光子是物质的最基本粒子

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1、1光子是物质的最基本粒子冼 卓 鹏 广 东 省 佛 山 市 三 水 区提 要 ： 利 用 熵 增 加 原 理 、 推 导 出 组 成 物 质 的 最 基 本 粒 子 是 光 子 ， 并 进 一步 说 明 光 子 的 物 理 特 性 、 物 理 常 量 影 响 着 宇 宙 的 物 理 规 律 与 物 理 常 量 。关 键 词 ： 光 子 ， 基 本 粒 子 ， 信 息 ， 熵 ， 静 质 量 ， 大 统 一 物 理 。 1、 前 言当 今 物 理 学 界 仍 在 不 断 寻 地 找 物 质 的 基 本 粒 子 ， 但 基 本 粒 子 是 什 么 ？人 们 现 在 仍 难 以 作 出 正 确 的

2、回 答 。 在 易 经 里 ， 我 们 知 道 ： 太 极 生 两 仪 ，两 仪 生 四 象 ， 四 象 生 八 卦 ， 八 卦 生 宇 宙 万 物 。 而 太 极 者 ， 无 极 也 。 这 不就 是 零 物 质 吗 ？ 我 们 知 道 光 子 的 静 质 量 是 零 ， 若 这 零 物 质 是 光 子 ， 那 么光 子 不 就 是 “最 基 本 粒 子 ”吗 ？ 我 们 知 道 无 限 小 的 极 限 是 ， 那 么 基 本粒 子 的 极 限 不 就 是 光 子 吗 ？ 同 时 ， 现 在 物 理 学 家 们 又 正 在 努 力 寻 找 宇 宙 的 物 理 规 律 、 物 理 常 量 ，努

3、 力 寻 找 物 理 的 大 统 一 理 论 。 若 我 们 确 定 了 什 么 是 最 基 本 粒 子 ， 那 么 这最 基 本 粒 子 的 物 理 规 律 、 物 理 常 量 就 应 与 宇 宙 的 物 理 规 律 、 物 理 常 量 有着 必 然 的 联 系 。现 在 的 超 弦 理 论 被 部 分 人 认 为 是 大 统 一 理 论 ， 一 个 能 在 单 独 的 包罗 万 象 的 协 和 的 数 学 框 架 下 描 写 自 然 界 所 有 力 的 理 论 。 在 弦 理 论 看 来 ，弦 是 宇 宙 物 质 组 成 的 最 基 本 单 元 ， 所 有 的 基 本 粒 子 如 电 子

4、、 光 子 、 夸 克 、中 微 子 都 是 它 的 不 同 具 体 形 态 。 到 现 在 为 止 ， 弦 理 论 还 只 是 一 种 假 说 ，人 类 尚 未 观 测 到 基 本 的 弦 。 超 弦 论 的 实 验 验 证 和 证 伪 存 在 着 极 大 的 困 难 ，由 于 那 些 额 外 维 度 的 空 间 被 卷 曲 得 如 此 之 小 ， 必 需 建 造 一 个 尺 度 大 如 银河 系 的 粒 子 加 速 器 才 行 。基 于 数 学 领 域 的 哥 德 尔 不 完 备 性 定 理 ， 在 任 何 公 理 化 形 式 系 统 中 ，总 存 留 着 在 定 义 该 系 统 的 公

5、理 的 基 础 上 既 不 能 证 明 也 不 能 证 伪 的 问 题 。也 就 是 说 任 何 一 个 理 论 都 有 解 决 不 了 的 问 题 。 因 此 ， 大 统 一 物 理 不 是 包含 所 有 各 分 枝 物 理 的 理 论 ， 而 是 各 分 枝 物 理 的 共 同 部 份 、 基 础 部 份 。 他应 是 简 单 的 、 优 美 的 。现 本 人 试 图 从 光 子 的 角 度 为 基 本 粒 子 、 大 统 一 物 理 的 研 究 提 出 一 个方 向 。 本 文 是 建 立 在 旧 有 的 理 论 （ 相 对 论 、 热 力 学 定 律 ） 基 础 上 的 一 个2新 的

