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三个不确定性
能量不是连续的,时空可以弯曲,银河系不是唯一的星系,宇宙在加速膨胀......这些发现是19世纪的物理学家根本无法想象。那些我们曾经认为是固定不变的事物,最终都随着我们对自然有了更深刻的理解而发生了变化。即使到了今天,我们对宇宙全貌的理解也不超过5%。而在这5%中也有许多问题是我们无法回答的,但假如......

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 假如光速曾经更快 

我们都知道,真空中的光速是宇宙中的速度极限。阿尔伯特·爱因斯坦的相对论告诉我们,任何物体的运行速度仅是接近这一极限都会引发一连串的问题,比如时间膨胀、长度收缩等。只有像光子这种无质量的物体才能达到这一无法超越的极限速度。

这一恒定、有限的速度,也意味着星际殖民计划将变得遥不可及。例如,就算宇宙飞船以光速前往离我们最近的恒星系统,也将耗时4年多:

但假如光速是可变的呢?

如果光速是无限的,那么无质量的粒子和它们所携带的信息可以从一个点瞬间移动到另一个点,因与果会一同来到,一切都会同时发生。宇宙将没有历史、没有未来,我们所理解的时间也将会消失……这当然不会是我们所希望看到的宇宙。

然而,如果光速可以更大的话,那么就可以解决宇宙学中一个大难题——为何宇宙各处的温度基本都是相同的。要知道自宇宙大爆炸发生以来,并没有足够的时间让宇宙中的任意两点实现这种热平衡。


宇宙微波背景上相隔非常遥远的两个点,为何有相同的温度?| 图片来源:新原理研究所

标准的宇宙学模型会用暴胀来解决这个问题:那是宇宙极早期的一段时间,空间突然膨胀得比光速还快,这种超光速在爱因斯坦的相对论中是被允许的,如此一来就把一个均匀的温度带向遥远的地方。但暴胀模型必须具有很强的灵活性,这样才能与现有的观测结果相匹配。

然而,如果光速在大爆炸时是无限的,或者是至少比现在要大得多,然后在那之后才随着空间的膨胀而变得越来越慢的话,那么这也能产生与暴胀相同的结果。这种观点认为,光速在最初时会急剧地下降,而现在它在不知不觉地下降,因此可以解释为什么现在我们可以把它当作常数来衡量。

这是一种听起来很奇怪的说法,但已经有物理学家提出了在星系巡航或从宇宙微波背景的涨落中测试可变光速的方法。这一听起来非常激进的想法已经变成了物理学家可以实际测试的东西。如果这是真的,那就意味着宇宙中的自然法则并不总是如我们今天所看到的一样。

扩展阅读:《看,宇宙》


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 假如宇宙中有一个反物质世界 


当物质和反物质相遇时会发生湮灭。| 图片来源:新原理研究所

对于许多人而言,反物质似乎依然存在于科幻小说之中。但其实我们的身体,日常食用的香蕉,都会释放出非常微量的反物质。

在上个世纪20年代,物理学家保罗·狄拉克为了解释像电子这样的微小、快速移动的基本粒子的行为,成功地将量子理论狭义相对论结合在了一起。他书写下的那个优雅、简洁的统一方程,却蕴藏着一个令人意想不到的结果。狄拉克方程预言了,每一种物质粒子都有一种相应的反粒子,这种反粒子与粒子的性质一样,除了拥有相反的电荷。

更令人惊喜的是,仅三年之后,卡尔·安德森便在宇宙射线中发现了电子的反粒子——正电子。然而,反物质的存在也引发另一个大谜题:最先进的理论模型告诉我们,在宇宙诞生之初,应该有等量的物质和反物质被创造出来。显而易见的是,我们生活在一个由物质主导的世界。那么,那些反物质粒子都在哪里?

首先,反物质粒子不可能就在离物质粒子很近的周围,因为一旦它们相遇就会相互湮灭,并会产生X射线的高能闪光。粒子在各种小尺度上的行为或许能使得物质略多于反物质,但这不足以解释我们所看到的这种巨大差异。

莫非缺失的反物质在别的我们不知道的地方?比如在完全由反物质构成的恒星和星系中?反物质构成的恒星所发出的光与普通恒星相同,而且反物质恒星也会像我们的太阳通过太阳风释放出粒子一样,放出反粒子风。当这些反粒子与星系外的普通物质接触时,也会释放出在宇宙中可见的X射线。

然而,我们却没有看到过任何类似的东西。利用阿尔法磁谱仪(AMS),科学家在进行更直接的测试。这个巨大的粒子探测器于2011年被发射到国际空间站,它可以对经过的宇宙射线进行物质和反物质的分类。

在今天的宇宙中,正电子和反质子都是可以相对容易就被制造出来的反物质,比如当高能粒子在已经死亡的恒星周围的强磁场中发生碰撞时。大多数氦是在宇宙诞生的最初几分钟内产生的,因此,找到反氦,就等同于找到能产生大量反物质的过程。恒星是唯一可以产生碳以及更重的原子核的地方,所以如果发现一个反碳原子核,则可以证实在宇宙的某个地方有着一颗反物质恒星。

而这种搜寻宛若大海捞针,AMS探测到大约每十亿个物质粒子中会有一个复杂的反粒子。到现在,AMS才收集到有意义的、足以说明问题的事件,这是一场与时间的赛跑。

搜寻工作必须在太空中进行,因为反粒子一旦与我们的大气层接触就会即刻湮灭。但太空探测意味着对探测技术有着苛刻的要求。我们需要这些精确而严苛的探测来回答:我们真的是生活在一个完全由物质主宰的宇宙吗?

三维是我们描述这个世界的最完美维度吗? | 图片来源:新原理研究所

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来自:悲壮的尼古拉斯  > 科学
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