诗意的宇宙:蔷薇、时空与21世纪物理学(献给宇宙和物理学的情书,优美到令人屏息的诗意科普)

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越接近真实,真实就越显得神秘。 P6

这位朋友曾问他,难道科学家在研究蔷薇的时候,不是在破坏它的美吗?费曼答道,他完全能够体会艺术家所感受到的美,但他还可以看到更深层次的美,一种只有通过深入的认识才能发掘的美。 P7

与蔷薇相比,这种被称为蓝细菌(Cyanobacteria,旧名蓝藻)的生物虽然显得十分原始,但堪称大自然的杰作。 P8

没有人确凿地知道它是如何成为海洋星球的。 P9

那么,恒星是自发诞生的吗?人们长久以来是这样认为的。 P10

因此,无论产生了多么震撼的洞见,难题不会变少,更不会变简单。 P11

真实,与我们感知到的大不相同。 P12

柜子里随即传出了宇航员们的声音。 P13

但此后每每碰到这些画面,我的感受都会更加强烈。 P14

不过,我们很快便会发觉:这就是我们的星球。 P15

画面中,一位旅行者抛下了熟悉的环境,去探索宇宙的非凡之美。 P16

当看到月球之上那颗蓝色的地球冉冉升起时,我们一定会与这位旅行者一样感同身受。 P17

它初看时就像是一张抽象画,与《太空边缘的旅行者》画中的涡线有些相似之处。 P18

当时有一对鸽子在这圆盘式的天线上筑了巢。 P19

为能以百万分之一的精度准确测量天线所接收到的背景辐射温度,这台空间望远镜伸向各个方向的天线都是通过液态氦冷却的。 P20

但这一切终归有个开始的原点,我们称之为宇宙大爆炸。 P21

这样的宇宙要么所含物质太少,不足以形成天体,要么由于自身引力的作用,早早就坍缩了,就没有足够的时间和机会演化出我们人类。 P22

[书籍分 享V信 iqiyi114]乔治·斯穆特(George Smoot)这样评价1992年最初的那些宇宙微波背景辐射图:“若您信仰宗教,那么这就相当于看到了上帝的真容。 P23

空间与时间向他袒露真心。 P24

有时,他们会带我进实验室,我就可以在那里做实验。 P25

但当他渐渐地把灯光调暗,设备短暂地安静了片刻,随即就发出了啪嗒一声——仿佛水龙头里落下一滴水来。 P26

那些深海的鮟鱇鱼又怎么可能会知道,海洋之上笼罩着星空?同样,我们人类所感知到的,也仅仅是真实世界的一小部分。 P27

爱因斯坦当时就在工厂里帮忙,他会给同学解释电话的工作原理,并且阅读了许多科普书籍。 P28

(爱因斯坦似乎并不满足于这些成就,他于同年夏天还在《物理年鉴》上发表过另外一篇文章,证实了在1905年许多学者还争论不休的一个课题:原子的存在。 P29

所以,光不可能是由粒子组成的,光并不是物质。 P30

用这样的方式,他恰恰把一切该表达的都表达了:光是纯粹的能量。 P31

高速旅行者变老的进程更慢、光能使空间发生扭曲、未来和过去只存在于观察者的眼中,所有这些想法在瑞典皇家科学院绝大多数评审的眼里都过于天马行空,难以配上诺贝尔奖章。 P32

