TED:数学是理解万物之源

科普:为什么我们要在高维来统一理论?

转载自:http://www.seezy.com/Article/33587.html


仔细思考一下,我们虽然生活在一个三维的世界,然而我们“看到”的东西,其实是三维物体反射到肉眼的光线感应。也就是说,人们能看到的东西,无非是物体表面光的反射而已。除非你有透视眼,否则你只能永远看到一个“表面”。

看到一个绿皮圆圆的西瓜,要想知道里面怎么样,只能切开它才能看到红瓤,但是一旦切开,切面就成了新的“表面”。看到的红瓤,还是表面!有趣的是,西瓜的表面,其实反映了一个非常简单的事实——告诉你这是一个西瓜,它有甜甜的内在。所以,当你看见它的时候,才会有种想切开它吃掉里面红瓤的冲动!这告诉我们一个物理事实——“内涵”与“表面”是息息相关的。

现代物理学告诉我们一个很有意思的定理:任何N维体系内的现象,都可以在其N-1维的表面上体现出来。

一句话,内涵都在表面上。

为什么这么说呢?举个简单的例子,一池春水泛涟漪,说的是水里面能量的传播——水波,实际上是水体积在三维空间上有一个规律分布。然而,在其二维水面上的表现形式就是出现高低不平的振动,导致水面的曲率分布不再平坦。

凝聚态物理的研究揭示了微观和宏观世界的联系——内涵决定了表面。最直接的证据就是我们看到许多晶体外形都有规则的形状,其根本原因,是因为它们内部原子有规则排列分布。比如金刚石,也即钻石,就是碳原子的一种密堆结构,宏观上表现为锥形的透明体,是世界上最硬的材料(图2)。

倘若改变物质内部原子的排布方式,将得到完全不同的外形,甚至截然不同物理性质。把碳原子按六角排列并层层堆砌起来,就是黑乎乎一块的石墨,作为铅笔芯的主要成分,非常容易剥离,和金刚石有着天壤之别。因此,如果我们了解透了物体的内涵,那么就可以预测它会有什么样的表面。反之,如果我们能够掌握物体表面的全部信息,那么就可以推出物体内部的大致情况。

图2.钻石的外形和内部原子排列方式(来自nipic.com)图2.钻石的外形和内部原子排列方式(来自nipic.com)

有趣的是,在相对论和引力的世界,内涵同样都在表面上。一个典型的例子就是黑洞熵。

黑洞估计是宇宙中最黑的家伙了,连光都逃不出它的魔掌,以至于我们要看见它的真身是不可能的,只能看到它周围的“事件视界”。物理学家霍金告诉我们,黑洞也是可以蒸发的,它可以自己发光,只不过它发的光在相对论原理下会发生无限红移,到远方的我们这时已经啥都看不见了。幸好的是,描述一个黑洞的信息,可以用黑洞熵。根据霍金的研究,黑洞熵和黑洞视界的表面积成正比(图3)。这个公式里,熵和视界表面积之间的比例系数,仅由几个物理学常数来组成,包括光速c、普朗克常数h、引力常数G、波尔兹曼常数k等,非常简洁而且意味深刻。

因为一般常识告诉我们,日常生活中一个三维物体的熵,表征的是它内部的有序度,当然应该和它的体积成正比,而不是表面积。但是,作为引力世界的奇点——黑洞有着与众不同的性质,它就偏偏喜欢做“表面文章”。这个公式告诉我们,黑洞熵问题预示着引力论、量子论、热力学之间存在一个非常简单和谐的关系,它们是有一个共同背景基础的。这个基础,物理学家认为很可能就是量子引力论,或称全息引力理论。

图3.黑洞熵公式(张宏宝提供)图3.黑洞熵公式(张宏宝提供)

量子引力论,是个什么鬼?

我们知道,牛顿力学统一了天和地,认为天体运动和苹果落地都是一个原理在作祟——万有引力;

麦克斯韦方程组统一了电与磁,告诉我们电磁不分家,而且会共同振荡产生电磁波,我们肉眼可见的光就是一种普通的电磁波而已;

量子力学统一了微观世界的粒子性和波动性,它们只需要用一个波函数和一个薛定谔方程就可以描述;

狭义相对论统一了时间和空间,而广义相对论进一步统一了时空和引力,我们感受到的引力其实不过是时空的弯曲所致。

然而,如何进一步统一引力论和量子论呢?物理学家花了很多年的时间,都摸不着头脑。诸如超弦理论、超对称理论等“超级”理论也在不断努力,尝试寻找突破口。

近些年发展出的量子引力论,也许是一条可能的蹊径。思路很简单,既然N-1维的表面可以找到N维的内涵信息,那么当N维表面的性质令人困惑不解的时候,何不构造一个N+1维的虚拟世界去描述这个N维的现实呢?

