宇宙十大怪兽

显示全部楼层 · 发表于 2013-10-28 07:51:36

宇宙十大怪兽

我们的宇宙实在是太奇怪了。尽管诸如量子论、相对论和太阳中心说等前瞻性理论现已被普遍接受。科学仍在继续向我们展示，宇宙中还存在许多令人费解的现象。1、高德的不完备定理（G?del’s incompleteness theorems）

高德的不完备定理更像是一组非常有趣的关于逻辑和哲学的数学定理，而不是严格意义上的科学。但是整体上，这些逻辑和哲学与科学密切相关。1931年，科特-高德证明了该定理：因为任何稍微复杂一点的逻辑体系都不可避免自我引用；所以对于给定的任意一组逻辑规则，除了最简单的之外，总会存在无法判定（证明或证伪）的命题。这表明了世界上不存在能够证明或证伪所有命题的终极数学体系。一个无法判定的命题可以被当成是“我总是说谎”的数学形式。由于该命题引用了描述它的语言本身（译者注：“我总是说谎”有两方面的意思，一方面是指命题要表达的内容“我是一个爱说谎的人”，另一方面也可以指描述它的语言“我说'我总是说谎’是说谎，其实我不是一个爱说谎的人”），所以永远无法知道这个命题的真假。尽管如此，并不是只有自我引用的命题才是无法判定的。高德的不完备定理的主要结论是，所有的逻辑体系都会存在无法证明或证伪的命题。因此，所有的逻辑体系都不“完备”。不完备定理的哲学含意广为传播。由于没有一组规则能够解释所有可能的事件或结果，所以物理学上的“终极理论”是不存在的。同时，这也说明了“证据”是比“真相”更不靠谱的概念。这样的想法令科学家们惴惴不安。因为这意味着世界上总会存在无法被“证据”证明的“真相”。由于不完备定理对计算机也一样适用，这也意味着我们的想法是不完备的。世界上有些想法我们永远无法明了，这包括我们的想法是否一致（比如说，我们的理性是否包含错误，自相矛盾）。这是因为高德的不完备第二定理表示，没有一种一致的理论能够证明自己的一致性。这意味着，没有任何理智的人能证明自己没有精神病。同样，如果一个体系证明自己是一致的，那么这就不是一个一致的体系。任何自以为能证明自己没精神病的人都是疯子。（译者注：有点像喝醉的人总是说自己没醉，自以为“举世皆浊我独醒”的屈原情何以堪，无奈只能投江自尽了。自以为“才高八斗遇人不淑”的贾生多么落寞，不得不抱憾而终。） 2、反物质逆因果律（Antimatter Retrocausality）

顾名思义，反物质与物质正好相反。反物质携带的质量与物质一样但是电荷恰好相反。约翰-惠勒和诺贝尔奖得主理查德-弗雷曼，他们基于物理体系中时间应该可以倒流的想法，提出了一种反物质理论。例如，我们的太阳系轨道向后退应该和向前进遵守一样的规律。有人因此提出，反物质只是时光倒流的普通物质。这解释了为什么反粒子会携带相反的电荷。因为如果电子在时光前进的时候被排斥，那么在时光倒流的时候应该被吸引。这也解释了为什么物质与反物质会消失。这不是因为正方粒子对冲同归于尽；其实是同一个粒子停止后在时间维度上往回走。在真空中一对粒子产生并消失，其实不过是同一个粒子在时间维度上一会儿往前进，一会儿往后倒，如此不停反复，不死不休。虽然这个理论的准确性有待商榷，它的数学方案与其它更传统的理论一样。约翰-惠勒起初提出该理论时说，这也许回答了为什么宇宙中所有电子属性相同的问题。这个问题之前常为人所忽略。他表示，这是由于电子经常从宇宙大爆炸与宇宙末日之间飞来飞去。虽然包含时光倒流，但是该理论的数学模型并不允许把信息带回到过去。因为你无法通过移动反物质来影响过去，移动它只会影响反物质本身，即你的未来。（译者注：这里实际上蕴含了一个双重否定，因为反物质其实是时间轴上的反向物质，它的过去就是你的未来。从某种程度上来说，这解释了为什么历史会重复自己的原因。这就好比回旋镖，扔出去（普通物质）又转回来（变成反物质）。）3、宇宙弦（Cosmic Strings）

