量子科学
2019-04-14 00:00
数千年来，哲学家们一直在讨论“虚空（nothing）”的本质。但我们更想知道的是，现代科学对此有何评论吗？在一个The Conversation对著名的宇宙学和天体物理学家马丁·里斯（Martin Rees）的访谈中，里斯解释说，当物理学家谈论虚空时，他们指的是真空。听起来这或许很简单，但实验表明，真空并非真的是空的——它潜藏着一种神秘的能量，这种能量可以告诉我们宇宙的命运。
马丁·里斯@三一学院。图片：Nick Saffell
Q：真空与虚空真的完全一样吗?
A：在我们看来，真空似乎就是虚空的。打个比方，水对鱼来说或许就什么都不是——它是当你把在海中沉浮的所有东西都带走时所剩下的东西。同样，真空也被认为是十分复杂的。
我们知道宇宙非常空旷。空间的平均密度约是每10立方米一个原子——比我们在地球所能获得的任何真空都要稀薄得多。但是，正如最近所证实的那样，即使你把所有的物质都移走，空间也具有一种弹性，这种弹性能允许空间本身的涟漪——引力波通过它传播。此外，我们还了解到，在空无一物的空间中，存在着一种奇异的能量。
Q：随着量子力学在20世纪的兴起，我们第一次了解到这种真空能量。量子力学支配着原子和粒子的微小世界。它表明，真空空间是由具有涨落的背景能量场组成的，由此产生了突然出现又突然消失的波和虚粒子。它们甚至能产生一个非常小的力。但大尺度的真空空间又是怎样呢？
A: 事实上，20多年前科学家就发现了真空会产生一个大尺度的力。天文学家发现了宇宙正在加速膨胀。这是一个惊喜。我们知道这种膨胀已经有50多年的历史了，但是人人都认为它会因为星系和其他结构间的相互引力作用而减慢。因此我们惊讶地发现，因引力导致的减速被“推动”膨胀的某种事物盖过了。可以说，在真空中存在的潜在能量产生了一种斥力，这种斥力在大的尺度上超过了引力的吸引力。这种现象——被称为暗能量，它是真空并非真的为空这一事实的最显著的表现。的确，它决定了我们宇宙的长期命运。
真空波动
Q：我们所能知道的东西是有极限吗？在一个比原子小一千万亿亿倍（10^24）的尺度上，时空中的量子涨落不仅能产生虚粒子，还能产生虚黑洞。这些都是我们无法观测的范围，我们必须将引力理论与量子力学结合起来，从理论上探索究竟发生了什么——众所周知这是非常难以做到的事。
A：有几种理论都旨在理解这一点，其中最著名的是弦理论。但这些理论都还没与现实世界相关——因此它们仍是未经检验的推测。但我认为几乎每个人都承认，在引力与量子效应相遇的极小极小尺度上，空间本身就或许具有一个复杂的结构。
我们知道我们所在的宇宙具有三个空间维度：你能向左向右、向前向后、或向上向下地移动。而时间就像是第四个维度。但是我们强烈怀疑，如果我们能把空间里极小极小的一点放大到可以探索的尺度，就会发现这是一个在五个我们无法看见的额外维度中紧密缠绕的折纸。这与当你从很远的地方看一根水管一样，你会觉得它只是一条线。但是当你走进观察，会发现你原先认为的一维实际上是三维。弦理论涉及到复杂的数学——它的许多竞争理论也是如此。但如果我们想要从最深的层面最接近于理解我们可以想象的被称为真空的虚空，这种理论正是我们所需要的。
Q：以我们目前的理解，要如何解释整个宇宙从无到有的膨胀？它真的是始于一点点涨落的真空能量吗？
A：一部分理论学家认为，某些神秘的转变或涨落或许突然触发了部分空间的膨胀。如果被压缩到足够小的尺度上，量子理论中固有的涨落能够震动整个宇宙。这大约发生在10^-44秒，也就是所谓的普朗克时间。这是一个时间和空间交织在一起的尺度，因此时钟滴答滴答流逝的想法毫无意义。我们可以很自信地对宇宙进行推测回一纳秒，也可较为自信地将宇宙推测回接近普朗克时间。但自那之后，所有的猜测就都不存在了，因为在这个尺度上的物理学必须要被某些更宏大、更复杂的理论所取代。
Q：如果说宇宙可能是由真空中的某个随机部分的涨落所产生的，那为什么同样的事不能发生在真空中的另一部分——从而在无限的多重宇宙中产生平行宇宙？
A：许多物理学家都认为，我们的大爆炸并非唯一，以及能用望远镜观测到的只是物理现实的一小部分，这是比较流行的观点。此外，循环宇宙也有多种版本。直到50年前才首次出现证明大爆炸的有力证据。但从那以后，人们一直猜测这是否只是循环宇宙中的一个片段。而且越来越多的人开始意识到，即使拥有了最强大的望远镜，我们所能探测的空间和时间的体积也远远少于物理现实。
所以我们无从知道是否只有一个大爆炸或很多个——有些情形预测的结果是有很多大爆炸，有些则预测出只有一个大爆炸。我认为我们应该对所有的这些情形都进行探索。
Q：宇宙将如何终结？
A：最直接的长期预测认为，宇宙会加速膨胀从而变得越来越空、越来越冷。宇宙中的粒子可能会发生衰变，使得稀释过程无限期地进行下去。在某种意义上，我们最终会得到一个巨大的空间，它会比现在的太空更空。这是一种情形，但也有其他情形涉及到暗能量的“方向”——会从斥力转向引力，因此，当密度再次趋近于无穷时，就会发生坍缩，形成所谓的“宇宙大坍缩”（Big Crunch）。
