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关于宇宙的十件不同寻常的事情

宇宙是一个非常奇怪的地方。虽然相对论、量子理论等开创性思想现在可能被普遍接受,但大量的科学计算、观测和实验仍然表明,宇宙中有些东西是科学家难以理解的。

一、负能量

从理论上讲,可以达到的最低温度是绝对零度,大约是零下 273.15 °C,在这个温度下所有分子的运动完全停止。然而,你永远不能真正冷却到这个温度,因为在量子力学中,每个粒子都有一个最小的能量,称为『零点能量』。值得注意的是,这种最小能量不仅适用于分子,而且适用于任何真空,其能量被称为『真空能量』。为了证明这种能量存在涉及一个相当简单的实验,如上图,在真空将两块金属板合在一起,它们将会相互『吸住』。这是由于金属板之间的能量仅能够在某些频率下谐振,而在板外部,真空能量可以在几乎任何频率下谐振,因为板外部的能量大于板之间的能量,所以板被推向彼此。当板靠近时,这个推力逐渐增加,并且在大约10nm的间隔处,这种效应(称为卡西米尔效应)在它们之间产生约一个大气压的压力。因为板将它们之间的真空能量降低到低于正常的零点能量,所以据说该空间具有负能量,其具有一些不寻常的特性。

负能量真空的一个特性是光在其中的传播速度比在正常真空中传播得快,有朝一日人们可能会在一种负能量真空泡沫中比光速更快地旅行。负能量也可用于保持可穿越的虫洞,虽然理论上可能,但是如果没有保持负能量状态的技术的会立即崩溃。负能量也会导致黑洞蒸发。真空能量通常被建模为虚拟粒子突然生成和湮灭。只要粒子生成不久之后被消灭,这就不违反任何能量守恒定律。但是,如果在黑洞的事件视界上产生两个粒子,则可以从黑洞移开,而另一个粒子落入黑洞。这意味着它们将无法消灭,因此粒子最终都会产生负能量。当负能粒子落入黑洞时,它会降低黑洞的质量而不是增加它,并且随着时间的推移,像这样的粒子将导致黑洞完全蒸发。因为斯蒂芬霍金首先提出了这个理论,所以这种效应给出的粒子(那些不落入黑洞的粒子)被称为霍金辐射。这是第一个将量子理论与广义相对论结合起来的理论,使其成为霍金迄今为止最伟大的科学成就。

二、时空拖曳

对爱因斯坦广义相对论的一种预测是,当一个大物体移动时,它会拖动它周围的时空,导致附近的物体被拉动。当大物体沿直线移动或旋转时会发生这种情况,虽然效果非常微小,但已通过实验验证。 2004 年发射的重力探测器 B 实验旨在测量地球附近的时空扰动。尽管干扰源大于预期,但时空拖曳效应已被测量为 15% 的不确定性,进一步分析希望进一步降低这种影响。

实验的结果非常接近预测:由于地球的旋转,探测器每年从其轨道上拉出约 2 米,这种影响纯粹是由于地球的质量扭曲了它周围的时空。探测器本身不会感觉到这种额外的加速度,因为它不是由探测器上的加速度引起的,而是由探测器穿过的时空引起的,这类似于拉在桌子下面的地毯,而不是移动桌子本身。

三、同时性的相对性

同时性的相对性,是指两个事件是否同时发生的观点是取决于观察者的位置。这是狭义相对论的一个奇怪结果,适用于任何以一定距离分开的事件。例如,如果火星和金星上放烟火,一个观察者在一个方向上可能会说它们同时发生(补偿光线到达它们的时间),而另一个观察者以另一种方式行进可能说火星上的那个首先消失,而另一个可能会说金星上的那个先消失了。它是由狭义相对论中不同观点相互扭曲的方式引起的。因为它们都是相对的,所以不能说其中哪个观察者的观点不正确。

这可能导致非常不寻常的情况,例如观察者在原因之前见证效果。然而,一旦观察者看到效果,他们就不能在没有光速的情况下快速地与原因相互作用,这是人们认为禁止快于光的旅行的第一个原因之一,因为它类似于时间旅行和一个宇宙,你可以在效果之后与事业互动毫无意义。

四、黑弦(相对『黑洞』而言)

物理学中未解之谜之一是引力如何与其他基本力量相关,例如电磁学。1919 年首次提出的一种理论表明,如果在宇宙中增加了一个额外的维度,那么重力仍然存在于前四个维度(三个空间维度和时间)中,但这个四维空间在额外的第五维度上,自然产生除了重力的其他基本力量。然而,我们无法看到或发现这第五个维度,因此有人提出额外的维度被卷曲,因此对我们来说是不可见的。这个理论最终导致了弦理论,并且仍然是大多数弦理论分析的核心。

