1.2　世界是什么：物质、能量、演化与数学

在物理学看来，世界是物质和能量的，物质和能量的相互作用，构成了演化和自组装。这些相互作用由数学描述，并满足守恒定律。

在科学界的共同努力下，人类对世界的认识越来越深入。当前的认知是：自然界存在三类基本粒子家族——夸克、轻子、媒介子。一切物质都由夸克、轻子组成，媒介子传递相互作用力（能量）以实现各种组合。相互作用力共有四种——强核力、电磁力、弱核力、引力，它们同时起着作用，在不同的时空范围、质量和荷电性质上，体现各自的显著影响力。在强核力的显著作用下，夸克家族形成质子和中子及原子核（核子）。在电磁力显著作用下，核子与轻子电子构成原子，进而组成无机分子、有机分子、分子团等。在弱核力的显著作用下，中子和质子发生衰变。当原子、分子及其化合物等聚集到一定质量时，引力的作用显著起来，形成了矿物、生命、山脉、行星、恒星和星系等。在理论上，强核力、电磁力和弱核力均被统一在量子力学中，而引力则遵循广义相对论的描述。

这样，在亚原子的尺度上，世间万物由三种亚原子（质子、中子、电子），在四种力（强核力、电磁力、弱核力、引力）的作用下遵循量子力学和广义相对论而被构造了出来，一切科学、 技术和工业的进步由此有了依据和创新蓝图。

如表1-1所示，在空间尺度上，物质之间的跨度超过60个量级，而人类肉眼只能感知其中从0.1mm到几千米，即约7个量级中的物体。更小尺寸下的物体，我们以为不存在，而超过几千米的物体则被简化为一些抽象的形状。

表1-1　物质

物质是振动的，振动即能量，也就是波。一方面，根据相对论，物质只是能量的不同表现形式，物质本身就是能量。这意味着，没有不振动的物质，所有具有空间的物质——质子、中子、电子及其合成物都仅仅是能量的不同凝聚态而已。任何狭小空间尺寸的物质都具有波粒二象性，从光子、电子到质子、中子；另一方面，各种物质的振动是四种作用力的结果，构成了物质自身及相互作用，使得物质世界不断地变化。从火山运动到化学反应，从生物的新陈代谢到人类的思维活动，从四季变化到日出日落、斗转星移，都按照量子力学和相对论的规律变化着。在人类生命成长的参照系下，这些变化体现为进化或演化的概念与模式。

数学是大自然的信息编码。物质、能量及其演化都遵循信息编码，以数学方程式的形式被科学家们发明、发现和应用，计算得出物质、能量及相互作用的精确关系。物理量通常是有单位的，例如，米（m）、秒（s）、焦耳（J）等，这些单位称为量纲。这些量纲是人类赋予的一种约定，反映出科学是人类定义和测量的结果，而量纲之间的换算关系则是对物理量之间的定量描述。数学是无量纲的，所以，物理公式必须是等量纲的。量纲分析既能发现物理运算的错误，也能发现新的物理现象。丘奇论题证明：人类的心灵活动和自然的演化在计算上是一致的。

在物理学史中，数学作为验证工具扮演着重要作用，乃至成为物理的一部分。物理学的新进展必须有新的数学形式。在力学革命时，牛顿发明了微积分。在电磁革命时，麦克斯韦引进了微分方程。在第三次物理革命（广义相对论）时，爱因斯坦引进了黎曼几何。在第四次物理革命（量子革命）时，线性代数被引入。当前，科学家普遍认为第二次量子革命将成为第五次物理革命，范畴学有可能在其中发挥着重要作用。

物质中蕴含的能量是惊人的。让我们看一些数字，夸克和胶子冷凝在1m3真空空间内积聚的能量是1015J，希格斯粒子冷凝产生的能量是1017J。这些能量加在一起，是太阳在一千年里所产生的总能量。因此，只要善用物理科技，能量将用之不尽。