还有一个源于物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）的想法认为，膨胀的宇宙变得越来越稀薄，但不知何故，当宇宙中除了光子之外空无一物时，事物的尺寸可以被重新调整，以至于在这一巨大的稀释后，空间在某种意义上变成了一些新的大爆炸的生成器。所以这是传统的循环宇宙的一个独特版本——但请不要让我解释彭罗斯的想法。
Q：你对科学最终能破解什么是虚空一事有多大的信心？即使我们能够证明，我们的宇宙始于真空场的某些奇怪涨落，难道我们不需要问真空场是从哪里来的吗？
A：科学总是试图解答问题，但每当我们解答时，又会有新的问题成为焦点——我们永远无法有一幅完整的绘景。当我在20世纪60年代末开始投身研究时，对大爆炸是否真的发生过一事是有争议的。但现在关于这点已不再有争议了，我们可以用2%的精度来描述宇宙从现在的138亿年到刚一纳秒时的过程。这是巨大的进步。因此，相信量子时代或“暴胀”时代所发生的一切具有挑战性的问题，将能在未来50年内得到理解，并不是一种荒谬的乐观。
当然，这也引发了另一个问题：人类的大脑究竟能理解到多少科学呢？例如，我们或许会发现，弦理论的数学在某种意义上是对现实的正确描述，但我们永远无法很好地理解它，并将它与任何真正的观测相比较。那么，我们或许将不得不等待某种后人类的出现，以获得更全面的理解。
但每个思考过这些谜团的人都应该意识到，物理学家的真空与哲学家的“虚空”是不一样的。
博科园-科学科普｜ 文：Martin Rees/原理/principia1687
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为什么宇宙就像是“精心设计”的一样？
量子科学.
2019-04-10 00:00
如果将原子核结合在一起的强大核力只比现在强几个百分点，像太阳这样的恒星将在不到一秒的时间内耗尽它们的氢。那样的话，我们的太阳早就爆炸了，地球上就没有生命了。如果一种弱核力比现在弱几个百分点，那么构成我们世界主要部分的重元素将不复存在。在这两种情况下都不会产生人类。
如果引力比现在弱，就不可能完全粉碎太阳的原子核，并点燃产生阳光的核反应;如果引力比现在强，太阳将在数十亿年前耗尽所有的燃料。我们也不可能出现。
在宇宙中，这样的例子比比皆是。自然界的许多基本参数似乎对生命的出现“恰到好处”。宇宙似乎是为我们而设计的。
是谁为我们设计的?最简单的解释是宇宙是由一个至高无上的生命，一个”上帝“统治的。尽管许多人喜欢这种解释，但科学家们没有看到任何证据表明有超自然的实体在精心安排宇宙。
已知的物理定律可以解释我们所看到的宇宙的存在。当拿破仑问天文学家皮埃尔西蒙拉普拉斯(Pierre Simon拉普拉斯)，为什么他在《天体物理学》(Astrophysics)一书中没有提到造物主时，他回答说，“我们不需要这样的假设。”
另一种可能是：我们自身就处在一个由和生命和谐共存的规律所支配的宇宙中。
这很可能意味着我们的存在对于所有可能已经存在的宇宙来说是一个难以置信的幸运，我们有一个支持智能生命的宇宙。但大多数物理学家并不这么认为。
对“精心安排”最可能的解释甚至更令人兴奋:因为我们的宇宙只是众多宇宙中的一个，每个宇宙都有不同的物理定律。因为我们发现自己处在一个物理定律适用于生命的宇宙中。
多元宇宙的观点并非没有理论支持。弦理论预测至少有数以亿计个宇宙，每个宇宙都有不同的物理定律。
另一种可能是没有解释。一些人反驳说，所谓“精心安排”的观点是完全错误的。一位直言不讳的批评家是科罗拉多大学的Victor Stenger，《错误安排理论》的作者。他的证据涉及“精心安排”理论的一个著名例子:除了氢、氮和锂，什么都不可能存在。
我们身体中的所有重元素，包括碳、氮、氧和铁，也在遥远的恒星中形成。1952年，宇宙学家弗雷德霍伊尔(Fred Hoyle)提出，这些元素的存在取决于一个巨大的宇宙巧合。它们形成的关键步骤之一是氦过程，在这个过程中，三个氦核合并成一个碳核。对于这个反应，霍伊尔提出，在一个红巨星的典型温度下，这个碳原子核的能量必须正好等于三个氦原子核的能量之和。这就是现实。但斯滕格指出，1989年，以色列理工学院(Israel Institute of Technology)的一组研究人员发现，事实上，碳含量可能存在显著差异，从而导致了生命所需的重元素。
还有其他与组织良好的辩论有关的问题。一种是利用单个参数(如自然力或亚原子粒子的质量)发现的精心排列的例子，在保持所有其他条件不变的情况下改变其质量。这似乎是不现实的。宇宙理论(唉，我们还不知道)很可能显示出物理参数之间众所周知的联系。在另一个亚原子中，改变参数的效果很可能通过调整参数来补偿。
下一个事实是我们只有一个生命的例子。我们如何确定不同的法则不能导致其他生命系统能够思考自身的存在?
然而，一个精心安排理论的例子仍然难以否认:宇宙的加速膨胀是由暗能量引起的。
这种差异似乎很偶然。诺贝尔奖得主史蒂文·温伯格认为，暗物质如果不是那么弱，就不可能形成星云，我们也不可能形成星云。温伯格勉强接受了这样的解释:我们必须生活在一个暗物质能量“刚刚好”的宇宙中。温伯格承认，“我不明白有那么多证据表明，任何其他物理常数都是经过精心安排的。”
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