由于这个额外的尺寸很小,只有微小的物体(如颗粒)可以沿着它移动。在这些情况下,他们最终只是在他们开始的地方结束,因为额外的维度自身卷曲。然而,在五个维度上变得更加复杂的一个对象是黑洞。当扩展到五维时,它变成『黑弦』,并且与普通的 4D 黑洞不同,它是不稳定的(这忽略了 4D 黑洞最终蒸发的事实)。黑弦非长不稳定,会在五维中分裂成多个 4D 黑洞,这些多个 4D 黑洞然会合成一个更大的黑洞。最有趣的是,使用现有的模型,最后形成的黑洞是一个『裸』的奇点。也就是说,它没有围绕它的事件视界。这违反了物理学认为所有奇点必须被事件视界所包围以避免在奇点附近的时间旅行效应会改变整个宇宙的历史的假设。

五、Geon 和 『球状闪电』

如公式 E = MC^2 所示,能量和物质从根本上联系在一起。其中一个影响是能量和质量都会产生引力场。1955 年,John Wheeler 首先研究了 Geon(一种电磁波或引力波,它通过其自身场能的引力在一个受限区域内保持在一起),它的能量产生了引力场,而引力场又将 Geon 本身固定在一个狭窄的空间中。

Wheeler 推测,微观 Geon 和基本粒子之间可能存在联系,甚至可能是同一个东西。一个更极端的例子是『球状闪电』,这种强光集中在一个特定的点上,由光能引起的重力变得强大到足以坍缩成黑洞,将它发出的光线弯曲回自身。虽然没有人否认『球状闪电』的可以存在,但普遍认为只能暂时形成,因为它们不可避免地会泄漏能量并最终崩溃。不幸的是,这表明 Wheeler 最初的推测是不正确的,但这还没有得到明确证实。

六、克尔黑洞

大多数人都熟悉的黑洞模型,内部有无限密度的奇点,其外部的被事件视界包围。实际上这种黑洞有一个更具体的名称:Schwarzschild 黑洞。它以卡尔施瓦兹希尔德(Karl Schwarzschild)的名字命名,他在爱因斯坦实际发表他的广义相对论一个月后,在1915年找到了爱因斯坦场球方程用于球形非旋转质量的数学解。然而,直到1963年,数学家 Roy Kerr 才找到旋转球形质量的解决方案。因此,旋转黑洞被称为克尔黑洞,它具有一些不寻常的特性。

在克尔黑洞的中心,没有点奇点,而是一个环奇点——一个旋转的一维环。还有两个事件视界,一个是内部视界一个外部视界,还有一个称为 ergosphere 的椭圆体,其中时空本身随着黑洞(由于时空拖曳)而旋转,比光速更快。当物体进入 Schwarzschild 黑洞视界时,空间和时间会互换,这意味着将不可避免地撞向奇点。不同,当您通过克尔黑洞的内部事件视界时,时间和空间将再次对调,不同之处在于时空本身是相反的,这意味着环形奇点附近的重力变得令人厌恶,实际上将你推离环奇点。事实上,除非你准确地在赤道上进入黑洞,否则无法击中环奇点本身。此外,环奇点可以通过时空链接,因此它们可以充当虫洞,虽然离开另一侧的黑洞是不可能的(除非它是一个裸奇点,可能是在环奇点旋转得足够快时产生的)。穿越环形奇点可能会带你到时空中的另一个点,例如另一个宇宙,在那里你可以看到光从黑洞外面落下,但不会留在黑洞里面。它甚至可能会把你带到一个负宇宙中的『白洞』,会发生什么仍然是未知的。

七、量子隧道

量子隧穿是一种粒子可以穿越屏障的效应,允许粒子穿过应该是不可穿透的物理屏障,或者可以允许电子在没有动能的情况下从原子核的束缚中逃逸。根据量子力学,在宇宙中的任何地方都可以找到任何粒子的概率是有限的。

当粒子面对足够小的屏障(约 1-3nm 宽)时,常规计算表明粒子难以穿透。然而,粒子将简单地通过该屏障的概率变得相当大。这可以通过海森堡不确定性原理来解释,该原理限制了关于粒子的信息量。粒子可以从它所作用的系统『借用』能量,使用它来穿过障碍物,然后再次失去能量。量子隧穿涉及许多物理过程,例如放射性衰变和在太阳中发生的核聚变。它也用于某些电子元件,甚至已经证明它存在于生物系统中的酶中。例如,催化葡萄糖反应成过氧化氢的酶葡萄糖氧化酶涉及整个氧原子的量子隧道效应。