6、 推 论 ， 而 不 是 建 立 在 一 个 新 的 假 设 之 上 。2、 信 息 的 量 化香 农 (Claude E.Shannon)指 出 ， 信 息 是 对 体 系 的 统 计 描 述 的 一 种 性质 ， 是 体 系 的 一 种 基 本 属 性 ， 即 它 们 的 组 织 化 程 度 的 度 量 。 香 农 证 明 的一 个 基 本 定 理 表 明 ， 一 个 体 系 的 信 息 含 量 等 于 对 该 体 系 的 完 备 的 统 计 描述 进 行 编 码 所 需 的 二 进 位 数 最 少 位 数 。 一 个 体 系 的 信 息 所 反 映 的 是 其 可能 的 存 在 状 态

7、的 量 值 。 量 度 信 息 的 单 位 是 比 特 （ bit） ； 一 比 特 信 息是 两 个 相 等 的 可 能 性 之 间 决 定 一 个 所 需 的 信 息 量 。 如 某 个 体 系 有 2r个 可 能 的 存 在 状 态 ， 那 它 的 信 息 就 是 r 比 特 。对 可 能 的 存 在 状 态 的 观 测 受 测 不 准 原 理 、 测 量 水 平 等 所 制 约 ， 不 同 测量 水 平 所 测 量 的 信 息 记 录 是 不 同 的 。 在 一 个 完 全 封 闭 的 系 统 里 ， 可 精 确地 描 述 出 大 量 的 态 ， 我 们 常 称 之 为 微 观 态 。

8、 在 量 子 力 学 里 ， 这 就 是 系 统可 能 的 量 子 态 。 这 些 微 观 态 根 据 粗 粒 化 区 分 的 不 同 性 质 ， 分 类 聚 集 到 一块 儿 （ 可 称 之 为 宏 观 态 ） 。 在 一 给 定 宏 观 态 中 的 微 观 态 可 以 看 成 是 彼 此等 价 的 ， 所 以 我 们 通 常 只 关 心 微 观 态 的 数 目 。同 时 ， 不 知 道 一 团 物 质 的 终 极 组 成 部 分 或 其 最 深 层 次 的 结 构 ， 我 们 就无 法 计 算 其 终 极 信 息 容 量 ， 也 无 法 计 算 其 香 农 熵 。 但 是 ， 我 们 可

9、以 找 到能 计 算 其 信 息 容 量 的 最 深 层 次 的 结 构 。 按 照 微 型 化 技 术 目 前 这 样 快 的 发展 速 度 ， 我 们 可 以 设 想 将 来 某 日 夸 克 能 被 用 来 存 储 信 息 ， 也 许 是 一 个 夸克 一 比 特 。3、 香 农 熵香 农 熵 反 映 了 在 一 个 随 机 试 验 （ 或 随 机 变 量 ） 的 不 确 定 性 。 一 个 随 机试 验 可 用 ： nppX.21表 示 。3其 中 1,2,.,n 为 可 能 发 生 的 结 果 ， pi 为 i 发 生 的 概 率 。 X 的 不确 定 性 大 小 取 决 于 n 的

10、大 小 与 pi 分 布 的 均 匀 程 度 。 这 个 不 确 定 性 是(p1 ,p2 ,pn )的 一 个 函 数 ， 记 为 H， 它 具 有 如 下 性 质 ：（ 1） 对 称 连 续 性 ， 即 H(p1 ,p2 ,pn )是 (p1 ,p2 ,pn )的对 称 连 续 函 数 ；（ 2） H（ 0, 1） =0；（ 3） 如 q=pn+pn+1 则H(p1 ,p2 ,pn ,pn+1 )=H(p1 ,p2 ,pn-1 ,q)+qH(pn/q ,pn+1/q)。通 过 数 学 的 推 导 ， 得 香 农 熵 ： ni iin ppX1221 log),.()(log 的 底 我 们

11、 取 2， H(X)的 单 位 是 比 特 （ bit） 。如 （ X， Y） 为 二 元 随 机 变 量 ， 取 值 为 (x ,y )， x=1 ,2 ,m ， y=1 ,2 , ,n ； 联 合 概 率 分 布 为 pij ， 则 联 合 熵 为 ：minj ijijpYXH12log),(称 H（ Y X） H（ X， Y） H（ X） 为 Y 关 于 X 的 条 件 熵 ， 它 表示 条 件 不 确 定 性 。 当 Y 不 依 赖 于 X 时 ， 即 X、 Y 相 互 独 立 时H（ Y X） =H(Y)， 得 ：4H（ X， Y） = H(X)+H(Y)从 概 念 上 来 说 ，