我们希望理解的量子物理世界,是具有1023数量级的多体系统,各种相互作用非常复杂。然而,我们可以通过引入一个更高维度的引力场,它是非量子化的,用我们熟知的广义相对论来描述就足够了。把高维度的引力场内涵做一个简单的全息投影,就可以得到低一维度表面的量子多体物理,引力论和量子论就这样给完美结合起来了!只要选择合适,在新的世界就有可能更加容易寻找到我们要的答案。因为N+1维的空间性质总是可以投影到N维表面,所以,即使N+1维空间里可能并不是那么真实,比如存在一个负的宇宙学常数等,也能保证在N维表面它是对的。这种情况反过来也成立,比如一个三维世界里发生的引力事件——苹果落地,那么在二维表面就会出现投影信息,只要找到合适的解码方式,就能判断三维世界发生了什么 (图4)。

图4.三维世界中引力事件在二维表面的信息投影(张宏宝提供)图4.三维世界中引力事件在二维表面的信息投影(张宏宝提供)

这种用引力内涵来表征量子表面的方法十分灵活高效,事实上,它已经可以用于解释我们在现实世界看到的许多复杂现象。比如在量子色动力学,凝聚态物质中如超导、超流、密度波等多体相互作用,以及冷原子中的玻色-爱因斯坦凝聚等都有非常重要的应用。

例如冷原子系统中,已经进入玻色-爱因斯坦凝聚态的原子犹如一湖平静的量子水面,如果用新的一束激光扰动它一下,就像在水面上投入一颗小石子,原子簇表面就会产生量子化的涡旋和反涡旋,形成量子湍流态。随着时间的演变,这些二维的涡旋会慢慢变少。用全息量子引力论的数值计算,通过引入第三维度的引力场(比如黑洞),就可以模拟出量子湍流的动力学行为。研究发现实际上涡旋数目的减少,就像正负电子对相遇会湮灭成光子一样,涡旋和反涡旋对儿相遇会湮灭成声子——也就是声音的能量量子(图5)。这个实例表明,相对论世界里的高能粒子湮灭,和量子论世界里的低能粒子激发,有着异曲同工之妙。

图5.量子引力图像下的涡旋与反涡旋(来自《科学》杂志)图5.量子引力图像下的涡旋与反涡旋(来自《科学》杂志)
图6.凝聚态物质中的“外尔费米子”(来自《科学》杂志)图6.凝聚态物质中的“外尔费米子”(来自《科学》杂志)

我们回头到凝聚态物理,更能深入体会到“内涵”与“表面”的妙处。狄拉克方程描述的就是接近光速运动下电子的微观行为,从中可以推论出正负电子对的产生和湮灭,同时预言了磁的世界也同样存在“磁荷”——磁单极子。

多年来,粒子物理学家一直致力于寻找自然界独立存在的磁单极子,然而并未能获得成功。但是,凝聚态物理学家在一种叫做“自旋冰”的凝聚态物质中,发现了磁单极子的存在证据。只不过,此磁单极非彼磁单极,它是一种“准粒子”,不完全等同于电子或夸克这样的基本粒子,实际上是材料内部的电子和它感受到的相互作用复合成一个等效的新粒子。这种“准磁单极子”不仅可以在体内出现,也有机会在材料的表面出现。

最近科学家发现,在一种叫做外尔半金属材料中,材料的内部有着非常特别的内涵——电子的手性存在反常,左旋和右旋的电子不对等。反映到材料的表面结果就是,表面等能量的“准粒子”分布是一段不连续的弧形,又称“费米弧”,费米弧的端点就是两个成对的磁单极子,又称“外尔费米子”(图6)。外尔费米子的发现,意味着我们将来有可能用它实现低能耗、高效率的新型电子器件和拓扑量子计算,世界将因此大不同。

对比一下外尔费米子和量子湍流中涡旋对的物理原理图,就可以发现两者有着惊人的相似。构造一个引力世界的内涵,可以模拟量子世界的湍流涡旋;观测一个二维表面的磁单极子,可以推测材料内部的电子手性反常。

真可谓,内涵决定表面,表面反映内涵。

从这些“内涵”和“表面”的讨论中还可以得到一个结论:无论是凝聚态物理、引力论、粒子物理、冷原子物理等物理领域,其本质都是相通的。

展开思维的翅膀,你将能在所有的物理天空翱翔! 作者:罗会仟(中科院物理所)

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1亿8700万像素的银河系新地图

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发现引力波有多难?爱因斯坦当年投稿也遭拒(组图)

转载于:http://www.pcpop.com/doc/2/2359/2359597.shtml

美国科学家宣布发现引力波。

美国科学家宣布发现引力波。

制图姜宣凭

制图姜宣凭

陈雁北

陈雁北

胡一鸣

胡一鸣

华西都市报对话探寻引力波的中国面孔

引力波被发现,科学界和段子手都沸腾了

如果你看过刘慈欣的《三体》和美国大片《星际穿越》,那么引力波对你来说,并不陌生。《三体》中描述的引力波天线,拯救了人类;《星际穿越》最著名的影评这样写着:“能够穿越星际的,不止引力波,还有爱。”

为了证明现实中引力波是真实存在的,科学家们从没放弃过寻找引力波的踪迹。农历春节期间,朋友圈都被“引力波”刷屏了。人类经过了一个世纪的等待,首次证实了引力波的存在。科学家激动了,连段子手都沸腾了。段子手们应景地创作出“引力波的发现,是情人节前对单身汪的最大打击!连两个黑洞都玩着玩着在一起了… ”等各种段子,来分享引力波被发现的喜悦。引力波的发现,背后究竟有着怎样的故事?大年初六,参与探寻引力波的中国科学家,向华西都市报记者讲述了发现引力波的各种细节。

发现引力波已经成为春节期间最热的话题,大家对它的关注已经远远超过科研本身。

1916年爱因斯坦在广义相对论中预言存在引力波,所谓引力波是黑洞之类质量非常大的天体在剧烈运动时扰动周围的时空,扭曲的时空波动如波纹一样向外传播的现象。

首次探测到引力波进一步佐证了解释引力与时空现象的相对论的正确性,有望实现对光及其他电磁波探测不到的天体以及宇宙诞生之初形态的观测研究。

13日,引力波论文作者之一、LIGO科学联盟核心成员、加州理工学院教授陈雁北,德国马普引力物理所、清华大学博士后、LIGO科学合作组织成员胡一鸣在北京科技报社组织的科学传播微信群中,向华西都市报记者以及众多科学爱好者讲述了发现引力波背后的故事。

胡一鸣说,在发现引力波信号后,“LIGO科学合作组织的1000多名科学家在接下来的日子里忙坏了,分布全球的多个超级计算机开足了马力,想要将那一段短短数秒的信号背后的物理全部挖掘出来。慢慢的,如同盲人摸象般,我们开始一层层解开这一引力波信号的面纱。”

“有了试验数据,把引力波带入一个新的研究时代,这次发现一个很重要的转折点。”喜欢吃川菜的陈雁北透露说,“第一次观测运行的数据还没有完全分析完,还有剩下的一部分,里面也可能有引力波。等到频繁的引力波观测到,可能就不像现在这样保密。”消息为何隔半年才发布?