此外,光还决定了我们是如何区分过去、现在和将来的。 P33

极速旅行者衰老得更慢这个事实也渐渐被人知晓。 P34

在这增加的质量里就蕴含着加速过程中消耗的能量,当物体的速度接近光速时,其质量就会急剧增加。 P35

爱因斯坦和他的同事们开始解这个方程,其计算结果颠覆了之前人类对于宇宙的所有设想。 P36

这个世界里,存在计算机、太阳能电池、卫星定位系统和互联网,也存在核反应堆和氢弹,而以上每一个发明,都与爱因斯坦对于光的认识有着直接的联系。 P37

我们用智能设备通话,借助导航设备穿越陌生的街区,而且在不久的将来,我们会把自己的生命托付给自动驾驶汽车。 P38

当下,对次日天气的预测准确率可达70%以上,而对未来三天的天气预报,比我上大学时对次日天气的预测还要可靠得多。 P39

同时代人也许会追随它,相信这个世界是可以预测的,另外一些人也许不会。 P40

比如,我们能够飞到月球上,是因为宇宙空间中一切物体的运动都能根据同一条引力定律推导出来;我们还能够凭借达尔文有关变异与自然选择的法则,解释所有生物的演化;而在借助量子物理学的各种方程式理解了原子的动力学特性以后,我们构建了一个满是计算机和激光器的虚拟世界。 P41

当气体受热,密度就会减小;密度减小,气体就会向上升起。 P42

他知道了车、马、象分别应该怎么走、怎么吃子,知道了兵到达对方底线以后可以变成王后,也知道他得将死我才算赢。 P43

上述数字比较难以理解,最好用孩子口中极富想象力的词汇给它们取个名字。 P44

纵然人们期待出现更好的技术,但希望还是很渺茫。 P45

这样一来,计算机程序不再执着于绝对确定的预测,而是懂得向不确定性妥协。 P46

于是,人们莫名地陷入了两难:一方面,根据基本规律来讲,天气不过是气体和水蒸气的运动,有了这些大气活动,才会形成雨雪、风暴和明媚的蓝天;另一方面,虽然一切事物都遵循着这个简单的基本法则,但我们无法从中得出雷暴锋面。 P47

虽然凭借这种方式,我们顶多只能确定可能会发生的事情。 P48

他不是说这个世界没有任何规律可循,而是想指出,人不可能把一次天气预测所需的所有决定性因素全部找出。 P49

原因是,在第一次探测升空失败的114分钟后,塞布尔岛升起了第二台探测装置。 P50

德国西南部气压移动的速度之快,在整个欧洲中部都前所未有。 P51

即便是拉普拉斯妖想预言一场阵雨,这个宇宙的数据内存也不够大。 P52

拉普拉斯妖的落败使我感到高兴,还因为另外一点:这提醒了我自然构造的美妙。 P53

探员格洛克试图查出这其中的秘密计划,可一无所获。 P54

喝完早茶,他会马上投身于手稿的写作,他自嘲这是他的脚镣。 P55

格洛克默默地将她带进自己的书房。 P56

纽约分行的刑事侦查员已经确认,我们纽约分行拍卖的所有珠宝和地毯,都盗窃自纽约曼哈顿的SoHo(苏豪)商业区。 P57

办公桌紧挨着房间墙面,不多不少给访客留下了放一个凳子的空间。 P58

所有能想得到的模式,我们在数据库里面都搜了个遍,却没有找到任何规律。 P59

”斯通警官说,“说起来,我们这么久都没联系了,今天怎么有幸在这儿见着你?”他顿了顿,又说:“我猜是与阿斯派克特先生被捕有关。 P60

”格洛克迟疑地回答道。 P61

突然,他从凳子上跳起来,在房间里快速来回踱了几步,又重新坐下。 P62

这位领导落实这个程序以后,那些检察官以及各个法院都很振奋。 P63

”斯通不耐烦地回答,“而且你也知道,原因不在我们。 P64

“功能也差不多。 P65

“这显而易见啊,”斯通迅即答道,“刚好一半的夜晚是这样的。 P66

我们假设你说的是对的,犯罪团伙按照预谋有计划地作案。 P67

但是你刚刚告诉我,根据你们收集的数据,一致的概率只有50%。 P68

这个结果还是大于你们数据算出的50%,因此你的假设还是错的。 P69

或者,你相信吗,这些入室盗窃案可能只不过是你们数据库里的一些记录而已。 P70

1982年,他通过一个著名的实验证明,不同地点的事件之间真的会存在内在联系。 P71

光子运动到指定地点后,人们就会测量它们的状态。 P72

例如,一处的测量结果为“是”,犯罪分子就出动偷珠宝;而同一时刻,另一座城市的测量结果也是一样的。 P73

他曾写道:“内心有一个声音告诉我,这还不完备。 P74

量子纠缠的本质在于,携带着两个粒子历史的信息是不可摧毁的。 P75

如果真有这样的计划,它一定会改变特定事物同时发生的频率。 P76

爱因斯坦错了。 P77

这怎么可能呢?难道存在超越时空结构的内在联结?难道远近只是我们用于描述方位的名词,但这一名词在真实世界的更深层面上毫无意义?我们很难接受纠缠态不是“鬼魅”,而是真实存在的。 P78

