科普:为什么我们要在高维来统一理论?

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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)

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。

我国科学殿堂弦/圈量子引力研究线路图

转载自:http://www.douban.com/group/topic/7911721/

我国科学殿堂弦/圈量子引力研究线路图

习强 转载

据2009年中国科学院院士增选初步候选人名单,弦/圈量子研究著名学者李淼、李新洲等榜上有名,我们向他们表示祝贺。

1、据一位朋友告诉我们,正确的科学研究道路很重要;他参加的2009年8月上旬北师大圈引力(loop)会议,感到加拿大圆周物理研究所的学者,用扭量理论构造微观粒子拓扑形态的假说模型,与我们的三旋密码的论证类似,然而出发点与结论却不相同。他请教过国内圈引力学者,认为上述扭量模型的探索可取,但未必能得到可计算的有效结论,特别是能否进行费曼路径积分是个没有解决的大难题。关于loop理论,有人说到现在20年的发展,,已经造就了几个中心:一个是加拿大的圆周研究所(PI)。PI的核心人物是lee smolin,smoli(斯莫林),他写了一本科普书《通往量子引力的三条路途》。他的前妻,做物理能象做菜一样的马可波罗-芙荑妮,他们已经分手了;但分手之后,他们的爱情故事被圈内人关注。芙荑妮有了新的男朋友;smolin好象也有了新的妻。.所以当2个人坐在一起,在饭桌上聊天,谈笑风声,其实内心有万千头绪。smolin已经50出头,前妻30出头,这一对旧人,随着时间流淌。另外的一个是法国的Rovelli组,一个是美国的ashtekar组,还有就是波兰的lewandowski组,还有就是德国的thiemann组,风头最健.。

2、有人说,在中国对圈量子引力理论,做出突出贡献的有北京师范大学马永革,江汉大学邵丹,南昌大学凌意等分别领导的小组。他们所取得的成果为国内之翘楚,且深受国际学术界瞩目。其中我们来看马永革教授的学习经历,马永革博士生导师讲授的课程是:微分几何与广义相对论,纤维丛与经典场,非微扰量子引力。 1987. 9-1991. 7:东北大学物理系本科,获学士学位。 1993. 9-1996. 7:北京师范大学物理系研究生,获硕士学位;研究方向:引力与广义相对论。 1996. 9-1999. 7:北京师范大学物理系博士生,获博士学位;研究方向:引力与广义相对论;导师:梁灿彬教授。 1999.11-2001. 1:阿根廷科尔多瓦大学 (Universidad Nacional de Cordoba) 博士后;研究方向:量子引力与广义相对论。 2001. 1-2001. 8:美国宾州州立大学引力与几何中心 (CGPG, Penn State University) 博士后;研究方向:(非微扰)圈量子引力。其次是武汉市江汉大学的邵丹教授,湖北大学邵常贵教授,武汉科技大学的邵亮教授,他们在做圈量子引力方面有很多年,也有不少成果。

3、有人说,中央财经大学的冯波教授,1994年和1997年分别获得北京大学理学学士和硕士学位,2002年获得麻省理工学院物理学博士学位;他的主要研究领域,则是弦论,振幅计算等。做弦论著名的李淼教授,他的经历是,1982年毕业于北京大学物理系,1984年在中国科学技术大学获理学硕士学位,1990年在哥本哈根大学玻尔研究所获得博士学位。先后在美国加州大学圣巴巴娜分校、布朗大学、芝加哥大学做博士后研究员和研究助理教授。1999年回国,任中国科学院理论物理研究所研究员、博士生导师,曾任台湾大学客座教授、中国科学技术大学客座教授。李淼博士是研究量子场论、超弦理论以及宇宙学。在超弦理论中的研究有一定的国际影响,特别是在两维刘维尔理论、D膜以及黑洞的量子物理等方面。最近致力于研究超弦中的黑洞物理、超弦宇宙学以及暗能量。最近五年的主要工作有:(1)不稳定膜的衰变。李淼和两位合作者在2002年夏完成的不稳定膜辐射引力子和其他粒子的计算开创了这方面的研究。其他人后来计算了辐射有质量的弦和低维(如2维)弦论中的膜的辐射。(2)用时空测不准解释微波背景辐射谱和暴涨宇宙。李淼和他的学生研究了弦论中,时空测不准带来的对微波背景辐射功率谱的影响,发现谱指数的跑动可以用非对易暴涨模型来解释。最近,他在考虑一个长弦驱动暴涨的模型。(3)李淼的全息暗能量模型,是第一个可以用来拟合实验数据的基于全息原理的暗能量模型。(4)李淼的宇宙学矩阵模型,涉及如何解决随着时间变化背景之下的弦论研究。(5)李淼的弱引力猜想,涉及弦论真空能不能实现甚至“预言”粒子物理标准模型以及其中的参数数值和一些宇宙学参数。为了对弦论的预言范围作出限制,最近Arni-Hamed等人提出弱引力猜测,在某种意义上,引力与任何其他规范长程力相比总是最弱的力。李淼的研究则指出,将一个4维理论下降到低维,这个猜测很容易得到一些简单的证明。并且将这个猜想推广到有正的宇宙学常数(暗能量)情形,并提出了一个新的猜想:一个标量场的耦合常数也会受到弱引力的限制。

