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We used to look up at the sky and wonder at our place in the stars, now we just look down and worry about our place in the dirt. 我们曾经仰望星空，思考我们在宇宙中的位置，而现在，我们只会低着头，担心如何在这片土地上活下去。 1 丽莎·兰道尔 腾讯每年的WE大会一点都不实用， 讨论和关注它，在这个实用至上的时代， 显得极其奢侈。 不过，在低头担心如何生活下去之余， 抬头仰望星空，思考我们在宇宙中的位置， 无疑也是生命的价值所在。 感谢WE大会，能让我们奢侈一把， 近距离接触基础科学的前沿方向与思考。 前天跟大家分享的是研究虫洞、 奇点、平行宇宙的酷老头基普·索恩， 今天我们继续开脑洞， 让科学界女神，美国理论物理学家、 粒子物理学和宇宙学的权威专家， 丽莎·兰道尔带我们追寻“看不见的物质”。 多维空间、暗物质、额外维度、 生物大灭绝、膜理论…… 这些一听就不明觉厉的名词， 到底都是什么？ 让我们跟随丽莎兰道尔， 开始探寻之旅。 2 看不见 人类通过五感认识这个世界， “看见”是视力的事， 虽然通过工具、方法和技术， 我们的“视力”得到了延伸， 但依然有更多的东西是“不可见”的。 浩瀚的宇宙中， 有很多东西超乎我们所见范围， 我们无法感知的有很多。 有一些物质是根本不发光的， 比如暗物质。 还有一些因为“太小”导致我们无法看到， 比如说额外维度。 有观念认为， 只要是看不见的东西就不存在。 丽莎·兰道尔提出， “最糟糕的借口是什么？ 是我们没有想去看， 觉得不在我们的领域之内， 所以我们根本不操这份心。 我希望大家能够想一想， 我们能够找寻什么， 哪些事情如果我们现在不去观测， 就有可能错失的。” 3 暗物质 丽莎·兰道尔认为， 在太阳系当中，星球会旋转， 这样的一种引力能够去吸住 各种各样旋转的物质， 使之不逃离出去， 其中就有暗物质， 暗物质对于太阳系的形成至关重要。 究竟什么是暗物质？ 一个最简短的答案是：不知道。 或者说，暗物质是没有被发现的物质。 世界上有许多的科学家， 都在通过空间高能粒子探测器、 深埋于地底下的探测器， 以及粒子对撞机来寻找暗物质的踪迹， 目前还没有发现任何蛛丝马迹。 普通的光学手段是无法找到它们的， 因为它们不发光、不反射、也不吸收光。 然而就宇宙的成分来说， 暗物质约为26.8%， 暗能量约为68.3%， 而我们熟悉的普通物质， 比如行星、恒星等只占4.9%。 暗物质，是一个我们看不到的世界。 所谓暗的东西，这里包括暗物质， 它们就是物质， 像其它的物质一样， 它们也可以有相互作用， 但是它们不能够跟光相互作用， 涉及到宇宙的膨胀， 这部分就是暗能量。 丽莎·兰道尔澄清， 我们把它叫暗物质， 但它其实并不暗。 而且她也觉得其实它并没有那么的隐藏， 因为我们侦测到了引力波的影响。 既然我们没有发现它们， 那又如何确定它们存在呢？ 这是因为有许多天文观测， 只有在暗物质存在的情况下， 才可以被解释。 强大的引力足以改变在太阳系边缘的彗星， 而太阳的引力太弱， 无法将彗星稳固在轨道上。 脱离轨道的彗星要么被逐出太阳系， 要么冲进太阳系内， 这就有很大的机会撞击到地球， 导致了地球上的大灭绝。 4 额外维度 暗物质并非唯一无法看见事物。 如果某样东西太过于小， 那么我们也看不见。 例如我们看不到分子、原子、夸克、电子， 但是越来越精密的仪器， 使我们能够探索这些尺度下的世界。 但是如果在更小的尺度呢？ 比如在普朗克长度下， 我们能否看见由弦构成的世界？ 或者是看到我们一直想要寻找的额外维度？ 