我們的宇宙實(shí)在是太奇怪了。盡管諸如量子論、相對(duì)論和太陽中心說等前瞻性理論現(xiàn)已被普遍接受??茖W(xué)仍在繼續(xù)向我們展示,宇宙中還存在許多令人費(fèi)解的現(xiàn)象。
1、高德的不完備定理(G?del’s incompleteness theorems)
高德的不完備定理更像是一組非常有趣的關(guān)于邏輯和哲學(xué)的數(shù)學(xué)定理,而不是嚴(yán)格意義上的科學(xué)。但是整體上,這些邏輯和哲學(xué)與科學(xué)密切相關(guān)。1931年,科特-高德證明了該定理:因?yàn)槿魏紊晕?fù)雜一點(diǎn)的邏輯體系都不可避免自我引用;所以對(duì)于給定的任意一組邏輯規(guī)則,除了最簡單的之外,總會(huì)存在無法判定(證明或證偽)的命題。這表明了世界上不存在能夠證明或證偽所有命題的終極數(shù)學(xué)體系。一個(gè)無法判定的命題可以被當(dāng)成是“我總是說謊”的數(shù)學(xué)形式。由于該命題引用了描述它的語言本身(譯者注:“我總是說謊”有兩方面的意思,一方面是指命題要表達(dá)的內(nèi)容“我是一個(gè)愛說謊的人”,另一方面也可以指描述它的語言“我說‘我總是說謊’是說謊,其實(shí)我不是一個(gè)愛說謊的人”),所以永遠(yuǎn)無法知道這個(gè)命題的真假。盡管如此,并不是只有自我引用的命題才是無法判定的。高德的不完備定理的主要結(jié)論是,所有的邏輯體系都會(huì)存在無法證明或證偽的命題。因此,所有的邏輯體系都不“完備”。
不完備定理的哲學(xué)含意廣為傳播。由于沒有一組規(guī)則能夠解釋所有可能的事件或結(jié)果,所以物理學(xué)上的“終極理論”是不存在的。同時(shí),這也說明了“證據(jù)”是比“真相”更不靠譜的概念。這樣的想法令科學(xué)家們惴惴不安。因?yàn)檫@意味著世界上總會(huì)存在無法被“證據(jù)”證明的“真相”。由于不完備定理對(duì)計(jì)算機(jī)也一樣適用,這也意味著我們的想法是不完備的。世界上有些想法我們永遠(yuǎn)無法明了,這包括我們的想法是否一致(比如說,我們的理性是否包含錯(cuò)誤,自相矛盾)。這是因?yàn)楦叩碌牟煌陚涞诙ɡ肀硎?,沒有一種一致的理論能夠證明自己的一致性。這意味著,沒有任何理智的人能證明自己沒有精神病。同樣,如果一個(gè)體系證明自己是一致的,那么這就不是一個(gè)一致的體系。任何自以為能證明自己沒精神病的人都是瘋子。(譯者注:有點(diǎn)像喝醉的人總是說自己沒醉,自以為“舉世皆濁我獨(dú)醒”的屈原情何以堪,無奈只能投江自盡了。自以為“才高八斗遇人不淑”的賈生多么落寞,不得不抱憾而終。)
2、反物質(zhì)逆因果律(Antimatter Retrocausality)
顧名思義,反物質(zhì)與物質(zhì)正好相反。反物質(zhì)攜帶的質(zhì)量與物質(zhì)一樣但是電荷恰好相反。約翰-惠勒和諾貝爾獎(jiǎng)得主理查德-弗雷曼,他們基于物理體系中時(shí)間應(yīng)該可以倒流的想法,提出了一種反物質(zhì)理論。例如,我們的太陽系軌道向后退應(yīng)該和向前進(jìn)遵守一樣的規(guī)律。有人因此提出,反物質(zhì)只是時(shí)光倒流的普通物質(zhì)。這解釋了為什么反粒子會(huì)攜帶相反的電荷。因?yàn)槿绻娮釉跁r(shí)光前進(jìn)的時(shí)候被排斥,那么在時(shí)光倒流的時(shí)候應(yīng)該被吸引。這也解釋了為什么物質(zhì)與反物質(zhì)會(huì)消失。這不是因?yàn)檎搅W訉?duì)沖同歸于盡;其實(shí)是同一個(gè)粒子停止后在時(shí)間維度上往回走。在真空中一對(duì)粒子產(chǎn)生并消失,其實(shí)不過是同一個(gè)粒子在時(shí)間維度上一會(huì)兒往前進(jìn),一會(huì)兒往后倒,如此不停反復(fù),不死不休。
