【】

；

阐释时间、空间、物质、能量的本质

时间、空间、物质、能量的概述

宇宙是由时间、空间、物质和能量所构成的统一体。

宇宙是万物的总称，是时间和空间的统一。宇宙是物质世界，不依赖于人的意志而客观存在，并处于不断运动和发展中。宇宙是多样又统一的，多样在物质表现状态的多样性，统一在于其物质性。

有些人认为，时间和空间不是永恒的，而是从没有时间和没有空间的状态产生的。根据现有的物理理论，在小于10-43秒和10-33厘米的范围内，就没有一个“钟”和一把“尺子”能加以测量，因此时间和空间概念失效了，是一个没有时间和空间的物理世界。这种观点提出已知的时空形式有其适用的界限是完全正确的。正像历史上的牛顿时空观发展到相对论时空观那样，今天随着科学实践的发展也必然要求建立新的时空观。由于在大爆炸后10-43秒以内，广义相对论失效，必须考虑引力的量子效应，因此有些人试图通过时空的量子化的途径来探讨已知的时空形式的起源。这些工作都是有益的，但我们决不能因为人类时空观念的发展或者在现有的科学技术水平上无法度量新的时空形式，而否定作为物质存在形式的时间、空间的客观存在。

对物质，人们的认识比较模糊，最明显的是自然科学与哲学中的物质概念就不一致。而对能量的认识更是存在许多分歧。那么什么是能量？能量与物质有什么联系呢？简单地讲，能量是客观存在的，它是宇宙存在的最普遍形式与表现。换言之，宇宙完全是由能量形成的。能量的表现形式多样，暗物质、暗能量、电磁能量场、物理能、化学能、物质等都是能量的表现。能量可以分为三类，一类是较稳定的、难以观测的非物质形态类的“气”能量，这类物质包括暗物质、暗能量；另一类是极不稳定的、较难观测的电磁能量，包括热能、意识能、物理化学能等；最后一类才是较稳定的、易观易测的物质（能量），这类物质种类繁多，丰富多彩的世界主要是靠它来表现。物质是能量的聚积体、载体，物质的一切特性都是通过能量来表现的，其中物质做功的能力实质就是能量运动、转移的过程。因此不仅物质是“能量”，而且从属于物质特性的能量也是“物质”，当然它更是能量。

一、时间的本质是什么

我们经常问“现在几点了？”“现在是什么时间？”然而细想一下，时间是什么?文学家说，时间是铁面无私的法官；企业家说，时间是金钱；医生说，时间是生命。诸如此类说法，均涉及人的情感。那么我们平时看到的时钟、手表的秒针、分针、时针在“兜圈”，就能代表时间吗？其实这些只是我们把时间转换成了一种直观的、易理解的方式而已。只有科学家才是关于时间的最公正的裁判。

到目前为止，科学家已认识到时间具体有两重性：对称性(或可逆性)及其破缺(或不可逆性)。对称性时间源自牛顿力学，按照这种时间观，现在、过去、未来是没有区别的，如行星无休止的圆周运动，钟表指针圈复一圈及气候春夏秋冬年复一年的循环。

时间的本质是什么？

19世纪中期，英国的开尔文等发现了热力学第二定律。按照这个定律，物质和能量只能沿着一个方向转换，即从可利用到不可利用，从有效到无效，从有秩序到无秩序。如煤燃烧后，成为无法生热的煤灰，并向大气层放出二氧化碳等废气。这就意味着时间对称性的破缺，宇宙万物从一定的价值与结构开始，不可挽回地朝着混乱与荒废发展，不同时刻的价值与结构不相同。第二定律揭示了一种时间“退化”的非对称性。

几乎与此同时，进化论者发现了发生在生物界和人类社会的时间对称性破缺，创立了进化时间观。达尔文认为，地球上的生物处在不断进化之中，从简单到复杂，从生命的低级形式向高级形式，从无区别的结构到互不相同的结构。马克思认为，人类社会是逐渐由低级向高级，向更加完善更加有序的阶段发展的。与退化论者恰成对照，进化论者的这些发现是令人十分乐观的：随着时间的流逝，宇宙将进化得越来越精美，不断地向更高水平发展。

在一个受精卵发育成人的过程中，体内的组织逐渐从简单向繁多精密发展。从脱离母体到成年(约20～35岁)，人体器官逐步向功能完善发展。从成年到40岁左右，人体各器官的功能基本保持不变。此后，人体各器官的功能逐渐衰老，直至生命的消失。时间伴随了人一生的全过程，从人的一生依稀可见时间的进化性、对称性和退化性的缩影。

20世纪40年代的大爆炸模型和20世纪80年代的爆胀模型揭示了时间在宇宙尺度上的对称性破缺：约200亿年前，宇宙还是一个质量密度无限大的“奇点”，一次巨大的爆炸，并经过200亿年的近光速膨胀，形成了现在的宇宙，且还在膨胀。在基本粒子领域，美国科学家克罗宁和菲奇发现了时间对称性自发破缺的现象：C介子在衰变过程中，对于空间反射和电荷共轭变换不守恒，从而说明了时间反演对称性自发破缺。

与此同时，时间还具有周期性和参照性。时间的引入是我们可以同时观察到不同的进程，进而在不同的进程中对比出快慢先后。人类利用看起来周而复始的时间来做标准，来描述物体的发展变化过程，如四季变化、日月星辰的交替，导致宏观的时间变化成了相对论时间。当然，不可否认时间也是具有同时性的，是人类所选的参照物的不同才让时间有了运动感。

爱因斯坦曾认为，时间不过是人的主观“幻觉”而已。如上所述，时间是具有客观性。但不可否认，时间确与人的主观性有联系。尽管现代科技相当发达，可是时间机器仍是人类的一大梦想，因此，搞清楚时间的最终本质是科学家的一大愿望。

二、空间的本质

任何事物都处在一个空间的范围之内，离开了空间，这些事物将不会存在，空间是具体事物的组成部分，但是空间作为一个抽象的物质概念来说，它又是无物，这样看来对于空间的研究似乎十分具有矛盾性。那么空间究竟是一个什么样的概念呢？揭开空间的奥秘必定在物理学方面具有十分重要的意义。

哲学中空间的概念

在哲学中，空间被定义为：空间是具体事物的组成部分，是运动的表现形式，是人们从具体事物中分解和抽象出来的认识对象，是绝对抽象事物和相对抽象事物、元本体和元实体组成的对立统一体，是存在于世界大集体之中的，不可被人感到但可被人知道的普通个体成员。

空间是具体事物的组成部分，是具体事物具有的一般规定。眼睛可以看到、手可以触到的具体事物，都是处在一定空间位置中的具体事物，都具有空间的具体规定，没有空间规定的具体事物是根本不存在的。

人存在于地球的空间自然环境之中，地球存在于太阳系的空间环境之中，太阳系存于于银河系的空间环境之中，银河系存在于宇宙的空间环境之中，大爆炸形成和产生的宇宙也有时间和空间的具体规定，也是存在于具体时间和具体空间之中的具体事物。脱离了一定空间位置规定的地球、太阳、银河系、宇宙，就不是人们所指称的同一个具体的地球、太阳和银河系了。

空间是运动的存在和表现形式。

运动有两种具体的表现形式：行为和存在。行为是相对彰显的运动，存在是相对静止的运动。

具体事物只有在一定的空间里才能存在。一滴水、一粒沙、一个原子、一线光都存在于一定的空间里，都有一定的空间。

位置作为表现形式。一切具体的行为、现象、事件都在具体空间里发生、发展和结束，都以具体的空间规定作为表现形式。

空间不仅是具体事物存在的表现形式，而且也是抽象事物存在的表现形式。

运动是具体事物的表现形式，是具体事物的组成部分，是人们从具体事物中分解和抽象出来的认识对象。空间是运动的组成部分，是运动的表现形式，是人们从行为和存在中分解和抽象出来的认识对象。所以可以十分准确地说，空间是人们对具体事物进行多次分解和抽象，从具体事物中分解和抽象出来的认识对象。

空间是绝对抽象事物和相对抽象事物、元本体和元实体组成的对立统一体。

绝对抽象事物或元本体是每个具体事物和每个相对抽象事物共同具有的一般规定、规律、性能和本质，是人们从每个具体事物和相对具体事物中分解和抽象出来的认识对象。

相对抽象事物或元实体是个别具体事物或个别种类的具体事物分别具有的特殊性规定、规律、性能和本质，是人们从不同个体、不同种类的具体事物中分解和抽象出来的认识对象。

物理学中空间的概念

事物都是可以一分为二的，空间也不例外。空间是具体空间和一般空间组成的对立统一体。

什么是具体空间？具体空间是有具体数量规定的认识对象，是有长、宽、高三维规定的空间体，是一般空间的具体存在和表现形式，是存在于具体事物之中的相对抽象事物或元实体。

什么是一般空间？一般空间是没有具体数量规定的认识对象，是无长、宽、高三维限制的空间体，是具体空间的本质和内容，是存在于具体事物和相对抽象事物之中绝对抽象事物或元本体。

空间是存在于世界大集体之中的不可被人感到但可被人知道的普通个体成员。

世界是具体事物组成的统一体。个别具体事物是存在于世界大集体之中的，可以被人的感觉器官感到的普通个体成员。

具体事物是包含许多规定的认识对象，是多种规定的总和，是多样性的统一。人们通过对不同个别具体事物的比较，可以发现每个具体事物分别具有的特殊性规定和普遍性规定，然后把具体事物具有的特殊性和普遍性规定，从个别具体事物中分解和抽象出来并加以冠名，由此形成和产生了不可被人感到但可被人知道的各种各样的抽象事物。

抽象事物是具体事物的组成部分，是具体事物具有的各种规定、性能和本质，是具体事物被人的思维层层分解和逐级抽象形成和产生的分解体，是存在于具体事物大集体之中的普通个体成员。

空间是普通名词表述的抽象事物，它同普通名词表述的其他抽象事物一样，都是不能被人的感觉器官感觉到的认识对象。人的眼睛不能看到抽象一般的人、山、水果，人的手也不能触摸到抽象一般的工具、没有温度的水，没有硬度的石块。空间同人、石块、水果、工具、水都是不可被人感到但可被人知道的抽象事物，都是具体事物家庭集体中地位平等的个体成员。

世界是具体事物组成的统一体，个别具体事物是世界大集体中的普通个体成员。抽象事物是具体事物组成部分，是具体事物的家庭成员，因此，每个抽象事物都是世界的组成部分，世界存在与每个具体事物和每个抽象事物之中，每个具体事物和每个抽象事物都是存在于世界大集体之中的具有自身规定的普通个体成员。

对时间和空间的本质的总括

时间和空间具有共同的规定和本质，它们是相互联系的统一体。

（1）时间和空间同属于抽象事物，它们具有共同的来源，都是人们从具体事物之中分解和抽象出来的有关规定组成的认识对象。

（2）时间和空间都是绝对抽象事物和相对抽象事物、元本体和元实体组成的对立统一体。

（3）一般时间和一般空间是名称不同，内涵和外延完全相同的同一个绝对抽象事物或元本体

（4）具体时间和具体空间都具有数量的规定性。具体时间和具体空间是密不可分的统一体。

一个具体事物不仅同一定数量规定的具体时间段相联系，而且也同一定数量规定的具体空间体相联系。一定的具体时间段必定同一定的空间体相统一。具体时间离不开具体空间，具体空间也离不开具体时间。个别具体事物具有的时间和空间规定，可以用平面几何学坐标系上的一个坐标点来表示，时间和空间就是横竖坐标轴，每个具体事物具有的时空规定坐标点同时空横竖坐标轴具有垂直对应的关系。

时间和空间也具有不同的规定和特征，它们是相互对立的不同认识对象。

（1）时间和空间具有不同的数量单位。时间的单位是年、月、日、时、分、秒等，空间的单位是平方米、平方千米、立方米、立方分米、立方厘米等。

（2）时间和空间具有不同的维数特征。时间的特征是一维的，空间的特征是三维的。

时间和空间是两个不具体的抽象概念，研究时间和空间的本质问题，对于了解宇宙万物的发展变化等各方面是十分有帮助的。

三、物质的本质

宇宙很大，在宇宙中所包含的物质也有很多，但是，在这些繁琐的物质中，它们有什么特性没有，一切物质的本质特征又是什么呢？

世界是物质的，物质是运动的，因而物质和时空是不可分的，离开物质的时间和空间是毫无意义的，脱离时空的物质也是不存在的，物质在时空中的运动变化决定了万物的千姿百态。尽管万物的具体形态纷繁复杂、无穷多样，科学却发现了万物的三种最基本的存在形式和特征，即物质、能量和信息，宇宙中一切物质系统都是由这三个基本要素组成的，三者从本质上是相互区别的，在具体事物中又是不可分割的三个组成部分。当今世界上各门科学归根到底研究的都是它们在时空中的变化规律和内在本质。

