多云的宇宙 物理学未解的七朵"乌云"

乌云一质子衰变论
探寻支配基本粒子界的规则/003
终极的基本粒子的条件/003
6种夸克与6种轻粒子/004
5种媒介粒子与希格斯玻色子/008
基本粒子的大统一理论/009
神冈探测器的忧郁/009
获得诺贝尔奖的可爱的“神冈探测器”/009
能估算质子寿命的装置/010
严密监测3000吨水/011
也许大统一理论是错误的/012
超新星1987A/014
神冈探测器的数据震惊世界/014
中微子天文学的诞生/015
被巧妙更改的“ND”的意义/016
中微子震荡/017
质子衰变是如何形成的？/017
乌云二黑洞大爆炸
发现奇妙的天体/021
开端是相对论/021
能计算引力的史瓦西解/024
无黑洞论/025
19岁青年的怪异“星溃说”/027
恰如其名的“黑洞”/028
印证其存在的天体被接二连三地发现/030
熵与霍金辐射/031
据说黑洞具有熵？/031
熵是指“难以掌握的信息量”/031
放入10种气体分子的箱子的状态如何？/032
状态的数量在理论上不可能是无限的/034
熵会根据温度产生变化/035
并不是真正的黑色宇宙洞穴/036
书和你的身体都会辐射电磁波/036
改变了黑洞概念的“霍金辐射”/037
黑洞与宇宙的寿命/038
结局是大爆炸/038
引发了理论物理学业界的大爆炸/039
黑洞的热力学/041
物理学的未解决难题：“信息悖论”/041
宇宙最终的结局是什么/042
乌云三埃弗莱特的多宇宙理论
量子力学的诞生/047
身边的物理法则难以解释的世界/047
量子力学宛如禅机问答/049
粒子具有波动性意味着什么？/051
不可思议的哥本哈根解释/052
神的骰子与薛定谔的猫/054
玻尔愤怒的大反驳/056
多宇宙理论出现/057
研究生的学说逐渐获得了粉丝/059
多世界是否真实存在？/061
确认猫的生死/063
基于多宇宙理论的量子计算机/063
量子力学是极具实践性的/064
乌云四奇异的宇宙论
着手对宇宙的描述/069
宇宙究竟是怎样的形态？/069
宇宙是否有边缘？是有限还是无限？/070
“用望远镜能看到自己的后脑勺”/073
爱因斯坦的狼狈/074
过于自由的宇宙世界说法/076
奇怪的宇宙说法层出不穷，退缩的天才/076
四散的银河/077
哈勃拥护派和观望派/079
米尔恩宇宙爆炸/080
霍伊尔，从无到有创造物质/083
爱因斯坦的失败/084
宇宙微波背景辐射/087
通过空调了解初期宇宙的景象/087
解释98%的宇宙物质的由来/088
霍伊尔命名宇宙大爆炸/089
彭齐亚斯和威尔逊清扫鸽子粪便/089
宇宙微波背景辐射带来了什么/091
乌云五暗物质和暗能量
发现“看不见的物质”/095
我们都是“银河系人”/095
宇宙优选的天体——河外星系/096
兹威基的“冰冷的暗物质”/097
令人惊讶的先驱性和令人遗憾的人格/100
暗物质究竟是什么？/101
有说法认为暗物质是没有光的星星/101
有说法认为暗物质是黑洞/103
黑暗且沉重，但量不够/105
有说法认为，暗物质是中微子/106
比预想的轻/107
有说法认为，暗物质是轴子或超对称粒子或基本粒子/108
未曾见过的基本粒子“轴子”/109
基本粒子倍增，超对称性理论的兴起/110
还有更多奇妙的暗物质候补选项/112
发现“看不见的能量”/113
进一步加速！宇宙膨胀！！/113
爱因斯坦所摒弃的宇宙理论再次复活/115
我们只了解了5%的宇宙/116
乌云六量子力学
量子力学的界限/121
问题是什么/121
赞美量子力学伟大的微观世界/122
颠覆理论的“普朗克长度”的世界/123
漏洞的元凶是引力/123
只有名字但难以实践的新理论/124
备受期待的量子引力理论/125
可能解决所有问题的超级理论/125
可能解明黑洞的特异点/126
可能解决信息悖论/127
可能了解宇宙的初始/128
可能解决观测问题/128
可能解释人类智慧的秘密/130
图灵的证明/131
为什么电脑没有智慧/132
离完成还需要几步？/134
一次实验需要300万年以上/135
超现实的“弦论”/137
十一次元的幻想/137
我们就像是被压碎的仙贝一样/138
漂浮着布的宇宙印象/139
超弦论的华丽“成果”/140
对宇宙这一实验装置的期待/141
引力波带来的量子引力发展？/141
乌云七人类原理
宇宙原理与人类原理/147
谦恭的“宇宙原理”/147
科学让人谦虚……/149
宇宙的温柔/150
太阳恰到好处地赐予了我们生命/151
地球是特别的行星吗？/153
生命原本只应该出现在时机刚好的星球/154
弦论所提出的无数宇宙/155
依据“人类理论”侃侃而谈/156
通货膨胀理论所描绘的“多元宇宙”/157
以“生命的诞生”为前提来思考物理理论的派系/159
人类原理能预言宇宙的加速膨胀吗？/160
哥特推论/162
哥特推论与柏林墙/162