3分钟发现信号,用了半年来论证“2015年9月14日,我的邮箱里收到了一封内部邮件,Event G184098。邮件里描述了实时分析数据的软件得到了一个显著性极高的候选对象。后来,它换了个名字,GW150914,”胡一鸣解释说,意思是“在15年9月14日探测到的引力波(GW)”。

胡一鸣是德国马普引力物理研究所、清华大学博士后,作为LIGO科学合作组织成员,参与了此次引力波的探测,目前他身在德国。

胡一鸣说,这张捕捉引力波的网,叫做“advanced LIGO”(高新激光干涉仪引力波天文台)。

这是人类首次直接探测到引力波,也成为爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失“拼图”。

如此重要的发现,为何要时隔半年才确认发布呢?

“其实当时信号到达后3分钟就被程序发现,但是因为那个时候还没有正式开始观测,所以大家并不期待探测到信号,回过神来第一个发现这次探测时已经是半小时以后了。”胡一鸣在访谈中回答说,“尽管如此,我们内部恪守规则,在没有万分的把握之前,严禁任何成员向任何组织外的个人透露消息。”

胡一鸣说,LIGO科学合作组织非常的严谨。只有当握有强有力的证据,才可以做出超出常人想象的论断。

事实上,在今年一月份美国亚利桑那州立大学的物理学家劳伦斯·克劳斯就在社交网站推特上发布消息,称LIGO探测器发现了引力波,引发了不小的争论。

“主要是LIGO因为严谨,不能对谣言做出任何回应,谣言满天飞的时候官方的声音不能发声,很是痛苦。所以我们希望能够在新闻发布会开始的时候,将正确的信息准确地传递给大众。”胡一鸣说。

“双黑洞的探测是一次惊世之作,在我们没有十二分自信之前,我们不敢轻易发布消息。对于大众读者而言,这不过是屏幕或者报纸上的简单几个数字,但是我们所发表的论文中的每一句话,每一个数字,背后都是漫天飞舞的电子邮件的讨论和反复的计算和确认,浸满了科学家的汗水。”胡一鸣说,“可以说,我们发表的文章,两句三年得,一吟双泪流。”

为何没选择发表在《自然》上?

现发表刊物,当年曾拒发爱因斯坦稿件

对于引力波的发现,这篇论文并没有发表在人们通常所知的《自然》或者《科学》上,而是发表在在美国物理学会出版的Physical Review Letters(PRL)上。

为何做出这一选择何做出这一选择,,昨天也成为大家关心的问题。

对此对此,,引力波论文作者之一作者之一、、LIGO科学联盟核心成员盟核心成员、、加州理工学院物理教授陈雁北解释说,物理上的发现和研究结果发在PRL上比较合适。

“我觉得就是这个原因我觉得就是这个原因,,物理上挺重要的研物理上挺重要的研究结果都是发在PRL上。它跟《自然》和《科学》有所侧重。PRL是一个很好的物理期刊,而引力波是一个很重要的物理发现,所以我们决定发在这上。”陈雁北说。

胡一鸣也解释说:“曾经听一位师兄说,在天文领域最重要的发现都是发表在APJ或者PRL上,而自然和科学更多地追逐时髦。”

对于引力波的发现,陈雁北接受采访时曾说:“我相信爱因斯坦看到今天的结果,一定也会吓一跳,尽管他会因自己在广义相对论、量子力学、激光等多个领域的贡献感到欣慰,但百年来物理学已获得前所未有的发展。对于人类今天的成就,爱因斯坦一定无法想象。”

事实上,爱因斯坦不仅会对发现结果感到吃惊,对于论文的发布也一定会吃惊不小,因为PRL的前身,APS所出版的Physical Review,曾经拒稿爱因斯坦关于引力波预测的论文。

据由海归学者发起的公益学术交流平台“知社学术圈”的作者考证,1936爱因斯坦向Physical Review投稿,题目是《引力波存在吗》,在他预测引力波20年之后,爱因斯坦写了这篇论文。

论文中,爱因斯坦的结论是引力波不存在,这也是Physical Review拒稿的原因。此后爱因斯坦在意识到自己犯错后,对论文进行了修正并发表在另外一家刊物上。

不过此后,爱因斯坦也再未给 Physical Review写过文章。发现引力波,中国有啥贡献?