哲学上讲的物质和物理学上讲的物质概念是不一样的，不过随着人们实践能力的提高，物质概念最终一定会达到统一的。

哲学上的物质其实是针对绝对时空而言的，揭示的是物质的真正本质。通过前面对时空本质的阐述，我们可以认为哲学上物质的完整含义是：“物质是在绝对空间中占有体积，具有质量、能量和信息，并为人的意识所反映，同时又能被意识反作用的客观存在。物质既不能被创生，又不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。”

物质的根本特性是客观实在性，所以它可以用质量来度量，这里的质量同物理中的质量概念既有区别又有联系，它有物质的数量的含义，而物理学中质量是物体惯性大小的量度。一般情况下，物质的数量越大惯性也越大，我们可以认为这时的惯性就是物质数量多少的度量。在绝对空间中任何物质都是具有质量的，宇宙中全部物质的质量是一个恒量，即物质的总数是不变的。物质在相对空间中可以静止，也可以运动，运动速度可以很慢，也可以很快。但在绝对空间中物质却是永恒运动着的。

现代物理学研究的则是相对时空中的物质，认为看得到摸得着或通过仪器直接观察到的在相对空间占有体积、具有质量的就是物质，它运动的速度只能低于光速，还可以在相对空间长时间静止，甚至能被消灭或创生，因而有物质湮灭和质能转换的说法，并导出质能联系方程式 E=m c2，从方程式中可以看出，物质有多大质量就能转化为多大的能量，能量被物质吸收后总能找到对应的质量，物质损耗质量时总能找到对应的能量。

如果我们掌握了物质的本质，就应该明白，物理学中所谓的物质湮灭，实质上是物质存在形态上的改变，即它从一种有形物质变为另一种无形物质，并没有在这个世界上消失，它永远存在于绝对空间。当自然界中的宏观物质获得能量达到一个极值时，就会引发它本来蕴藏的巨大内能，从而使其解体疏散化为更加微细的特殊物质（各种基本物质和能量）融入相对空间中（有形化无形），具有能量的相对空间在一定的条件下又可以转变成聚集态的宏观物质，这就是常规物质的隐显变化过程，我国古代先哲早就认识到这个规律，“聚则成形，散则成气”就是对此现象的生动描述。

天地万物通过不断地交换能量和聚散能量，使静止变运动，运动变静止，有形化无形，无形变有形，这就造成了大千世界的风云变幻和千姿百态。尽管宏观物质形态变化无常，种类繁多，科学家却认为它们都是由为数不多的相对稳定的基本粒子组成的。

人类很早就在探索组成万物的基本成分是什么，大约2500年前，希腊哲学家德谟克里特等人认为物质是由一些不可再分的称为原子的粒子组成的，在20世纪三四十年代西方科学提出了“基本粒子”这一名称。当时指的是已知的质子、中子、电子、光子，其后一二十年中，又陆续发现许多粒子，包括μ子、中微子、各种介子、超子以及所有已知粒子的反粒子共有百余种。20世纪60年代，许多科学家纷纷提出关于“基本粒子结构的各种模型，其中最成功的是1964年盖尔曼和茨威格，同时独立地提出夸克模型，1965~1966年间我国高能物理工作者提出关于强子结构的层子模型，认为夸克之类基元是一种实体性的粒子，而且是微观世界某一层次的特征，称为层子，并为此做了不少理论工作。科学家们虽然经过不懈的努力，但至今未能找出一个孤立的夸克，却在探索过程中寻找出300多种基本粒子，将微观层次的研究逐渐推向极点。越来越多的事实证明基本粒子并不基本，它们也是由更加微小的物质组成，对此，中国古人早有见解，哲学家公孙龙曾经用“一尺之棰，日取其半，万世不歇”的形象比喻表达了物质无限可分的深奥哲理，从数学上也可以证明，一个大于零的数，不论它多么小都可以一直分下去，直到永远。理论上物质是无限可分的，实际上当今科学只能将物质分解至光子这一层次（场态物除外），再往下分则无能为力了。在此方面，还是古老东方的生命科学家技高一筹，他们以人体自身这个宇宙间最精密最灵敏的仪器作为实验工具，凭借超凡的直觉力和洞察力，内视体察到天地万物的原始物质是一种相对稳定却又不断变化着的极其精微的物质，他们把它叫“炁”，这种物质仍然具有能量、包含信息，故又称为“混元气”，“炁”既有粒子特性又有波场的特性，它存在于一切物质之中，又在一切物质之外。

“炁”是某一时空层次中的基本物质，故能万古长存，它保持稳定的方式同宏观物质系统一样，也是依靠不断地和外界交换物质能量信息（不过这些物质能量比现代科学上的物质能量更加细微），同时依靠这种方式与外界保持着普遍联系，因而混元气又是不断变化着的，并且具备多种特性，内部信息成分不同的“炁”可以组成各种基本粒子和自然力，再通过这些基本粒子和自然力的相互作用就产生了小至原子分子，大至天体星系的一切人们所能感知到的现实物质。

物质是不依赖人的意识并能为人的意识所反映的客观事物，整个世界是客观存在的物质世界。了解宇宙物质的本质特征的奥秘对于掌握物理学中的物质转换等具有很好的指导意义。

四、能量转化的本质

能量是一种客观存在，自然界的万物都是它的表现形式。与物质都存在反物质一样它也有相对的反能量。当他们相遇时系统就恢复平静了，就什么都没有了，就不存在了。

能量以多种形式出现，包括辐射、物体运动、处于激发状态的原子、分子内部及分子之间的应变力。所有这些形式的重要意义在于其能量是相等的，也就是说一种形式的能量可以转变成另一种形式。宇宙中发生的绝大部分事件，例如恒星的崩溃和爆炸、生物的生长和毁灭、机器和计算机的操作中都包括能量由一种形式转化为另一种形式。

能量的形式可以用不同的方法来描述。声能主要是分子前后有规律的运动；热能是分子的无规则运动；重力能产生于分隔物体的相互吸引；储存在机械应力中的能量，则是由于分离的电荷相互吸引的结果。尽管各种能量的表现形式大不相同，但是，每种能量都能采用一种方法来测量，这样就能够搞清楚，有多少能量由一种形式转化为另一种形式。不论什么时候，一个地方或一种形式的能量减少了，另一个地方或另一种形式就会增加同样数量的能量。在一个系统中不论发生渐变还是骤变，只要没有能量进入或者离开这个系统，那么系统内部各种能量总和将不发生变化。

但是，能量确实可以从系统边界渗漏出去。特别是能量转换会导致产生热能，通过辐射和传导的方式泄漏出去。如通过发动机、电线、热水罐、我们的躯体和立体音响。而且，当热在流体中传导或辐射时，激起的流动通常促发了热量的转移。尽管传导或辐射热能很少的材料可用来减少热能的损耗，但也无法完全避免热能的流失。

这样一来，转换的能量总和几乎总是在减少。例如，在坐汽车旅行时，几乎所有储存在汽油分子中的能量，通过摩擦和消耗转换了，使行驶汽车的路面和空气的温度略微上升。即使采取措施使这些能量免于泄漏，它也会均匀地扩散而不再对我们有用。这是因为，只有当集聚起来的能量超过其他地方时（如瀑布、燃料和食物中的高能分子、不稳定的原子核和来自炽热太阳的热辐射），能量转换才能完成。当能量转换成热能向四处扩散，进一步的转换就会减少。

至于热量由温暖的地方向寒冷的地方扩散的原因，是一个概率问题。物质中的热能是由不相互碰撞的分子或原子的无序运动产生的。当物体某一区域极大数量的原子或分子和邻近区域的原子和分子重复进行着不规则的碰撞时，两个区域分得同等由不规则撞击产生的能量的方式要比在一个区域集中更多能量的方式多得多。这种热能无规则地分配，比热能有序地集中更为常见。通常，概率统计表明任何分子或原子的相互作用，都将以比开始时更大的无序告终。

然而，只要有些系统增加无序性，有的系统完全有可能增加有序性。例如，人类器官细胞，总是忙于增加制造复杂的分子和使身体结构的有序。但是，这种有序性花费的代价是增加了我们周围的无序，如要分解我们吃下去的食物的分子结构和使我们周围的环境变暖。结论是，无序的总量总是在增加。

不同的能量水平总是与分子不同原子结构相联系。有些结构变化需要补充能量，有些结构变化则可释放能量。例如，为了点燃炭火（即从木炭中减少掉一些碳原子）必须先提供热，但是，当氧分子和碳原子化合变成低能化合物——二氧化碳分子时，更多的能量作为光和热释放出来。叶绿素分子能被太阳光激发成高能结构，又反过来激发二氧化碳和水的分子。所以，使它们连接起来，经过几个步骤，它们能结合起来变成糖分子的高能结构和释放出一些氧气。随后，糖分子可能又与氧发生反应，再次形成二氧化碳和水分子，来自阳光的额外能量又会转移到其他分子中。

事实已经证明，在分子或比分子更低的层次，能量与物质的产生是不连续的。当一个原子或一个分子的能量由一个能级以一定的跳跃方式转变成另一个能级时，两种能级之间不可能有其他等级。这种原子水平的量子效应产生的现象与我们熟悉的现象大不相同。当辐射遇到原子时，如果辐射能够给以恰好的能量，原子的内能就能被激发到较高的能级。同样，当原子的能级下降一级时，就会产生一定不连续量的辐射能。所以，利用物质发出的光或吸收的光，可以鉴定是什么物质，以此来确定这些物质是在实验室里，还是在遥远恒星的表面上。

原子核反应所产生的能量，比原子外层电子结构间反应（即化学反应）所产生的能量要多得多。当重原子核，如铀核、钚核分裂成较重原子核时，以及当轻原子核，如氢核聚变成较重的核时，就会释放出大量的能量，变成辐射和快速运动的粒子。一些重核裂变时，同时产生了额外的中子，这些中子又触发了更多的原子核裂变，发展下去就引起连锁反应。然而，只有当原子核间以极高的速度撞击（克服了两枚之间的正电排斥力），才会发生核聚变，这种撞击需要的超高温，可在恒星的内部形成，或者通过核裂变爆炸产生。

能量转化是自然界的一种必然的规律，揭开能量转化的本质，对于研究能量的开发和利用将有很大的帮助，对于人类的生产和生活将大有裨益。

五、宇宙物质——黑洞

人类对宇宙的研究永无止境，在这浩瀚无垠的宇宙中蕴藏着无数深奥的玄机，使人着实为之着迷，宇宙黑洞就是一个深不可测的谜。

宇宙黑洞简介

黑洞是一个在天文学中较晚出现的概念，在天文界中颇具神秘性，对于一般人来说更是无法想象。黑洞其实是一个空壳子般的天区，但它又是宇宙中密度最高的地方。黑洞有巨大的引力，连光都被它吸引。黑洞中隐匿着巨大的引力场，这种引力大到任何东西，甚至连光，都难逃黑洞的手掌心。黑洞不让其边界以内的任何事物被外界看见，这就是这种天区在1969年被美国物理学家约翰·阿提·惠勒称为贪得无厌的“黑洞”的缘故。我们无法通过光的反射来观察它，只能通过受其影响的周围物体来间接了解黑洞。据猜测，黑洞是死亡恒星或爆炸气团的剩余物，是在特殊的大质量超巨星坍塌收缩时产生的。

科学观点解释黑洞

黑洞其实也是个星球(类似星球)，只不过它的密度非常非常大，靠近它的物体都被它的引力所约束，不管用多大的速度都无法脱离。对于地球来说，以第二宇宙速度（11.2千米/秒）来飞行就可以逃离地球，但是对于黑洞来说，它的第三宇宙速度之大，竟然超越了光速，所以连光都跑不出来，于是射进去的光没有反射回来，我们的眼睛就看不到任何东西，只是黑色一片。

