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人类受地球环境所限,往往将固体视作物质常态——茶杯被端起时,其形态在空间中移动却无明显形变,催生"物质独立于空间"的错觉:以形状、颜色、质量定义物质实体,用标尺测量其在空间中的位移,深信表观属性恒定不变。然需警醒,如地球般的固态天体实为宇宙中极稀有的特例。倘若研究宇宙尺度下的物质与空间,断不可将固体作为物质定义的原型。固体本质是空间平移对称性自发破缺的产物,这种破缺实属罕有的自发现象:何以月球火星遍布无尽岩层?硅元素的特殊性及其硅酸盐化合物能在宇宙环境中维持凝聚态,实需专案探究。
若超越固态视角,审视气体、液体、等离子体乃至玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC),物质定义顿显困窘——除质量外几无可精准描述的特质。此类物质或无形体定式(气液体),或无色相表征(金属等离子体),甚至粒子数亦非守恒量(如BEC)。宇宙真空的极低温境域更揭示日常经验的局限:液体皆转超流态,其零黏性导致无法盛接的物理困境。由此迫使人类重审物质与空间的关系:或许空间本身才是描述物质的终极语言。
除固体因特殊对称性破缺获形态记忆能力外,绝大多数物质形态具有空间平移不变性。所谓实空间(实数表征的连续可微坐标体系),其物质本质或为空间的展开形式。若拓展至整数/有理数域可描述晶体结构,复数域则可表征更复杂空间构型。得益于实空间的连续可微性,"流"的概念得以严谨定义——诺特定理昭示,空间坐标即诺特荷,而物质即对应的诺特流。相较于质量电荷等抽象荷量,空间荷具有更直观的物理图景:流即传播与运动的具现,人类感知自然存在皆源于流(光传播、声振动等)。在量子世界,此流或是空间概率分布;于场论框架,或表征为特定场量;然回归本源认知,我们将这涌动于实空间的存在实体,定义为物质本身。
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物理规律本质上是对自由度的约束——物质、能量与时空皆可视为宇宙自由度。能量守恒律限制能量演化,光速不变原理制约速度上限,追寻物理规律实则是探求自然如何自我约束其自由度。自由物体若醉汉般随机游走,其运动轨迹无法预知;而日常所见运动皆有迹可循,譬如无外力作用时物体保持匀速直线运动,此时速度成为守恒量。自然通过约束速度自由度,使"自由"物体反受内在制约:虽无外在显性因素强迫,速度却自发受限。推而广之,自然选择任意确定轨迹皆无显性外因驱动(除却神学解释),此即变分原理的初衷——自然决策的内在逻辑在于寻求作用量取极值。
深入而言,对称性可导出更普适结论:物理规律的选择多源于对称性导致的自由度互斥。当系统满足A对称性时,其必然打破B对称性,致使B自由度受约束。以速度为例:坐标与动量互为共轭,坐标自由度完全开放时(空间平移对称),动量自由度必然受限(动量守恒)。这种互斥机制在经典与量子领域皆成立。
物理学尤为重视对偶性(duality),波粒二象性即著名例证。相互对偶的自由度(如能量-时间、动量-空间、角动量-旋转)自发构成逻辑约束,形成宇宙底层规律:能量守恒源于时间平移对称,动量守恒源于空间平移对称——诺特定理昭示此类规律无需额外假设。
物质概念却具特殊性:其原子论本质将物质等价于粒子数这一离散量,与传统连续自由度迥异。虽热力学形式上引入化学势作为共轭量,二者关联仍显晦涩。超导理论以相位与粒子数构建共轭关系诚为巧思,然此模型仅限于粒子数不守恒体系(超导态粒子数连续变化)。如何将该机制推广至任意情形,仍是待解之题。
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经典力学与量子力学最根本的差异在于微观粒子的全同性:前者否认存在完全相同的粒子,后者则承认这一特性。因此经典力学以实数描绘宇宙——在物理视角下,两个实数永不等值,形成能级互斥现象,粒子必然可区分。以牛顿力学为例,分析两质点碰撞时,总不加论证地将粒子命名为m₁与m₂,因其默认经典测量的扰动特性总能辨别粒子差异(如形状、颜色或纹路),这种扰动本质催生了微积分、变分法与诺特定理等分析学工具,其根基皆在实数体系。我国古代算术仅用整数,恰与量子力学相契:能量与角动量皆呈量子化跃迁,基础量子外的值均呈整数倍,即古籍所言“率”。整数体系以“1≡1”的简并性为前提,而经典力学视简并性为可打破的偶然,量子力学却将其奉为核心并竭力维护——当今拓扑保护、对称性保护等机制,皆服务于简并性存续。
正因采用整数表征,量子数全同的粒子(如双光子或双电子)无法借任何测量区分,此即全同性公设。量子测量非经典扰动(纵使微扰论作为近似工具),本质是通过幺正变换与求迹操作切换观测视角:譬如观察纸片人时,平行纸面则渺不可见,垂直转向则了然分明。由此观之,量子态退相干至经典态,实为简并性与全同性瓦解、粒子从不可区分转向可区分的过程。该路径依赖对称性破缺,当系统与热环境耦合,环境形成两种猫态,赋予粒子各异的量子数相干态以命名差异——薛定谔猫思想实验正揭示了这一命名机制的本质。
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起个头,慢慢来。
易经第4卦,蒙卦,山下出泉,君子以果行育德。
一般解释,蒙卦,指春天,山下出泉水,教育君子要有果敢的行为。
正常解释,蒙卦,在赤道坐标的赤纬上,赤标子午卯酉的卯位上,山下出泉,是指其赤经下方是子位。子属水,因此山下出泉暗示蒙卦在赤标上。以果行指木行,蒙卦位于卯位,即东方,春季,运动方向是向上的。
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