哥特推论与人类灭亡之日/165
哥特推论与银河系大帝国/168
就算是瞎猜也无法否认/168
地球之外还有生命吗？/169
上个世纪所学的知识已经落后于时代了/169
向太阳系内发送探测器/170
太阳系外还有5000个行星/171
令人期待的类地球型行星的大气构成/172
尝试询问宇宙人，人类原理是否是正确的/173
参考文献/175

    黑洞这种奇妙的“存在”被认为是凭借强大的引力吸入一切的宇宙洞穴。黑洞来源于阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）的相对论，但由于过于奇妙，一开始被当作不切实际的空谈。剑桥大学教授斯蒂芬·霍金（1942—2018）针对黑洞提出了爆炸性的新说法，即本应该能吸入一切的黑洞会逐渐压缩，最后发生爆炸。这是真的吗？研究者就像发现蜜糖的蚂蚁一样围绕着新学说展开了激烈的讨论，并发现了深刻的问题。如果黑洞会爆炸，那么黑洞内信息丢失的同时，熵也会消失。熵是什么？为什么它的消失会带来麻烦？黑洞最终真的会爆炸吗？爱因斯坦在各领域都名留青史，但最有名的还是相对论。他于1905年发表了狭义相对论，又在10年后发表了广义相对论，两者被合称为相对论，也就是现在最正确地记述时间、空间与引力的物理学理论（不过，判定它不够全面也是本书的主题之一。）相对论本身就是奇妙的理论，它所述的黑洞则是其中最不可思议的东西。相对论很快就被人接受了，但相对论所预言的黑洞被研究者们厌恶和否定，直到有相关证据之后才勉为其难地认可了它。爱因斯坦认为，我们生活中的时间与空间（合称为“时空”）是时而伸展、时而收缩，具有延展性的东西。也许你会认为具有延展性的时间与空间前所未见，但时空的伸缩其实很简单，只要有质量，它就能扭曲周围的时间，拉伸空间。比如，地球就是一个巨大的质量。时空的伸缩虽然很难用画来表现，但一定要表现出来的话则如图2-1。由于质量附近的时间会缓慢加速，如果在地球表面放置计时器的话，经过计算会发现，与质量的影响为零的情况相比加速了一亿分之八左右。放在不受地球影响的远处的计时器前进一秒，放在地球表面的计时器则前进一秒加一亿分之八秒左右。并且由于地球周围的空间也会延伸，因此如果牵一根长长的渔线从月球轨道到地球表面的话，除了月球与地球之间本身的长度之外，还需要额外增加约20厘米的渔线。如果有物体横穿过具有伸缩性的时空，那么原本笔直的轨道会出现歪斜。月球是以弯曲的轨道绕着地球飞行，苹果或球体的轨道也是以抛物线落向地面。这就是所谓的引力，也是爱因斯坦的主张。换句话说，物体受引力吸引就是在质量的影响下，处于伸缩时空中的物体的前进道路出现了扭曲。相对论被用于计算太阳附近的水星轨道等，并验证了其正确性。类似太阳附近那样引力极强的地方，牛顿的万有引力法则不再有效，需要应用相对论。相对论是正确记述宇宙的理论。相对论是要运用高等数学的难解理论，但一经发表后立刻让全世界的智者都为之疯狂。其中之一就是德国天文学家卡尔·史瓦西（1873—1916），他发现了满足相对论方程式的一个解法。被称作史瓦西解是表示具有质量的“质点”对其周围的空间制造引力的方程式。在广阔的宇宙中，地球和太阳也不过是渺小的点状存在，所以史瓦西解对于计算地球和太阳所产生的引力大有帮助（前文中提及的地球表面计时器和从月球到地球的渔线长度都是利用了史瓦西解来计算的）。爱因斯坦的广义相对论发表时正处于第一次世界大战时期。当时，史瓦西作为军官奔赴俄罗斯战场，在战场上想出了史瓦西解并写信告诉爱因斯坦。但不久，史瓦西因皮肤病恶化而去世。史瓦西所留下的解法很久以后也被称之为黑洞。如果史瓦西能活得更久一点的话，毫无疑问会对黑洞研究做出不凡的贡献，他也是被战争所摧毁的珍贵天才之一。史瓦西解和研究质点自转的“克尔解”等相对论，是阐述引力场中心及质点周围的时空靠前扭曲的解法。处于靠前扭曲时空中的物体的动态，只能用不可思议来形容。坠落运动的物体越是接近质点，通过时间越是扭曲，并且空间延伸。因此，当物体落到距离质点的某个位置时，坠落将会停止。也许你会认为“怎么可能”？而当时的研究者在听闻这一结论时的反应也和你一样。坠落停止的位置被称为“史瓦西半径”或“现象的地平线”，它能产生各种超出常识的状况。比如位于史瓦西半径时，“逃逸速度”会达到光速。所谓逃逸速度，是指以该速度抛出球体后摆脱引力飞向无限远方的速度。根据投球的具体情况能测出该场所的引力。地球表面的逃逸速度约为11千米/秒，低于该速度的球体很快会因为地球引力落回地面，而超过11千米/秒的话，球体将飞向宇宙的另一端。当位于史瓦西半径内侧时，逃逸速度将超过光速。由于超光速的物体不存在于这个世界，所以无论以多大的力道在史瓦西半径内侧投球，最终都只会划出一道弧线飞向质点附近。由于光也会被折返，所以从外观测的话，质点就是半径等于史瓦西半径的漆黑圆球（至少当时是如此认为）。观测地球和太阳附近并不会发现物体停止落下或光折返的异常现象，因为地球或太阳比出现奇怪现象的史瓦西半径大得多。