因为黑洞是不可见的，所以有人一直置疑，黑洞这种物质是否真的存在。如果真的存在，它们到底在哪里？

黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程；由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，然后被压缩为一个密度高到难以想象的物质。巨大的引力使任何靠近它的物体都会被它吸进去，黑洞就变得像贪吃鬼一样。即使是光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系，于是“黑洞”就诞生了。

我们要用爱因斯坦创建的广义相对论——引力学来理解黑洞的动力学，并理解它们是怎样使内部的所有事物逃不出边界，引力学说适用于行星、恒星，也适用于黑洞。爱因斯坦在1916年提出来的这一学说，说明空间和时间是怎样因大质量物体的存在而发生畸变。简言之，广义相对论说物质弯曲了空间，而空间的弯曲又反过来影响穿越空间的物体的运动。

爱因斯坦的学说认为质量使时空弯曲。我们不妨在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这一情景：石头的重量使得绷紧了的床面稍微下沉了一些，虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的，但其中央仍稍有下凹。如果在弹簧床中央放置更多的石块，则将产生更大的效果，使床面下沉得更多。事实上，石头越多，弹簧床面弯曲得越厉害。

同样的道理，宇宙中的大质量物体会使宇宙结构发生畸变。正如10块石头比1块石头使弹簧床面弯曲得更厉害一样，质量比太阳大得多的天体比等于或小于一个太阳质量的天体使空间弯曲得厉害得多。

如果一个网球在一张绷紧了的平坦的弹簧床上滚动，它将沿直线前进。反之，如果它经过一个下凹的地方，则它的路径呈弧形。同理，天体穿行时空的平坦区域时继续沿直线前进，而那些穿越弯曲区域的天体将沿弯曲的轨迹前进。

假如在弹簧床面上放置一块质量非常大的石头代表密度极大的黑洞。当然，石头将大大地影响床面，不仅会使其表面弯曲下陷，还可能使床面发生断裂。类似的情形同样可以宇宙出现，若宇宙中存在黑洞，则该处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的破裂叫做时空的奇异性或奇点。

那么为什么任何东西都不能从黑洞逃逸出去呢？正如一个滚过弹簧床面的网球，会掉进大石头形成的深洞一样，一个经过黑洞的物体也会被其引力陷阱所捕获。而且，若要挽救运气不佳的物体需要无穷大的能量。

我们已经说过，没有任何能进入黑洞而再逃离它的东西。但科学家认为黑洞会缓慢地释放其能量。著名的英国物理学家霍金在1974年证明黑洞有一个不为零的温度，有一个比其周围环境要高一些的温度。依照物理学原理，一切比其周围温度高的物体都要释放出热量，同样黑洞也不例外。一个黑洞会持续几百万万亿年散发能量，人们把黑洞释放能量称为：霍金辐射。黑洞散尽所有能量就会消失。此外，黑洞还能释放红外线。超大质量黑洞发生碰撞后就会形成的持续“红外线晚霞”，这些晚霞能持续发光10万年。借助于美国宇航局“斯皮策”太空望远镜并利用其红外探测功能可观测到此类红外线呈现的绚丽晚霞。

我们都知道因为黑洞不能反射光，所以看不见。在我们的脑海中黑洞可能是遥远而又漆黑的。但英国著名物理学家霍金认为黑洞并不如大多数人想象中那样黑。霍金指出黑洞的放射性物质来源是一种实粒子，这些粒子在太空中成对产生，不遵从通常的物理定律。而且这些粒子发生碰撞后，有的就会消失在茫茫太空中。一般说来，可能直到这些粒子消失时，我们都未曾有机会看到它们。

“黑洞”无疑是当今最有挑战性、最让人兴奋不已的天文学说之一。许多科学家也正在不断地努力揭开它那神秘的面纱。相信不久的将来有更多的新成果展现在我们面前。

六、暗物质和暗能量

大自然中存在着各种各样的物质，但是还存在着一种已知物质外的东西——暗物质。暗物质是科学界中最大的谜，我们虽然知道它的存在，但却不知它的庐山真面目，然而它所拥有的能量却是人类已知物质的能量的5倍多。因此，许多科学家对它产生了十分浓厚的研究兴趣。

然而暗能量更是神奇，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上，这个数字足以让人惊讶不已。

谁最先发现暗物质

1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的形状，以及宇宙的过去与未来。然而目前所观察到的宇宙密度远远比标准值小100倍。然而爱因斯坦认为宇宙是有限封闭的，因此，在同一个宇宙空间里，宇宙密度减小，宇宙质量也在减小，也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。

一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。

还有另一类暗物质，它的构成成分是一些中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。

在重力透镜效应下观测到的暗物质星系内部大部分物质是连那些非常灵敏的太空望远镜也窥测不到的“暗物质”。1930年初，瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据星体或气团围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。

天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子物质约占2%，也就是说，宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%，98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。

长期以来，被看好的暗物质只有基本粒子，因为它寿命长、温度低、无碰撞的持续性。寿命长是因为它必须与目前宇宙年龄相当，甚至更长；温度低是因为低温时粒子间互相脱离时才能在引力作用下迅速成团。然而中微子和反中微子以及轴子却具有以上特点，成为暗物质的候选者。标准模型给出的62种粒子中，能够稳定地独立存在的粒子只有12种，它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和引力子。这12种稳定粒子中，电子、正电子、质子、反质子是带电的，不能是暗物质粒子，光子和引力子的静止质量是零，也不能是暗物质粒子。因此，在标准模型给出的62种粒子中，有可能是暗物质粒子的只有3种中微子和3种反中微子。

20世纪80年代初期，美国天文学家艾伦森发现，距我们30万光年的天龙座矮星系中，许多碳星(巨大的红星)周围存在着稳定的暗物质，即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的，它们会到处乱窜，只有运行很慢的“冷粒子”才能被束缚住。物理学家认为那是“轴子”，它是一种非常稳定的“冷微子”，质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。

轴子模型是否成立，它能构成暗物质，最终得由实验来验证。最近，还有人提出，暗物质可能是一种称作“宇宙弦”的弦状物质，它产生于大爆炸后的一秒内，直径为一万亿亿亿分之一厘米，质量密度大得惊人。这种理论是否成立仍是个谜，同样有待科学家进一步研究。

目前，世界各国的粒子物理学家正在这个领域用一些常规的天体现象以及普通的天体物理过程来解决人类对于暗物质的不解之谜，相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了。

七、时间的相对性的研究

时间本是一个十分抽象的名词，因此我们需要正确把握时间的内在特征。在物理学中，时间是通过物理过程来定义的，首先在一个参考系（要求是惯性系，或者是非惯性系，但过程发生的空间范围无穷小）中，取定一个物理过程，设其为时间单位，然后用这个过程和其他过程比较，以测定时间。

时间的特性可以通过测量确定

1687年牛顿在他的名著《自然哲学之数学原理》中说：“绝对的、真实的、数学上的时间，以同样的方式流动，与外界的一切毫无关系。”因此牛顿认为，一只钟（或一根尺）无论静止还是运动，它的快慢（或长度）总是不变的。200多年后，年轻的爱因斯坦对此提出了疑问，他认为，牛顿的这个一直被认为是很清楚的假设，实际上一点也不清楚，必须谨慎地对它进行分析。

只要稍加思考就会觉得，牛顿的时间“滴答”和宇宙其他一切无关的理念是有问题的。我们常说“抽一支烟的工夫”，这句话生动地说明时间是与物质运动变化不可分割的，事实上时间观念和一些具体事物密切有关。例如钟摆的摆动、地球的轨道运动、晶体或原子的振动，以及一切物理过程、化学过程、生命过程等等。因此爱因斯坦对时间的基本看法是，时间与客观物质的存在及其运动密切有关，没有客观物质和它们运动变化过程的存在，也就没有时间的概念。因此，时间应当与物质的运动状态有关，不可能是绝对的。为了回答时间究竟是相对的还是绝对的这个问题，爱因斯坦认为，可以通过实验测量来决定。具体来说，需要谨慎地设计出合理的方案，让相对静止和相对运动的观察者对同一只钟或同一把尺进行测量，然后对测量结果进行比较。爱因斯坦重要的贡献在于，将时间这个看来相当抽象的问题建立在实验观测基础之上，由此时间进入了物理学的范畴。

通过理想实验，可以揭示出时间的特性

为了测量时间，研究它的特性，用通常实物所构造的钟（包括单摆、地球绕太阳的公转、晶体或原子的振动等）是不合适的，因为这样一来，必须同时研究构成钟的物质的存在对时间特性的影响，从而使问题复杂化。为此，爱因斯坦设计了如图所示的“理想实验”，其中所用的钟不含任何部件，唯一运用的是光的运动，而爱因斯坦认为，光的运动速度对于不同惯性系观察者来说，是绝对相同的，大家知道，“理想实验”在物理学发展中常常起到关键性作用，伽利略用理想实验揭示了物体的惯性，为牛顿力学的建立打下了基础。爱因斯坦利用“光钟”、“光尺”所做的理想实验，揭示了时、空的相对性，建立了作为现代物理学两大支柱之一的相对论。设想在一列以速度v做匀速直线运动的列车上，有位旅客对准竖直上方 h 高处的一面反光镜打出激光束，对于他以及所有列车上的人（称为“静系”）来说，这束激光从发出至回到光源位置［见图(a)］作为“滴答”一次的时间间隔为 t0=2h /c。

现在要问，地面上的观察者将怎样看待这个测量结果？从地面上看，这是一只运动的“光钟”，在光传播过程中列车向前行进了一段距离，因此地面上的人（称为“动系”）认为，这只光钟“滴答”一次的过程中光束是沿路径ABC传播的［见图（b）］，它所通过的路程大于2h，如果光速仍然是c，那么在他们看来，这只运动光钟“滴答”一次的时间Δt就会长些。进一步应用勾股定理，可得到定量关系：Δt＞Δt0。此结果表明：运动的钟变慢了。

如果将列车里的这只光钟搬到地面上，那么可得到类似的结果：列车里的人发现，这只运动光钟变慢了。因此，如果光速对于不同惯性系相同，则时间流逝的快慢就会与观察者的相对速度有关，这就是“时间相对性”的含义。

钟的“滴”事件和“答”事件可想象为一个化学过程的开始和结束；一个基本粒子的产生和淹灭；一个生命体的诞生和死亡；静止钟的“滴”事件和“答”事件发生在同一地点。因此，任何两个事件在某一惯性系里若发生在同一地点，则该参考系中测得这两个事件的时间（间隔）就称为“静时（间隔）”。静时（间隔）最短，或者说，静系中时间的流逝最快。

时间的相对性起源于“光速不变性”

与爱因斯坦的看法相反，在牛顿力学中，光速与一切其他通常物体的速度一样，都是相对的。如果这样，则根据牛顿力学中的速度合成公式证明，光束沿该路径的传播时间（间隔）Δt=2h/c=t0。这个结果显示了牛顿力学中时间的绝对性。可见，如果光速是相对的，那么时间就是绝对的（牛顿力学）；反之，光速是绝对的，那么时间就是相对的（相对论）。

空间相对性与时间相对性密切有关

如果承认“时间是相对的”便可立即得到一个推论：“空间是相对的”。因为，当人们用钟和尺做测量光速的实验时，运动的钟与静止的钟相比，走得慢些，所以沿运动方向的动尺的长度（L）与静尺（L0）相比，必然按同样的比例缩短以便保证光速不变。可见，空间相对性与时间相对性密切有关。而且根据爱因斯坦的观点，光速不变性是人类通过长期实践所认识到的大自然的一个基本法则，时空的相对性只是这个基本法则的必然结果。

光速究竟是相对的还是绝对的

力学中，常常将时间、空间和质量称为“基本量”，其他物理量，如速度、加速度、能量、动量等通称为“导出量”。可见时空的性质将严重影响其他所有物理量的性质以及所有物理规律的特征。现在我们又认识到，时空的绝对性或相对性问题实质上起源于光速的相对性或绝对性问题。光速究竟是相对的还是绝对的这个问题，生活在17世纪的伽利略和牛顿从未仔细想过。19世纪末，通过法拉第和麦克斯韦等物理学家的努力，建立了光的电磁理论；另一些科学家则设计了各种实验方案，发明了各种仪器，以便能精确测量光这类高速运动物质的速度。直到那时，物理学家才有条件真正认真地思考光和电磁波这类物质的运动速度是否满足伽利略—牛顿的速度相对性问题。大量精确度越来越高的实验结果表明，光的速度似乎完全不存在相对性。而是具有不变性，即光速不变是绝对的，而建立在光速不变基础上的时间空间则是相对的，这正是相对论时空观念区别于牛顿绝对时空观念的根本之处。牛顿的绝对时空观是建立在存在无限大传播速度基础上的，而相对论时空观则建立在只存在有限的最大传播速度的基础之上的。