4、有人说,由于众所周知的如层子理论等原因,中国错过了60年末70年代初弦论研究的第一次热潮,但少数理论家如张宗燧和戴元本等人研究了S矩阵和色散理论。层子中的矩阵和色散等理论,是否可变相说成是弦论不说,为什么要研究引力量子化,或为什么引力也需要遵从量子力学规则?如说引力可能像热力学那样,是一种宏观理论,从而可以规避量子力学,类似从流体的分子原子理论出发,导出流体力学的基本方程,这些方程完全是宏观的,其中很多物理量只是宏观概念,例如密度、粘滞系数。但 如将引力场放在一个空腔里,给一个经典波长截断能量是,为了避免这些能量塌缩形成黑洞,得取空腔体积是可观则宇宙的大小,则有温度越高,截断波数越小,也就是说截断波长越大。由此可见,假如引力无须量子化,那么引力的波长不能太小,和引力实验所能达到的最小尺度矛盾。中国对量子引力的研究开始于文革末期,主要代表是引力的规范理论的研究,这是那时一个不完全名单。北京:陆启铿,郭汉英、吴咏时,张元仲、安英、陈时、邹振隆、黄鹏,李根道,张历宁;兰州:段一士;合肥:闫沐霖;西安:侯伯宇。几年后,中国学者闫沐霖研究了带挠率的规范引力的Feynman规则和量子化。稍后,周光召和吴岳良还尝试用规范理论统一包括引力在内的所有相互作用。但中国人在早期对弦论并无直接贡献,中国人开始注意弦论,是在弦论的第一次革命中。当时中科院理论所的朱重远老师,开始支持研究弦论,他的学生熊传胜和江口(Eguchi)的关于拓扑弦的工作,在数学界有很大影响。但后来熊传胜离开了弦论。 浙江大学的汪容老师也带研究弦论的学生,包括虞跃先生。虞跃后来也离开了弦论。复旦大学倪光炯的学生陈伟,也是早期研究弦论的有数的人之一,后来也离开弦论了。 西北大学带出了如陈一新等人,北京的研究生院出的朱传界一人,也很有成就。而超弦第二次革命来得突然,也使得很多国内的人对所谓超弦革命持怀疑态度,似乎还没有人意识到在美国、欧洲和印度发生了什么。超弦的背景深藏于超对称、超引力、K-K理论,还有T-对偶、卡-丘流形的镜像对称性、S-对偶的猜测等工作。
1984年和1985年弦论的第一次革命超弦在中国引发研究热潮,卷入超弦理论研究的一个同样不完全的名单是:戴元本、郭汉英、朱重远、黄朝商(理论物理研究所);汤拒非(科学院研究生院);宋行长、赵志勇、章德海(北京大学);汪容(浙江大学);侯伯宇、侯伯元、王佩(西北大学)。学生们包括:朱传界(研究生院);吴可、吴岳良、谢彦波、熊传胜(理论物理研究所);李淼、高洪波、高怡泓、卢建新(中国科学技术大学);虞跃、沈建民、徐开文、胡宏亮(浙江大学);陈伟(复旦大学);陈一新、岳瑞红(西北大学)。例如,1985年在国内,除中科院理论所外,还有中科院研究生院、浙江大学、复旦大学的一些人开始注意弦论,西北的侯伯宇等人也把注意力从反常转移到弦论。中科大的李淼、高洪波、高怡泓等几个研究生,也对中国的弦论做了一些事情,而被称为科大的“三剑客”。后来高洪波离开了弦论,现在在加拿大已是一个很成功的金融界人士了。在科大,独立於“三剑客”,后来对中国弦论界的贡献也很有成就的是卢建新。再往后,弦论在中国越来越不受重视,就很少出人了。中科院理论所吴可老师的学生陈斌和现在理论所的研究员喻明,都是从国外“深加工”回来的。总之,从1984年到80年代末,中国理论界培养了一批年轻人。这些人现在是中国研究弦论、引力和宇宙学的主要力量,部分人则跨入其他领域。
从80年代底到90年代中期,西方的弦论研究进入低潮。相应地,在中国,弦论的研究几乎完全消失,宇宙学研究的热潮远远没有开始。1994、95年,在西方发生了弦论第二次革命,西方之外还包括印度。Ashoke Sen坚持研究弦论中强耦合/弱耦合对偶数年,94年得到Seiberg和Witten的重视,后者关于超对称规范场论的工作轰动了整个理论界。1995年,Witten发表了关于弦论的强弱对偶的文章,弦论的第二次革命开始进入高潮。到了1997年、98年,中国的弦论研究开始复苏。可惜的是,整个90年代,学生们几乎脱离了弦论研究,几乎没有人能够立刻进入弦论和M理论的主流研究。到了21世纪,中国才真正介入了弦论研究的主流。现在,几乎每年都有弦论方面的人回国,而我国自己培养出越来越多的年轻弦论研究者,有的在国际上已经初露锋芒。

