物理学一直缺少严密的物质定义,并因此导致出现一些似是而非的物理学认识,如“能量产生物质”、“能量转化为物质”、“因质量转化能量,因而物质消失”、“为什么能量和物质能够相互转化?,等等诸如此类。
物理学是专门研究物质及其运动的基础科学,却一直不能严密定义物质,而只能列举物质。物理学的这种状况引发了对物质、能量、质量等物理学基础概念的认识混乱,严重影响并阻碍着物理学的健康发展。同时,澄清上述认识也需要依据严密的物质定义。
完备时空理论(UPHY)从概念内涵和外延对物质给出了两种定定义,一种是哲学的,另一种是物理学的。
【物质内涵式定义】物质是由所有各种物理元素共同凝聚生成的一种实体化存在。
注1:物理元素不是化学元素,化学元素本身是物质,物理元素则是组成物质的物理组分。物理元素由相应物理量表征,包括但不限于:质量元素、能量元素、空间元素、时间元素、动量元素、角动量元素、电流强度元素、磁通量元素、磁矩元素、温度元素、电场强度元素、磁场强度元素、速度元素、加速度元素、功率元素、力元素、质量密度元素、辐射通量元素、辐射通量密度元素等。
注1:物质内涵式定义属于对物质的哲学认识,在物理学理论中也具有一定作用,有助于物理学研究者对物质与所有物理元素之间的从属关系给出界定,并界定所有物理元素之间的逻辑平权关系。
【物质外延式定义】定义引力子和引力子密度大于或等于临界引力子密度的物理实在是物质。
注2:将单位体积中的引力子数量称为引力子密度,物理单位:个/m^3。临界引力子密度即是真空的引力子密度,今天值等于4.3826×10^41个/𝑚^3。因所有物体和粒子在根本上均是由引力子和三维空间组成(参阅宇宙也玩“搭积木”一文),因而物质外延式定义覆盖了全部物质,无遗漏。
注3:根据物质外延式定义,可对物质进行大类分类。物质分为三大类:点状物质、团状物质、真空。
▲点状物质即是引力子。引力子是宇宙的最基本物质单元,其总数量等于宇宙量子数的平方。今天宇宙具有的引力子总数量等于今天宇宙常数的平方且等于5.9700×10^121个。
▲团状物质是引力子密度大于临界引力子密度的一类物质,小至光子、大到星体。属于团状物质的所有物体和粒子在根本上均由引力子和三维空间组成。任一物体或粒子所含引力子数量等于物体质量与引力子质量(0.7059×10^-68kg)之比,或等于粒子总能量与引力子能量(0.6353×10^-51J)之比,或等于粒子振动频率与引力子频率(0.9598×10^-18Hz)之比。例如,质量为一千克的任何物体所含引力子数量等于1.4166…×10^68个。再如,一个振动频率为10^15Hz光子所含引力子数量等于1.04188…×10^33个。又如,能量为1GeV共振态粒子所含引力子数量等于2.5219…×10^41个。
▲真空是引力子密度等于临界引力子密度的一种物质,也是质量密度最小的一种物质,并由引力子和三维空间组成。临界引力子密度随宇宙演化进行而趋向减小,今天值等于4.3826×10^41个。/𝑚^3。
基于上述物质定义和物质分类,我们便可对基础物理概念的逻辑关系进行理顺和正本清源。
物理学家们通常认为,物质定义是哲学问题而不是有效的物理学问题。然而,物质定义的长期缺失却在悄然影响着物理学家们对物质世界的思考和理论建树,甚至还直接导致一些物理学理论出现方向性偏差。这种认识偏差的思想根源是将物质与能量这两个基础物理概念逻辑并列,还是混同物质概念和质量概念。就物质这种实体化存在而言,物质与能量、物质与质量在逻辑上均是从属关系而非并列关系,是能量和质量均从属于物质,而能量和质量是逻辑并列关系。这是物质、能量、质量三个基础物理概念之间的基本逻辑关系。不仅是质量和能量,空间和时间等物理元素也都从属于物质,且与质量和能量具有逻辑并列关系。也即,质量、能量、空间、时间等所有物理元素均逻辑平权,它们都是组成物质的物理元素,尽管它们在物质及其运动过程中所扮演的物理角色不同,在物理学理论中的理论地位有所不同。
除固态、液态、气态、等离子态等物质形态外,依物质具有的显著物理特征不同,物质又可具有不同型态,包括但不限于:▲质量型态物质:以质量为其显著物理特征。如各种物体、质子、中子、电子等。▲能量型态物质:以能量为其显著物理特征。如光子和其它玻色子、部分费米子等。▲空间型态物质:以空间为其显著物理特征。如真空。▲场型态物质:以某一物理量强度的空间分布为其显著物理特征。如电磁场等。这些客体无论以何种形态或型态出现,它们都是物质的不同存在形式。
物体或粒子具有的能量或质量怎么可能脱离物质而单独存在呢?质能方程揭示的质量和能量之间的量化关系岂能被曲解为物质与能量之间的转换呢?质量岂能等同物质!能量岂能和物质平起平坐!同理,空间和时间也不能脱离物质而单独存在。有一些学者能够熟练掌握广义相对论的数学技巧,在自然哲学认识上却仍然停留在牛顿绝对时空观,以至于得出或赞同空间膨胀速度大于光速的谬论。
宇宙本体(物质世界)纯粹由各种物质共同组成,其中发生的一切物质运动过程都是物质形态或物质型态的转变或转化过程,不存在能量与物质之间相互转化的情况,更不能是能量产生物质。