我們的世界中出現得最多的形狀是什麼?

如題。


世界上最多的形狀可能是——「沒有形狀」。手動攤手。

因為世界的本源——電子,最基本的粒子之一,沒有任何內部結構,本身是點狀的——量子電動力學要求電子不存在內部結構,不然處理電子中電荷的問題時,會得到發散的結果。

可見,在宏觀世界,物體的形狀是多種多樣的。但在微觀世界中,可能連「形狀」這個概念是什麼都需要考慮一下。

就好像開頭提到的,電子是什麼形狀? 我們回憶一下高中教科書中的圖片,可能會想起電子是一個比原子小的帶負電荷的小球。但實際上它真正的形狀是什麼?物理學界還沒有明確的定論。一些觀點認為,電子不是球形;也有科學家經過反覆實驗,認為電子是完美的球形。

近期有科學研究進展表明,電子其實沒有固定的形狀:或者是帶尖角的粒子,或者其形狀隨著其能量水平而變化,即是一個波形函數才能表達的概念。

利用分光鏡,研究者們能測到量子點內的能量水平,一組物理學家利用「量子點」(quantum dot)技術首次揭示了單個電子的形狀:

研究者之一巴塞爾大學(University of Basel)的物理學家Daniel Loss說:「簡單來說,我們用這個方法首次展示了電子的樣子。」 [1]

在當前這一理論下,電子要麼表現為點狀粒子,要麼表現為波,因能量的變化改變形態。看起來,它們並沒有確切的「形狀」。

而對於經典概念中的「粒子」,對其界定也是局域在某個位置附近的某種存在,包括量子場論中的「粒子」也並沒有明確定義的位置:

你身體中的某個粒子並不嚴格局限於你的身體之內,如果有人想要測量它的位置,他會發現,這個粒子有很小但不為零的概率出現在遙遠的宇宙邊際。[2]

說到這,「形狀」這件事就有點兒玄幻了。


不過,我們來看看質子。質子雖然不像電子一樣近乎完美,它的形狀受到組成它的粒子——夸克的影響,但是大部分質子仍然可算作不規則球形

一個質子由三個夸克組成,夸克的速度影響質子的形狀。速度較快的夸克在質子內部幾乎以光速移動,當夸克旋轉的方向和質子旋轉的方向相同時,質子就呈花生型;當夸克旋轉的方向和質子旋轉的方向相反時,質子就呈百吉餅形。如果夸克旋轉得更慢一些,質子的形狀就會像橄欖球一樣。只有速度最慢的夸克,會讓質子呈圓球形。[3]

中子和質子的組成粒子相同,也是由三個夸克組成,它的大部分形狀也可被視為不規則的球形。

可見,構成原子的基本粒子大都是球形,而原子在這些球形粒子的組合下構成了元素,進而再構成一般的物質,現在你所看到的所能接觸到的都是這些極其微小球體組合的結果。

所以,從微觀層面上看,世界上最多的形狀可能是球形。

但要想讓「形狀」有現實世界當中存在的意義,我們還需要調整對「形狀」的定義。我們知道,沒有光的地方,人們就不可能產生物體的形狀和顏色的概念。形狀,實際上意味著我們用眼睛探測到了來自周圍物體反射回來的光線,而光線只不過是一種電磁波,換句話說,形狀其實是物體在電磁場的作用下的一種反應。

從這個角度看,世界上最多的形狀還會是球形嗎?

是的。比如,我們所處的星球——地球也是個不規則的球體,放眼宇宙,有無數個像地球一樣的天體,它們中很大一部分都呈現出球體一樣的形狀。(當天體質量的引力足以克服其自身材料的結構強度時,天體就會不受約束的形成球形,從而達到流體靜力學平衡。)

雖然至今對宇宙形狀並無定論,但有不少科學家都猜測宇宙可能近似一個球形。值得一提的是,我們的可觀宇宙是一個球體,這個球體衡量了人類的視野範圍,人類探索宇宙的能力也被框定在這個球體的範圍中,可以說人們的宇宙認知形狀也是球體。

「如果今後進一步的研究能夠證實迪瓦倫蒂諾、 梅爾基奧里和西爾克的發現,那麼我們生活的宇宙空間就不是一個膨脹的三維歐幾里得空間,而是一個膨脹的閉合三維球!」雖然人類對於宇宙的形狀這一問題仍處在探索階段,新的發現或者假設都沒辦法證實它到底是什麼形狀,但目前我們沒辦法否認的是宏觀宇宙空間中存在著無法估量的球狀天體,這樣的數量大概是其他形狀難以匹敵的。

最後,讓我們把思維從科學理性的世界收回一些,我們感性看待一下「形狀」這個問題。你會發現,從感性出發,「世界上出現最多的形狀是什麼?」或許是個偽命題。

因為形狀的出現都是為了貼合世界運轉的各種需要。如同下面這首詩:

自然律

樹會選擇三角形

有些會選擇橢圓形

有時候我會選擇橢圓形當做頭

有時候選擇平面躺在床上

貓可愛就是它貼合萬物的形狀

你可愛就是貼合我的胸膛

這不是一首情詩

這只是在描述自然規律

請你不要以形狀存在[4]

無論自然界萬物還是我們的人為造物,它們的形狀都是為了滿足某種需要而存在。如生物結構、數學邏輯等的需要。就像木頭,在自然狀態下它接近圓柱形,但當你用它進行各種活動時,它可以以任何你需要的形狀出現。被伽利略譽為最完美的形狀的圓,它的產生和運用都是人們對於其數學、美學和實用性的追求。

如果從這個角度一定要說一種形狀來解答這個問題,我只能說是需要的形狀,或者說是你喜歡的形狀。


參考資料:

百家號:為什麼大多數天體都是球形的https://baijiahao.baidu.com/s?id=1618931560520640272wfr=spiderfor=pc

高長軍.宇宙的形狀超乎你想像[J].中國科學報,2019,(008)

參考

  1. ^環球解密之未解之謎,研究首次探索電子是什麼形狀  http://www.sohu.com/a/317067274_120081836
  2. ^新浪科技綜合,世界的本源,並非物質? https://tech.sina.com.cn/d/i/2019-06-26/doc-ihytcerk9342207.shtml
  3. ^大科技,質子是什麼形狀的?  http://www.sohu.com/a/295201498_616747
  4. ^鄢慶豐,《自然律》


不規則圖形


圓形


我們的世界中,真正出現得最多的形狀,也是真實存在的最多形狀應該是球形。但是出現在我們眼睛裡的最多形狀,還是各種不規則形狀居多。


球形,無論是天體還是原子都是球形,因為物質在球形狀態下最穩定,熵也越小


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