5、有人说,第二次革命引起的弦论研究的多元化:对偶,M 理论,膜,黑洞,非微扰量子场论,AdS/CFT,AdS/QCD,AdS/CMT。特别是AdS/CMT,是目前大有潜力的研究方向,这里CMT指的是凝聚态理论。通过全息原理,一些强耦合系统等价于一个高维的引力系统,这个方向很有可能带来凝聚态理论研究的突破。宇宙学的研究也非常丰富,一些研究方向有:暴涨理论,暗能量,膜宇宙,宇宙弦,非高斯性。在所有这些方向上,中国人都作出了一些不俗的成绩。
而且和上世纪80年代完全不同,除中科院理论物理所和高能物理所,中国科学技术大学,北京大学,复旦大学,浙江大学,北京师范大学,西北大学,南开大学,宁波大学,南昌大学,南京大学,成都电子科大,中央财经大学等也很活跃,研究也非常多元化。但和美国相比,中国的理论研究当然还很弱—-大多数单位只有一个人,还没有特别原创性的工作。当然未来也不需要完全跟着西方的主流跑,日本人和印度人做得就很好。而且今后粒子物理和宇宙学实验,对发展弦论、量子引力将起决定性的作用。

6、有人说,这是一场战争,就是在弦理论和圈理论之间也是这样的,你需要不断地“杀死”别人才能保全自自。.在圈理论(loop)面前,敌人就是弦理论(string),潜在的盟友是扭量理论(twistor.)。但它们又全出身于广义相对论。相对论很优美,这可以从彭罗斯的《旋量和时空》看出来.,经典广义相对论已经被彭罗斯终结,但还剩下一些比如准局部能量的问题,这些问题的背后会给物理学一个新的刺激。

数学家和物理家的奇闻趣事汇编

史上最牛的博士论文–德布罗意(De Broglie)
故事发生在二十世纪初的法国。 巴黎。一样的延续着千百年的灯红酒绿,香榭丽舍大道上散发着繁华和暧昧,红磨坊里弥漫着 躁动与彷徨。而在此时的巴黎,有一个年轻人,名字叫做德布罗意(De Broglie),从他的名字当 中可以看出这是一个贵族,事实上德布罗意的父亲正是法国的一个伯爵,并且是正是一位当 权的内阁部长。这样一个不愁吃不愁穿只是成天愁着如何打发时光的花花公子自然要找一 个能消耗精力的东西来磨蹭掉那些无聊的日子(其实象他这样的花花公子大约都会面临这样的问题)德布罗意则找到了一个很酷的“事业”——研究中世纪史。据说是因为中世纪史中有着很多神秘的东西吸引着这位年轻人。

时间一转就到了1919,这是一个科学界急剧动荡动着的年代。就在这一年,德布罗意突 然移情别恋对物理产生了兴趣,尤其是感兴趣于当时正流行的量子论。具体来说就是感兴趣于一个在当时很酷的观点:光具有粒子性。这一观点早在十几年前由普朗 克提出,而后被爱因斯坦用来解释了光电效应,但即便如此,也非常不见容于物理学界各大门派。德布罗意倒并不见得对这一观点的物理思 想有多了解,也许他的理解也仅仅就是理解到这个观点是在说“波就是粒子”。或许是一时冲动,或许是因为年轻而摆酷,德布罗意来到了一派宗师朗之万门下读研 究生。从此,德布罗意走出了一道足以让让任何传奇都黯然失色的人生轨迹。