清华大学团队帮忙“净化”了干扰信号

在此次引力波的发现过程,除了陈雁北、胡一鸣等中国科学家参与外,清华大学是中国大陆唯一 LIGO科学合作组织成员,研究团队作出相应的贡献。

2009年LSC(LIGO科学合作组织)接受清华大学为正式成员。据了解,研究团队着重采用先进计算技术提高引力波数据分析的速度和效率,参与了LSC引力波暴和数据分析软件等工作组相关研究,以高精度的数据分析能力帮助“净化”了引力波探测中的干扰信号,加速了迈向星辰大海的征程。

“漫长的时间里LIGO探测器并没有达到设计精度,是探测不到真正的引力波信号的,可以认为实际大家在处理的全都是噪声,可就是在对这些噪声的一点一滴的处理中不断积累经验,不断提升仪器的精度,才有了今天的探测灵敏度,”清华大学LIGO工作组负责人曹军威说。

据胡一鸣介绍,引力波的探测器在美国,但是数据都会放在超级计算机上(这部分的工作也有清华研究团队早些年的贡献)。研究者可以连接到超级计算机进行分析、处理。

胡一鸣说,LIGO是由参与建造、维护仪器、分析数据的1000多位科学家共同组成的科研团队。

“LIGO的建立需要全方面的努力,从材料、镀膜、隔震、激光、真空,到超级计算机、数值相对论、快速信号处理、数据分析、快速空间定位、参数估计,每一个步骤,每一个细节,都凝结着研究人员数十年的积累和心血,看着简单的几个数字,每一步背后都是厚厚的几十本博士论文。要实现LIGO对黑洞并合的探测,所需要解决的问题太多太多,自然需要很多研究团队的合作。”胡一鸣说,在发现引力波信号后,“LIGO科学合作组织的1000多名科学家在接下来的日子里忙坏了,分布全球的多个超级计算机开足了马力,想要将那一段短短数秒的信号背后的物理全部挖掘出来。慢慢的,如同盲人摸象般,我们开始一层层解开这一引力波信号的面纱。”

对于华西都市报记者的提问“这次引力波探测,有多少来自中国的研究者参与?”陈雁北说:“我觉得华裔的,加上中国本土的,可能会占总数的百分之十。具体我也说不清。”

对话科学家

爱吃川菜的科学家陈雁北:

引力波非常微弱

穿越

还不能实现

陈雁北(引力波论文作者之一、LIGO科学联盟核心成员、加州理工学院教授,北京人,爱吃川菜)

胡一鸣(德国马普引力物理所、清华大学博士后、LIGO科学合作组织成员)

华西都市报:何种机缘让您开始引力波实验项目的探测?

陈雁北:我参加引力波项目很偶然,以前在北大学的是核物理,到加州理工后,觉得引力波挺有意思的,又是一个很新的项目,就加入了。

引力波探测有很长的过程,花了几十年的时间,开始大家都不知道引力波多长,怎么能够探测到。

其实我也比较幸运,参加这个项目十几年就发现了引力波信号,有的是研究是了三四十年才探测到,对于他们来说,学术生涯很长一段时间都属于一种没有数据的探索阶段。

华西都市报:引力波存在与我们的生活有什么密切联系吗?

陈雁北:除了技术上的推动,直接应用好像很难。研究科技最高、最难的东西,可以衍生其他学科的进步,是一个非常基础的作用。

胡一鸣:正如爱因斯坦当年也无法准确地预言,广义相对论能给人带来什么用处。但实际上,我们手机里使用的卫星导航,如果缺了广义相对论的修正,根本就无法正常使用。有故事说,一位收税官在观看了法拉第的电动机工作表演后,很轻蔑地问道:“这样的东西会有什么用呢?”法拉第告诉那位收税官:“先生,我想在将来的某一天,你一定会向它收税的。”在面对科学突破时,特别是这种基础领域的突破时,我们不应该以现实应用评价它的价值。当然,这也并不是说,纳税人的钱扔给LIGO只是为了听个响(我们的确听到了这一声黑洞的并合),在LIGO的建造中,涉及到无数科研前沿的问题等待突破,而这些技术上的创新与突破,纷纷都衍生出草创公司,也许未来某一天,我们也将从中受益。要知道,创造互联网的,并不是某个商业公司,而是为了探索高能物理的欧核中心。

科学的发展往往很有趣,有人总结过,如果某个科学家预言某种事情一定做不成,事实往往会证明他/她的错误。

华西都市报:引力波被证实,是不是一些科幻作品里的场景也间接能实现?

胡一鸣:官方的回应一直是:不予回答。陈雁北:穿越和时光机等还不能实现。引力波非常微弱,因此很难发射可以被接收和探测的引力波。从理论上讲,有可能向一个正在合并的双黑洞发射一个叠加的引力波,可望产生一种引力波放大效果,但实际上不太可能实现。此外,由于引力波本身造成的时空弯曲是很小的,所以借助引力波“穿越时空、回到过往”并不现实。

中国引力波探测工程可以做什么?

“天琴计划”能探测更大的黑洞

问:网上有人说,LIGO项目研究探测到了引力波,是否中国的“天琴计划”就不需要再继续了?

胡一鸣:对于我国自己的引力波实验项目,我个人认识是应该大力鼓励和支持的。我去年年底参加过天琴计划的研讨会,如果可以做成,我非常希望自己可以参与到咱们国家自己的引力波研究进展中

陈雁北:网上有人说发现引力波了,天琴计划是不是就不要搞了,我认为这是非常错误的说法。因为地面和天空探测引力波是不一样的,不同的波段观测到的不同的现象,观测到的是不同的东西,本身没有矛盾。

考虑到地面已经观测到引力波,这是对空间探测一个鼓励。天琴计划可以探测更大的黑洞,很可能是星系中心这样更大质量黑洞的并合过程,研究宇宙的了解,早期星系形成演化过程,这是地面上探测不到的,天琴计划可以带来更新的信息。

天琴计划,我是去年从中大校长罗俊院士那里听说的。我更高兴,在引力波上中国应该有所投入,做出中国贡献。华西都市报记者王国平

[视频]SpaceX创下历史:猎鹰9号火箭首次成功回收全纪录[转载]