在大爆炸之后不久，整个宇宙处于一片杂乱无章的混沌状态之中。这意味着细微的变化和瑕疵并不会改变整个宇宙结构。但是随着宇宙不断膨胀冷却，从无序变得有序，一个小小的波动就足以造成巨大的变化。这就像是在地板上均匀地贴上瓷砖。如果有一块瓷砖放歪了，其它瓷砖会跟着一起歪；这样一来，整条线上的瓷砖都没放好。宇宙弦与此类似，它是时空上狭长的瑕疵带。大部分宇宙模型都有预测宇宙弦，比如弦理论里两种互不相干的“弦”。如果宇宙弦存在，每根弦都像质子一样小，密度却极大。因此，一英里长的宇宙弦可以和地球一样重；但是它实际上没有重力，且仅在改变时空形态时才会影响四周的物体。因此，宇宙弦本质上不过是时空形态上的“皱纹（wrinkle）”。（译者注，宇宙弦其实不是物质，而是物质所处的时空中有瑕疵的部分。也就是说，我们所处的时空本身并非完美。这是不是说像北纬30度，以及生活中的灵异事件并非完全是无稽之谈。）有人认为宇宙弦长得离谱，最长可与上千银河比肩。事实上，最近的观察和模拟显示宇宙弦之网络贯穿整个宇宙。曾经有人以为这是造成银河组成超星系团的原因，不过后来这种想法被抛弃。超星系团由最长可达10亿光年的银河“丝带”（filament）组成。如果把两根宇宙弦靠拢在一起，就会产生独特的时空效应。有人曾经展示它们可以用来穿越时空。宇宙弦还会产生无与伦比的至强引力波。现有的和待造的引力波探测器就是为它们准备的。4、量子隧穿（Quantum Tunneling）

（译者注：1. classical physics: climbing the hill，经典物理爬山坡；2. quantum physics: "tunneling"static limit，量子物理穿隧道。）量子隧穿效应是指粒子能够穿过正常来说它的能量不足以通过的障碍。它能让粒子通过不可逾越的物理障碍，或让电子不用动能就脱离原子核的吸引力。根据量子力学，任何粒子都有一定的可能出现在宇宙的任何地方。虽然粒子严重偏离既定轨道的概率极低。尽管当粒子遇到一个足够小的障碍（约1-3纳米宽）时，按常理是无法逾越的，但是实际上粒子直接穿过该障碍的可能性却相当显著。海森堡的测不准原理可以解释此现象。该原理表明我们能获取的粒子信息总是有限的。（百度百科：测不准原理表明一个微观粒子的某些物理量（如位置和动量，或方位角与动量矩，还有时间和能量等），不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大。）粒子可以先从它所活动的系统里“借来”能量穿过障碍，之后便失去“借来”的能量。量子隧穿发生在许多的物理过程中，比如说放射性衰变和太阳上发生的核聚变。它还被用于某些电子元件，甚至生物系统的酶身上。例如，葡萄糖氧化酶是葡萄糖变成过氧化氢的催化剂，在催化过程中包括一个完整氧原子的量子隧穿。量子隧穿还是扫描隧道电子显微镜的一大特色。这是第一种能够拍摄和操作原子的显微镜。它通过测量精细探针的电压变化而工作。这是由于电子在穿越原子间的真空时（称为“禁区”）会产生量子隧穿效应，促使探针在接近物体表面时发生电压变化。这保证设备足够灵敏，能够生成分辨率极高的图像。同时还可以通过在设备的探针上缓缓导入电流来移动原子。5、科尔黑洞（Kerr Black Hole）