历史上德布罗意到底花了多少精力去读他的研究生也许已经很难说清,事实上德布罗意 在他的5年研究生生涯中几乎是一事无成。事实上也可以想象,一个此前对物理一 窍不通 的中世纪史爱好者很难真正的在物理上去做些什么。白驹过隙般的五年转眼就过去了,德布罗意开始要为他的博士论文发愁了。其实德布罗意大约只是明白普朗克爱 因斯坦那帮家伙一直在说什么波就是粒子,(事实上对于普朗克大约不能用“一直”二字,此时的普朗克已经完全抛弃自己当初的量子假 设,又回到了经典的就框架。)而真正其中包含的物理,他能理解多少大约只有上帝清楚。

五年的尽头,也就是在1924,德布罗意终于提交了自己的博士论文。他的博士论文只有一页纸多一点,不过可以猜想这一页多一点的一份论文大约已经让德布罗 意很头疼了,只 可惜当时没有枪手可以雇来帮忙写博士论文。他的博士论文只是说了一个猜想,既然波可以是粒子,那么反过来粒子也可以是波。而进一步德布罗意提出波的波矢和 角频率与粒子动量和能量的关系是:
动量=普朗克常数/波矢
能量=普朗克常数*角频率
这就是他的论文里提出的两个公式,而这两个公式的提出也完全是因为在爱因斯坦解释光电效应的时候提出光子的动量和能量与光的参数满足这一关系。可以想象这 样一个博士论文会得到怎样的回应。
在对论文是否通过的投票之前,德布罗意的老板朗之万就事先得知论文评审委员会的六位教授中有三位已明确表态会投反对票。

本来在欧洲,一个学生苦读数年都拿不到学位是件很正常的事情,时至今日的欧洲也依然如此。何况德布罗意本来就是这么一个来混日子的的花花公子。然而这次偏 偏又有些不一样——德布罗意的父亲又是一位权高望众的内阁部长,而德布罗意在此厮混五年最后连一个Ph.D都没拿到,双方面子上自然也有些挂不住。情急之 中,朗之万往他的一个好朋友那里寄了一封信。当初的朗之万是不是碍于情面想帮德布罗意混得一个PhD已不得而知,然而事实上,这 一封信却改变了科学发展的轨迹。

这封信的收信人是爱因斯坦。信的内容大致如下:尊敬的爱因斯坦阁下: 在我这里有一位研究生,已经攻读了五年的博士学位,如今即将毕业,在他提交的毕业论文中有一些新的想法……请对他的论文作出您的评价。另外顺便向您提及, 该研究生的父亲是弊国的一位伯爵,内阁的**部长,若您……,将来您来法国定会受到隆重的接待。    朗之万

在信中,大约朗之万的潜台词似乎就是如果您不肯给个面子,呵呵,以后就甭来法国了。不知是出于知趣呢,还是出于当年自己的离经叛道而产生的惺惺相惜,爱因 斯坦很客气 回了一封信,大意是该论文里有一些很新很有趣的思想云云。 此时的爱因斯坦虽不属于任何名门望派,却已独步于江湖,颇有威望。有了爱因斯坦的这一封信,评审委员会的几位教授也不好再多说些什么了。于是,皆大欢喜。

浪荡子弟德布罗意就这样“攻读”下了他的PhD。而按照当时欧洲的学术传统,朗之万则将德布罗意的博士论文印成若干份分寄到了欧洲各大学的物理 系。大约所有人都以为事情会就此了结,多少年以后德布罗意那篇“很新很有趣” 博士论文也就被埋藏到了档案堆里了。德布罗意大约也就从此以一个PhD的身份继续自己的浪荡生活。但历史总是喜欢用偶然来开一些玩笑,而这种玩笑中往往也 就顺带着改变了许多人的命运。在朗之万寄出的博士论文中,有一份来到了维也纳大学。