量子隧穿也是扫描隧道显微镜的关键原理,是第一台能够成像和操纵单个原子的机器。它通过测量非常精细的尖端中的电压来工作,当尖端接近表面时,由于电子穿过它们之间的真空而产生影响。这为设备提供了制作极高分辨率图像所需的灵敏度。它还使器件能够通过故意将电流通过导电尖端来移动原子。

八、宇宙弦

在大爆炸之后,宇宙处于高度混乱的状态。这意味着微小的变化和缺陷不会改变宇宙的整体结构。然而,随着宇宙膨胀,冷却,从无序状态变为有序状态,它达到了非常小的波动产生非常大的变化的程度。

这类似于铺瓷砖。如果一个瓷砖铺斜了,这意味着你后面铺的一排的瓷砖将都会变斜。这与称为宇宙弦的物体类似,宇宙弦是时空缺陷形成的极薄且极长的时空形状。这些宇宙弦是由宇宙的大多数模型预测的,例如弦理论,其中两种『弦』是不相关的。如果存在,每根弦都会像质子一样薄,但非常密集。

宇宙弦被认为是非常长的,达到数千个星系大小的数量级。事实上,最近的观察和模拟表明,宇宙弦的网络遍布整个宇宙。这曾经被认为是导致星系在超星系团中形成的原因(这个想法已被推翻)。超星系团复合体由连接的『长丝』组成,其长度可达 10 亿光年。由于宇宙弦对时空的独特影响,将两个琴弦靠近在一起,已经证明它们可能用于时间旅行。宇宙弦也会产生令人难以置信的引力波,比任何其他已知源都强。

九、反物质逆向性

反物质是物质的反面。它具有相同的质量但具有相反的电荷。John Wheeler 和诺贝尔奖获得者 Richard Feynman 基于物理系统应该是时间可逆的观点,发表了一个关于反物质存在的理论。例如,我们太阳系行星的运动方向如果倒过来,仍应遵守与正向运动时相同的规则。这导致了这样一种观点,即反物质只是普通的物质在时间上向后倒退,这可以解释为什么反粒子具有相反的电荷,因为如果电子在时间上前进时被击退,那么倒退就会改变电子的电荷。这也解释了为什么物质和反物质湮灭。这不是两个粒子碰撞并相互破坏的情况,它是同一颗粒突然停止并回到过去的时间。在真空中,产生一对虚拟粒子然后消灭,这实际上只是一个粒子进入无限循环,反复前进后退导致的。

虽然这个理论的准确性仍有待讨论,但是将反物质作为时间倒退的物质在数学上得到了与其他更传统理论相同的解决方案。当它首次被理论化时,约翰惠勒说,或许它回答了为什么宇宙中所有电子都具有相同性质的问题,他认为宇宙中只有一个电子,不断在整个宇宙中飞奔,从大爆炸到时间的结束再回来,继续无数次。即使这个想法涉及时间旅行,它也不能用于发送任何信息,因为你不能移动一块反物质来影响过 去。

十、哥德尔的不完备性定理

1931 年 Kurt Gdel 证明,在任何给定的逻辑规则集中,除了最简单的逻辑规则之外,总会有不可判断的陈述,这意味着由于不可避免的自我指涉性质而无法证明或证明它们是不可证实的。任何甚至远程复杂的逻辑系统。这被认为表明没有能够证明或反驳所有陈述的数学系统。一个不可判定的语句可以被认为是一种语句的数学形式,如『我总是撒谎』,因为该语句引用了用于描述它的语言,所以无法知道该语句是否为真。然而,一个不可判定的陈述不需要明确地自我指称是不可判定的。哥德尔不完备性定理的主要结论是,所有逻辑系统都将具有无法证明或证明的陈述; 因此,所有逻辑系统都必须『不完整』。

这些定理的哲学意义很普遍。该集合表明,在物理学中,『Theory of everything』(万物理论)可能是不存在的,因为没有一套规则可以解释每一个可能的事件或结果。它还表明,逻辑上,『证据』是一个比『真实』更弱的概念; 这样的概念对科学家来说是令人不安的,因为这意味着总会有一些东西尽管是真的,但却无法证明是真的。由于这套定理也适用于计算机,它也意味着我们自己的思想是不完整的,并且有一些我们永远无法知道的想法,包括我们自己的思想是否一致(即我们的推理不包含不正确的矛盾)。这是因为哥德尔的第二个不完备性定理指出,没有一致的系统可以证明它自己的一致性,这意味着没有理智的头脑可以证明自己的理智。

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