12、热 力 学 熵 和 香 农 熵 是 等 价 的 ， 当 香 农 设 法 量 化 一 条 消息 中 的 信 息 时 ， 他 自 然 而 然 地 得 出 了 一 条 和 玻 尔 兹 曼 一 样 的 公 式 。 玻 尔兹 曼 熵 所 代 表 的 不 同 组 成 方 式 的 数 目 反 映 了 为 实 现 某 种 特 定 组 成 方 式 所必 须 知 道 的 香 农 信 息 量 。4、 熵 和 信 息 的 一 个 守 恒 定 律熵 和 信 息 有 一 个 守 恒 定 律 ， 就 是 一 个 体 系 的 信 息 与 熵 的 和 保 持 守 恒 ，并 等 于 该 体 系 的 最 大 信 息 或 最 大 熵

13、 。 即 ：H+I=Hmax=Imax=constH 和 I 表 示 熵 和 信 息 的 值 ， Hmax 和 Imax 表 示 熵 和 信 息 最 大 的 可 能 值 。熵 增 加 原 理 可 描 述 为 信 息 减 少 原 理 ， 即 是 一 个 孤 立 体 系 的 信 息 一 定 能达 到 所 能 达 到 的 最 小 信 息 。熵 是 一 种 不 确 定 性 的 量 度 。 当 信 息 被 获 得 和 记 录 下 来 ， 需 要 消 耗 能 量 ，这 时 不 确 定 减 少 了 ， 而 与 此 同 时 记 录 中 的 信 息 增 加 了 。 当 记 录 被 擦 掉 时 ，记 录 中 的

14、信 息 减 少 了 ， 但 整 个 封 闭 系 统 情 形 的 不 确 定 至 少 增 加 了 相 同 的数 量 。 同 时 ， 熵 与 粗 粒 化 有 关 ， 即 与 被 描 述 系 统 详 尽 的 程 度 有 关 。 的 确 ， 一个 体 系 如 果 所 有 的 细 节 都 考 虑 了 的 话 ， 那 么 在 数 学 上 就 可 以 认 为 熵 不 会再 增 加 ， 熵 将 保 持 不 变 。 但 事 实 上 ， 一 个 分 为 许 多 部 分 的 体 系 常 常 只 用它 的 某 些 变 量 来 描 述 ， 这 些 比 较 少 的 变 量 的 有 序 性 会 随 着 时 间 而 散 失

15、到其 他 变 量 中 去 ， 于 是 前 者 也 不 能 再 看 成 是 有 序 的 了 。 这 就 是 热 力 学 第 二定 律 的 真 正 意 义 。无 论 是 对 信 息 、 熵 的 记 录 ， 都 与 测 量 水 平 、 所 考 虑 的 变 量 有 关 。 当 我们 用 更 准 确 的 测 量 、 考 虑 更 多 的 变 量 ， 就 会 发 现 更 微 观 的 信 息 。5、 宏 观 信 息 向 微 观 信 息 的 转 换5概 率 的 均 匀 分 布 和 不 均 匀 分 布 表 示 了 一 个 体 系 的 信 息 含 量 方 面 的 一 个质 的 差 别 。 我 们 将 空 间 分 割

16、 成 2r 个 “宏 相 格 ”， 我 们 把 宏 观 信 息 确 定为 这 些 宏 相 格 所 对 应 的 一 组 概 率 所 需 的 信 息 ； 确 定 概 率 在 宏 相 格 内 部 的分 布 所 需 的 信 息 ， 则 定 义 为 微 观 信 息 ； 但 实 际 上 ， 我 们 可 把 每 一 个“宏 相 格 ”分 割 成 2q“微 相 格 ”， 我 们 可 以 把 微 观 信 息 确 定 为 所 有 这些 微 相 格 所 对 应 的 一 组 概 率 所 需 的 信 息 。 同 时 ， 我 们 可 以 把 宏 观 信 息 看作 是 我 们 对 体 系 的 统 计 性 质 的 知 识 ， 而 把 微 观 信 息 看 作 是 对 各 个 微 观 粒子 的 具 体 知 识 ， 具 体 来 说 就 是 微 观 信 息 代 表 了 我 们 对 各 个 粒 子 的 速 度 之间 的 相 互 关 联 的 了 解 。我 们 设 想 一 个 假 想 实 验 ， 在 空 气