一想到还有95%的问题留给人类，我就放心了

豪尔赫·陈 丹尼尔·怀特森

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• 一想到还有95%的问题留给人类，我就放心了 作者：[巴拿马]豪尔赫·陈，[美]丹尼尔·怀特森
• 献给我的家人，我人生的每一个篇章都得到了他们的支持，包括讲不好俏皮话的部分。

前言

• 通过了解自身的无知，我们会明白，未来充满了各种神奇的可能。

第1章 宇宙是由什么组成的？

• 如果我变成一只蝙蝠会怎样？
• 它揭示了一点：宇宙的构成原理和乐高差不多。利用一堆小塑料块，你可以搭出玩具恐龙、飞机、海盗，或者创造一种你自己假想的会飞的恐龙海盗。
• 复杂物体是由简单的物体排列组合起来的
• 原始人奥克（Ook）和古可（Groog）根据经验总结理论，而他们的经验其实可以有很多种解释，每种解释对应不同的宇宙观。
• 石头可能是由石头元素粒子构成；空气可能是由空气元素粒子构成；大象可能是由大象元素粒子（让我们称它们为小小象）构成。
• 我们只是在提醒你，我们所感知的这部分宇宙有可能是这样的，而宇宙中我们还未曾探索过的其他物质也有可能是这样的。
• 在我们了解和喜爱的宇宙中，我们周围的事物看起来好像是由微小的粒子组成的。经过几千年的思考和研究，人们有了靠谱的物质理论[插图]。
• 物质是由元素周期表中这些元素的原子组成的。每个原子都有一个核，核周围是电子云。原子核包含质子和中子，它们由上夸克和下夸克组成。因此，有了上夸克、下夸克和电子，我们就能制造元素周期表中的任何元素。
• 幽灵般的中微子可以穿过几万亿千米长的铅块，而不和其他粒子相撞[插图]。对中微子来说，铅块就是透明的。
• 在宇宙的一切东西（包括物质和能量）当中，这种物质大约只占总量的5%。
• 我们仅仅了解宇宙中的5%，其中包括恒星、行星，还有这些星球上的一切。有27%的东西被我们称为“暗物质”。宇宙中剩余的68%是一些我们完全搞不懂的东西。物理学家称之为“暗能量”，我们认为是它使宇宙膨胀，除此之外，我们对它一无所知。
• 在某些情况下，我们甚至不知道该如何提问，才有助于揭开谜团。
• 几千年来人们一直在研究一头大象，却突然发现大家一直在看的东西仅仅是它的尾巴！
• 这应该是一个难得的机会，一个可以让你探索、学习和获得见识的机会。如果人类仅仅开发了地球上5%的土地，你会怎样想？如果你只尝过世界上5%的冰激凌口味，你会怎样想？你内心的科学家像渴望冰激凌一样渴望谜底，为潜在的新发现感到激动。
• 马尔德（Mulder）[插图]是对的：真相就在那里。
• 科学的历史就是变革的历史，人类一次又一次突破狭隘的视角，发现世界的真相。

第2章 暗物质是什么？

• 暗物质无处不在。事实上，你现在就在暗物质中畅游。

我们怎么知道暗物质存在？

• 因为星系在旋转，所以里面的恒星有被甩出去的趋势。把它们束缚在一起的东西只有星系里这些物质产生的引力（引力把有质量的东西拉到一起）。星系自转越快，就需要越多的质量来拉住这些恒星。反过来讲，知道了星系的质量，你就能推测星系的自转有多快。
• 测量显示，从恒星数量推测出的转动速度低于星系实际的转动速度。
• 著名的天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）曾经说过：“特别的推断需要特别的证据。”
• 有一个重要的线索使科学家相信暗物质真的存在，那就是暗物质使光线弯曲的观测现象。所谓的引力透镜，说的就是这个。
• 如果有某种非常重（而且不可见）的东西处在你和这个星系之间，那么这种现象就有了合理的解释：这个不可见的重块充当了一个巨型透镜，弯曲了从星系发出的光线，从而使光线看似来自两个方向。
• 暗物质团块会继续运动，穿过对方，就好像它们都是透明的。