八、对同时性的分析

同时是指不同存在者自我展现现象起点、止点或起止点相同，因此同时并非单指时刻相同，也可能是时段相同，如有的科学研究同时性的时刻相同要求非常精密，达到百万分之几秒等，而地球冰川时代我们也认为是同时。爱因斯坦创立“狭义相对论”是从对同时性的讨论开始的。

爱因斯坦在《狭义相对论的意义》中写道:为了完成时间的定义，可以使用真空中光速恒定的原理。假定在K系各处放置同样的时计，相对于K保持静止，并按下列安排校准。当某一时计Um指向时刻 T_m时，从这只时计发出光线，在真空中通过距离 R_mn到时计U_n；当光线遇着时计U_n的时刻，使时计Un对准到时刻 T_n= T_m+ R_mn/c。光速恒定原理于是断定这样校准时计不会引起矛盾。

对于同时性，有主观的同时性与客观的同时性之分。经典力学关于同时性的说法，是客观的。物质每时每刻都在发生变化，由于信号的传递速度限制，不可能均被我们感知，如太阳光照射到地球，需要八分多钟时间。我们感知的，也只是光线传递来的八分多钟以前的太阳的信息，现在太阳什么情况，只有以后才能知道。

主观的同时性表面上没人赞成，实际上远非如此。用光信号作为两点间同时性的校对信号，不失为一个良好的办法。但这种办法推广到任意点之间进行同时性的校对，就会出现一种错误情况。

比如Ａ地发射一个光信号给Ｂ地和Ｃ地，但Ｂ地与Ｃ地距Ａ地不一样远。那么Ａ地校对时间起始点时，因先后接到两个返回信号，它的起始位置就不能确定：与Ｂ同时时就不能与Ｃ同时，反之亦然。这仅是三点之间的情况，宇宙中有无穷多点的，用光信号进行同时性校对时，实际上既认为光信号具有有限的传播速度，又默认光的速度是无穷大，立即即至。当然，校对了Ａ与Ｂ的同时性，再与Ｃ校对时，可以告知Ｃ应增减多少，但宇宙中的点有无穷多，做到这一点是十分困难的，可以说是根本无力完成的。

运动是相对的，被测物体也是可作为观察者的。

另外，不能只认为有相互作用时才说物体存在。比如太阳光照到地球上需要八分多钟，我们不能把自己感知太阳光时，才说太阳存在。太阳的实际位置也不是我们看到的位置。有人举例说：与我们相距80光年处爆发了一颗新星，有人在20年前写了一本有关新星的书。那么这颗新星不会记载在这本书中。能不能说这本书记叙的完全正确呢？显然是不能够的。因为不管书中记载了没有，80年前这颗新星就诞生了。我们不能要求记叙完全正确，因为我们的活动能力有限，而事物的变化是无限的。我们只能要求记叙基本准确。有许多事情我们这一代人是无法得知的，但不能说那种事情不存在。我们的有些感觉掺进了主观的成分，必须经过思维才能了解真情。

比如，我们感到地面是平的（说海平面更恰当）。可地球是球形，海平面当然只是球面一部分。太阳东升西落，实际是地球自转。这些都只有经过思维，有些还需要经过模拟试验才能得出结论。

例如：在北京至广州的火车上设一个邮递员，车尾挂有邮政专车。

某甲乘客要到广州去，在北京站临上车时，给住在长沙的一个朋友乙写了一封信，说了一些事情。当甲乘了一段车后，想起还有一些事情没交代清楚，在火车上又写了一封信给乙。车上的邮递员很快把信转到车尾的邮政专车上。假设北京站的邮局也把甲的第一封信放在这节专车上，那么长沙的乙同时会收到甲的两封信，甲写信的时间是有间隔的，甲不会承认同时写了两封信。怎样去评价他们说法的是非呢?常识告诉我们，甲是当事人，甲的说法是正确的。乙认为甲同时写两封信是乙的感觉，是不符合事实的。甲的两封信都寄出了，不论乙收到收不到，都是寄了，不能因乙没收到信就断定甲没有寄信。但如果甲在信的末尾准确地写上了他写信的时间，乙在看信时也注意到这一点，乙就会根据信上注明的时间判断甲在什么地方写的信。并能想到，甲在写这些信时，自己分别在干着什么。但是，自然界的情况要复杂得多，物体大都不能把自己发出信号的时间写在信号上，所以人们在接到信号时需要仔细地判断，不然会出现甲乙两人说法不同的情况，可能会得出错误的结论的。

另外，如果乙的住地不在长沙而在郑州，甲的第二封信又是在经过郑州以后发出，那第二封信就与甲的行程相反，情况就更复杂了。

当某人要到朋友那里去而希望朋友到车站给自己帮助时，总是打电话或发电报给自己的朋友，就是因为电话或电报有比信件更快的传递速度。如果写信，除非是几日前就把信寄出，否则就只好由自己去拆信了，希望的帮助是不可能得到的。

如果甲不是乘火车而是乘飞机，飞机中途在武汉停留。甲在北京起飞时寄出一封信，甲在武汉停留时又寄出一封信。如果邮政系统仍以火车送信，那么乙收到甲的第二封信要比收到甲的第一封信要早一些。如果乙粗心一点，就会把信的次序颠倒。当然乙可以从信的内容和注明的时间来做出正确的判断。但是自然界怎样来标明这些信号的先后呢?

对于信件发出的时间，甲的说法是正确的，而乙只有在经过思维分析后才能得到正确的结论。“狭义相对论”否认甲的说法，承认乙的感觉。

“在某个参考系中同一时间，但在不同地点发生的两个事件，在另一个参考系看来，将变成被一定时间间隔分离开来的两个事件”。“在某个参考系中同一地点但在不同时间发生的两个事件，在另一个参考系看来，会变成被一定空间间隔分离开的两个事件”。这两种说法，用“看来”一词表述，只反映观察者的感觉，并不是事实。而这两种说法，却是“狭义相对论”使时间与空间等价且可以互相转换的理论基础。

此外，同时性也是具有相对性的。

如果忽略了信号传递的时间，认为离我们 x 米的光到达我们的眼睛，和离我们 y米的事件的光到达我们的眼睛的时间相同，那么在任何地点观察到两事件发生的时间相同，则其他地点，也一定可以得到这个结论。换种说法，就是“同时”是绝对的。

而实际上信号传递是需要时间的，任何实验，都需要信号传递，我们在相距2光秒的两事件的中点，看到两事件同时发生，则在其中一个事件地点的人，看到另一个事件发生，是在本地事件发生后2秒时发生，所以我们看到的同时，在他看来不同时。所以“同时”不是绝对的，和位置相关，是相对的。这种情况我们称为测量现象，因为不只发生在光测量时，也发生在用声音测量时。

而当信号以无穷大速度传递时，相距有限距离的事件发生的信号，将不需要时间，直接到达测量者的头脑中，则“同时”又对每个测量者相同，是绝对的。

这种情况，我们称为物理本质，或“想象”现象。

由此论述可知，同时性的相对性问题，正是由于信号传递的慢引起的，即使信号传递是用光，在距离足够远时，也明显存在同时的相对性问题。

物理学中几个有趣现象的探讨

物理学的概述

物理学是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的自然科学。在现代，物理学已经成为自然科学中最基础的学科之一。

在物理学领域中，研究的是宇宙的基本组成要素：物质、能量、空间、时间及它们的相互作用；借由被分析的基本定律与法则来完整了解这个系统。物理在经典时代是由与它极相像的自然哲学的研究所组成的，直到19世纪物理才从哲学中分离出来成为一门实证科学。

物理学与其他许多自然科学息息相关，如数学、化学、生物和地理等，特别是数学、化学、生物学。化学与某些物理学领域的关系深远，如量子力学、热力学和电磁学，而数学是物理学的基本工具。

从古时候起，人们就尝试着理解这个世界：为什么物体会往地上掉，为什么不同的物质有不同的性质等等。宇宙的性质同样是一个谜，譬如地球、太阳以及月亮这些星体究竟是遵循着什么规律在运动，并且是什么力量决定着这些规律。人们提出了各种理论试图解释这个世界，然而其中的大多数都是错误的。这些早期的理论在今天看来更像是一些哲学理论，它们不像今天的理论通常需要被有系统的实验证明。像托勒密和亚里士多德提出的理论，其中有些与我们日常所观察到的事实是相悖的。当然也有例外，譬如印度的一些哲学家和天文学家在原子论和天文学方面所给出的许多描述是正确的，再举例如希腊的思想家阿基米德在力学方面导出了许多正确的结论，像我们熟知的阿基米德定律等等。

然而，在物理学中我们经常可以遇到许多有趣的物理问题，有的问题已经经过多年的物理学的研究发展得以揭开其中的奥秘，但是有些则依然是物理学家们所关心以及仔细研究的科目。

物理本来就是一个非常值得我们研究的学科，在日常生活中，我们所遇到的现象以及所运用的道理都是遵循物理学的规律的。物理是一种十分具有严谨性的学科，然而，在严谨的基础上，我们可以利用物理学的理论来对一些十分有趣的现象作出合理的解释。

一、混沌运动的研究

随着科学技术的不断进步，人们的认知能力也越来越高，因此，人们越来越意识到：物理世界是一个充满着非稳定性和随机涨落的复杂体系，单一的决定论或概率论的描述方法并不完备；物理学家要用新的见解来重新考察物质的运动和结构，以便更深刻地描述自然界的真实情况。混沌和分维就是这些新见解的一部分。

运动的非线性和混沌

一般来说，如果一个接近实际而没有内在随机性的模型仍然具有貌似随机的行为，就可以称这个真实物理系统是混沌的。一个随时间确定性变化或具有微弱随机性的变化系统，称为动力系统，它的状态可由一个或几个变量数值确定。而一些动力系统中，两个几乎完全一致的状态经过充分长时间后会变得毫不一致，恰如从长序列中随机选取的两个状态那样，这种系统被称为敏感地依赖于初始条件。而对初始条件的敏感的依赖性也可作为一个混沌的定义。

在物理学中，我们通常研究的是线性问题。所谓线性问题，就是表达该过程的物理学规律，即微分方程式中，只包含函数ψ及其导数的一次项。若含有二次等高次项，则称为非线性的，线性仅是某种程度上的有条件的近似。

与我们通常研究的线性科学不同，混沌学研究的是一种非线性科学，而非线性科学研究似乎总是把人们对“正常”事物“正常”现象的认识转向对“反常”事物“反常”现象的探索。例如，孤波不是周期性振荡的规则传播；“多媒体”技术对信息贮存、压缩、传播、转换和控制过程中遇到大量的“非常规”现象产生所采用的“非常规”的新方法；混沌打破了确定性方程由初始条件严格确定系统未来运动的“常规”，出现所谓各种“奇异吸引子”现象等。

单摆运动是大家所熟悉的，它表现出简谐振动的特征，其中还存在非线性微扰项。在某些稳定过程中，这些微扰项的效应不会表现出来，可以作为线性问题处理；一旦非线性微扰的作用通过自放大过程而不断强化，则会使摆的运动复杂起来。如果在单摆实验装置中，用一枚铁质回形针作摆球，在摆球下方平放一块塑料板，板上粘两块磁性相同的磁铁：这就构成了磁微扰单摆试验装置。调整塑料板位置，使磁铁连线的中点就在摆球的正下方。我们随意把摆球拉开一个小位移，在塑料板上仔细地记下它们的位置，并观察摆球最后停下的位置。不难发现：这些运动的初始点可分为二大类：一类是可以准确地判定摆球最终将停留在哪块磁铁附近，另一类则是无法进行判定的。进而发现，摆球的起始位置越靠近两磁铁的等距点，摆球的运动迹线越复杂，越难预先判定其最终归宿。而若要把这类初始点的位置构成一个集合又是那么地困难：它们凹凸曲折、时断时连，很不光滑，又无穷尽。