1926年初。维也纳。当时在维也纳大学主持物理学术活动的教授是德拜,他收到这份博士论文后,将它交给了他的组里面一位已经年届中年的讲师。这位讲师接 到的任务是在两周后seminar(学术例会)上将该博士论讲一下。这位“老”讲师大约早已适应了他现在这种不知算是平庸还是算是平静的生活,可以想象, 一个已到不惑之年而仍然只在讲师的位置上晃荡的人,其学术前途自然是朦胧而晦暗。 而大约也正因为这位讲师的这种地位才使得它可以获得这个任务,因为德拜将任务交给这位讲师时的理由正是“你现在研究的问题不很重要,不如给我们讲讲德布罗意的论文吧”。 这位讲师的名字叫做——薛定谔(Schrodinger)。

在接下来的两周里,薛定谔仔细的读了一下德布罗意的“博士论文”,其实从内容上来讲也许根本就用不上“仔细”二字,德布罗意的这篇论文只不过一页纸多一 点,通篇提出的式子也不过就两个而已,并且其原型是已经在爱因斯坦发表的论文中出现过的 。然而论文里说的话却让薛定谔一头雾水,薛定谔只知道德布罗意大讲了一通“波即粒子,粒子即波”,除此之外则是“两个黄鹂鸣翠柳”——不知所云。

两周之后,薛定谔硬着头皮把这篇论文的内容在seminar上讲了一下,讲者不懂,听者自然也是云里雾里,而老板德拜则做了一个客气的评价:“这个年轻人 的观点还是有些新颖的东西的,虽然显得很孩子气,当然也许他需要更深入一步,比如既然提到波的概念,那么总该有一个波动方程吧。” 多年以后有人问德拜是否后悔自己当初作出的这一个评论,德拜自我解嘲的说“你不觉得这是一个很好的评论吗?” 并且,德拜建议薛定谔做一做这个工作,在两周以后的seminar上再讲一下。

两周以后。薛定谔再次在seminar上讲解德布罗意的论文,并且为德布罗意的“波”找了一个波动方程。 这个方程就是“薛定谔方程”!当然,一开始德布罗意的那篇论文就已经认为是垃圾,而从垃圾产生出来的自然也不会离垃圾太远,于是没人真正把这个硬生生给德 布罗意的“波”套上的方程当一
回事,甚至还有人顺口编了一首打油诗讽刺薛定谔的方程:欧文用他的psi,计算起来真灵通:但psi真正代表什么,没人能够说得清。(欧文就是薛定 谔,psi是薛定谔波动方程中的一个变量) 故事的情节好像又一次的要归于平庸了,然而平庸偏偏有时候就成了奇迹的理由。大约正是薛定谔的“平庸”使得它对自己的这个波动方程的平庸有些心有不甘,他 决定 再在这个方程中撞一撞运气。

上面讲到的情节放到当时的大环境中来看就好像是湖水下的一场大地震——从湖面上看来却是风平浪静。下面请允许我暂时停止对“老”讲师薛定谔的追踪,而回过 头来看一看这两年发生物理学界这个大湖表面的风浪。

此前,玻尔由普朗克和爱因斯坦的理论的启发提出了著名的“三部曲”,解释了氢光谱,在这十几年的发展当中,由玻尔掌门的哥本哈根学派已然是量子理论界的 “少林武当”。1925,玻尔的得意弟子海森堡提出了著名的矩阵力学,进一步抛弃经典概念,揭示量子图像,精确地解释了许多现象,已经成为哥本哈根学派的 镇门之宝——量子届的“屠龙宝刀”。不过在当时懂矩阵的物理学家没有几个,所以矩阵力学的影响力仍然有限。事实上就是海森堡本人也并不懂“矩阵”,而只是 在他的理论出炉之后哥本哈根学派的另一位弟子玻恩告诉海森堡他用的东西在数学中就是矩阵。

再回过头来再关注一下我们那个生活风平浪静的老讲师薛定谔在干些什么—— 我指的是在薛定谔讲解他的波动方程之后的两个星期里。事实上此时的他正浸在温柔乡中——带着他的情妇在维也纳的某个滑雪场滑雪。不知道是宜人的风景还是身 边的温香软玉,总之是冥冥之中有某种东西,给了薛定谔一个 灵感,而就是这一个灵感,改变了物理学发展的轨迹。 薛定谔从他的方程中得出了玻尔的氢原子理论!