关于暗物质，我们知道什么？

• 关于暗物质，我们知道：·它有质量。·它不可见。·它喜欢和星系待在一起。·普通物质碰不到它。·其他暗物质也接触不到它。[插图]·它的名字很酷。
• 暗物质倾向于聚集在一起，形成一个大质量团块，并且飘浮在宇宙空间中，和星系在一起
• 我们看不见它（所以它“暗”），但是我们知道它有质量（所以它是“物质”）

物质如何相互作用？

• 如果两个粒子带有电荷，那么这两个粒子之间就会产生电磁力。这种力可以让它们相互吸引，也可以让它们相互排斥，这取决于两个电荷的电性。
• 你用手按住这本书，这本书并不会被压垮，你的手也不会穿过纸张，因为书的分子通过电磁力的作用紧密结合在了一起，同时会排斥你的手。
• 强核力 这是在原子核内把质子和中子黏在一起的力。没有了它，原子核内带有正电荷的质子会互相排斥，最后四散而逃。

暗物质如何相互作用？

• 我们目前还不知道这些力为什么会存在。我们只是记下了我们观察到的情况，我们甚至不知道这个列表是否完整。
• 目前，我们认为它不参与电磁作用，不会反射或者发出光线，因此我们很难直接看到它。暗物质似乎也没有弱核力和强核力。
• 这就是暗物质中“物质”两个字的来源。暗物质是物质，它有质量，所以它有引力。

我们如何研究暗物质？

• 但愿我们已经让你相信了暗物质的存在。肯定有某种东西在那里，使得恒星不会飞离星系，飞向空旷的太空，它弯曲了星系发出的光线，在宇宙碰撞中全身而退，就像慢镜头中的动作英雄头也不回地离开汽车爆炸现场。暗物质就是那么酷。
• 这个候选粒子被大家称为WIMP（Weakly Interacting Massive Particle），意思是弱相互作用大质量粒子（也就是与常规物质发生微弱作用的某种有质量的东西）。
• 这是因为对撞能把一种物质转变成其他类别的物质。在对撞中，粒子并非通过内部的重新排列呈现新的形态，而是消灭了旧的物质，产生了新的物质。
• 如果暗物质能够通过某种方式与自身发生作用，那么暗物质粒子就能通过碰撞转变成普通物质的粒子，正如两个普通物质粒子能碰撞产生暗物质一样。

第3章 暗能量是什么？

• 因为除了知道这东西让宇宙快速膨胀，我们对它一无所知。
• 他们在尝试测量宇宙膨胀减慢的速度，却在无意中发现，宇宙的膨胀根本就没有减慢，反倒是在加快

宇宙为什么会膨胀？

• 宇宙一直在膨胀，这意味着它现在要比以前大。如果你继续沿着这个思路想，那么将时间往回推，你一定能想到在某个时刻宇宙曾经非常小
• 1931年，天文学家发现宇宙在膨胀，这意味着它最初可能是非常非常致密的一小点[插图]。
• 什么东西能终结宇宙？答案是我们的老朋友——引力。
• 极为强大而神秘的力量在使空间扩张，这使得宇宙膨胀得越来越快。

我们怎么知道宇宙在膨胀？

• 比如，你知道自己手机里GPS的工作原理吗？如果爱因斯坦没有提出“物体以光速运动会怎么样？”这个问题，那么我们就不可能用上精确的GPS系统。看似和地球无关的问题促进了相对论的发展。
• 你应该知道，在一个膨胀的宇宙中，每一件东西都会远离其他东西，而并不只是远离中心。假设宇宙是一片面包，而你是上面的葡萄干。当面包在烘烤中膨胀时，每一粒葡萄干都会远离其他葡萄干，但是葡萄干还是原来那么大。
• 宇宙是如此巨大，而光速是有限的，光需要花很长时间才能从遥远的地方来到地球。这意味着非常遥远的恒星发出的光是非常古老的，其中携带的信息也是非常古老的。看这光就看到了过去。
• 一颗恒星远离我们的速度越快，它的光在我们眼中就会变得越发偏红。
• 这类爆发的星被称为Ia型超新星。Ia型超新星的有用之处在于，它们一般以相似的方式爆发。也就是说，经过校准之后，如果你看到一个暗的Ia型超新星，那么它一定离你比较远，如果你看到一个亮的Ia型超新星，那么它离你比较近。
• 天文学家称这些Ia型超新星为“标准烛光”（他们就是那么浪漫）
• 比起过去，恒星现在远离我们的速度更快。换句话说，宇宙的膨胀比以前更快了。
• 空间不是静态的空幕布，供宇宙的剧场在上面演出。它可以弯曲（发生在大质量物体出现时），可以产生涟漪（引力波），还可以膨胀。它的确在膨胀，而且很快。空间在匆匆忙忙地变大。有什么东西在产生更多空间，把宇宙中所有的东西向外推。
• 这个使宇宙加速膨胀的驱动力就是物理学家所说的暗能量。我们看不见它（所以它“暗”），它把所有的东西都向外推开（所以它是“能量”）。它是宇宙的主要力量，差不多代表了宇宙中所有物质和能量的68%。

