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读书随笔:We have no Idea(下)

时间就更麻烦了。

时间是一个比空间更加基本和重要的参量。因为物理学最重要的目标——寻找因果关系,这个因果关系,从本质上来说,就是时间定义的

如果还记得去年敝号随笔康德那可怕的《纯粹理性批判》的话,康德说得很清楚,时间其实是人类先验综合判断的基本范畴之一,用人话说,就是人脑天然的认知结构——我们会不自主地把所有接收到的信息用时间这个框架来进行整理,然后定义AB的原因,BA的结果。事实上,可能A和B之间并无关系,只是因为A和B总是成对出现,而且A在时间上总是先于B

物理学发明了一整套方法来处理时间——敝号随笔过的《微积分的力量》的微积分,就是最为重要的数学工具之一。

时间最不能让人明白的,就是它的单向性——它按照自己的节奏,均匀地流逝,不管你是谁,在哪个位置。

从物理学定律来看,任何一个定律或者过程,尤其是微观领域的粒子运动,如果录下来,正播和倒播,你都看不出任何差异。包括一个弹跳的球,如果只录中间弹跳的一段,正播和倒播,我们也很难看出差别。

可是一旦放到宏观领域——一块冰在融化,一个苹果在腐烂,我们就很容易看出时间顺序——每个人都知道,泼出去的水是不可能收回来的。

物理学使用“熵”来描述这个过程和规律——熵总是随时间增加。然后人们把描述现象的“熵”本身,来解释什么是时间——典型的循环论证。

为什么熵总是在增加呢?我们不知道。

除了熵来描述时间,还有一种可能就是弱核力,即让粒子衰变的那个力。一对夸克被强核力结合到一起时,可以有两种组合方式,这两种组合方式由弱核力决定,一种方式切换到另一种方式,来回切换所耗费的时间有差异性——这也有可能是时间单向性的来源。

想到熵总是增加的,如果考虑到动量和能量守恒,也有人提出,其实在大爆炸时产生了两个宇宙,一个宇宙是熵增,一个宇宙则是熵减,以维系总体上的平衡。

想想那个熵减的宇宙会是什么样。

第六个不知道:不知道空间到底有几个维度

物理学和数学中的维度dimension是指运动的方向,这个方向是可以独立于其他方向的,在这个方向上的运动可以与其他方向毫无关系,有这么一个方向,就叫一个维度。

我们的空间为什么只有三个维度,或者还可以有更多的维度吗?我们不知道。

再回想一下康德的先验综合判断——人脑本来就被设定用三维方式感知世界,但这并不代表世界就是三维这个样子——世界有一部分是我们无法确知的

从前我们嘲笑和批判这个观点是唯心主义和不可知论,当代物理学却确证了这个观点的正确性——被我们的大脑忽略掉的一些隐藏起来的细节或者说维度,可能才是理解这个世界的关键。

比如说,我们无法感知到的,每时每刻都在穿过我们身体的中微子,如果能感受到它们,我们对粒子世界的认知将会提升N个台阶。再比如,我们感受不到暗物质,而这确实就是理解宇宙运转的关键之一。

这些关键的东西,我们居然只能通过理智的逻辑推导才能推测到它们的存在,所以,你说我们的感官可靠不可靠?

我们感知不到,却能通过理智来想象。其实很多人都在这么做——虽然我们生活在三维空间,但是我可以锁定一个物体,想象第四维——时间的流逝,然后把同样一个物体在时间流逝中的景象,串起来联想——尽管我们可能无法把串联的画面整合成一个四维的图像,但至少我们会串联想象

关于存在其他维度的想法,是物理学家们用来解释何以引力会这么微弱的。

他们想象,本来引力的强度和另外三种力一样强大,不过由于空间存在三维之外的其他维度,而且这些维度蜷缩在1厘米范围之内,只有引力可以扩散到这些维度中

因此,相距1厘米的物体之间的引力,会被稀释扩散到另外的两个或三个维度中去,这有可能解释为什么引力会相对微弱——因为它被空间中额外维度稀释掉了

当然,这都是猜测。

有没有对其它维度存在的检测呢?有的,还挺有趣

想法是这样的,还是要到微观世界的粒子上去。如果一个粒子在我们的世界里是静止的,却在另外的维度运动,那么,它在另外的维度就会有动量,根据质能方程,能量就等于质量,很有可能就会展现出这个粒子在我们的世界中会比同样的粒子拥有更大的质量