（译者注：1. Ergosphere，能层；2. static limit，静态极限；3. outer horizon，外部视界；4. inner horizon，内部视界；5. singularity，奇点。）大部分人熟悉的黑洞其实有一个更确切的名字：史瓦西黑洞（Schwarzschild black hole）。这种黑洞在外部有一个视界（event horizon）充当有去无回的“极限点” （“point of no return”），在内部则有一个密度无限大的奇点。它以卡尔-史瓦西（ Karl Schwarzschild）命名。1915年，在爱因斯坦广义相对论发布仅1个月后，史瓦西就为不旋转的球形体找到了爱因斯坦场方程的数学方案。尽管如此，直到1963年，数学家罗伊-科尔才发现了旋转的球形体的相应方案。因此，一个旋转的黑洞被称为科尔黑洞。它有一些不寻常的属性。科尔黑洞中心是不是奇点而是奇环 - 由自身动量维持的一维环形。它有两个视界（外部视界和内部视界）以及一个椭圆形的能层（ergosphere）。由于惯性系拖拽效应（frame dragging），在能层里面时空本身与黑洞一起以超光速旋转。当通过外部视界进入黑洞，空间路径变成时间路径。这意味着像史瓦西黑洞一样，科尔黑洞中心必然会产生奇点。但是穿过内部视界，时间路径又变回空间路径。唯一的区别是时空逆转了。这意味着奇环附近的重力变成往外推的排斥力。实际上，除非恰巧从黑洞中心线进入，否则根本就不可能进入奇环。此外，多个奇环还可以通过时空互相连接，因此奇环可以充当虫洞。不过除非是奇环旋转得足够快产生的裸奇点，否则无法从另一边的黑洞出去。通过奇环可能进入另一个时空，比如说另一个宇宙。在那里，你可以看到光从黑洞外面进来，却看不到光从里面出去。你甚至有可能被带到一个负宇宙（negative universe）上的“白洞”（white hole）。不过没人知道这到底意味着什么。（百度百科：白洞是广义相对论预言的一种与黑洞相反的特殊天体，是大引力球对称天体的史瓦西解的一部分。白洞仅仅是理论预言的天体，到现在还没有任何证据表明白洞的存在。其性质与黑洞正相反。白洞有一个封闭的边界。与黑洞不同的是，白洞内部的物质（包括辐射）可以经过边界发射到外面去，而边界外的物质却不能落到白洞里面来。因此，白洞像一个喷泉，不断向外喷射物质和能量。）6、真子（Geon）

正如著名的方程式 E=MC2 所示，能量与物质紧密相连。它们的联动效应会产生重力场。真子是一束电磁波或重力波，它的能量会产生重力场；且产生的重力场反过来又把电磁波或重力波本身约束在一定的空间内。1955年，约翰-惠勒第一个着手研究真子。惠勒猜测微观真子和基本粒子之间可能存在连接，甚至可能就是同一物体。“kugelblitz” (德语 “球形闪电”)是一个更极端的例子。当强光聚拢中在一个点上，光能产生的重力变得如此之强，以致形成黑洞把光困在其中。虽然没有任何东西能阻止“kugelblitz” (德语 “球形闪电”)的形成；但是由于真子会不可避免泄漏能量而衰退，现在大家认为真子的形成只是暂时的。不幸的是，这意味着惠勒的最初猜想是错误的，但目前还没有足够的证据能证明这一点。（译者注：这个和波粒二象性有点关系，1905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象，这被后来的电子衍射试验所证实。）7、黑弦 (Black String)

重力和其它基本作用力如电磁力之间的关系，是物理学长期以来最引人关注的奥秘之一。最早在1919年提出的一种理论认为：如果宇宙增加一个维度，重力仍存在前四维中（三维空间+时间）；但是其它基本作用力，则由四维空间在第五维上卷起来而自然生成。但是由于第五维度对我们而言是隐形的，既看不见也摸不着，所以它应该是蜷曲起来的。（译者注：这里非常难以理解，我的想法是用降维的方法来想象。比如说假设有一个完全静止的三维空间，如果增加一个第四维度时间，把三维空间卷曲包裹起来。那么生活在三维空间里的人是看不到时间的，而且三维空间里的一切变化其实都是由时间与空间卷曲自然引起的。）这个理论最终产生了弦理论，且迄今仍出现在大多数弦理论的核心分析中。由于第五维度极小，只有像粒子一样的微型物体才能在上面移动。又由于第五维度是自我蜷曲的，这些微粒最终又会转回初始位置。（译者注：类似于圆周运动，周而复始）但是黑洞在第五维度上就要复杂许多。当黑洞扩展到第五维度，它就变成“黑弦”。和正常的黑洞不同，黑弦很不稳定（这里忽略了四维黑洞其实最终会蒸发）。多个黑洞会串在一根长长的黑弦上，和更远的黑弦连在一起，直到黑弦完全折断，留下一组黑洞为止。这些四维黑洞会并成一个更大的黑洞。最有趣的是，根据现在的模型，最终的黑洞是一个“裸”奇点。也就是说它没有被视界包围，这违背了宇宙监督假设。因为视界会阻止任何事件从奇点中逃逸，所以任何奇点都应该被视界包起来，以防奇点附近发生的时空穿越改变整个宇宙的历史。（译者注：如果宇宙监督假说成立，那么谁来负责确保天网恢恢，疏而不漏任何“裸起点”呢？也许就是上帝、真主、我佛之类的大牛了。）8、同时性的相对性 (The relativity of simultaneity)