宇宙饼图是从哪里来的？

• 推断宇宙有多少暗物质和暗能量的最精确方式是仔细分析一张宇宙婴儿时期的图片
• 这张图片中，我们可以推断，宇宙中存在大约5%的常规物质、27%的暗物质和68%的暗能量。
• 测量暗能量的另一种方法是从宇宙膨胀的速率（这个数字通过超新星的标准烛光测得）中得出结论。
• 欢迎来到“精确无知”的年代。

暗能量可能是什么？

• 此时此刻，它推着我，推着你，推着我们知道的所有东西互相远离[插图]
• 当前流行的观点是，暗能量来自空的空间的能量—没错，空的空间。
• 这简直就是个古戈尔普勒克斯（googolplex，你可以自己去查一下这个词的意思）。
• 我们知道有强大的力量存在，它超出了我们的理解能力。关于宇宙，还有很多东西等着我们去学习。

这对未来意味着什么？

• 随着膨胀持续加速，宇宙中物体互相远离的速度最终会超过光速。这意味着恒星的光无法再传播到我们这里。今天，我们能够在夜空中可见的星星已经比昨天要少了。由此可知，在几十亿年后，夜空就只有几颗可见的星星了。有朝一日，夜空可能只剩一片漆黑。
• 我们对于宇宙膨胀的原动力所知甚少，宇宙膨胀也有可能变慢。
• 如果夜空中曾经有更多繁星，那么我们是否错过了什么原本明显的真相？

第4章 最基本的物质粒子是什么？

• 在日复一日的物理探索中，我们发现了十二种物质粒子。其中六种被称为“夸克”（quark），剩余的六种被称为“轻子”（lepton）。
• 然而，我们不知事物为什么按照现有的方式组成，也不知道它们能不能按照另外一种方式组成。
• 宇宙也一样，我们知道它如何运转，但是不知道它为什么要这样运转。

基本粒子周期表

• 其实我们没有任何证据能证明它们是宇宙中最基本的粒子，但它们是我们目前所知道的最小物质单位。
• 我们的策略是把已知的知识组织起来，寻找其中的规律和缺失，从而提出问题。提出好的问题可以帮助我们得到更深刻的答案。

这些粒子是用来做什么的？

• 我们可以确定的是，粒子只有三代。希格斯玻色子的发现排除了第四代粒子存在的可能

这些粒子的质量有什么规律？

• 让我们看一下超级重的上夸克，它的重量是质子的175倍，这和金原子的原子核重量一样[插图]。

那1/3电荷的粒子是用来做什么的？

• 如果把上、下夸克以正确的方式混合在一起，你能得到质子（包含2个上夸克和1个下夸克，电荷为2/3 + 2/3 − 1/3 = +1）和中子（包含1个上夸克和2个下夸克，电荷为2/3 − 1/3 − 1/3 = 0）。
• 据我们所知，电荷达到这样完美的平衡完全是巧合，要归功于好运气。

