物質和能量消失,反而只是通過一些特定的方式,

使得物質與能量從原本的組合中脫離,在空間中得到重新排列

雖然在形態上已經完全變了模樣,但實際構成它們的粒子并沒有消失, 只是得到了轉化

這條定律不僅在 經典力學中得到證明,在 量子力學與狹義相對論中也有說明: 能量和質量會形成一個守恒量

要注意的是,質量守恒定律 強調了封閉系統,因為 質量在開放系統中 通常不守恒,開放的系統允許各種物質和能量進出。

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其次,在 廣義相對論中, 質量和能量也不嚴格遵循守恒定律。也別忘了目前還未被人類看見的 暗能量,按照已知的理論,暗能量或許也不守恒,它隨著宇宙的膨脹而膨脹。

可以看出,物質和能量的關系相互依存又相互影響,那麼信息是否也如此?

信息守恒嗎?

信息的情況則更復雜,因為宇宙中存在黑洞。在 經典物理和量子物理中,有一條共同的核心準則: 原則上,一個系統在某個時間點的狀態應該決定了其在其他任意時間點的狀態

然而黑洞的存在違反了這個準則, 黑洞打造了一個任何物質都無法逃逸的時空區域,這就意味著,我們永遠無法得知黑洞在最開始是什麼樣子的, 黑洞這個物質的初始狀態信息因為它自身的特質而永遠丟失了

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理論上來說,信息應該也是守恒的 但是根據霍金輻射,黑洞會消亡,這就違反了劉維爾定理對信息守恒的預測并導致了物理上的佯謬

結語

信息究竟是否守恒,是否和物質與能量一樣,具有相互轉化且不滅的性質, 一時間物理學界眾說紛紜,難以有定論的信息成了宇宙中最神秘的存在之一

雖然物質、能量和信息構成宇宙的基本,它們本身還存在很多謎團,但正是因為宇宙中處處充滿玄妙,才引得人類對宇宙充滿好奇。

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