雖然這個(gè)理論的準(zhǔn)確性有待商榷,它的數(shù)學(xué)方案與其它更傳統(tǒng)的理論一樣。約翰-惠勒起初提出該理論時(shí)說,這也許回答了為什么宇宙中所有電子屬性相同的問題。這個(gè)問題之前常為人所忽略。他表示,這是由于電子經(jīng)常從宇宙大爆炸與宇宙末日之間飛來飛去。雖然包含時(shí)光倒流,但是該理論的數(shù)學(xué)模型并不允許把信息帶回到過去。因?yàn)槟銦o法通過移動(dòng)反物質(zhì)來影響過去,移動(dòng)它只會(huì)影響反物質(zhì)本身,即你的未來。(譯者注:這里實(shí)際上蘊(yùn)含了一個(gè)雙重否定,因?yàn)榉次镔|(zhì)其實(shí)是時(shí)間軸上的反向物質(zhì),它的過去就是你的未來。從某種程度上來說,這解釋了為什么歷史會(huì)重復(fù)自己的原因。這就好比回旋鏢,扔出去(普通物質(zhì))又轉(zhuǎn)回來(變成反物質(zhì))。)
3、宇宙弦(Cosmic Strings)
在大爆炸之后不久,整個(gè)宇宙處于一片雜亂無章的混沌狀態(tài)之中。這意味著細(xì)微的變化和瑕疵并不會(huì)改變整個(gè)宇宙結(jié)構(gòu)。但是隨著宇宙不斷膨脹冷卻,從無序變得有序,一個(gè)小小的波動(dòng)就足以造成巨大的變化。
這就像是在地板上均勻地貼上瓷磚。如果有一塊瓷磚放歪了,其它瓷磚會(huì)跟著一起歪;這樣一來,整條線上的瓷磚都沒放好。宇宙弦與此類似,它是時(shí)空上狹長的瑕疵帶。大部分宇宙模型都有預(yù)測(cè)宇宙弦,比如弦理論里兩種互不相干的“弦”。如果宇宙弦存在,每根弦都像質(zhì)子一樣小,密度卻極大。因此,一英里長的宇宙弦可以和地球一樣重;但是它實(shí)際上沒有重力,且僅在改變時(shí)空形態(tài)時(shí)才會(huì)影響四周的物體。因此,宇宙弦本質(zhì)上不過是時(shí)空形態(tài)上的“皺紋(wrinkle)”。(譯者注,宇宙弦其實(shí)不是物質(zhì),而是物質(zhì)所處的時(shí)空中有瑕疵的部分。也就是說,我們所處的時(shí)空本身并非完美。這是不是說像北緯30度,以及生活中的靈異事件并非完全是無稽之談。)
有人認(rèn)為宇宙弦長得離譜,最長可與上千銀河比肩。事實(shí)上,最近的觀察和模擬顯示宇宙弦之網(wǎng)絡(luò)貫穿整個(gè)宇宙。曾經(jīng)有人以為這是造成銀河組成超星系團(tuán)的原因,不過后來這種想法被拋棄。超星系團(tuán)由最長可達(dá)10億光年的銀河“絲帶”(filament)組成。如果把兩根宇宙弦靠攏在一起,就會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的時(shí)空效應(yīng)。有人曾經(jīng)展示它們可以用來穿越時(shí)空。宇宙弦還會(huì)產(chǎn)生無與倫比的至強(qiáng)引力波?,F(xiàn)有的和待造的引力波探測(cè)器就是為它們準(zhǔn)備的。
4、量子隧穿(Quantum Tunneling)
(譯者注:1. classical physics: climbing the hill,經(jīng)典物理爬山坡;2. quantum physics: "tunneling"static limit,量子物理穿隧道。)
量子隧穿效應(yīng)是指粒子能夠穿過正常來說它的能量不足以通過的障礙。它能讓粒子通過不可逾越的物理障礙,或讓電子不用動(dòng)能就脫離原子核的吸引力。根據(jù)量子力學(xué),任何粒子都有一定的可能出現(xiàn)在宇宙的任何地方。雖然粒子嚴(yán)重偏離既定軌道的概率極低。