物质的最基本元素是什么？

• 或许还有别的宇宙包含了十几种不同的基本粒子，但我们永远也没有机会看到它们。

第5章 质量是什么？

• 构成人体的原子将其大部分质量集中在微小的核子中，周围大片都是空的

物质的原料是什么？

• 羊驼的总质量不仅仅包括它各个部分的质量，还包括使这些部分维持在一起的能量。
• 质量是抵抗物体速度发生改变的性质。
• 同样的力在大质量物体上会创造较少的加速度。这有时也被称为“惯性质量”，因为对加速度的抵抗通常被称为惯性。通过施加一个已知的力并且测量其加速度，我们能测出惯性质量。
• 事实上，质子和中子的大部分质量来自束缚夸克的结合能。
• 夸克的质量只占质子或中子质量的约1%，其余质量都来自使夸克聚集在一起的能量。
• 疯狂的是，你身体的大部分都是由这些装着豆子（质子和中子）的小袋子构成的，这意味着你大部分质量并不来自构成你的“东西”（夸克和电子），而是将你各个部分束缚在一起的能量。在宇宙中，物体的质量包括这种起束缚作用的能量。
• 我们真的不知道为什么这种能量会影响物体对力的反应（获取加速度的大小）
• 这是质量最大的谜团。尽管我们能测量它，我们真的不知道惯性是什么，也不知道它和质量、能量之间为什么有这种奇特的联系。

粒子质量有什么奇怪之处？

• 我们确定的基本粒子（比如夸克和电子）也不是真正的“东西”。事实上，根本没有“东西”这样的东西，这在我们的物理理论中是不存在的。
• 在我们当前的理论中，粒子实际上是空间中不可分割的点。也就是说，在理论上，它们处在三维空间中一个无限小的位置上，所占据的空间（体积）为零。
• 电子的密度就很奇怪。一个电子的密度是多少？电子有非零质量，但它的体积为零，因此它的密度（质量除以体积）……没有定义？这根本讲不通。
• 根据量子力学，它们是超级怪诞的场的小波动，弥漫在整个宇宙之中。这意味着微小球模型根本解释不了它们遵守的规则。比如，它们可以某刻处在一个不可逾越障碍的一端，在下一刻又出现在另外一端，而且无须穿越这一障碍。
• 我们大脑中的模型非常有用，它能提供给直觉，帮助我们完成可视化，但我们一定要记住，模型只是模型，模型也有可能失效。
• 与其把一个粒子的质量想象成一个超级小球里的东西，倒不如把它当作一个贴在极小量子对象上的标签。
• 质量是给了粒子惯性（阻抗运动）

希格斯玻色子

• 2012年，粒子物理学家宣布了希格斯玻色子的发现，这是重大成就。
• 寻找规律的过程可以引导人们理解宇宙。
• 给方程添加一个粒子（希格斯玻色子）及其力场（希格斯场），然后把质量当作粒子的标签（所以有些粒子的质量比其他粒子的大），这就能说通了。
• 粒子与这个力场的相互作用越多，它表现出来的惯性就越大，或者说它的质量就越大。更进一步说，一个粒子与这个力场的相互作用所产生的惯性就是这个粒子的质量。
• 希格斯理论的确解释了传递力的粒子为什么质量各不相同，却没有就物质粒子为什么质量不同给出一般的解释。它没有解释为什么一部分粒子与希格斯场的作用很强。

这两种质量一样吗？

• 惯性质量是物体对运动的阻抗，而引力质量是物体被引力移动的倾向。
• 相对论把引力描述为质量和能量周围的空间弯折和扭曲。
• 在相对论之外，粒子物理理论在概念上区别对待引力质量和惯性质量，但是在实验中，我们认为它们是一样的。

沉重的问题

• 物体的质量不仅仅包括其各个部分的质量，还包括把各个部分束缚在一起的能量。但是我们不知道这是为什么。
• 实际上，我们只知道暗物质有质量，确切地说是引力质量。

引力为什么这么弱？

• 一块小磁铁就可以抗衡整个行星，可见磁力比引力强大得多得多。
• 地球的正电荷吸引太阳的负电荷，同时排斥太阳的正电荷；地球的负电荷吸引太阳的正电荷，同时排斥太阳的负电荷。总体算下来，所有的电磁力互相抵消
• 既然太阳和地球间的电磁力总体为零，而且弱核力和强核力在远距离上也没什么效果，那剩下的就只有引力了。这就是引力在行星和星系尺度上成为主导的原因：其他的作用力都达到了平衡态。

