腾讯WE大会 | 看不见就意味着不存在?丽莎·兰道尔给你答案
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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。
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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。”
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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%。
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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)。
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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。
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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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