实验结果发现，磁微扰单摆运动出现了特异的表现。首先，运动是在决定论中蕴含着随机性，使得对于某些起始条件下的运动结果是不可预测的。其次，存在着运动的非稳定区，系统运动的过程及最终结果对初始条件特别敏感，小位移的大小、方向略有不同也会对未来的过程起重要的作用。最后我们注意到构成这种特异表现的原因，则是系统除受重力作用外，还受到非线性磁微扰的自放大作用。这类对初始条件十分敏感，而且运动的长期效应是不可预测的非线性运动，就是混沌运动。

自然界中的混沌运动

混沌运动是自然界中普遍存在的一种运动形式。有位学者说过：“演化就是混沌加反馈。”古希腊早期的宇宙论中，混沌意味着事物生成前的宇庙的原始空虚状态。中国古代的“天地合气、万物自生”的宇宙论中也有混沌孕育万物元始的认识。但是作为科学术语，人们对混沌的认识还是近代的事。

19世纪初，玻尔兹曼曾提出过分子运动的混沌状态的假设。1831年，法拉第在对以频率ω作垂直振动的容器中的浅水波的观察研究中，发现水波中出现了频率为ω／2的分频成分。我们现在已知道，分频是非线性系统的表现，这种“分岔”往往是系统进入混沌的预兆。1883年，物理学家雷诺在观察液体的对流现象时发现了当相对流动速度快到一定程度后会形成湍流。现在确认湍流也是一种混沌运动。无限折叠也是混沌运动的操作方式之一。1963年美国气象学家洛伦兹在对热对流及大气动力系统中的复杂现象的研究中，首先准确地捕捉到了混沌运动的特征，从而开始了对混沌运动的科学研究。

众多的物理分支学科都发现和揭示了不同的混沌运动。例如，1977年科学家发现低温下通过两个导体之间极薄的绝缘层存在着超导隧道效应，随着增益提高会出现反常噪声。实验在摄氏零下296度低温下进行，噪声的等效温度竟高达摄氏5万度以上。其实，这表明系统进入了混沌态。在天文物理学中人们发现在太阳系统中许多天体是在做混沌运动。例如土卫七，木星行星带中的小行星，甚至冥王星的运动都是混沌运动。在地球物理学中，人们发现地震活动是一种非周期性的混沌运动。在生物物理学中，科学家们发现健康的人的心跳节率是混沌的，大脑的混沌方能使人们对各种刺激作出迅速的反应。

鸟类的混沌现象

除了在物理学之外，1977年b-z化学反应中发现了阵发混沌运动。化学家们推测在催化反应，酶促反应等化学反应系统中都存在着混沌行为。西方的一些经济学家也开始用非线性动力学模型来研究经济，并把混沌引入对经济波动的分析。因此，混沌运动是值得研究的一种普遍运动形式。核压力实验，得出结论：地核温度为摄氏6800度，比以前人们认为的摄氏2100～3100度要高出2～3倍。完全出乎人们意料，它比太阳表层温度摄氏5700度还高。这意味着地核将大量释放能量，为火山喷发、地震、大陆板块活动提供能量，这些能量比人们预想得要多得多。

一群飞鸟和谐无比地从一个方向转到另一方向，从空中猛扑下来时，鸟儿们却不会相互碰撞。这样的情景实在是让人感到惊奇，鸟儿们是怎么做到这一点的呢？

动物学家弗兰克赫普纳对鸟群的运动方式进行了艰苦的摄影和研究后，作出结论：这些鸟并没有领导者在引路。它们在动态平衡的状态中飞行，鸟群前缘中的鸟以简短的间隔不断地更替着。在接触混沌理论和计算机之前，他无法解释鸟群的运动。利用混沌理论的概念，赫普纳现在已经设计出一种模拟鸟群的可能运动的计算机程序。他确定了以鸟类行为为基础的四条简单规则，他确定的规则是：（1）鸟类或被吸引到一个焦点，或栖息；（2）鸟类互相吸引；（3）鸟类希望维持定速；（4）飞行路线因阵风等随机事件而变更。并用三角形代表鸟。变动每条规则的强度，可使三角形群以人们熟悉的方式在计算机监视器上飞过。赫普纳并不认为他的程序一定说明了鸟群的飞行形式，但是他的确对鸟群运动的方式和原因提出了一种可能的解释。

混沌学的另一个重要特点是，它致力于研究定型的变化，而非日常我们做熟悉的定量。这是由它的成立的目的——解决复杂的、多因素替换成为引起变化的主导因素的系统而决定的。它的基本观点是积累效应和度，即事物总处在平衡状态下的观点。它是与哲学一样，适用面最广的科学。

混沌不是偶然的、个别的事件，而是普遍存在于宇宙间各种各样的宏观及微观系统的，万事万物，莫不混沌。混沌也不是独立存在的科学，它与其他各门科学互相促进、互相依靠，由此派生出许多交叉学科，如混沌气象学、混沌经济学、混沌数学等。混沌学不仅极具研究价值，而且有现实应用价值，能直接或间接创造财富。

二、蝴蝶效应的探讨

在我们的日常生活中，有许多特别有意义的物理学现象，这些现象已经在物理学中被广泛地运用到其他许多领域。“蝴蝶在热带轻轻扇动一下翅膀，遥远的国家就可能造成一场飓风。”这就是我们常常所指的蝴蝶效应。

在物理学中，蝴蝶效应是指在一个动力系统中，初始条件下微小的变化能带动整个系统的长期的、巨大的连锁反应。这是一种混沌现象。

蝴蝶效应的由来

蝴蝶扇翅引起飓风

蝴蝶效应的得名以及来源还得从美国麻省理工学院气象学家洛伦兹的发现谈起。为了预报天气，他制作了一个电脑程序，可以模拟气候的变化，并用图像来表示，他用计算机求解仿真地球大气的13个方程式，意图是利用计算机的高速运算来提高长期天气预报的准确性。1963年的一次试验中，为了更细致地考察结果，他把一个中间解0.506取出，提高精度到0.506127再送回。而当他到咖啡馆喝了杯咖啡以后回来再看时竟大吃一惊：本来很小的差异，结果却偏离了十万八千里！再次验算发现计算机并没有毛病，洛伦兹发现，由于误差会以指数形式增长，在这种情况下，一个微小的误差随着不断推移造成了巨大的后果。最后他发现，图像是混沌的，而且十分像一只蝴蝶张开的双翅，因而他形象的将这一图形以“蝴蝶扇动翅膀”的方式进行阐释，于是便有了上述的说法。他于是认定这为：“对初始值的极端不稳定性”，即“混沌”，又称“蝴蝶效应”，亚洲蝴蝶拍拍翅膀，将使美洲几个月后出现比狂风还厉害的龙卷风！

这个发现非同小可，以致科学家都不理解，几家科学杂志也都拒登他的文章，认为“违背常理”：相近的初值代入确定的方程，结果也应相近才对，怎么能大大远离呢！

线性，指量与量之间按比例、成直线的关系，在空间和时间上代表规则和光滑的运动；而非线性则指不按比例、不成直线的关系，代表不规则的运动和突变。如问：两个眼睛的视敏度是一个眼睛的几倍？很容易想到的是两倍，可实际是6～10倍！这就是非线性：1＋1不等于2。

激光的生成就是非线性的！当外加电压较小时，激光器犹如普通电灯，光向四面八方散射；而当外加电压达到某一定值时，会突然出现一种全新现象：受激原子好像听到“向右看齐”的命令，发射出相位和方向都一致的单色光，就是激光。

非线性的特点是：横断各个专业，渗透各个领域，几乎可以说是：“无处不在时时有。”

如：天体运动存在混沌；电、光与声波的振荡，会突显混沌；地磁场在400万年间，方向突变16次，也是由于混沌。甚至人类自己，原来都是非线性的：与传统的想法相反，健康人的脑电图和心脏跳动并不是规则的，而是混沌的，混沌正是生命力的表现，混沌系统对外界的刺激反应，比非混沌系统快。由此可见，非线性在我们身边随处可见。

蝴蝶效应其原因在于：蝴蝶翅膀的运动，导致其身边的空气系统发生变化，并引起微弱气流的产生，而微弱气流的产生又会引起它四周空气或其他系统产生相应的变化，由此引起连锁反应，最终导致其他系统的极大变化。此效应说明，事物发展的结果，对初始条件具有极为敏感的依赖性，初始条件的极小偏差，将会引起结果的极大差异。

蝴蝶效应是混沌学理论中的一个概念。它是指对初始条件敏感性的一种依赖现象。输入端微小的差别会迅速放大到输出端。“蝴蝶效应”也可称“台球效应”，它是“混沌性系统”对初值极为敏感的形象化术语，也是非线性系统在一定条件（可称为“临界性条件”或“阈值条件”）出现混沌现象的直接原因。

蝴蝶效应的含义

某地上空一只小小的蝴蝶扇动翅膀而扰动了空气，长时间后可能导致遥远的彼地发生一场暴风雨，以此比喻长时期大范围天气预报往往因一点点微小的因素造成难以预测的严重后果。微小的偏差是难以避免的，从而使长期天气预报具有不可预测性或不准确性。这如同打台球、下棋及其他人类活动，往往“差之毫厘，失之千里”、“一招不慎，满盘皆输”。长时期大范围天气预报是对于地球大气这个复杂系统进行观测计算与分析判断，它受到地球大气温度、湿度、压强诸多随时随地变化的因素的影响与制约，可想其综合效果的预测是难以精确无误的、蝴蝶效应是在所难免的。我们人类研究的对象还涉及其他复杂系统（包括“自然体系”与“社会体系”），其内部也是诸多因素交相制约错综复杂，其“相应的蝴蝶效应”也是在所必然的。“今天的蝴蝶效应”或者“广义的蝴蝶效应”已不限于当初洛仑兹的蝴蝶效应仅对天气预报而言，而是一切复杂系统对初值极为敏感性的代名词或同义语，其含义是：对于一切复杂系统，在一定的“阈值条件”下，其长时期大范围的未来行为，对初始条件数值的微小变动或偏差极为敏感，即初值稍有变动或偏差，将导致未来前景的巨大差异，这往往是难以预测的或者说带有一定的随机性。

产生蝴蝶效应的内在机制

所谓复杂系统，是指非线性系统且在临界性条件下呈现混沌现象或混沌性行为的系统。非线性系统的动力学方程中含有非线性项，它是非线性系统内部多因素交叉耦合作用机制的数学描述。正是由于这种“诸多因素的交叉耦合作用机制”，才导致复杂系统的初值敏感性即蝴蝶效应，才导致复杂系统呈现混沌性行为。目前，非线性学及混沌学的研究方兴未艾，这标志人类对自然与社会现象的认识正在向更为深入复杂的阶段过渡与进化。从贬义的角度看，蝴蝶效应往往给人一种对未来行为不可预测的危机感，但从褒义的角度看，蝴蝶效应使我们有可能“慎之毫厘，得之千里”，从而可能“驾驭混沌”并能以小的代价换得未来的巨大“福果”。蝶效应用的是比喻的手法，并不是说蝴蝶引起的飓风。

“蝴蝶效应”之所以令人着迷、令人激动、发人深省，不但在于其大胆的想象力和迷人的美学色彩，更在于其深刻的科学内涵和内在的哲学魅力。混沌理论认为在混沌系统中，初始条件的十分微小的变化经过不断放大，对其未来状态会造成极其巨大的差别。我们可以用在西方流传的一首民谣对此作形象的说明。

这首民谣说：

丢失一个钉子，坏了一只蹄铁；

坏了一只蹄铁，折了一匹战马；

折了一匹战马，伤了一位骑士；

伤了一位骑士，输了一场战斗；

输了一场战斗，亡了一个帝国。

马蹄铁上一个钉子是否会丢失，本是初始条件的十分微小的变化，但其“长期”效应却是一个帝国存与亡的根本差别。这就是军事和政治领域中的所谓“蝴蝶效应”。有点不可思议，但是确实能够造成这样的恶果。一个明智的领导人一定要防微杜渐，看似一些极微小的事情却有可能造成集体内部的分崩离析，那时岂不是悔之晚矣？