倚天一出,天下大惊。从此谁也不敢再把薛定谔的波动方程当成nonsense(扯淡)了。哥本哈根学派的掌门人玻尔更是大为惊诧,于是将薛定谔请到哥本哈 根,详细切磋量子之精妙。然而让玻尔遗憾的是,在十天的漫长“切磋”中,两个人根本都不懂对方在说些什么。在一场让两个人都疲惫不堪却又毫无结果的“哥本 哈根论剑”之后,薛定谔回到了维也纳,薛定谔回到了维也纳之后仍然继续做了一工作,他证明了海森堡的矩阵力学和他的波动方程表述的量子论其实只是不同的描 述方式。从此“倚天”“屠龙”合而为一。

此后,薛定谔虽也试图从更基本的假设出发导出更基本的方程,但终究没有成功,而不 久,他也对这个失去了兴趣,转而去研究“生命是什么”。 历史则继续着演义他的历史喜剧。德布罗意,薛定谔都在这场喜剧中成为诺奖得主而名垂青史。

其实在这一段让人啼笑皆非的历史当中,上帝还是保留了某种公正的。薛定谔得出它的 波动方程仅在海森堡的矩阵力学的的诞生一年之后,倘若上帝把这个玩笑开得更大一点, 让薛定谔在1925年之前就导出薛定谔方程,那恐怕矩阵力学就根本不可能诞生了(波动方 程也就是偏微分方程的理论是为大多数物理学家所熟悉的,而矩阵在当时则没有多少人懂)。如此则此前在量子领域已辛苦奋斗了十几年的哥本哈根学派就真要吐血了!

薛定谔方程虽然搞出了这么一个波动方程,却并不能真正理解这个方程精髓之处,而对它的方程给出了一个错误的解释——也许命中注定不该属于他的东西终究就不 会让他得到。 对薛定谔方程的正确解释是有哥本哈根学派的玻恩作出的。(当然玻恩的解释也让物理界另一位大师——爱因斯坦极为震怒,至死也念念不忘“上帝不会用掷色子来 决定这个世 界的”,此为后话)。更基本的量子力学方程,也就是薛定谔试图获得但终究无力企及的的基本理论,则是由 根本哈根学派的另一位少壮派弟子——狄拉克导出的,而狄拉克则最终领袖群伦,建起了了量子力学的神殿。

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数学不可思议力量举例——纠结的纽结

数学在物理学中的作用表现在“主动”和“被动”两个方面。主动的一面是指当科学家解释物理现象出现问题时,数学会照亮其前进的道路,比如牛顿为解释万有引力而创建微积分。被动型的一面则更加不可思议:本来数学理论的研究只是基于单纯的其他原因,从没考虑过其实际应用,只是在过了若干年后才猛然发现,这些理论竟可以解释物理现实——《数学沉思录》

关于数学的被动型,是最为让人称奇的,我在《数学力量的疑问》一文中已经已经解释并且举例说明过。要说举例来说明数学的被动作用,纽结理论再好不过,因为纽结理论既有主动的一面又有被动的一面,简直让人荡气回肠,回味无穷。虽然关于纽结理论本身是那么地高深。

纽结理论的历史并不长,与微积分差不多年纪,不过关于“纽结”一词的历史,那却是很久以前的事情,甚至在神话故事就已有知,那就是著名的戈尔迪亚斯结。在弗吉利亚人中一直流传一条神谕,乘着一辆牛车进入弗吉利亚的第一个人将是他们的下一任王,恰好农民戈尔迪亚斯驾着一辆牛车进入了都城,因此他成为了国王。出于感恩,戈尔迪亚斯将他的牛车敬献给上帝,并挽了一个极其复杂的结,把这辆牛车系在了一根柱子上。之后不久,不知为何又有一条神谕在弗吉利亚流传,说打开这个结的人将成为亚细亚王。最终打开这个结的人是亚历山大大帝,后来也的确成为了亚细亚的主宰者,只不过他是用他的剑将结斩成了两段……

真正从数学理论研究纽结的人是范德蒙德,往后就是高斯以及19世纪的其他数学家。不过真正激发纽结理论研究狂潮的,是汤姆逊试图解释物质基本结构,因为根据他的推测,原子是打结的以太习惯,而当时认为以太是充满整个宇宙的,所以如果汤姆逊的理论成立的话,那么通过纽结的多样性就可以解释化学元素的多样化了。要知道纽结的稳定性和多样性可是原子模型的本质和核心因素。对纽结理论的研究正是在这样一个美好憧憬下进入狂热。