量子力学也拿引力没办法吗？

• 我们有一种可以同时解释所有物质粒子和三种基本作用力的数学框架，叫作量子力学。

引力子是基本粒子还是漫画中的超级恶棍？

• 在爱因斯坦的理论里，引力不是一种力，它只是时空弯曲的一种体现。
• 广义相对论认为，地球之所以会绕着太阳转而没有飞向遥远的太空，并不是因为地球被某种力困在了轨道上。它围着太阳转，是因为太阳周围的空间以这样一种方式弯曲了—地球以为自己沿着一条直线运动，实际上它沿着一个圆（或一个椭圆）运动。
• 这里的问题在于，广义相对论非常完美，我们觉得它很可能是对自然的正确解释。可是，另一个基础理论—量子力学—似乎也是对自然的正确解释，但我们还没有办法把它们合并到一起。
• 这两套理论之所以很难统一，一部分原因在于它们从完全不同的视角理解这个世界。量子力学把空间看作平坦的背景，而广义相对论却认为空间是动态的、有弹性的事物（时空）。

我们如何进入黑洞？

• 广义相对论告诉我们，在黑洞的内部存在一种叫作“奇点”的地方，在那一点上物质的密度非常高，那里的引力场强度因而趋于无穷大。在那里，你会经历一种“无法理解”的状态，这是真的，因为那里的时空会弯曲成你完全无法想象的形态。广义相对论认为，这种奇点是可以存在的，但量子理论可不这样认为。根据量子力学的基本原理，物体不可能分离到只剩下一个孤立的点（比如奇点），因为其中总会存在一些不确定性。所以在这种情况下两种理论必然有一个是错的。

还有别的吗？

• 具有质量的物体加速运动时会使周围的时空产生涟漪，这种时空的波动就叫作引力波。
• 2016年，在花费了6.2亿美元的经费和数十年的观测时间后，科学家终于识别出了首个引力波信号。这个发现完美地证实了爱因斯坦引力会弯曲时空的理论。

也许引力就是很特别？

• 记住，我们的目的是理解宇宙，我们应该避免先入为主地假设它应该是个什么样子。
• 一些物理学家提出，引力强度很弱是因为它被稀释到了其他维空间里，形成了一些我们看不到的微小环路。如果你把其他维空间都考虑进来的话，引力强度就会像其他类型的力一样强。

这意味着什么？

• 引力基本上是唯一可以在宏观尺度上发挥作用的力。这意味着，它是决定宇宙形状和最终命运的关键作用力。

空间是个东西吗？

• 空间是可以无限延伸的虚空世界。

我们要找的是哪种空间？

• 我们发现空间会扭曲、荡漾和膨胀。

黏黏空间，任你畅游

• 这意味着，空间不是一个（超级大的）空房间，而更像一大团黏糊糊的物体。一般情况下，物体可以在这团黏性物质里顺畅移动，就像我们可以在充满空气的房间里走来走去，而不会注意到周围的空气分子。但在某些特殊情况下，这团黏性物质会扭曲，这时穿过它的物体的运动轨迹也会随之发生改变。除了扭曲，它还可以收缩和荡漾，其中的物体也会随之发生形变。
• 空间的这种特性正是引力的本质—空间弯曲产生了引力。如果物体具有质量，那么它周围的空间就会扭曲形变。
• 如果引力是具有质量的物体之间的相互作用力—而不是空间弯曲的表现—那它对光子应该没有影响，因为光子是没有质量的。因此，只有用空间弯曲理论才能解释为何光子的轨迹会发生偏转。
• 有意思的地方在于，拉伸和弯曲是可以在空间这个黏性物里进行传播的，这就是引力波。如果空间瞬间被扭曲，这种形变会像声波或者液体中的波纹一样向外传递。

这听起来太荒唐了，如何确定这是真的？

• 空间是一个实实在在的东西，而不仅仅是纯粹的虚空
• 当我们谈论弯曲时，这种弯曲并不是该黏性物相对于它所在的某个背景所发生的形变，这是一种从本质上改变了空间中不同区域的相关性的形变。
• 空间不需要容器不一定意味着这个容器不存在。说不定在我们讨论的空间之外真的有更大的“超级空间”，而那才是一片无穷无尽的虚空