盡管當(dāng)粒子遇到一個(gè)足夠小的障礙(約1-3納米寬)時(shí),按常理是無法逾越的,但是實(shí)際上粒子直接穿過該障礙的可能性卻相當(dāng)顯著。海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理可以解釋此現(xiàn)象。該原理表明我們能獲取的粒子信息總是有限的。(百度百科:測(cè)不準(zhǔn)原理表明一個(gè)微觀粒子的某些物理量(如位置和動(dòng)量,或方位角與動(dòng)量矩,還有時(shí)間和能量等),不可能同時(shí)具有確定的數(shù)值,其中一個(gè)量越確定,另一個(gè)量的不確定程度就越大。)粒子可以先從它所活動(dòng)的系統(tǒng)里“借來”能量穿過障礙,之后便失去“借來”的能量。
量子隧穿發(fā)生在許多的物理過程中,比如說放射性衰變和太陽上發(fā)生的核聚變。它還被用于某些電子元件,甚至生物系統(tǒng)的酶身上。例如,葡萄糖氧化酶是葡萄糖變成過氧化氫的催化劑,在催化過程中包括一個(gè)完整氧原子的量子隧穿。量子隧穿還是掃描隧道電子顯微鏡的一大特色。這是第一種能夠拍攝和操作原子的顯微鏡。它通過測(cè)量精細(xì)探針的電壓變化而工作。這是由于電子在穿越原子間的真空時(shí)(稱為“禁區(qū)”)會(huì)產(chǎn)生量子隧穿效應(yīng),促使探針在接近物體表面時(shí)發(fā)生電壓變化。這保證設(shè)備足夠靈敏,能夠生成分辨率極高的圖像。同時(shí)還可以通過在設(shè)備的探針上緩緩導(dǎo)入電流來移動(dòng)原子。
5、科爾黑洞(Kerr Black Hole)
(譯者注:1. Ergosphere,能層;2. static limit,靜態(tài)極限;3. outer horizon,外部視界;4. inner horizon,內(nèi)部視界;5. singularity,奇點(diǎn)。)
大部分人熟悉的黑洞其實(shí)有一個(gè)更確切的名字:史瓦西黑洞(Schwarzschild black hole)。這種黑洞在外部有一個(gè)視界(event horizon)充當(dāng)有去無回的“極限點(diǎn)” (“point of no return”),在內(nèi)部則有一個(gè)密度無限大的奇點(diǎn)。它以卡爾-史瓦西( Karl Schwarzschild)命名。1915年,在愛因斯坦廣義相對(duì)論發(fā)布僅1個(gè)月后,史瓦西就為不旋轉(zhuǎn)的球形體找到了愛因斯坦場方程的數(shù)學(xué)方案。盡管如此,直到1963年,數(shù)學(xué)家羅伊-科爾才發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)的球形體的相應(yīng)方案。因此,一個(gè)旋轉(zhuǎn)的黑洞被稱為科爾黑洞。它有一些不尋常的屬性。
科爾黑洞中心是不是奇點(diǎn)而是奇環(huán) - 由自身動(dòng)量維持的一維環(huán)形。它有兩個(gè)視界(外部視界和內(nèi)部視界)以及一個(gè)橢圓形的能層(ergosphere)。由于慣性系拖拽效應(yīng)(frame dragging),在能層里面時(shí)空本身與黑洞一起以超光速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)通過外部視界進(jìn)入黑洞,空間路徑變成時(shí)間路徑。這意味著像史瓦西黑洞一樣,科爾黑洞中心必然會(huì)產(chǎn)生奇點(diǎn)。但是穿過內(nèi)部視界,時(shí)間路徑又變回空間路徑。唯一的區(qū)別是時(shí)空逆轉(zhuǎn)了。這意味著奇環(huán)附近的重力變成往外推的排斥力。