同时性的相对性是指，两件事情同时发生与否是相对的，取决于观察者所在的方位。这是奇特相对论的奇怪推论，对于不是发生在同一地方的任何事件都适用。比如说，如果在火星和金星各放一束烟花，某个方位的太空旅行者可能会说它们同时发生（如果两束烟花的光线同时到达他的眼睛）；另一个太空旅行者可能会说火星上的烟花先放；其他人也许会说金星上的烟花先放。这是因为观察者所处的方位不同造成了他们看到烟花的顺序不同，从而导致他们的看法不同。所以每个观察者的看法都是相对的，没有人是绝对正确的。这样一来，可能会发生一些怪事。比如说，有人会先看到事件的结果再看到原因。（例如，先看到炸弹爆炸再看到有人点燃引信。）不过除非跑得比光速还快，即使你先看到了结果也来不及去改变原因。这也是超光速旅行被认为是不可能的原因之一。因为这与时光穿越类似，你可以在结果发生后去改变原因。这毫无意义。（译者注：如果你先看到炸弹爆炸，然后以超光速飞过去把引信给灭了。这样一来，炸弹就不会爆炸了，你又如何会看到炸弹爆炸？这也是为什么有人发明了平行世界，但是平行世界问题更多，这里就不跑题了。）9、惯性系拖拽 (Frame Dragging)

爱因斯坦广义相对论有一个预测：当一个巨大的物体移动时，会拖拽周围的时空，从而拉着附近的物体一起动。不管巨物是平移还是旋转，都会如此。虽然这种效应非常微弱，但是已经被实验证明确实存在。2004年发起的重力探测器B实验，就是为了测量地球附近的时空扭曲。虽然干扰源比预期要大，惯性系拖拽效应测量的不确定性为15%。（译者注：换句话说，惯性系拖拽效应存在的可能性高达85%。）进一步分析有望更大程度上减少测量的不确定性。实际测量与预测结果非常接近：由于地球旋转的缘故，轨道上的探测器与地球之间的距离每年拉近2米左右。这纯粹是由于地球的庞大体重造成周围的时空扭曲，从而产生的惯性系拖拽效应所致。但是探测器是感觉不到这种额外加速的，因为探测器本身并没有加速，而是它所在的时空拖拽所致。这就像拉扯桌子底下的地毯，桌子会动，但不是桌子自己在动。（译者注：这与禅意 “不是风动，而是心动”何其类似。心扭曲了眼中看到的时空倒影，导致时空倒影中的物体跟着一起波动。）10、负能量 (Negative Energy)

（译者注：1. Casimir Plates卡西米尔盘子；2.Vacuum fluctuation，真空涨落）理论上，绝对零度?273.15°C应该是能达到的最低温度，在此温度下所有粒子运动完全停止。但是因为在量子力学中，每个粒子都有被称为“零点能量”的最低能量；因此实际上你永远无法把东西冷却到绝对零度。更显著的是：不但粒子有最低能量，真空也有，即“真空能量”。只要做一个相当简单的实验，就能证明“真空能量”的存在。在真空中放入两个金属盘子，让它们靠拢，当盘子间的距离缩小到一定程度时，它们会自动吸附在一起。这是因为盘子间的能量只能在特定频率共振，而盘子外的真空能量几乎可以在任何频率共振。由于盘子外的能量要大于盘子间的能量，盘子被挤压在一起。盘子靠得越近，压力越强。在约10纳米间距的时候，这种效应（卡西米尔效应）会产生1个大气压的压力。因为盘子间的真空能量要低于正常的零点能量，被称为负能量。负能量有一些不寻常的属性。比方说，在负能量真空中，光速要比在正常真空中快。也就是说有一天，我们可能在类似负能量的真空泡泡中以超光速飞行。虽然理论上可能存在可穿越的虫洞，但是虫洞会在产生的瞬间即刻消失，无法保持打开的状态。而负能量却可以用来顶住打开的可穿越虫洞。负能量还会导致黑洞蒸发。真空能量常被各种理论模型描述为突然产生和湮没的虚拟粒子。因为只要粒子在产生后马上湮没就不会违背能量守恒定律。但是，如果两个粒子在黑洞的视界产生，就有可能一个粒子从黑洞中逃逸，另一个却掉了进去。这样它们就不可能消失，两个粒子都变成负能量。（译者注，通常真空的粒子被认为是成对出现成对消失。）当负能量粒子掉进黑洞，它会降低而不是增加黑洞的质量。随着时间的推移，这样的粒子会最终导致黑洞完全蒸发。由于最初这个理论是斯蒂芬-霍金提出的，从黑洞中逃逸的粒子被称之为霍金辐射。这是第一个被接受的量子论和广义相对论的统一理论，也是霍金迄今为止最伟大的科学成就。