几周以后的某天上午,一个黑衣男子出现在了格洛克家门前。 P79

——维斯瓦娃·辛波丝卡(Wis?awa Szymborska)在某部史上非常成功的电影里,人类不过是虚拟世界的牺牲品。 P80

这一系列电影也引起了我的共鸣。 P81

来自纽约的哲学家西德尼·摩根贝沙(Sidney Morgenbesser)曾被问到一个问题:世界为什么一定要有物存在,而非万物皆空?他答道:“因为即便一切皆空,你还是会为此苦恼。 P82

看起来,我们身边的物体都是如此,即使是空气也会在我行走的过程中被推开。 P83

他第一个发现了看似结实的物体内部其实是虚空的,他把这一发现称为“我一生中最不可思议的经历”。 P84

由此可见,那些我们习以为常的事物就如同星系之间的宇宙空间一般空洞。 P85

所以,整个原子其实都是由虚空组成的。 P86

光子是纯粹的能量体,传递的是电磁力。 P87

由于这些幽灵般飘忽的对象之间的联结,我们感受到那把锤子和我们的大拇指都是立体的。 P88

[2]而当我们举起一个物体,或大力将锤子砸向目标物时,我们所感受到的质量就类似于原子弹爆炸时释放的能量。 P89

粒子物理学家发现的理论是,所谓的真空之中并不是绝对的虚空。 P90

由此可知,物质粒子的内部虽然充满了虚空,但这些粒子还是能从希格斯场中获得它们的质量。 P91

不过,就像水冷却后会变成雪花和冰块一样,希格斯场也慢慢变得黏稠。 P92

面对这个一切问题的源头,他沉默了。 P93

多了些什么?我们毫无头绪。 P94

当我仰望夜空的时候,我能体会那些航海家当时面对新世界的海岸时内心的澎湃。 P95

它由四个同等亮度和形状的光斑构成,这些光斑就像希腊十字架的四个等臂。 P96

但由于这个星系拥有足足十亿颗星星,因而它所造成的扭曲要比太阳复杂得多。 P97

所以,是什么物质促成了这种现象呢?至少有两种可能。 P98

因此,Abell 1689的绝大部分应该是由本身不发光也不发射任何电磁波的物质组成的——这种物质就是暗物质。 P99

正是因为有暗物质将这些发光的物质聚集到一起,宇宙中才可能存在各种构造。 P100

光其实也是一种电磁波。 P101

因此,蓝道尔的理论只是一种假说。 P102

但尽管做了十几年的努力,他们仍然没有发现一丝暗粒子的痕迹。 P103

不过,“粒子物理学标准模型”并不讲述历史,更多的是在勾勒一种结构——勾勒整个可见世界的组成材料和结构。 P104

不过神奇的是,虽然标准模型有一个如此大的漏洞,但它却仍能非常好地阐释宇宙。 P105

宇宙开端释放出的能量使整个宇宙变得越来越大——就像是在温暖的环境中发酵的面团。 P106

这种现象无法用已知的自然力解释。 P107

这些宇宙中难以解释的物质和能量或许会使科学家陷入绝望,但对人类来说,它们的存在无疑是一种幸运。 P108

就在刚刚过去的这个早晨,我在洗脸池边给吓了一跳。 P109

关于什么是时间的属性,我的答案很简单:就是变白的胡子。 P110

这一点很不寻常。 P111

爱因斯坦就是这么认为的。 P112

比如弗朗茨·约瑟夫(Franz Joseph)皇帝就十分推崇他的观点,甚至想要将他封为贵族。 P113

对玻尔兹曼来说却恰恰相反:原子才算得上是简单的事物。 P114

这一切都与原子的活动有关,但我们无法准确地了解,只好抓住“概率”这根救命稻草。 P115

因为,熵解释了为什么这个世界始终在发生着变化。 P116

当毛发变白的时候,我们就失去了对系统的掌握,熵就会增大:胡子就从一个出现概率低的状态转向了出现概率高的状态。 P117