實(shí)際上,除非恰巧從黑洞中心線進(jìn)入,否則根本就不可能進(jìn)入奇環(huán)。此外,多個(gè)奇環(huán)還可以通過時(shí)空互相連接,因此奇環(huán)可以充當(dāng)蟲洞。不過除非是奇環(huán)旋轉(zhuǎn)得足夠快產(chǎn)生的裸奇點(diǎn),否則無法從另一邊的黑洞出去。通過奇環(huán)可能進(jìn)入另一個(gè)時(shí)空,比如說另一個(gè)宇宙。在那里,你可以看到光從黑洞外面進(jìn)來,卻看不到光從里面出去。你甚至有可能被帶到一個(gè)負(fù)宇宙(negative universe)上的“白洞”(white hole)。不過沒人知道這到底意味著什么。(百度百科:白洞是廣義相對(duì)論預(yù)言的一種與黑洞相反的特殊天體,是大引力球?qū)ΨQ天體的史瓦西解的一部分。白洞僅僅是理論預(yù)言的天體,到現(xiàn)在還沒有任何證據(jù)表明白洞的存在。其性質(zhì)與黑洞正相反。白洞有一個(gè)封閉的邊界。與黑洞不同的是,白洞內(nèi)部的物質(zhì)(包括輻射)可以經(jīng)過邊界發(fā)射到外面去,而邊界外的物質(zhì)卻不能落到白洞里面來。因此,白洞像一個(gè)噴泉,不斷向外噴射物質(zhì)和能量。)
6、真子(Geon)
正如著名的方程式 E=MC2 所示,能量與物質(zhì)緊密相連。它們的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生重力場。真子是一束電磁波或重力波,它的能量會(huì)產(chǎn)生重力場;且產(chǎn)生的重力場反過來又把電磁波或重力波本身約束在一定的空間內(nèi)。1955年,約翰-惠勒第一個(gè)著手研究真子?;堇詹聹y(cè)微觀真子和基本粒子之間可能存在連接,甚至可能就是同一物體?!発ugelblitz” (德語 “球形閃電”)是一個(gè)更極端的例子。當(dāng)強(qiáng)光聚攏中在一個(gè)點(diǎn)上,光能產(chǎn)生的重力變得如此之強(qiáng),以致形成黑洞把光困在其中。雖然沒有任何東西能阻止“kugelblitz” (德語 “球形閃電”)的形成;但是由于真子會(huì)不可避免泄漏能量而衰退,現(xiàn)在大家認(rèn)為真子的形成只是暫時(shí)的。不幸的是,這意味著惠勒的最初猜想是錯(cuò)誤的,但目前還沒有足夠的證據(jù)能證明這一點(diǎn)。 (譯者注:這個(gè)和波粒二象性有點(diǎn)關(guān)系,1905年,愛因斯坦提出了光電效應(yīng)的光量子解釋,人們開始意識(shí)到光波同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì)。1924年,德布羅意提出“物質(zhì)波”假說,認(rèn)為和光一樣,一切物質(zhì)都具有波粒二象性。根據(jù)這一假說,電子也會(huì)具有干涉和衍射等波動(dòng)現(xiàn)象,這被后來的電子衍射試驗(yàn)所證實(shí)。)
7、黑弦 (Black String)
重力和其它基本作用力如電磁力之間的關(guān)系,是物理學(xué)長期以來最引人關(guān)注的奧秘之一。最早在1919年提出的一種理論認(rèn)為:如果宇宙增加一個(gè)維度,重力仍存在前四維中(三維空間+時(shí)間);但是其它基本作用力,則由四維空間在第五維上卷起來而自然生成。但是由于第五維度對(duì)我們而言是隱形的,既看不見也摸不著,所以它應(yīng)該是蜷曲起來的。(譯者注:這里非常難以理解,我的想法是用降維的方法來想象。比如說假設(shè)有一個(gè)完全靜止的三維空間,如果增加一個(gè)第四維度時(shí)間,把三維空間卷曲包裹起來。那么生活在三維空間里的人是看不到時(shí)間的,而且三維空間里的一切變化其實(shí)都是由時(shí)間與空間卷曲自然引起的。)這個(gè)理論最終產(chǎn)生了弦理論,且迄今仍出現(xiàn)在大多數(shù)弦理論的核心分析中。