但没过多久,汤姆逊的原子论被确认是一种错误,被科学家扔进科学的垃圾篓。然而从中发展起来的纽结理论却没有消失,相反,人们对它的兴趣有增无减,很显然此时对纽结的研究已经没有任何实用目的,人们研究它仅仅是因为好奇而已,在很长一段时间里,对纽结理论的研究重心集中在“寻找能描述不同结的变量”里。

一直到20世纪60年代,美国的康威发现一种逐步“解开”纽结的办法,下图展示了这一过程(图片直接选自《数学沉思录》一书):

看起来很像亚历山大的快刀斩乱麻,不过康威可是从数学上将这个过程弄成一种运算。在1984年,美国的琼斯从冯·诺依曼代数中获得灵感,建立起了描述不同纽结的特征多项式,纽结理论的研究进入高潮,并且人们发现琼斯的理论不仅可用于纽结理论,统计力学、量子群论等都能用,全世界的科学家都为之振奋,至此以后,用于描述纽结理论的许多不变量如雨后春笋般建立起来,最近的不变量是由法国的一位数学家发现,他因此获得1998年的菲尔兹奖。

不过纽结理论的发展过程还不算惊讶,就算是经过多年发展,数学家们也只是将其当做爱好来研究,没有想过它还有什么实用价值,因为他唯一的现实来源——汤姆逊的原子结构——早已被确定是错误。但是极富戏剧性的是,数学家们也绝对没有想到,纽结理论在许多学科中都出现了。

第一个要说的,就是对DNA的研究。DNA是认识生命本身的关键。我们从中学生物就已经知道,细胞分裂的过程分为复制和转录两个过程,然而DNA是非常紧密的缠绕在一起的,这是为了压缩信息存储空间,因而除非对其进行拆解,否则复制过程无法进行,并且后代一定不能打结。解开这种纽结的活性因子是一种生物酶,酶让DNA链暂时断开,让一条链穿过另一条链,并且让不同的终端重新连接起来,这个过程太熟悉了!这恰好就是康威为了解开纽结所使用的方法。康威怎么也没有想到,他其实已经在重复着人体最伟大的生命过程!

当然分子生物学不是纽结理论应用的唯一领域。人们一直在追求大统一理论,目前为止唯有弦论最有可能完成这一目标。弦论的基本思想是,它认为基本的亚原子微粒并不是没有结构的点状实体,而是代表着“类似于琴弦的结构”在振动时的不同样式,宇宙中充满了微小的,脆弱的像橡皮筋一样的环,当它们以不同频率振动时,便展示出不同的物质微粒。换句话说,我们的世界就是一首交响乐。由于弦的这种闭合结构其实就是纽结,纽结理论经过多年的发展,不可思议地参与了大统一理论的谱写。

从最开始为了研究最初的原子结构而开始研究纽结理论,这是数学主动性的一面;当原子结构被抛弃,纽结理论继续发展,这是数学自由的一面:数学可以解释万物,但数学可以脱离物理现实而存在;经过多年发展,纽结理论不可思议地再一次应用于认识生命本身的理论,甚至参与大统一理论的谱写,这又是数学被动性的一面。如此翻来覆去,当真是荡气回肠,令人回味。

当然数学那不可思议的力量,纽结理论知识其中一个代表。其他的诸如在两千年前,古希腊人为了解决一种现在不可能成立的“几何三作图”问题而研究了圆锥曲线,而两千年以后开普勒却证明行星轨道就是椭圆,几千年前的理论奇迹般地用上;牛顿的万有引力定律,其实际有用的数据只占其所有拥有数据的4%,但他的理论却是如此精确,还有爱因斯坦理论的预测,麦克斯韦理论的预测,都慢慢得到检验。这些成果向我们展示了数学力量的不可思议,那么是时候回答我们一开始提出的两个问题了:“为什么数学在解释周围世界时如此有效?”以及“数学到底是一种发现还是一种发明?”,

115号元素正式获得确认

瑞典Lund大学科学家领导的一个国际团队确认了俄 罗斯Dubna联合核研究所在2003年发现的115号元素。研究报告发表在《Physical Review Letters》上。新的超重元素具有高放射性,会在不到一秒时间内衰减成一个更轻的原子。