转载自cnbeta:http://www.cnbeta.com/articles/459563.htm

随着轨道太空助推火箭的成功着陆,SpaceX刚刚创造了一个历史。美国东部时间晚间8:39,该公司的猎鹰9号火箭在Orbcomm-2任务中将11颗通讯卫星送入近地轨道之后,其一级在卡纳维拉尔角空军基地实现了受控“软着陆”。该火箭于当晚8:29从第40号空间发射综合体点火升空,风速为10英里/小时(16 km/h)。10分钟后,猎鹰9号火箭的一级顺利着陆。

猎鹰9号共携带了19颗通信卫星。

起飞1分钟后,火箭达到了最大应力(Max Q);2分20秒后,1级停机、并开始2级分离(数秒后点火);3分钟的时候,保护负载的整流罩被抛开;10分钟时,火箭二级停机;15分钟时,开始部署首颗卫星;最后一颗则在当晚8:49被放出。

发射台上的猎鹰9号。

与此同时,猎鹰9号火箭的一级并未坠入大西洋,而是以亚轨道高超音速重回既定的返程轨道;随后引擎继续运行4分钟以减速、重新进入大气层,而助推器顶部部署的一组叶片,则作为舵手来指引火箭返航。

猎鹰9号点火起飞时。

起飞10分钟后,引擎最后一次点火,并最终于1号着陆区(此前是在1978年最后一次使用的第13号太空发射综合体)实现“软着陆”。

猎鹰9号助推器接触地面。

SpaceX称,整个着陆调遣,全由助推器上的“自主式导航计算机”自行控制。随着火箭的顺利着陆,任务控制中心爆发出了阵阵欢呼,掌声经久不息。

猎鹰9号创下了轨道太空火箭“首次受控着陆”的历史。

SpaceX CEO Elon Musk昨日宣布了将发射推迟24小时的决定,以提升10%的成功几率。作为进一步的防御措施,当地社区已发出了火箭返回时的引爆预警。

30-sec TECH SpaceX makes history

本次运送的11颗卫星,将成为Orbcomm 17颗近地轨道卫星群的一部分(用于机对机和远程通信)。此前,猎鹰9号曾在执行CRS-7任务时,遇到因氧气罐压力异常而造成的二级爆炸事故

ORBCOMM-2 Full Launch Webcast

[编译自:Gizmag , 来源:SpaceX]

新期刊将彻底打破传统学术出版规则【转载】

转载自cnbeta:http://www.cnbeta.com/articles/427049.htm

大多数传统学术期刊只接受完整的研究论文,是在核心研究工作完成后的系统总结。2015年9月1日开放获取期 Research Ideas &Outcomes (RIO)刊宣布将要创刊,这代表着一种新学术出版模式的出现,新型期刊接受和发表研究过程所有类型的学术资料,包括研究思路、研究方案、研究数据、软件、项目报告、政策简报、项目管理计划,也接受完整的研究论文。而且该杂志不受学科限制,可以 是自然科学研究,也可以是人文软科学领域。

根据《自然》报道,新杂志的出现已经很少引起大家关注,这一新杂志的新思路让大家开眼,一出现就引起学术界关注。一些学者担心大家不会愿意分享不成熟的研究思路,因为这些研究思路是某些学者赖以生存的基础。长期关注流氓开放期刊的加拿大学者Jeffrey Beall对这种杂志有一些担心,担心作者可挑选审稿人,容易导致伪评审问题。

伦敦自然历史博物馆进化生物学家Ross Mounce是该杂志的发起主编。新杂志的栏目主编丹麦技术大学海洋科学家Ivo Grigorov在推特上说,杂志刚刚起步,尚存在许多缺陷,但这个杂志给作者提供了一种新选择,能在研究工作的任何阶段发表学术资料。他不认为存在评审过程容易被操作的问题。主编Mounce认为匿名评审是导致许多论文无法重复的原因之一,开放或公开评审将能提高对评审过程的监督。新杂志计划在2015年11月开始接受稿件,接受稿件作者将被要求支付数百美元出版费。Grigorov说,新杂志是一个尝试克服目前流行学术出版系统的不足,可能还不是非常完美,也可能会遇到一些困难,但不尝试怎么可能成功。

杂志出版通过ARPHA出版平台,从投稿、审稿,到发表,形成一个网络合作空间。ARPHA出版平台让整个评审过程公开透明,以保证评审的公开公平和信誉。收费方式也比较灵活,所有项目如审阅、评论、数据和代码都能获得独立ID,可以永久在线开放获取。

个人认为,这代表一种新的发表时代。如果该期刊获得成功,那么将来会出现不同领域的类似期刊,例如Ideas & Outcomes inbiology,Ideas & Outcomes in medicine,Ideas & Outcomes incell等等。当然也可能会出现这样的情况,传统学术期刊参考这种出版理念,接受研究思路和研究方案等论文形式。

科学研究往往是多人合作的工作,合作不仅体现在不同资源,也体现在不同阶段。有的人有实验平台,但缺乏好的研究思路,有的人有技术特长,但缺乏课题设计能力,不一而足。但传统的论文发表模式无法将这种差别体现出来,因此导致当前的许多研究必须在团队中完成。其实研究完全可以相互开放合作,这其实就是一种合作共享平台。如果你有好的思路,但没有条件或能力去证明,过去几乎不可能形成文章发表出来,这种情况现在可以发表自己的看法和观点了。还有一些研究数据,因为不符合研究假说,或者属于阴性结果,过去很难找到发表渠道。这种新的学术期刊将给这些不理想的研究资料和知识产品提供展示的平台。医学期刊中有一个《医学假说》就是专门发表研究假说和思路的,但对其他多种研究的元素无法找到发表途径。