“蝴蝶效应”的理论以实证手段证明了中国1300多年前《礼记·经解》：“《易》曰：‘君子慎始，差若毫厘，谬以千里。’”《魏书·乐志》：“但气有盈虚，黍有巨细，差之毫厘，失之千里。”的哲学思想，从这点说明感知比认知来得直接，其所谓的吸引子就是《混元场论》中元外场作用，其《混沌学》的非线性理论就是《混元场论》场中对象元独立的绝对计数时间体系。

科学家给混沌下的定义是：混沌是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动，一个确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确定性一不可重复、不可预测，这就是混沌现象。进一步研究表明，混沌是非线性动力系统的固有特性，是非线性系统普遍存在的现象。牛顿确定性理论能够完美处理的多为线性系统，而线性系统大多是由非线性系统简化来的。因此，在现实生活和实际工程技术问题中，混沌是无处不在的。洛伦兹第一次发现混沌现象，至今，关于混沌的研究一直是物理学家、社会学家、人文学家所关注的。研究混沌，其实就是发现无序中的有序，但今天的世界仍存在着太多的无法预测，混沌，这个话题也必将成为全人类性的问题。

蝴蝶效应的应用

目前，混沌现象已经在许多领域得以应用：

蝴蝶效应通常用于天气、股票市场等在一定时段难于预测的比较复杂的系统中。此效应说明，事物发展的结果，对初始条件具有极为敏感的依赖性，初始条件的极小偏差，将会引起结果的极大差异。

蝴蝶效应在社会学界用来说明：一个坏的微小的机制，如果不加以及时地引导、调节，会给社会带来非常大的危害，被戏称为“龙卷风”或“风暴”；一个好的微小的机制，只要正确指引，经过一段时间的努力，将会产生轰动效应，或称为“革命”。

蝴蝶效应本来动力系统中的一个物理现象，但是这个物理现象经过引申，它又获得了更多的意义，因此，蝴蝶效应在我们生活中所指代的领域也日益广泛。

三、虫洞效应的探讨

虫洞理论是一个有趣的物理概念，它是由爱因斯坦提出来的，那么虫洞到底是什么呢？虫洞是一个抽象的物理概念，其实虫洞就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。它可以把平行宇宙和婴儿宇宙连接起来，并提供时间旅行的可能性。它也可能是连接黑洞和白洞的时空隧道，也叫“灰道”。

为了对虫洞有更加明确的了解，我们可以用一个简单的例子来解释虫洞的概念：假如说大家都在一个长方形的广场上，左上角设为A，右上角设为B，右下角设为C，左下角设为D。假设长方形的广场上全是建筑物，你的起点是C，终点是A，你无法直接穿越建筑物，那么只能从C到B，再从B到A。再假设假如长方形的广场上什么建筑物都没了，那么你可以直接从C到A，这是对于平面来说最近的路线。但是假如说你进入了一个虫洞，你可以直接从C到A，连原本最短到达的距离也不需要了。这就是所谓的虫洞。但是由于虫洞引力过大，人无法通过虫洞来实现“瞬间移动”的可能。

随着科学技术的发展，我们对于虫洞又有了更新的研究和发现，“虫洞”的超强力场可以通过“负质量”来中和，达到稳定“虫洞”能量场的作用。科学家认为，相对于产生能量的“正物质”，“反物质”也拥有“负质量”，可以吸去周围所有能量。像“虫洞”一样，“负质量”也曾被认为只存在于理论之中。不过，目前世界上的许多实验室已经成功地证明了“负质量”也存在于现实世界，并且通过航天器在太空中捕捉到了微量的“负质量”。

美国华盛顿大学物理系研究人员曾经作过相关的计算，结果表明“负质量”可以用来控制“虫洞”。他们指出，“负质量”能扩大原本细小的“虫洞”，使它们足以让太空飞船穿过。他们的研究结果引起了各国航天部门的极大兴趣，许多国家已考虑拨款资助“虫洞”研究，希望“虫洞”能实际用在太空航行上。

“虫洞”的研究虽然刚刚起步，但是它潜在的回报不容忽视。科学家认为，如果研究成功，人类可能需要重新估计自己在宇宙中的角色和位置。现在，人类被“困”在地球上，要航行到最近的一个星系，动辄需要数百年时间，是目前人类不可能办到的。但是，未来的太空航行如使用“虫洞”，那么一瞬间就能到达宇宙中遥远的地方。

据猜测，宇宙中充斥着数以百万计的“虫洞”，但很少有直径超过10万千米的，而这个宽度正是太空飞船安全航行的最低要求。“负质量”的发现为利用“虫洞”创造了新的契机，可以使用它去扩大和稳定细小的“虫洞”。

虫洞的概念最初产生于对史瓦西解的研究中。物理学家在分析白洞解的时候，通过爱因斯坦的一个思想实验，发现宇宙时空自身可以不是平坦的。如果恒星形成了黑洞，那么时空在史瓦西半径，也就是视界的地方与原来的时空垂直。在不平坦的宇宙时空中，这种结构就意味着黑洞视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合，然后在那里产生一个洞。这个洞可以是黑洞，也可以是白洞。而这个弯曲的视界，就叫做史瓦西喉，它就是一种特定的虫洞。

自从在史瓦西解中发现了虫洞，物理学家们就开始对虫洞的性质发生了兴趣。

虫洞连接黑洞和白洞，在黑洞与白洞之间传送物质。在这里，虫洞成为一个阿尔伯特·爱因斯坦罗森桥，物质在黑洞的奇点处被完全瓦解为基本粒子，然后通过这个虫洞（即阿尔伯特·爱因斯坦罗森桥）被传送到白洞并且被辐射出去。

物理学家一直认为，虫洞的引力过大，会毁灭所有进入它的东西，因此不可能用在宇宙旅行之上。但是，假设宇宙中有虫洞这种物质存在，那么就可以有一种说法：如果你于12：00站在虫洞的一端（入口），那你就会于12：00从虫洞的另一端（出口）出来。

虫洞有些什么性质呢？最主要的一个，是相对论中描述的，用来作为宇宙中的高速火车。但是，虫洞的第二个重要的性质，也就是量子理论告诉我们的东西又明确地告诉我们：虫洞不可能成为一个宇宙的高速火车。虫洞的存在，依赖于一种奇异的性质和物质，而这种奇异的性质，就是负能量。只有负能量才可以维持虫洞的存在，保持虫洞与外界时空的分解面持续打开。当然，狄拉克在芬克尔斯坦参照系的基础上，发现了参照系的选择可以帮助我们更容易或者难地来分析物理问题。同样的，负能量在狄拉克的另一个参照系中，是非常容易实现的，因为能量的表现形式和观测物体的速度有关。这个结论在膜规范理论中同样起到了十分重要的作用。根据参照系的不同，负能量是十分容易实现的。在物体以近光速接近虫洞的时候，在虫洞的周围的能量自然就成为负的。因而以接近光速的速度可以进入虫洞，而速度离光速太大，那么物体是无论如何也不可能进入虫洞的。这个也就是虫洞的特殊性质之一。

那么什么样的虫洞能成为可穿越虫洞呢？一个首要的条件就是它必须存在足够长的时间，不能够没等星际旅行家穿越就先消失。因此可穿越虫洞首先必须是足够稳定的。一个虫洞怎样才可以稳定存在呢？索恩和莫里斯经过研究发现了一个不太妙的结果，那就是在虫洞中必须存在某种能量为负的奇特物质！为什么会有这样的结论呢？那是因为物质进入虫洞时是向内汇聚的，而离开虫洞时则是向外飞散的，这种由汇聚变成飞散的过程意味着在虫洞的深处存在着某种排斥作用。由于普通物质的引力只能产生汇聚作用，只有负能量物质才能够产生这种排斥作用。因此，要想让虫洞成为星际旅行的通道，必须要有负能量的物质。索恩和莫里斯的这一结果是人们对可穿越虫洞进行研究的起点。

人们在宏观世界里从未观测到任何负能量的物质。但是事实上，在物理学中人们通常把真空的能量定为零。所谓真空就是一无所有，而负能量意味着比一无所有的真空具有“更少”的物质，这在经典物理学中是近乎于自相矛盾的说法。

但是许多经典物理学做不到的事情在20世纪初随着量子理论的发展却变成了可能。负能量的存在很幸运地正是其中一个例子。在量子理论中，真空不再是一无所有，它具有极为复杂的结构，每时每刻都有大量的虚粒子对产生和湮灭。1948年，荷兰物理学家卡什米尔研究了真空中两个平行导体板之间的这种虚粒子态，结果发现它们比普通的真空具有更少的能量，这表明在这两个平行导体板之间出现了负的能量密度！在此基础上他发现在这样的一对平行导体板之间存在一种微弱的相互作用。他的这一发现被称为卡什米尔效应。将近半个世纪后的1977年，物理学家们在实验上证实了这种微弱的相互作用，从而间接地为负能量的存在提供了证据。除了卡什米尔效应外，20世纪七八十年代以来，物理学家在其他一些研究领域也先后发现了负能量的存在。

因此，种种令人兴奋的研究都表明，宇宙中看来的确是存在负能量物质的。但不幸的是，迄今所知的所有这些负能量物质都是由量子效应产生的，因而数量极其微小。以卡什米尔效应为例，倘若平行板的间距为1米，它所产生的负能量的密度相当于在每十亿亿立方米的体积内才有一个(负质量的)基本粒子！而且间距越大负能量的密度就越小。其他量子效应所产生的负能量密度也大致相仿。因此在任何宏观尺度上由量子效应产生的负能量都是微乎其微的。

另一方面，物理学家们对维持一个可穿越虫洞所需要的负能量物质的数量也做了估算，结果发现虫洞的半径越大，所需要的负能量物质就越多。具体地说，为了维持一个半径为一千米的虫洞所需要的负能量物质的数量相当于整个太阳系的质量。

如果说负能量物质的存在给利用虫洞进行星际旅行带来了一丝希望，那么这些更具体的研究结果则给这种希望泼上了一盆无情的冷水。因为一方面迄今所知的所有产生负能量物质的效应都是量子效应，所产生的负能量物质即使用微观尺度来衡量也是极其微小的。另一方面维持任何宏观意义上的虫洞所需的负能量物质却是一个天文数字！这两者之间的巨大鸿沟无疑给建造虫洞的前景蒙上了浓重的阴影。

此外，虫洞的自然产生机制有两种：其一，是黑洞的强大引力能；其二，是克尔黑洞的快速旋转，其伦斯梯林效应将黑洞周围的能层中的时空撕开一些小口子。这些小口子在引力能和旋转能的作用下被击穿，成为一些十分小的虫洞。这些虫洞在黑洞引力能的作用下，可以确定它们的出口在那里，但是现在还不可能完全完成，因为量子理论和相对论还没有完全结合。

总之，无论是在科学界还是在物理学方面，对于虫洞的研究还都处于一个初级阶段，我们对黑洞、白洞和虫洞的本质了解还很少，它们还是神秘的物质，很多问题仍需要进一步探讨。揭开虫洞的本质性问题是物理学家们需要努力研究的课题。

四、多米诺骨牌效应的探讨

多米诺骨牌是我们经常见到的游戏中的一种，但是，其中包含着一定的物理学方面的知识，我们对其中蕴含的奥秘是否十分了解呢？

多米诺骨牌是一种用木制、骨制或塑料制成的长方形骨牌。玩时将骨牌按一定间距排列成行，轻轻碰倒第一枚骨牌，其余的骨牌就会产生连锁反应，依次倒下。

多米诺效应所遵循的物理道理是：骨牌竖着时，重心较高，倒下时重心下降，倒下过程中，将其重力势能转化为动能，它倒在第二张牌上，这个动能就转移到第二张牌上，第二张牌将第一张牌转移来的动能和自己倒下过程中由本身具有的重力势能转化来的动能之和，再传到第三张牌上……所以每张牌倒下的时候，具有的动能都比前一块牌大，因此它们的速度一个比一个快，也就是说，它们依次推倒的能量一个比一个大。