这样一来,或许真的就会有“神”游离于时间之外。 P118

当我们让没有生命的事物自生自灭时,我们就会体验到与时间相伴的衰朽。 P119

事实上也是如此,如同人体其他器官的几乎所有细胞一样,这些色素细胞也无时无刻不在死亡。 P120

无论是养分还是氧,都得益于植物对二氧化碳和水分的转化。 P121

这一点我们可以从宇宙微波背景辐射中推测出来,这些辐射是在大爆炸30万年以后原子形成的过程中发散出来的。 P122

但这种反驳恰恰是错误的。 P123

宇宙很大,大得超过我们所能想象的极限。 P125

”我说。 P126

每当我们认识到自己的无能为力时,便会陷入惊异之中。 P127

(只有当感冒的时候,我才会意识到我们对自然的掌控其实还是有限的。 P128

要想看到明亮的夜空,除非有无穷无尽的星光传到地球。 P129

无论我们观察哪一个方向的星空,都会发现这种现象。 P130

这种假设认为,宇宙空间像橡胶一样富有弹性,可以任意弯曲:这个灵光一现的想法使爱因斯坦发展出了广义相对论。 P131

这种弯曲在日常生活中并不容易察觉,就如同蚂蚁无法一览其地盘的全貌一样,宇宙的弯曲也超出了我们想象力的极限。 P132

考虑到宇宙空间的尺寸,我们要想辨认它的曲度,则需要从更加遥远的地方眺望。 P133

因为根据现代宇宙学的惊人发现,我们虽然可以准确地追溯宇宙开端几百万年以后的历史,却没有能力得出宇宙的大小。 P134

其中一种最简单的模型叫作超环面,形状就像是把三维的自行车轮胎内胆套在一辆四维的自行车上,爱因斯坦的想象力在面对这样的形状时,恐怕也会力有不逮。 P135

人类可见的宇宙半径达到了460亿光年。 P136

也就是说,掷了100次骰子以后,出现六点几乎是必然事件。 P137

比如,要求在这个类地行星上至少有三分之二的面积被海水覆盖,或者要求那里恰好也有14座8千米以上的高峰。 P138

但这和教会的学说是相抵触的,教会一向认为,人类的救赎史是独一无二的。 P139

这些星球上或许生活着智慧的硅基生命,甚至还可能存在由所有的星系共同产生的宇宙意识。 P140

所有这一切,都得益于一颗巨大的陨石。 P142

部分信息表明,原始单细胞生物是在海洋潮汐的滩地中形成和发展起来的,在那里,它们轮番经历着阳光曝晒和潮水浸润。 P143

所有上述事件单独拎出来都非常惊人。 P144

所以他近乎悲观地描述道:“人类孤独地存在于无尽的宇宙中,并毫无防备地成为其中最特别的那部分。 P145

如今,我们已经知道,人类被一个浩瀚的宇宙包围着。 P146

所以,单单在可见宇宙中就有百垓颗行星,倘若在任一行星上都没有出现智慧生命才是真的见鬼了呢。 P147

我们不知道微生物变成智慧生物的概率有多大,这个概率可能不高,但也不是低到没有。 P148

我们的存在恰恰揭示了宇宙最为惊奇的特性之一:智慧生命的出现不仅仅是可能的事件,而且是大概率事件。 P149

而上帝,亦应不负上帝之名,不去任意干涉和扰乱这种秩序。 P150

爱因斯坦孤独的搜寻并没有什么结果,可他从未停止再次出发的脚步,只为寻找一个能比现存物理学更全面地阐释自然世界的理论。 P151

更令人震撼的是宇宙微波背景辐射的均匀有致,这些宇宙大爆炸后原初之光的余晖以几乎相同的波长从四面八方来到地球。 P152

而且,鉴于没有任何事物的传播速度能够超过光速,两地之间任何形式的交互也都是不可能的——从一开始就是如此。 P153

整个暴胀持续时长小于10-27秒,而在这短到极致的时间里,空间膨胀的速度极大,足以达到该点原始大小的至少1027倍。 P154