许多人可能会担心,这不是会导致研究思路被剽窃的可能,其实不要担心,因为发表后就意味着你拥有思路的权限。需要担心的是某些具有衍生研究价值的思路,可能会被一些有更多资源的人抢先研究。其实也不要担心。不过如果一个人真的善于提出研究新思路,他完全可以依靠提出新思路在学术上建立自己的学术地位,反复提出思路,让愿意验证的人去验证吧,关键是提出的思路可行性要比较好。

学术讲究创新,学术出版也需要创新,从传统的纸质期刊,到电子期刊,从订阅到开放,从完整到分散。所有正确的改革方向都要围绕促进学术交流的效率,促进科学研究发展速度为标准。按照这个标准,学术出版没有也不应该有固定模式。可以看到论文越来越接近科研过程,这是好事。

注定生命出现的物理常数值:宇宙为我们定制?

据物理学家组织网站报道,将近半个世纪以来,理论物理学家们一直在思考一个似乎有些令人困惑的问题,那就是我们宇宙中的一些基本物理常数的值几乎就像是为了让生命出现而专门定制的。粒子物理标准模型中的那些常数导致了宇宙大爆炸中氢原子核的形成,然后在早期快速诞生的大质量恒星内部合成了碳原子和氧原子,并伴随超新星爆发散布到宇宙空间中去。

我们宇宙中的一些基本物理常数的值几乎就像是为了让生命出现而专门定制的。即便是基本物理学参数上发生非常微小的变化也会导致这种多重宇宙中出现完全不同的宇宙,我们所在的宇宙似乎对我们是友好的


这些过程最终为太阳系和行星的出现奠定了基础,让在其中的一颗行星上出现以碳元素为基础,依赖水和氧气生存的生命成为了可能。

最早产生这样一种想法,即认为物理学以及宇宙的演化都遵循人择原理的人是英国剑桥大学的天体物理学家布兰顿·卡特尔(Brandon Carter),当时他还是一名博士后研究员,随后这一想法得到了剑桥大学的史蒂芬·霍金教授以及全球各地大批物理学家们的广泛探讨。

德国学者沃尔夫冈·梅纳(Ulf-G Mei?ner)是德国波恩大学亥姆霍兹研究所理论核物理首席研究员,他为人择原理提供了更多的证据。

在一篇名为《核物理中的人择思考》的研究论文中,梅纳教授对人择原理在天体物理学以及粒子物理学中的体现进行了论述,这篇文章刊载于北京出版的《科学通报》(Science Bulletin)上。在这篇论文中,梅纳教授写道:“人们可以通过一些具体的机制过程,比如元素的产生过程,来对这种相对抽象的论述进行物理学检验。”

他说:“这就需要利用超级计算机,我们在其中对世界进行模拟,并允许我们采用不同于真实世界中的一些基本物理学参数。具体到某个物理学问题,比如我想知道大爆炸中轻元素的产生对轻夸克的质量变化是否敏感;另外,在3-α过程中谐振状态的稳定性如何?”

布兰顿· 卡特尔最初设想的理论是这样的:“我们的宇宙(同时也包括那些其赖以存在的基本物理常数)必须允许观察者在某一阶段出现。”史蒂芬·霍金教授是宇宙大爆炸 和宇宙膨胀方面的专家,他在一系列的专著和论文中介绍和拓展了这一思想。比如在他的畅销书《时间简史》中,霍金教授总结了一系列看上去支持人择原理的天体 物理学现象和常数,并提问道:“为何宇宙以这样接近于介于坍塌和永远膨胀模型的临界膨胀速率开始并膨胀下去,即便是在今天,在经过100亿年之后,仍然在以几乎临界速率膨胀?假如大爆炸之后一秒钟时的宇宙膨胀速率哪怕小上一亿亿分之一,那么我们的宇宙早在变成今天的大小之前便已经重新陷入塌缩。”

梅纳教授在论证其观点时写道:“我们所生活其中的宇宙是由一些特定的参数定义的,这些参数取得某些特定的值,使其似乎专为生命而定制,其中也可能包括地球上的生命。”

他 指出:“比如说,宇宙的年龄必须足够大,从而可以允许星系,恒星和行星,以及第二代和乃至第三代恒星的形成,这些形成时间较晚的恒星体系吸收了由此前已经 消亡的更早的恒星在太空中散播的碳和氧元素。而从更加微观的角度来说,粒子物理标准模型中轻夸克质量的某些基本参数或电磁精细结构常数的取值也必须允许中 子,质子和原子核的形成。”

宇宙大爆炸核合成机制仅仅产生了氢原子核以及α粒子(氦核),而那些被普遍认为属于生命必须元素的物质,如碳和氧都是在后来才由亮度和质量巨大,因此寿命也非常短促的早期恒星在其内部经由核合成机制产生,并以超新星爆发的形式散布到宇宙空间当中。

在德国于利希研究中心JUQUUEN超级计算机上进行的一系列计算机模拟中,梅纳教授和同事们将自然界中轻夸克的质量数值进行了更改,以验证这一数值发生多大程度的变化将会导致大质量恒星内部碳和氧元素的合成过程受阻。最终他们得到的结果是,轻夸克质量上2~3%的变化将不会对大质量恒星内部碳和氧元素的合成造成灾难性的影响。