由于第五維度極小,只有像粒子一樣的微型物體才能在上面移動(dòng)。又由于第五維度是自我蜷曲的,這些微粒最終又會(huì)轉(zhuǎn)回初始位置。(譯者注:類似于圓周運(yùn)動(dòng),周而復(fù)始)但是黑洞在第五維度上就要復(fù)雜許多。當(dāng)黑洞擴(kuò)展到第五維度,它就變成“黑弦”。和正常的黑洞不同,黑弦很不穩(wěn)定(這里忽略了四維黑洞其實(shí)最終會(huì)蒸發(fā))。多個(gè)黑洞會(huì)串在一根長長的黑弦上,和更遠(yuǎn)的黑弦連在一起,直到黑弦完全折斷,留下一組黑洞為止。這些四維黑洞會(huì)并成一個(gè)更大的黑洞。最有趣的是,根據(jù)現(xiàn)在的模型,最終的黑洞是一個(gè)“裸”奇點(diǎn)。也就是說它沒有被視界包圍,這違背了宇宙監(jiān)督假設(shè)。因?yàn)橐暯鐣?huì)阻止任何事件從奇點(diǎn)中逃逸,所以任何奇點(diǎn)都應(yīng)該被視界包起來,以防奇點(diǎn)附近發(fā)生的時(shí)空穿越改變整個(gè)宇宙的歷史。(譯者注:如果宇宙監(jiān)督假說成立,那么誰來負(fù)責(zé)確保天網(wǎng)恢恢,疏而不漏任何“裸起點(diǎn)”呢?也許就是上帝、真主、我佛之類的大牛了。)
8、同時(shí)性的相對(duì)性 (The relativity of simultaneity)
同時(shí)性的相對(duì)性是指,兩件事情同時(shí)發(fā)生與否是相對(duì)的,取決于觀察者所在的方位。這是奇特相對(duì)論的奇怪推論,對(duì)于不是發(fā)生在同一地方的任何事件都適用。比如說,如果在火星和金星各放一束煙花,某個(gè)方位的太空旅行者可能會(huì)說它們同時(shí)發(fā)生(如果兩束煙花的光線同時(shí)到達(dá)他的眼睛);另一個(gè)太空旅行者可能會(huì)說火星上的煙花先放;其他人也許會(huì)說金星上的煙花先放。這是因?yàn)橛^察者所處的方位不同造成了他們看到煙花的順序不同,從而導(dǎo)致他們的看法不同。所以每個(gè)觀察者的看法都是相對(duì)的,沒有人是絕對(duì)正確的。
這樣一來,可能會(huì)發(fā)生一些怪事。比如說,有人會(huì)先看到事件的結(jié)果再看到原因。(例如,先看到炸彈爆炸再看到有人點(diǎn)燃引信。)不過除非跑得比光速還快,即使你先看到了結(jié)果也來不及去改變?cè)?。這也是超光速旅行被認(rèn)為是不可能的原因之一。因?yàn)檫@與時(shí)光穿越類似,你可以在結(jié)果發(fā)生后去改變?cè)颉_@毫無意義。(譯者注:如果你先看到炸彈爆炸,然后以超光速飛過去把引信給滅了。這樣一來,炸彈就不會(huì)爆炸了,你又如何會(huì)看到炸彈爆炸?這也是為什么有人發(fā)明了平行世界,但是平行世界問題更多,這里就不跑題了。)
9、慣性系拖拽 (Frame Dragging)
愛因斯坦廣義相對(duì)論有一個(gè)預(yù)測(cè):當(dāng)一個(gè)巨大的物體移動(dòng)時(shí),會(huì)拖拽周圍的時(shí)空,從而拉著附近的物體一起動(dòng)。不管巨物是平移還是旋轉(zhuǎn),都會(huì)如此。雖然這種效應(yīng)非常微弱,但是已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證明確實(shí)存在。2004年發(fā)起的重力探測(cè)器B實(shí)驗(yàn),就是為了測(cè)量地球附近的時(shí)空扭曲。雖然干擾源比預(yù)期要大,慣性系拖拽效應(yīng)測(cè)量的不確定性為15%。(譯者注:換句話說,慣性系拖拽效應(yīng)存在的可能性高達(dá)85%。)進(jìn)一步分析有望更大程度上減少測(cè)量的不確定性。