简单来说,如果我们发现同样状态下一个电子比另一个电子拥有更大的质量,就可以推测,质量更大的电子正在额外的维度运动

这就好比同样是坐在教室里上同样的课程,姿势和动作都一样,检测到某个同学的眼神空洞,就可以推测他可能正神游物外一样。

这种实验正在通过粒子对撞进行。当然,还没有发现。

把维度想象到极致的,还是弦理论,其中的玻色弦理论提出了26维空间。

第七个不知道:不知道为什么光速就是光速

光速是宇宙速度的极限,但我们不知道为什么是这样,而且我们更不知道为什么光速恰好就是30万公里每秒,也无法确知是否还会有其它的光速。

光速是绝对的极限这个定律,其实引发了一系列超乎我们常识和直观的结论。

比如空间不是虚空,空间应该就是物体本身,空间为了满足光速极限定律,可以被拉长和扭曲!比如你不可能达到光速,因为越逼近光速,你的质量就会变得越来越大,直至无穷大!什么样的动力可以拉动一个质量无穷大的东西?

也许只有初恋的感觉。

再比如,由于光速是绝对的,使得在不同运动状态下的物体可以有完全不同的时间和空间感官,用人话说,我们之间所谓的同时性、协同性其实是不存在的,每个人都会有自己的时空观和现实感,沟通多难!

我们所有的天文观测结果,都表明目前为止尚未发现有超越光速的现象。可为什么会是这样呢?

光速是绝对极限,使得宇宙的局部性和因果律得以可行。所谓局部性,是指宇宙各部分的信息、事件都要花费一定的时间才能传导到另外的部分,这就相当于信息流动速度的限制,使得信息孤岛的形成得以可能——一部分人能掌握比其他人更多的信息,由此成为领导人,并且继续通过控制信息,来维持自己的地位。

如果没有光速这个极限,速度可以无限,会发生什么情况?宇宙尽头发生的一件事,可以在瞬间对整个宇宙造成影响。从科幻角度来说,也就意味着宇宙另一头的其它生物,可以随时观察并操纵我们人类的日常生活

同时,因果律也就失效了,以超越光速的速度运动的人,可以先于日常的原因看到结果,对于他而言,原因和结果可以倒置。这咋弄?

真的就没有超光速吗?有的,目前经过加速的高能μ子可以比光速更快地穿越冰块——就和超声速会产生音爆现象一样,超光速也会产生光爆——切伦科夫辐射。

如果各位看官还能记得,敝号2020年随笔的《华龙一号核电分析》中提到过这个辐射,也就是说,现在的核电站反应堆中我们都可以观测到这种超光速——反应堆启动后,冷却水池会发出幽幽的蓝光,就是“切伦科夫辐射”——浸泡在冷却水中的堆芯发出的μ子,速度超过了水中的光速(光在水中的速度只有正常光速的75%),由此发出来的一种电磁辐射。

第八个不知道:不知道哪来那么多高能粒子雨

我们每天都在接受来自宇宙的各种辐射,这应该已经是众所周知的了。不过,大多数所不知道的是,每天我们接受的辐射中,很多粒子都是以超高速度降落到我们身上,它们所携带的能量相当于每秒都有一辆校车降落到每平方米地面上!

每年大概有5亿个高能粒子到达地球,每秒300个。奇怪的是,我们不知道这些粒子从哪里来

因为我们观测到的太空中的辐射,粒子动能最高也只有1017次方电子伏特,一般都只有1013次方电子伏特,但是落到地球上这些粒子能高达1020次方电子伏特

这意味着什么呢?如此高能的粒子一定有个发射源,这个发射源我们还没有观测到

从宇宙本身存在的各种障碍来看,这些高能粒子不可能来自很远的地方,否则它们就不可能穿越了这么多物质障碍还能保持如此高的能量。

目前无法得知这些粒子的来源——既有可能是超大的黑洞,也有可能是看不见的暗能量,不管怎样,这些高能粒子携带了确定的能量信息,如果能够顺利解读,要么就能帮助我们找到一种新的力,一种新的能量,或者一种新的天体形式。

由于高能粒子十分稀少——每年5亿个散落到地球上,也不算很多,每百年每平方公里可能才1个,所以要探测到它们也挺难。想探测它们,怎么办?