空间如何弯曲？

• 假如空间整体曲率为正，那么你沿着某个方向一直走下去的结果是从相反的方向回到起点！
• 科学家们通过两种不同的计算方法得出的结果是：空间（至少我们能观测到的空间）的曲率很接近零。
• 目前宇宙拥有的物质和能量似乎刚好可以在我们所能观测的范围内让空间保持平坦。具体地说，这个能量密度是每立方米五个氢原子这么密。
• 空间的曲率也会反过来影响物质的运动，而物质的多少又会影响空间曲率的大小，这就是反馈效应。

空间的形状

• 空间可能是平坦且无边界的，也可能是平坦且有边界的，空间甚至可以更奇葩，它可以是平坦且自循环的。

量子空间

• 量子物理认为存在一个量化的最小尺度，大约是10−35米[插图]。
• 什么是场呢？就是空间各处都有一个相关的数，或者一个相关的值。在粒子理论中，粒子就是场的激发态。

时间如何定义？

• 物理学，按照权威（维基百科）的说法，就是一门“研究时空中物质及其运动”的学科。而“运动”这个概念也是基于时间的。物理学的基本任务就是通过过去发生的事推测未来可能发生的事，并研究我们应该做何反应。抛开时间谈物理学是毫无意义的。

快说吧，什么是时间？

• 其次，时间赋予了它们因果关系。
• 宇宙的运行和演化也可以看作是遵循物理规律依次出现的一系列定格画面，而时间决定了它们的出场次序和节奏。

时间和空间有什么区别？

• 你在时间线上的运动是匀速的，一秒是一秒，非常精确。

我们可以回到过去吗？

• 回到过去会打破事物之间的因果关系。
• 时间旅行是不可行的，因为它违反了因果律，

为什么时间只会进不会退？

• 原因在于用来描述系统无序程度的量—熵—在时间上有很强的方向性。
• 热力学第二定律告诉我们，熵永远随着时间增加。熵可以看作衡量事物无序程度的物理量。
• 而在达到这个状态之前，小范围内的秩序还是可以存在的，因为宇宙的整体无序程度还没有饱和，眼下以进一步增加整体熵为代价，你可以制造局部的秩序。

熵有助于我们理解时间吗？

• 熵是为数不多的和时间流动方向有关的物理量之一。

每个人感受到的时间都一样吗？

• 为了保证每个观察者看到的手电筒的光都是以光速传播的，一定存在某个测量值，对不同的观察者来说它的值是不一样的，而这个测量值就是时间。
• 爱因斯坦的相对论明确指出，凡事都是相对的，甚至对事件的描述也取决于它的记录者。
• 物理学的每一次革命性突破都会带来类似的结果，我们被迫放弃了直觉的引领，转而遵循数学推导这种不受主观感受影响的研究方法。

什么是维度？

• 在物理学和数学领域，维度指的是运动的方向。
• 这就是维度的含义：每个维度都代表一个独立的运动方向，独立的意思是，你在某一个方向上的运动与其他方向上的运动无关。

三个以上的维度可能存在吗？

• 人脑是以三维的模式感知世界的，事实证明，这样的确有利于我们在地球上生存。但这并不表示我们可以感知这个世界的一切，相反，我们会无视那些和日常生活关系不大的部分，而这部分可能正是理解宇宙本质的关键。

其他谜团的答案和维度更多的空间有关吗？

• 更高维度的存在可以解释引力为什么这么弱。
• 大多数作用力随着距离的增加会变弱，变弱的速度取决于空间维数的多少。空间的维度越多，被稀释到其他维度的力也就越多。
• 需要注意的是，这些额外的维度必须是小于1厘米的环形，因为到目前为止我们还没有发现它们。只有引力受这些维度影响，也就是说其他作用力扩散不到这些维度。
• 在距离很近的物体之间，引力原本的强度和其他作用力一样，可一旦超过了1厘米，大部分引力就会被稀释到其他维度中去，剩下的就很弱了。