實(shí)際測(cè)量與預(yù)測(cè)結(jié)果非常接近:由于地球旋轉(zhuǎn)的緣故,軌道上的探測(cè)器與地球之間的距離每年拉近2米左右。這純粹是由于地球的龐大體重造成周圍的時(shí)空扭曲,從而產(chǎn)生的慣性系拖拽效應(yīng)所致。但是探測(cè)器是感覺不到這種額外加速的,因?yàn)樘綔y(cè)器本身并沒有加速,而是它所在的時(shí)空拖拽所致。這就像拉扯桌子底下的地毯,桌子會(huì)動(dòng),但不是桌子自己在動(dòng)。(譯者注:這與禪意 “不是風(fēng)動(dòng),而是心動(dòng)”何其類似。心扭曲了眼中看到的時(shí)空倒影,導(dǎo)致時(shí)空倒影中的物體跟著一起波動(dòng)。)
10、負(fù)能量 (Negative Energy)
(譯者注:1. Casimir Plates卡西米爾盤子;2.Vacuum fluctuation,真空漲落)
理論上,絕對(duì)零度?273.15°C應(yīng)該是能達(dá)到的最低溫度,在此溫度下所有粒子運(yùn)動(dòng)完全停止。但是因?yàn)樵诹孔恿W(xué)中,每個(gè)粒子都有被稱為“零點(diǎn)能量”的最低能量;因此實(shí)際上你永遠(yuǎn)無法把東西冷卻到絕對(duì)零度。更顯著的是:不但粒子有最低能量,真空也有,即“真空能量”。只要做一個(gè)相當(dāng)簡單的實(shí)驗(yàn),就能證明“真空能量”的存在。在真空中放入兩個(gè)金屬盤子,讓它們靠攏,當(dāng)盤子間的距離縮小到一定程度時(shí),它們會(huì)自動(dòng)吸附在一起。這是因?yàn)楸P子間的能量只能在特定頻率共振,而盤子外的真空能量幾乎可以在任何頻率共振。由于盤子外的能量要大于盤子間的能量,盤子被擠壓在一起。盤子靠得越近,壓力越強(qiáng)。在約10納米間距的時(shí)候,這種效應(yīng)(卡西米爾效應(yīng))會(huì)產(chǎn)生1個(gè)大氣壓的壓力。因?yàn)楸P子間的真空能量要低于正常的零點(diǎn)能量,被稱為負(fù)能量。負(fù)能量有一些不尋常的屬性。
比方說,在負(fù)能量真空中,光速要比在正常真空中快。也就是說有一天,我們可能在類似負(fù)能量的真空泡泡中以超光速飛行。雖然理論上可能存在可穿越的蟲洞,但是蟲洞會(huì)在產(chǎn)生的瞬間即刻消失,無法保持打開的狀態(tài)。而負(fù)能量卻可以用來頂住打開的可穿越蟲洞。負(fù)能量還會(huì)導(dǎo)致黑洞蒸發(fā)。真空能量常被各種理論模型描述為突然產(chǎn)生和湮沒的虛擬粒子。因?yàn)橹灰W釉诋a(chǎn)生后馬上湮沒就不會(huì)違背能量守恒定律。但是,如果兩個(gè)粒子在黑洞的視界產(chǎn)生,就有可能一個(gè)粒子從黑洞中逃逸,另一個(gè)卻掉了進(jìn)去。這樣它們就不可能消失,兩個(gè)粒子都變成負(fù)能量。(譯者注,通常真空的粒子被認(rèn)為是成對(duì)出現(xiàn)成對(duì)消失。)當(dāng)負(fù)能量粒子掉進(jìn)黑洞,它會(huì)降低而不是增加黑洞的質(zhì)量。隨著時(shí)間的推移,這樣的粒子會(huì)最終導(dǎo)致黑洞完全蒸發(fā)。由于最初這個(gè)理論是斯蒂芬-霍金提出的,從黑洞中逃逸的粒子被稱之為霍金輻射。這是第一個(gè)被接受的量子論和廣義相對(duì)論的統(tǒng)一理論,也是霍金迄今為止最偉大的科學(xué)成就。
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