关于维度，从目前的观测看， 人类生活在一个均匀的、 各向同性的三维空间， 加一维时间， 即四维时空中。 虽然有很多理论推测， 但还没有实验证据揭示三维空间外的， “额外额度”的存在。 人类可以一个宽泛的尺度上（白色）探测宇宙， 但是现代物理学理论所考虑的许多尺度， 已经超出这个范围之外（灰色）。 假设存在更高的维度， 我们可以想象那样的世界吗？ 现在让我们降一个维度， 想象一下我们是二维生物， 被领进一个三维的世界。 如果我们观察一个三维球体， 垂直地穿过二维世界， 我们会看到什么？ 我们看到的是大小不等的切片穿过， 先是慢慢放大，然后再逐渐缩小。 通过这个类比我们可以想象， 如果一个四维的超球体， 穿过我们的三维宇宙， 我们可以推断超球体在我们的宇宙中， 看起来应该是一系列， 变大又缩小的三维球体。 除了切片以外， 想象额外维度的方法， 还包括了投影、全息影像等。 当然，研究高维的最好方法， 其实是通过数学，而非图像。 在爱因斯坦提出广义相对论后， Theodor Kaluza在1919年的时候， 为了统一引力和电磁力， 将时空的维度从四维扩展到了五维。 爱因斯坦显然被这个想法迷住了， 但他困惑的是这额外的维度在哪里？ 它与其它三维有何不同？ 1926年，瑞典物理学家Oskar Klein认为， 或许是因为空间的第四个维度太小了。 这很好理解， 只要想象一根吸管。 从远处看，吸管就是一维的线， 但只要观察的足够近就会发现， 它其实是根管子。 这一额外的维度会卷曲成看不见的小圆圈， 尺度为10-33厘米。 这个尺度太小了， 目前任何实验都无法直接探索它的存在。 5 一张二维的膜 1999年，丽莎·兰道尔提出了一种新的方法， 可以隐藏额外维度， 这种理论是在弦理论的基础上发展出来的， 被称为膜理论。 该理论假定， 引力会延伸至额外维度中， 而人类、行星、恒星， 以及所有我们能感受到的东西， 都会聚集在一张膜上。 膜理论告诉我们， 极小的额外维度并不是唯一的选择， 它也有可能延伸至无穷大， 却依然能够隐藏自己。 在高维度空间当中存在类似膜的物体， 我们可能生活在一个膜世界当中， 在高维度的世界当中， 我们所知道所有的事情， 其实都被聚集在了一张膜上。 丽莎·兰道尔认为， 在我们身边存在一个看不见的第五维空间。 如果说我们生活在其中一张， 悬浮在高维时空的膜上， 那么是否会有还有其他的膜会悬浮其中？ 答案是肯定的， 但我们并不知道会有几个或几种膜。 当超过一个膜的时候就进入了多重宇宙。 膜理论可以解决物理学中的一个重大问题： 为什么相比于其它三种基本力， 即电磁力、强核力、弱核力， 引力是如此的弱？ 这个问题被称为等级问题。 当然，如果你是个登山爱好者， 你可能会认为地球的引力并不微弱啊！ 但是试想一下， 这是因为整个地球都在作用于你。 而尽管地球的引力努力地， 将一枚小小的曲别针往下拉， 可是一块小小的磁铁， 就行轻而易举抵抗地球的引力， 将曲别针吸起。 在物理学的标准模型中， 这是一个未解之谜， 而额外的维度提供了一个可能的解释。 当然，在探索的过程中， 所有最初的理论观点都有可能是错的， 科学家们对所有新理论都持怀疑态度， 在实验证实之前， 一个新的理论观点最大的作用， 就是助推理解， 启发人类找到真正的宇宙理论。 我们总坚信自己有能力去完成不可能的事情。我们珍视这些时刻，这些我们敢于追求卓越、突破障碍、探索星空、揭开未知面纱的时刻，我们将这些时刻视为我们最值得骄傲的成就。但我们已经失去了这一切。又或者，也许我们只是忘了我们仍然是开拓者，我们才刚刚开始。那些伟大的成就不能只属于过去，因为我们的命运就在太空。 ——《星际穿越》 去年今日2017.11.8： ▼ |
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