寻找新的维度

• 他们发现，至少在相隔1毫米时，引力的强度依然遵循大尺度上的规律。但这并不代表其他维度一定不存在。这个结果只是说明，如果这些维度存在，那么它们的尺寸小于1毫米。

让我们振作起来

• 如果一个粒子在其他维度中运动，那么你会发现它比那些没有在其他维度运动的粒子更重。

弦理论

• 弦理论指出，宇宙不是由零维点状粒子构成的，而是由微小的一维弦构成的
• 弦理论也有分支，每一种弦理论预测的宇宙维数各不相同。超弦理论认为宇宙有十维空间。玻色弦理论偏爱有二十六维空间的宇宙。
• 弦理论中增加的这些维度也是自我闭合的环状维度，而不是可以无限延伸的那种维度。

宇宙的速度极限

• 事实上，宇宙的速度极限给了物理学家启示，他们认识到空间并不是完全空无一物的。

这有什么大不了的？

• 对不同的人来说，事件发生的顺序可能完全不一样，这一切都归因于宇宙的速度极限。
• 宇宙速度的极限说明，任何东西在任何人眼中不会比光速快。

事情变得更离奇

• 换句话说，你们俩看到了事件完全不同的结果。贝莎看到光束同时击中目标靶子，而你看到了光子先击中其中一个靶子。神奇的是：你们俩都是对的！
• 我们不仅要接受宇宙的速度上限，还要放弃旧的观点。我们不能再认为对任何地方的任何人而言，事件都是同时发生的。

历史就是历史

• 这意味着在宇宙中事件没有绝对的先后，公正的人（和他们公正的宠物）会对发生的事情进行各不相同但同样正确的描述！

局部原因

• 我们没有什么确凿的证据证明宇宙一定有速度极限，但是我们有一个非常好的借口—为了让宇宙有局部和因果可言，速度极限很有必要存在。

过去和将来

• 记住，当我们展望星空的时候，我们看到的不是正在发生的事，而是过去发生的事。

也许我们能访问其他星球

• 如果能挤压我们和遥远星球之间的空间，我们就可以在合理的时间内到达那里，而不需要在太空中飞得太快。

虫洞？

• 如果空间不止三维，那么有些地方也许只是在三维空间里非常遥远，在其他维度里却是相邻的。

μ子一直在超光速旅行！

• 在某些介质中，粒子可以比光子更快，尽管这个速度永远不会高于真空中的光速。
• 当一个μ子以比光还快的速度穿过一块冰时会发生什么呢？会产生“光爆”！这也被称为切伦科夫辐射。物理学家通常用这种爆所产生的暗淡的蓝色光环探测这种粒子并测量它们的速度。

宇宙射线是什么？

• 你也许好奇过北极光或南极光是从哪里来的，它们就是宇宙射线流被北极和南极的磁场偏转而发出的光。
• 我们并不知道宇宙中有什么东西可以发射出这么高能的粒子。

镜像粒子

• 量子力学迫使物理学家放弃了他们一直以来最简单、最根深蒂固的假设：（1）事物不能同时出现在两个地方；（2）精确重复两次同样的实验应该出现相同的结果。

反粒子湮灭

• 当一个粒子遇到它的反粒子同胞时，它们可不是拥抱一下就行了—它们会毁灭对方。这两个粒子会消失，它们的质量会完全转化，成为某种高能的作用力携带粒子，比如光子或胶子。
• 我们的宇宙似乎还有另外一个法则：“电子性”和“μ子性”必须守恒。你不能用一个非电子来毁灭一个电子。你只能用电子的反粒子去做这件事。[插图]电子的表亲μ子和τ粒子也一样。

我们怎么知道宇宙曾经发生过大爆炸？

• 如果一个理论无法通过实验检验，那么它就成了哲学、宗教和猜想之类的东西。

大谜团2：宇宙之大

• 随着时间的流逝，这个球会越长越大，我们也将看到更广阔的宇宙。每一年我们都会看得更远，因为更远处物体的光会到达我们这里。信息以光速来到我们这里，这意味着我们的视野在以光速变得广阔。

宇宙大终结

• 对于那样的时间尺度，我们在地球上的人生只不过是一个瞬间。但我们却在这个瞬间审视宇宙、寻找线索、回溯时间的原点、展望可观测宇宙的最远处。
• 今天的哲学，明天的科学。