有个疯狂的科学家曾经提议,由于我们的智能手机上的相机镜头就能捕捉射线,所以,可以组织上亿人下载相关app,然后在晚间休息时启用这些智能手机,每台智能手机就是一个微型的辐射探测仪,组成一个巨大的网络来接收高能粒子

可怕。

第八个不知道:不知道反物质

反物质也是典型的人类通过纯理智推导得出,然后才在现实世界里发现的东西。物理学家狄拉克只是通过方程推导,发现允许带正电的电子存在,由是引发了一系列物质上的猜测——是否一切粒子都有一个反粒子对应存在。

后来真发现了。

于是继续拓展,是否所有物质都会有反物质存在?21世纪后人们还真制造出了反物质,并且在真空中保存了二十几分钟。

要真这么说它存在,那么为什么我们所见的世界大多数都不是反物质?如果说宇宙的开端就有反物质存在,为什么正反之间没有直接湮灭变成一束光,然后结束一切?

敝号在此前随笔的《大宇宙》和《宇宙大爆炸之前》中提到过,现在的解释是,一开始大概正物质就比反物质多了那么一点点——多了10亿零2分之一那么一点点,然后就是那一点点衍生出了今天我们的物质宇宙。

真的是这样吗?不知道。

反物质会有什么性质?比如说,引力会对它有什么影响?会产生反引力吗?

不知道。

第九个不知道:宇宙有多大,是否有万物之理?

这个问题大家公认的是大爆炸理论推测的138亿光年大小。可是,大爆炸本身也只是个猜测,大爆炸理论也无法解释何以暴胀的初期会有超越光速的膨胀,这股力量到底是哪里来的,更无法解释,按照大爆炸推测下去,其实不仅有奇点,还可能会有负宇宙的存在,你能想象?

宇宙为什么会这么空旷、透明呢?为什么会形成现在这样的结构——恒星、星系、网状结构?

暴胀过程既造成了均匀性——宇宙的各向一致性,又造成了局部的聚集——让恒星和星系得以形成,这种恰当性是如何保证的。换句话说,排斥性的暗能量,与聚集性的万有引力是如何保持这样一种均衡,而在未来又将发生怎样的变化?

不知道。

何况,如果稍微放宽一点视界——如果不排除有早期在我们视野中,但随着膨胀加速,因为超越光速而拓展到我们视界之外去的空间,那么宇宙比之138亿光年就要大得多——可以达到465亿光年的大小

关于万物之理,其实就是有没有一个统一的、简洁的道理,能够解释两件事——物质和力。

科学总是倾向于简洁而优美的模型或道理,如果两个理论都能解释一件事,那么一定是那个相对简单的理论更接近本质。其实也没有人说得清为什么会这样。

先说对物质的解释,在物理学看来,物质的本质就是要找到物质不可细分的那部分——现在看来已经到了夸克层级,即上夸克和下夸克构成的质子和中子。

如果还记得前面提到的一个定律:如果发现事物呈现出某种规律,那就说明还有比事物更本质的东西没有发现,在背后起作用。

再看看力的解释,也就是与电磁力、弱核力和强核力相对的特立独行的引力,依然无法找到能够把引力纳入到其它三力范围内的解释方法。

仍然没有,也不知道有没有。

第十个不知道:不知道我们是否唯一

也就是说人类是否是目前宇宙中唯一存在的智慧生命?

有一个公式可以表达:

外星智慧生物的物种数量=银河系中恒星数量×每个恒星系中行星平均数×产生生命的行星概率×实际有生命的宜居行星概率×有生命的行星上发展出智慧生命的概率×智慧生命发出信号的概率×他们与我们处于同一时期的概率

上述任一项为零,那就是没有。

实际上,银河系中宜居行星的数量还可以,目前推测大概有200亿个。关键是后面几个概率实在太小,尤其是超远距离行星上智慧生命定点向我们发射信号的概率,小得几乎可以没有。

目前为止,只有1977年俄亥俄州的射电望远镜探测过一个持续72秒的信号,来自人马座方向,非常强烈,就类似我们期待的那种信号。此后就再也没有过了。

关于宇宙,尚有至少95%的问题属于不知道的范畴,更别说关于地球,关于人类自身。

联想起2018年某权威报纸刊登的有关某主义的理论是宇宙真理的文章,想想这背后的操作,以及能写出来并能在权威渠道发布这类观点的机制。

人类大脑中的潜意识领域就如同浩瀚的大海一般,大部也都是我们尚未探知到的。每每一想到这些,才会明白,保持一个开放包容的心态,谦恭谨慎的心态,是何其重要。

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