哥伦比亚大学物理学家怀特海德曾经制作了一组骨牌，共13张。第一张最小，长9.53毫米，宽4.76毫米，厚1.19毫米，还不如小手指甲大。以后每张体扩大1.5倍，这个数据是按照一张骨牌倒下时能推倒一张1.5倍体积的骨牌而选定的。最大的第13张长61毫米，宽30.5毫米，厚7.6毫米，牌面大小接近于扑克牌，厚度相当于扑克牌的20倍。把这套骨牌按适当间距排好，轻轻推倒第一张，必然会波及到第13张。第13张骨牌倒下时释放的能量比第一张牌倒下时整整要扩大20多亿倍。因为多米诺骨牌效应的能量是按指数形式增长的。若推倒第一张骨牌要用0.024微焦，倒下的第13张骨牌释放的能量可达到51焦。可见多米诺骨牌效应产生的能量的确令人瞠目。不过怀特海德毕竟没有制作第32张骨牌，因为它将高达415米，两倍于纽约帝国大厦。如果真有人制作了这样的一套骨牌，那摩天大厦就会在一指之力下被轰然推倒！

多米诺骨牌

类似多米诺骨牌效应的还有一则有趣的中国古代故事，《史记·楚世家》记载楚国有个边境城邑叫钟离，那里的小孩和吴国边境城邑卑梁的小孩同在边境上采桑叶争执起来，两家人都非常愤怒，互相攻伐，钟离人把那个卑梁人全家都杀了。

卑梁的守邑大夫大怒，说：“楚国人怎么敢攻打我的城邑？”

卑梁守城的长官于是带领着大兵扫荡了钟离。楚王接了钟离遭失攻击的报告后，不问是非曲直，当即派兵攻占了卑梁。

吴王听到这件事后很生气，派人领兵入侵楚国的边境城邑，攻占钟离、居巢以后才离去，吴国和楚国因此发生了大规模的冲突，吴国公子光又率领军队在鸡父和楚国人交战，大败楚军，俘获了楚军的主帅潘子臣、小帷子以及陈国的大夫夏啮，又接着攻打郢都，俘虏了楚平王的夫人回国。

从边境小儿采桑，引发吴楚两国爆发大规模的战争，直到吴军攻入郢都，中间一系列的演变过程，似乎有一种无形的力量把事件一步步无可挽回地推入不可收拾的境地。这种现象，也就是多米诺骨牌效应。

那么，多米诺骨牌效应的起源由来是怎么回事呢？

提出多米诺骨牌效应，还要从宋朝开始说起。宋宣宗二年（1120年），民间出现了一种名叫“骨牌”的游戏。这种骨牌游戏在宋高宗时传入宫中，随后迅速在全国盛行。当时的骨牌多由牙骨制成，所以骨牌又有“牙牌”之称，民间则称之为“牌九”。

1849年8月16日，一位名叫多米诺的意大利传教士把这种骨牌带回了米兰。作为最珍贵的礼物，他把骨牌送给了小女儿。多米诺为了让更多的人玩上骨牌，制作了大量的木制骨牌，并发明了各种的玩法。不久，木制骨牌就迅速地在意大利及整个欧洲传播，骨牌游戏成了欧洲人的一项高雅运动。

后来，人们为了感谢多米诺给他们带来这么好的一项运动，就把这种骨牌游戏命名为“多米诺”。到19世纪，多米诺已经成为世界性的运动。在非奥运项目中，它是知名度最高、参加人数最多、扩展地域最广的体育运动。

从那以后，“多米诺”成为一种流行用语。在一个相互联系的系统中，一个很小的初始能量就可能产生一连串的连锁反应，人们就把它们称为“多米诺骨牌效应”或“多米诺效应”。

头上掉一根头发，很正常；再掉一根，也不用担心；还掉一根，仍旧不必忧虑……长此以往，一根根头发掉下去，最后秃头出现了。哲学上叫这种现象为“秃头论证”。

往一匹健壮的骏马身上放一根稻草，马毫无反应；再添加一根稻草，马还是丝毫没有感觉；又添加一根……一直往马儿身上添稻草，当最后一根轻飘飘的稻草放到了马身上后，骏马竟不堪重负瘫倒在地。这在社会研究学里，取名为“稻草原理”。

第一根头发的脱落，第一根稻草的出现，都只是无足轻重的变化。当是当这种趋势一旦出现，还只是停留在量变的程度，难以引起人们的重视。只有当它达到某个程度的时候，才会引起外界的注意，但一旦“量变”呈几何级数出现时，灾难性镜头就不可避免地出现了！

多米诺骨牌效应告诉我们：一个最小的力量能够引起的或许只是察觉不到的渐变，但是它所引发的却可能是翻天覆地的变化。这有点类似于蝴蝶效应，但是比蝴蝶效应更注重过程的发展与变化。

第一棵树的砍伐，最后导致了森林的消失；一日的荒废，可能是一生荒废的开始；第一场强权战争的出现，可能是使整个世界文明化为灰烬的力量。这些预言或许有些危言耸听，但是在未来我们可能不得不承认它们的准确性，或许我们唯一难以预见的是从第一块骨牌到最后一块骨牌的传递过程会有多久。

有些可预见的事件最终出现要经历一两个世纪的漫长时间，但它的变化已经从我们没有注意到的地方开始了。

由多米诺骨牌游戏引出的多米诺骨牌效应，多米诺效应的物理意义在现实生活中是十分有启发性和警戒性的，但是，这些也都得依赖于我们能够对多米诺骨牌的仔细研究才对其奥秘有更加深入地了解，相信，多米诺骨牌效应在今后的日常生活中也必将会被更加广泛地利用。

五、流沙成因的奥秘

流沙是造物主创造出的最恐怖的食人恶魔之一，它是一个天生的隐藏高手，它可能隐藏在任何一个地方，无论是河滨海岸还是邻家后院，都有可能是它的隐身之处，它在那里非常有耐心地静静等待人们不经意的靠近，从而找准机会张开大口将人吞掉。

在公元1692年时，牙买加的罗伊尔港口就曾发生过因地震导致土壤液化而形成流沙，最后造成1/3的城市消失、2000人丧生的惨剧。看似平静的英国北海、美丽而危险的阿拉斯加峡湾等地也曾发生过流沙陷人的悲剧。一旦人们身陷其中，往往不能自拔，同伴只是爱莫能助，眼睁睁地看着受困者顷刻间被沙子吞噬。

流沙形成的原因

一直以来，人们以为流沙是由滚圆度良好的圆粒沙组成，沙粒间能互相辗转滚动，人踏在上面，由于受到重力作用，滚动的沙粒便转动着“让路”，人就往下陷；普通的沙地是由棱角状的沙子构成，这种沙子会互相嵌合，形成结实的地面。

然而，当科学家把两种沙放在显微镜下仔细对比时，这种说法又被推翻了，经观察发现流沙和普通沙子一样，也是由棱角状沙粒构成的。

流沙

有人认为可能是存在润滑液。因为如果沙粒表面果真有润滑液存在，沙粒之间的摩擦力较小，自然放置其上的物体也易于下陷。可是，人们在沙粒表面没有找到所谓的润滑液。

后来，一位科学家发现流沙在干旱季节也很坚实。这么说来，流沙必定与水有关。于是，他设计了几种不同的实验，让水以不同方式从沙内流过。结果发现：当水从沙下面往上注入沙内时，发生了流沙现象。

其实流沙是地下水涌入沙内引起的。由于，上流的水冲力，使沙粒互相散开，沙粒不再互相叠接，而是被水托着，呈半漂浮状态。在这种情况下，人或牲畜踩在沙面上，便会像在水中一样往下沉。

流沙表面受到运动干扰就会“液化”

荷兰阿姆斯特丹大学的柏恩在一次前往伊朗的度假旅行之中，遇见过一位当地牧羊人。牧羊人告诉柏恩，村里曾有骆驼陷下去后就立即消失。回国后，柏恩就对此疑团展开研究。他仔细观看和分析了数十部描述流沙噬人场景的电影，发现这些电影对流沙的描述根本就是错误百出。后来，柏恩在实验室里将细沙、黏土和盐水混合在一起，重建一个微型室内流沙模型来进行研究。

经过反复实验，柏恩领导的科研人员发现，要把沙子变得像太妃糖一样黏比较难，得需要好几天时间，但要让它失去黏性则很容易，只要在其表面施加适当的压力即可。一旦流沙表面受到运动干扰，就会迅速“液化”，表层的沙子会变得松松软软，浅层的沙子也会很快往下跑。这种迁徙运动使得在流沙上面运动的物体下沉，然而，随着下沉深度的增加，从上层经迁徙运动掉到底层的沙子和黏土逐渐聚合，便会创造出厚实的沉积层，使沙子的黏性快速增加，阻止了物体进一步下陷。

密度小于流沙的物体也会在流沙上受到浮力

研究还发现，当物体陷入流沙后，被流沙吞掉的速度要由物体本身的密度决定。流沙的密度一般是2克/毫升，而人的密度是1克/毫升。在这样的密度下，人类身体沉没于流沙之中不会有灭顶之灾，往往会沉到腰部就停止了。然而，即便是一些密度比流沙大很多的物体，也能浮在流沙上。研究人员将一个密度为2.7克/毫升的铝盆置于流沙的顶部，尽管其密度大于流沙，但由于受流沙浮力和沙面张力的影响，铝盆仍能平静地站在流沙的表面。当科学家开始轻轻晃动这个铝制容器时，情况发生了变化，容器稍稍下陷了一点，当他们用力摇晃时，这个容器慢慢沉入沙底。

将脚从流沙中拔出来需要抬起一辆汽车的力量

陷入流沙的人一般都动弹不了，密度增加以后的沙子粘在掉进流沙里的人体下半部，对人体形成很大的压力，让人很难使出力来。即使大力士也很难一下子把受困者从流沙中拖出来。如果以每秒钟1厘米的速度拖出受困者的一只脚就需要约10万牛顿的力，大约相当于举起一部中型汽车的力量。所以除非有吊车帮忙，否则很难一下子把掉进流沙的人拉出来。照这种力量计算，如果生拉硬扯，那么在流沙“放手”前，人的身体就已经被强大的力量扯成两截。此举所造成的危险远高于让他暂时停在流沙当中。

如何在流沙中进行自救

其实绝大多数流沙和一般沙的区别不大，并没有电影中描述的那么可怕，它原理上只是被渗入了水的沙子，由于沙粒间的摩擦力减小，形成了半液态、难以承重的沙水混合物。流沙通常发现于海岸附近，一般较浅，很少有超过几英尺深的。陷在流沙中的人仅感到胸部有些压力，呼吸较困难，并不会有什么生命危险。流沙附近上涨的潮水才是受困者最可怕的敌人。

如果陷入流沙后，大力挣扎或是猛蹬双腿只能加速黏土的沉积，增强流沙的黏性，胡乱挣扎只会越陷越深，最后让它吞掉。

对于流沙的研究我们还不是十分了解，期望随着科技的进步以及物理学的不断发展，流沙的成因必将揭开流沙形成的奥秘，终有一天我们会征服它，让它臣服于人类的管制之下，为人类服务。

六、虹吸与倒虹吸

其实虹吸和倒虹吸的现象在我们的生活中的很多地方都能够遇到，但是我们是否知道其中的原理，了解其中的奥秘呢？

虹吸

虹吸原理就是连通器的原理，加在密闭容器里液体上的压强，处处都相等。而虹吸管里灌满水，没有气，来水端水位高，出水口用手掌或其他物体封闭住。此时管内压强处处相等。一切安置好后，打开出水口，虽然两边的大气压相等，但是来水端的水位高，压强大，推动来水不断流出出水口。

虹吸现象是液态分子间引力与位能差所造成的，即利用水柱压力差，使水上升后再流到低处。由于管口水面承受不同的大气压力，水会由压力大的一边流向压力小的一边，直到两边的大气压力相等，容器内的水面变成相同的高度，水就会停止流动。利用虹吸现象很快就可将容器内的水抽出。

虹吸管是人类的一种古老发明，早再公元前1世纪，就有人造出了一种奇特的虹吸管。

事实上，虹吸作用并不完全是由大气压力所产生的，在真空里也能产生虹吸现象。使液体向上升的力是液体间分子的内聚力。在发生虹吸现象时，由于管内往外流的液体比流入管子内的液体多，两边的重力不平衡，所以液体就会继续沿一个方向流动。在液体流入管子里，越往上压力就越低。如果液体上升的管子很高，压力会降低到使管内产生气泡（由空气或其他成分的气体构成），虹吸管的作用高度就是由气泡的生成而决定的。因为气泡会使液体断开，气泡两端的气体分子之间的作用力减至零，从而破坏了虹吸作用，因此管子一定要装满水。在正常的大气压下，虹吸管的作用比在真空时好，因为两边管口上所受到的大气压提高了整个虹吸管内部的压力。