自那时起,共同的“此刻”也就不复存在了。 P155

暴胀的过程使量子涨落增大到宇宙级别,变成了巨大的冲击波。 P156

雪花的形状与云朵当时的内部环境息息相关。 P157

所以,我们又怎能知道在这个宇宙之外存在着什么呢?是否真的有可能存在宇宙之外的空间?这要看我们对于“宇宙”这个词是如何理解的。 P158

但他知道,自己感受到的这些都只是事物的表面,眼前的一切都只是那更广博、更丰盈世界的一隅。 P159

他当时就认为宇宙是由大爆炸产生的,且还在不断膨胀中。 P160

将知识比作未知海洋中一座孤岛的说法出自奥地利裔美籍物理学家维克托·魏斯科普夫(Victor Weisskopf,1908—2002)。 P161

宇宙膨胀的速度可以通过遥远星系远离地球的速度确定。 P162

他们认为,以太的振动会产生光线。 P163

虽然对两姐妹来说,光子的速度都是不变的,但是在地球上的观察者看来,由于太空飞船本身的运动,飞船内的光线走过了更长的路程,而又由于光子的速度不变,飞船中旅行者的时间就流逝得更慢了。 P164

例如,通过这个波函数可以导出每一个粒子的概率密度(probability density)。 P165

为了清楚起见,非相对论的万有引力和电磁辐射作用也已被略去,但完全可以补充进去,没有任何问题。 P166

关于将互相纠缠的光子从加那利群岛的某一岛屿发射到另一座岛屿,或者从奥地利发射到中国的实验可追溯到安东·蔡林格(Anton Zeilinger),他生于1945年,也是一位量子光学的先驱。 P167

在阿斯派克特的实验中,处于纠缠态的两个光子自旋方向刚好相反。 P168

就在这一年,他获得了诺贝尔奖提名。 P169

佛教对于真实之境的看法在其教义中已有描述,并于之后得到了发展。 P170

[2]同所有其他实验数据一样,测量基本粒子的尺寸时也需考虑检测极限。 P171

详见特罗特(Trott)等人在《英国皇家天文学会月报》(Monthly Notes of the Royal Astronomical Society)第401期(2010年)中的文章。 P172

就职于海德堡马克斯—普朗克天文研究所(Max Planck Institute for Astronomy)的科学家已于2011年得出结论,彗星撞击地球的频率看似是周期性的,但其实是由数据收集过程中的人为因素导致的,两者并不存在什么关联性。 P173

第8章在弱相互作用下的原子核裂变是基本粒子物理定律不受时间箭头影响的唯一例外。 P174

系统的波动是可能导致熵的暂时减小的,但长期看来,这些波动不会对熵增造成影响。 P175

为了纪念他的贡献,描述天体的视向退行速度与天体离地距离的关系的定律被命名为哈勃定律。 P176

然后,可以将计算出来的量子涨落大小与探测器发回的真实数据进行比较。 P177

焦尔达诺·布鲁诺在教会对其宣布审判结果后的反应,详见由安杰洛·梅尔卡蒂(Angelo Mercati)整理的有关该次宗教审判程序的资料,记载日期为1942年。 P178

这两位科学家的论文刊登在《天文学杂志》(The Astronomical Journal)第129期(2005年)上,该论文总结了关于月球创生的最新认识。 P179

而且,只要在其中一颗行星上有生命的痕迹出现,其生物分子就有很大概率可以通过陨石传播到其他相邻的宜居星球上,因此,在这个行星系统内形成生命的概率会成倍增加。 P180

宇宙暴胀理论是一种场论。 P181

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