研究人员通过用钙离子轰炸镅薄膜,测量与新元素α衰变有关的光 子。新的元素尚未命名,其临时名称是Ununpentium,确认之后将会改名。

外星文明存在否?神秘方程暗示地球2.0将出现

据国外媒体报道,天文学家法兰克·德雷克在上个世纪六十年代提出了一个著名的方程式,可计算出银河系内可能与我们发生接触的高级文明数量。科学家目前依然通过射电望远镜寻找外星智慧生命,一些“行星猎人”则在寻找遥远的可居住世界,科学家认为银河系中拥有庞大的恒星基数,即便类地行星出现的概率很低,其数量也是非常可观的,NASA的开普勒探测器的探测距离仅为数千光年,目前已经发现一千多颗系外行星。

外星文明存在否?神秘方程暗示地球2.0将出现

搜寻外星智慧生物计划已经进行了半个世纪左右,但是仍然没有结果,科学家试图通过其他途径寻找外星人,比如探测某种特殊气体

美国麻省理工学院的系外行星专家萨拉·西格认为系外行星上很可能存在低级生命,而高级文明则受限于光速恒定和遥不可及的时空距离。

萨拉·西格根据近年来对智慧生命的搜寻和系外行星的探测结果,提出了一个新的方程,其可揭示出具有生命的行星数量是多少。该方程公式为:

N=N*×Fq×Fhz×Fo×Fl×Fs

N=探测到生命迹象的行星数量

N*=观测到的恒星数量

Fq =处于稳定期恒星的数量

Fhz=岩质行星在可居住带上的百分数

Fo =行星可被探测到的百分数

Fl=生命存在的可能性

Fs =探测到代表生命特征气体的可能性

通过计算,科学家发现未来十年内发现两颗位于可居住带上行星的概率是较大的,天体系统中的恒星年龄、行星轨道位置以及轨道环境的稳定性对宇宙生命而言影响重大,尤其是恒星类型在很大程度上确定行星的可居住位置,红矮星的辐射热量相对较低,因此此类恒星的可居住带距离恒星会相对近一些,恒星类型一般通过其谱线来得知,比如M型的温度较低,为3500K左右。

最新提出的西格方程式是对德雷克方程式的改进,后者主要是通过射电方法寻找外星智慧生命,目前SETI计划已经持续了50年之久。未来几年内,詹姆斯·韦伯太空望远镜将接替哈勃望远镜延续对宇宙的观测任务,前者具有更高的观测分辨率,可探测到行星过境的增强信号。除了通过天体运动发现系外行星,科学家还试图探测外星生命释放出来的特殊气体和元素来发现宇宙生命的存在,比如当一颗行星经过其主恒星盘面时,我们可以通过光谱分析出行星大气中的气体和元素。

太阳系正遭遇神秘“星系风暴”:已达4.5万年

众所周知,太阳系围绕在银河系公转,我们处于银河系一条被称为猎户座的旋臂上,在围绕银河系公 转的过程中可能遇到各种星际物质群,目前科学家经过十多年的调查发现,太阳系目前正在穿过一片比我们想象得更加复杂的“星系风暴”群,或为巨大的气体物质 云,太阳系已经在其中超越了大约4.5万年。穿过大面积的星系气体云可在一定程度上改变太阳系的边缘,我们的太阳系周围有一个被称为日光层的结构,其由来 自太阳的带电粒子“吹”起来,是太阳系最外层的一种保护屏障。

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科学家的调查告诉了我们关于太阳系公转轨道上存在令人惊讶的物质群,这团气体云的跨度很大,之前我们认为该气体云会相对平静一些,但事实并不是这样,形成的“风”向同一个方向吹了数百万年之久。新罕布什尔州达勒姆大学的研究人员埃伯哈德莫比斯认为气体云可能对地球上的大气环境造成一些影响,自20世纪70年代以来,科学家就发现太阳系正在穿过一片跨度大约为30光年的气体云,因此太阳系的外层无疑会受到星际粒子的撞击,而太阳系的磁场可将一部分星际粒子偏转,一些较重的中性原子会进入太阳系内部。

美国国防部STP 72-1卫星在1972年发现地球正在穿过积聚中性氦原子的气体云,由于气体云内部密度不同,因此地球上探测到的中性氦原子峰值强度也会发生变化,星际边界探索者( IBEX)在2009年升空后也发现一些奇怪的现象,证实太阳系正在超越中性氦原子气体云,并采集了来自地球周围空间弥散的中性氦原子气体云物质,科学家通过几十年的统计认为,这如此短的时间尺度上,“风”(来自星际气体云)的方向出现了明显变化。20世纪90年代的“尤利西斯”飞船直接对空间氦原子进行探测,目前科学家还没有看到太阳系是否接近星际气体云的边缘。