虹吸

我们现在所使用的抽水马桶就是利用了虹吸的原理制造而成的。抽水马桶的“抽水”是指大便器下面的S形弯，在排污时，马桶内的水面超过S弯的高点时，形成的虹吸现象，能够把大便器的水和污物一同抽走。一直到只剩下少量水时，虹吸破坏，留下的少量水形成了水封。

倒虹吸

当水渠穿越道路等障碍时，利用连通器的原理，让水流在道路下面的封闭管道利用高差流过。这样流水和交通各行其道，互不干扰。因为这种管道像倒置的虹吸管，故称为“倒虹吸”。

用以输送渠道水流穿过河渠、溪谷、洼地、道路的压力管道。常用钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土材料制成，也有用混凝土、钢管制作的，主要根据承压水头、管径和材料供应情况选用。倒虹吸管由进口段、管身段、出口段三部分组成。

根据管路埋设情况及高差大小，倒虹吸管有下列几种布置形式：对高差不大的小倒虹吸管，常采用斜管式和竖井式。高差大的倒虹吸管，当跨越干谷或山沟时，管道一般沿地面敷设，在转弯和变坡地段设置镇墩，其作用是连接和稳定两侧管道。管道可埋设于地面以下，也可敷设于地面或在管身上填土。当管道跨越深谷或山洪沟时，可在深槽部分建桥，在其上铺设管道过河。管道在桥头两端山坡转弯处设镇墩，并于其上开设放水冲沙孔。两岸管道仍沿地面敷设。这类倒虹吸管又称桥式倒虹吸管。根据过水流量大小、运用要求及经济比较，倒虹吸管可布置成单管、双管或多管。设置双管或多管，可以轮流检修，不影响运行；小流量时，还可利用部分管路过水，以增加管内流速，防止泥沙在管中淤积。管身断面形式有圆形、矩形及城门洞形等，其中圆形采用较多。

倒虹吸管进口段一般包括渐变段、进水口、拦污栅、闸门、挡水墙等。对含沙量多的渠道，还可在进水口前加设沉沙池。为了渠道水位与管道入口水位在通过不同流量时良好衔接，可在管道进口前修建前池，或将管道进口底高程降低，并在管口前设斜坡段。出口段一般设消力池，用以调整出口流速分布。

倒虹吸管的设计包括：管路及进出口布置，管身及镇墩的形式选择，水力计算和结构设计。由于倒虹吸管检修较困难，在设计中应注意为检修创造条件。

倒虹吸管有悠久的历史。公元前180年在古希腊（今土耳其）帕加马曾建筑一座倒虹吸管，其下弯穿越河谷的深度超过200米，管径为30厘米。倒虹吸管在中国古代称为渴乌，公元186年在《后汉书》中已见记载。新中国建立后，修建了大量倒虹吸管，在结构形式、用材、施工方法和制管工艺上有不少发展。预应力钢筋混凝土管由于其承压较高，具有较高的抗裂性、抗渗性，故得到了推广。

你有没有注意过，在家里的洗手盆下面的下水管，必有一段是弯成U型的一部分，街道外的污水管下端也有一段这样的弯管。其实，使用这样的弯管并不是浪费材料，而是有一定的作用的，这种弯管利用的原理正是倒虹吸的原理。我们都知道，凡是家里的下水管都必将通到室外大的污水管或污水池，那里必然要排出难闻的臭气，这段弯管就解决了空气难闻的问题。下水管的弯曲部分相当于一个U型管，使每次的下水都能够保留一些水在U型管内，这部分U型弯管叫做水封，在水封的下游有一条十分重要的分支管，这条管道一直通到天台与大气连通，管内没有水。有了这个分支管，去水管的虹吸作用就不会发生，水封就不会被破坏。实际上，这支分管相当于倒虹吸管，起到了倒虹吸的作用。

附录：相对论、弦理论、超膜理论

相对论

相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦创立，分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。相对论的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无关。狭义相对论和广义相对论的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系（惯性参照系）之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。狭义相对论提出于1905年，广义相对论提出于1915年。

由于牛顿定律给狭义相对论提出了困难，即任何空间位置的任何物体都要受到力的作用。因此，在整个宇宙中不存在惯性观测者。爱因斯坦为了解决这一问题又提出了广义相对论。

狭义相对论最著名的推论是质能公式，它可以用来计算核反应过程中所释放的能量，并导致了原子弹的诞生。而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞，也相继被天文观测所证实。

爱因斯坦提出了两条基本原理作为讨论运动物体光学现象的基础。第一个叫做相对性原理。它是说：如果坐标系K'相对于坐标系K作匀速运动而没有转动，则相对于这两个坐标系所做的任何物理实验，都不可能区分哪个是坐标系K，哪个是坐标系K′。第二个原理叫光速不变原理，它是说光（在真空中）的速度c是恒定的，它不依赖于发光物体的运动速度。

从表面上看，光速不变似乎与相对性原理冲突。因为按照经典力学速度的合成法则，对于K′和K这两个做相对匀速运动的坐标系，光速应该不一样。爱因斯坦认为，要承认这两个原理没有抵触，就必须重新分析时间与空间的物理概念。

经典力学中的速度合成法则实际依赖于如下两个假设：

1．两个事件发生的时间间隔与测量时间所用的钟的运动状态没有关系；

2．两点的空间距离与测量距离所用的尺的运动状态无关。

爱因斯坦发现，如果承认光速不变原理与相对性原理是相容的，那么这两条假设都必须摒弃。这时，对一个钟是同时发生的事件，对另一个钟不一定是同时的，同时性有了相对性。在两个有相对运动的坐标系中，测量两个特定点之间的距离得到的数值不再相等。距离也有了相对性。

如果设K坐标系中一个事件可以用三个空间坐标x、y、z和一个时间坐标t来确定，而K′坐标系中同一个事件由x′、y′、z′和t′来确定，则爱因斯坦发现，x′、y′、z′和t′可以通过一组方程由x、y、z和t求出来。两个坐标系的相对运动速度和光速c是方程的唯一参数。这个方程最早是由洛仑兹得到的，所以称为洛仑兹变换。

利用洛仑兹变换很容易证明，钟会因为运动而变慢，尺在运动时要比静止时短，速度的相加满足一个新的法则。相对性原理也被表达为一个明确的数学条件，即在洛仑兹变换下，带撇的空时变量x′、y′、z′t′将代替空时变量x、y、z、t，而任何自然定律的表达式仍取与原来完全相同的形式。人们称之为普遍的自然定律对于洛仑兹变换是协变的。这一点在我们探索普遍的自然定律方面具有非常重要的作用。

此外，在经典物理学中，时间是绝对的。它一直充当着不同于三个空间坐标的独立角色。爱因斯坦的相对论把时间与空间联系起来了。认为物理的现实世界是各个事件组成的，每个事件由四个数来描述。这四个数就是它的时空坐标t和x、y、z，它们构成一个四维的连续空间，通常称为闵可夫斯基四维空间。在相对论中，用四维方式来考察物理的现实世界是很自然的。狭义相对论导致的另一个重要的结果是关于质量和能量的关系。在爱因斯坦以前，物理学家一直认为质量和能量是截然不同的，它们是分别守恒的量。爱因斯坦发现，在相对论中质量与能量密不可分，两个守恒定律结合为一个定律。他给出了一个著名的质量-能量公式：E＝m_c²，其中c为光速。于是质量可以看作是它的能量的量度。计算表明，微小的质量蕴涵着巨大的能量。这个奇妙的公式为人类获取巨大的能量，为制造原子弹和氢弹以及利用原子能发电等奠定了理论基础。

广义相对论让所有物理学家大吃一惊，引力远比想象中的复杂的多。至今为止爱因斯坦的场方程也只得到了为数不多的几个确定解。它那优美的数学形式至今令物理学家们叹为观止。就在广义相对论取得巨大成就的同时，由哥本哈根学派创立并发展的量子力学也取得了重大突破。然而物理学家们很快发现，两大理论并不相容，至少有一个需要修改。于是引发了那场著名的论战——爱因斯坦与哥本哈根学派的论战。直到现在争论还没有停止，只是越来越多的物理学家更倾向量子理论。爱因斯坦为解决这一问题耗费了后半生三十年光阴却一无所获。不过他的工作为物理学家们指明了方向：建立包含四种作用力的超统一理论。目前学术界公认的最有希望的候选者是超弦理论与超膜理论。

弦理论

弦理论，即弦论，是理论物理学上的一门学说。弦论的一个基本观点就是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的粒子。这些看起来像粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈（称为闭合弦或闭弦），闭弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。尽管弦论中的弦尺度非常小,但操控它们性质的基本原理预言,存在着几种尺度较大的薄膜状物体,后者被简称为“膜”，直观的说,我们所处的宇宙空间也许就是九维空间中的三维膜，弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论。

弦理论的雏形是在1968年由GabrieleVeneziano发现。他原本是要找能描述原子核内的强作用力的数学公式，然后在一本老旧的数学书里找到了有200年之久的尤拉公式，这公式能够成功地描述他所要求解的强作用力。然而进一步将这公式理解为一小段类似橡皮筋那样可扭曲抖动的有弹性的“线段”却是在不久后由李奥纳特·苏士侃所发现，这在日后则发展出“弦理论”。

超膜理论

超膜理论即M理论、膜理论。

20世纪90年代，理论物理学界在10维空间弦理论的基础上提出了11维空间的膜（M）理论。超膜理论认为人们直接观测所及的好似无边的宇宙是十维时空中的一个四维超曲面，就象薄薄的一层膜。超膜理论使一些原本难以计算的东西可以用弦论工具来做严格的计算了。超膜理论是弦理论的扩充，超膜理论揭示了弦理论的第10维空间方向，其最大维度是11维。

我们一直以为影响无限小的粒子的因素与影响着地球般大小的星球的因素是不同的。因为过去的所有理论难以用于同时解释粒子和星球的运动。也难以解释引力的形成。而M理论则正是一种正在形成的可以解释从无限小的粒子到无限大的宇宙的统一场地论学说。这个理论为近年来越来越多的实验所证实，可能是继相对论以来，本世纪最伟大的物理学理论之一。据说在超弦理论的研究中，发现10维空间还有理论漏洞，新的膜理论就再在超弦的线上展拓成超膜，以11层空间来解释宇宙。而只有其中四维空间可为人类所感觉，其余的感觉不到的空间，就如声波和光谱一样，我们人类听不到的超声波和也看不到红外线，却不因我们的不能察觉而就可认为根不存在。正是在更高的空间里，物体的电场和磁场相互作用形成万有引力。也只有引入更多的空间才可以解释为什么分子的结构有左旋和右旋的向性不同。而宇宙的许多自然之谜如黑洞、超自然力、意志力、时空通道等，以更多空间的理论才有可能存在和解释。

广义相对论在大爆炸或黑洞处失效的原因是没有考虑到物质的小尺度行为。在正常情况下，时空的弯曲是非常微小的，并也是在相对场的尺度上，所以它没有受到短距离起伏的影响。但是在时间的开端和终结，时空就被压缩成单独的一点。为了处理这个，我们学要把非常大尺度的理论即广义相对论和小尺度的理论即量子力学相结合。这就创生了一种TOE，也就是万物的理论，它可用来描述从开端直到终结的整个宇宙。

如果我们的确生活在具有额外维的时空中的一张膜上，膜上的物体运动产生的引力波就会向其它维传播。如果还有第二张影子膜，它们就会反射回来，并且被束缚在两张膜之间。另一方面，如果只有单独的一张膜，而额外维无限的延伸，就像朗达尔－桑德鲁姆模型中那样，引力波会全部逃逸，从我们的膜世界把能量带走。这似乎违背了一个基本物理原则，即能量守恒定律。它是讲总能量维持不变。然而，只是因为我们对所发生事件的观点被限制在膜上，所以就显得定律被违反了。一个能看到额外维的天使就知道能量是常数，只不过更多的能量被发散出去。

只有短的引力波才能从膜逃逸，而仅有大量的短引力波的源似乎来自于黑洞。膜上的黑洞会延伸成在额外维中的黑洞。如果黑洞很小，它就几乎是圆的。也就是说它向额外维延伸的长度就和在膜上的尺度一样。另一方面，膜上的巨大黑洞将会延伸成“黑饼”。它被限制在膜的邻近，它在额外维中的厚度比在膜上的宽度小得多。