而在宇宙的开端,当大爆炸发生并产生元素周期表上最初开头的两个元素之时情况则有所不同。梅纳教授表示:“从观测到的元素丰度到自由中子的衰变周期大约为882秒这一事实,大部分幸存下来的中子都会被氦核捕获。你会发现这里对轻夸克的质量变动有一个严格的限定。”他说:“这种严格的限定似乎可以被视作是宇宙人择原理的一项支持证据。很显然,我们可以设想存在很多个宇宙,在每一个宇宙中基本参数都有不同的取值,从而导致其中的环境大大不同于我们所在的宇宙。”

史蒂芬·霍金教授指出,即便是基本物理学参数上发生非常微小的变化也会导致这种多重宇宙中出现“完全不同的宇宙,即便它非常美丽,但毫无疑问,我们中的任何人都将无法欣赏这种美”。

梅纳教授对此表示赞同:“那样的话,就说明我们所在的宇宙似乎是对我们友好的,而这正是人择原理的基础。”

全部中枪:10大被用错的科学术语

许多科学术语已经被人们广泛应用在了日常生活中。不过不幸的是,它们几乎经常是被误用的。一些忍不了的科学家站了出来,希望人们可以认识到这些问题,科学、准确地理解这些科学术语。以下是十个最经常被人们误解的科学术语。

1. 证明(Proof)

物理学家肖恩·卡罗尔(Sean Carroll ):

我认为在所有科学概念里,最被广泛误解的正是“证明”一词。它本身的科学定义是:在遵从若干假设的条件下,得出某个结论所使用的逻辑论证——这可比口语中的“有充分证据表明”的意思要“高大上”得多。由于科学家的脑海中对一些词汇已经有了更严谨的理解,因此他们表达的含义和大众理解的含义实际并不匹配。根据“证明”的定义,科学实际上没能“证明”任何一件事情!就像当被问到比如:“如何证明我们由其他物种演化而来?”,或者“你能证明人类活动导致了气候变化吗?”时,我们(科学家)倾向于支支吾吾,而不是简单地回答“我能!”科学能够成功的关键要点之一就是,科学从来不真的“证明”什么,而是创造更多可靠的、综合的理论来描述已知世界,同时这些理论也需要我们不断地更新与改进。

试卷答案上“容易证明”四字简直丧(xi)心(wen)病(le)狂(jian)。

2. 理论(Theory)

天体物理学家戴夫·古德堡(Dave Goldberg):

当普罗大众(和一小撮别有用心的人)听到“理论”这个词的时候,他们通常会把它和“想法(idea)”或者“推测(supposition)”划等号。而实际上,理论应该是一套完整的体系,它包含可验证的想法,并且可以通过现有证据或者科学实验证伪。那些最优秀的理论(比如狭义相对论、量子力学和进化论)已经经受住了上百年的考验。试图证伪这些理论的挑战者们包括希望证明自己比爱因斯坦聪明的人,以及不喜欢那些抽象理论颠覆自己世界观的人。当然他们都无一例外的失败了。理论应该是可改进的(malleable),但不是无限的:一个理论可能在后来被证明在某些细节方面是“不完整的”甚至是“错误的”,不过这幢理论“大厦”的“根基”并不会垮塌。进化论自诞生以来已经经过了许多修改,但它的理论核心依然是得到认可的。对“某某某只是一个理论”这句话的误解在于,这似乎意味着一个真正的科学理论微不足道,而事实则大相径庭。

达尔文提出的进化论已经获得了越来越多的证据的支持。图片来源:worldpress.com

3. 量子不确定性(Quantum Uncertainty)与量子怪诞性(Quantum Weirdness)

古德堡还提出了这两个比“理论”误解更深的科学术语。这种误解通常发生在大众接触最新物理学概念时,或者是出于一些精神上的原因:

“这种误解是量子力学上升到精神层面的自我升华,甚至包括憎恶等感情的集中体现”。量子力学以它“不确定”的核心思想而出名。观察者对位置、动量或者能量的测量都会导致不确定的“波函数崩塌”(实际上,我做了一项“你需要多聪明才能导致波函数崩塌”的研究,信不信由你)。但宇宙万物的“不确定性”并不意味着你就是那个掌控一切的人。值得注意(甚至敲响警钟)的是,量子不确定性和量子怪诞性的概念已经和灵魂论、人类征服论甚至伪科学联系在了一起。

要知道,无论如何,我们自己就是一大群量子粒子(质子、中子、电子),并且也是这个量子宇宙的一部分,这简直酷毙了。在量子意义上,一切物理学都很酷。【想看酷酷的物理学?请看果壳文章:量子阴影:物质的本质由你决定? 时间之箭源于量子纠缠?】

量子酷,宏原子更酷。

物理学真是太酷了!不服来战!图片来源:iwastesomuchtime.com

4. 后天学习(Learned)与先天天赋(Innate)

进化生物学家马琳·祖(Marlene Zuk):

我最喜欢(误)的误解就是人们对“学习vs天赋”或者关于其他“后天vs先天”含义的理解。对于前者,我想强调的是,讨论一个行为是否是“遗传的”这个问题本身就有失偏颇——所有的性状都是基因与环境共同塑造的结果,只有对于性状之间的“不同之处”(而不是性状本身)时,我们才会讨论这是先天遗传的还是后天学习的。就像一对同卵双胞胎,如果他们生长环境不同并且做了不同的事情(比如说不同的语言),那么这种“不同”是后天学习造成的;但无论说法语也好说意大利语也罢,这种学习过程不可能凭空发生,所以很明显,他们需要特定的遗传背景给予他们学习的能力。【请看果壳网文章:科学成功学:几分天注定,几分靠打拼?】

学习也是一种天赋。

5. 有机的(Organic)

昆虫学家格温·皮尔森(Gwen Pearson)表示,人们更迷信于一些术语,比如“有机的”、“无化学物质的”和“天然的”:

理论上所有食物都是“有机”的,因为它们都含碳。但我更担心的是,人们对于食物和工业产品之间的区别所知甚少,并常有误解。一个东西,它可以是天然的、有机的,但它依然可能是危险的;而另一个东西,它也许是合成的或者人工制造的,但它却可能是安全的,有时甚至是更有效的,例如胰岛素。胰岛素是由转基因细菌生产的,但它正在挽救成千上万的生命。

6. 天然的(Natural)

大众对天然这个词的误解已经让合成生物学家特里·约翰森(Terry Johnson)十分厌倦了:

“天然”这个词可以用在许多的语境中,表达许多不同的意思,我们几乎不可能一一地解析。而它最基本的用法是用来区别那些人类创造出来的事物和非人类创造的事物。这想法预设了人类和自然是对立的。与河狸或者蜜蜂相比,我们建造的东西都被称作“不天然的”或者“不自然的”。

说起“天然的”食物,这个概念就变得更加模糊了。它在不同的国家有不同的定义,美国食品局甚至放弃了定义“天然食物”(而转投“有机”的怀抱,虽然这个术语的定义同样很模糊)。在加拿大,如果在我出售玉米之前,既不添加东西,也不减少东西,那么我可以说我出售的是“天然的”玉米。但是,玉米本身就是人类几千年来人工选择的结果,它们还种植在一个一切都带有人类痕迹的星球上。

给我来二斤纯天然砒霜!

7. 基因(Gene)

约翰森更担心大众对“基因”的广泛误解:

25位科学家花了两天两夜,对“基因”一词做出了仍有争议的定义:“基因是基因组序列上一个特定的区域,该区域对应一个遗传单位,并与调节、转录和/或其他功能性序列区域相联。”这意味着基因可以看做是DNA上零散分布的基本单位。我们可以这么描述:“基因制造,或者调控制造一些东西。”但这个定义本身就有回旋的余地,毕竟不久之前我们还认为DNA上的大部分序列是没什么作用的“垃圾”呢。但现在我们发现,这仅仅是因为“垃圾”DNA的作用不那么容易被观察到罢了。

一般来说,对“基因”的误解来源于这个描述:“有XXX的基因”。这里面就包含了两个问题:其一,我们都“有血红蛋白的基因”,但不是所有人都会得镰状细胞型贫血;其二,不同的人可能携带血红蛋白的不同等位基因,而这其中有些等位基因和镰状型细胞贫血病有关,有些则不会。所以遗传病指的是患者家族中携带的等位基因有潜在问题,而且家族中只有一部分人会患病的疾病。基因不是什么坏东西——相信我,没了血红蛋白人可活不长——尽管特定版本的血红蛋白基因可能是有问题的。

我最担心的就是人们将“基因变异”和一些(疾病)直接联系在一起。大众会觉得“就是这个基因导致了心脏病”,而不知道事实是“有这种(变异的)等位基因可能会稍微增加患心脏病的风险,但我们还不知道其中的原理是什么。这种突变也许会对人有某些额外的好处,但我们还不知道这些好处是啥因为我们压根儿还没开始找呢!”

“基因”躺着也中枪。另外,还有人记得它么:

图片来源:zhen-ao.com

8. 统计显著性(Statistically Significant)

数学家约旦·艾伦堡(Jordan Ellenberg):

“统计显著性”这个词是科学家最想重新命名的科学术语之一。“显著”二字突出了重要性,但英国统计学家费舍尔(R.A. Fisher)发明的统计学显著检验并不是用来衡量某种影响(effect)的重要性或者尺寸的,而是帮助我们使用统计学方法来检验某种影响是否与零假设区分开,因此把它称为“统计辨识度”可能会更好。【关于统计学还有什么误会?请看:统计学里“P”的故事:蚊子、皇帝的新衣和不育的风流才子】

9. 适者生存(Survival of the Fittest)

古生态学家贾坤里·吉尔(Jacquelyn Gill)表示大众误解了进化论的一些基本原理:

就我而言,“适者生存”是最被人所误解的术语之一。首先,这句话并非达尔文的原话;其次,大众对“适者”的含义理解得不准确。这种混淆包括“演化是渐进的且有方向的”的这一观念(甚至认为有机体的某一部分是“有意”设计出来的),或者“所有性状都必须是最适应环境的”。(性选择很重要!还有随机突变也是!)

“适者”并不意味着这种生物就是最强壮的或者最聪明的。这仅仅意味着它是最适应自己生存环境的生物,而它可以是任何一种样子:“最小的”、“最粘的”、“最毒的”甚至是“缺水条件下坚持时间最长的”。此外,生物的演化也不全是为了适应环境,漫长的演化之路上,随机突变或者更吸引异性的特质耶同样发挥了重要作用。

雄性蓝孔雀华丽的尾羽可以说完全不利于它的生存,但是雌性就是喜欢,这就是性选择。图片来源:publicdomainpictures.net

没割阑尾,感觉自己萌!萌!哒!

10. 地质时间尺度(Geologic Timescales)

吉尔同样表示,大众对地球的时间尺度同样知之甚少:

我经常碰到的问题是,大众缺乏对地质时间尺度的理解。在大众的脑海中,“史前”的一切都被压缩了,比如有人觉得两万年前地球上生存着于现在完全不同的生物(错!),或者恐龙就生活在那个时代(大错特错!)。市面上常把塑料恐龙模型和穴居人、猛犸象一起售卖,这对理解地质时间尺度可没什么帮助。【地质时间的尺度有多大?大到穿越5亿年又如何!】

PS:看完上面这些,“纳米”表示它不服。

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