我们在宇宙中的位置

• 根据我们目前知道的情况，在超星系团的尺度之下，宇宙的结构层级分明：卫星绕着行星转，行星绕着恒星转，恒星绕着星系的中心转，星系绕着它们的星系团的中心转，星系团绕着超星系团的中心转。

它是怎么变成这样的？

• 在宇宙大爆炸中，暴胀极大地拉伸了空间，并将那些微小的涟漪放大成了时空构造中的巨大褶皱。接着，这些时空褶皱又产生了团块聚集和引力热点，并在之后发展出更复杂的结构。
• 宇宙中有两种相互竞争的作用：引力把事物聚集到一起，暗能量却要把它们拉开。

引力和压力

• 质量更大的东西，比如像地球那么大的行星，其引力足够把中心的岩石和金属压缩成熔化的岩浆。地球中心滚烫的岩浆就是这么产生的。
• 这些恒星之所以没有立即坍缩成更致密的天体是因为其内部有压力。一旦燃料消耗殆尽，无法再提供对抗引力的压力，恒星就会坍缩成黑洞。

宇宙的大小

• 因为空间本身可以扩张得比光速快，所以我们可以看到原本在我们的视野之中后来又超越了我们视野的东西。因此，可观测宇宙的半径最大为465亿光年。

为什么宇宙这么空？

• 宇宙的空旷要归因于两个量的作用，一个是决定了距离尺度的光速，另一个是把万事万物都拉得更远的空间膨胀。

什么是万物之理？

• 万物之理就是“对时空以及宇宙中所有物质和力最深入、最简洁的数学描述”。
• 电子、质子和中子不是聚集在一起的、相互环绕的、具有坚硬表面的小圆球。它们是由波定义的、受不确定性支配的、模糊不清的量子粒子。

最小粒子

• 所以，要知道电子和夸克是否由更小的粒子组成，一种方法就是让它们用越来越高的能量去撞击。如果撞击能量比让电子和夸克维持在一起的能量还要高，那么它们就会被拆散，我们也就能知道它们是由更小的部分构成的了。

引力与量子力学的统一

• 在量子力学中，宇宙中的每一样东西，甚至包括力在内，都是量子粒子。量子粒子是实体的微小扰动，因为具有波动特性，所以具有内在的不确定性。这些扰动在宇宙的某个层面四处运动，它们相互作用时会交换波状粒子。我们有强核力和弱电力的量子理论，但却没有引力的量子理论。
• 在广义相对论中，引力不是两个具有质量的物体之间的力，而是空间的弯曲。当某个物体具有质量时，它就扭曲了周围的时空，使得附近所有的东西都向这一物体弯曲。
• 第一个问题是，量子力学似乎只在平坦、无趣、无弯曲的空间中有效。
• 整合广义相对论和量子力学的第二个问题是，这两个理论对引力的见解有很大差异。如果我们要把引力纳入量子力学，那么就需要找到传递它的粒子，但从没有人见过这种粒子。

我们怎样才能知道大功告成了？

• 如果两个理论都能解释一件事，那么比较简单的那一个更有可能是正确的。
• 想知道我们是否找到了万物之理，有一个方法是数一数这个理论涉及多少个人为的数字。这样的数字越少，我们就越接近“洋葱”的中心。

从头顶到“脚趾”

• 目前，我们怀疑我们所知的最小粒子可能比宇宙的基本构件大1015倍。二者的尺度差距堪比星系和恒星。那可能就是我们与真正的万物之理之间的距离。

外星人存在吗？

• 在无限的宇宙中，任何只有一点点存在的可能性的事物都一定会出现。事实上，任何具有有限存在概率的事物都会出现无限多次。只有那些存在概率无限小的事物才会只出现一次。
• 从你自己的经验出发，你无法知晓关于更大图景的一切。
• N = n恒星 × n行星 × f宜居 × f生命 × f智慧 × f文明 × L
• 一些科学家推测，在我们的太阳系中，两颗巨大的地外行星（土星和木星）起到了某种宇宙清道夫的作用，它们俘获了很多天体，如果没有这两颗大行星，那些天体可能对地球构成威胁。