宇宙是一個(gè)非常奇怪的地方。雖然相對(duì)論、量子理論等開創(chuàng)性思想現(xiàn)在可能被普遍接受，但大量的科學(xué)計(jì)算、觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)仍然表明，宇宙中有些東西是科學(xué)家難以理解的。
一、負(fù)能量
從理論上講，可以達(dá)到的最低溫度是絕對(duì)零度，大約是零下 273.15 °C，在這個(gè)溫度下所有分子的運(yùn)動(dòng)完全停止。然而，你永遠(yuǎn)不能真正冷卻到這個(gè)溫度，因?yàn)樵诹孔恿W(xué)中，每個(gè)粒子都有一個(gè)最小的能量，稱為『零點(diǎn)能量』。值得注意的是，這種最小能量不僅適用于分子，而且適用于任何真空，其能量被稱為『真空能量』。為了證明這種能量存在涉及一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，如上圖，在真空將兩塊金屬板合在一起，它們將會(huì)相互『吸住』。這是由于金屬板之間的能量?jī)H能夠在某些頻率下諧振，而在板外部，真空能量可以在幾乎任何頻率下諧振，因?yàn)榘逋獠康哪芰看笥诎逯g的能量，所以板被推向彼此。當(dāng)板靠近時(shí)，這個(gè)推力逐漸增加，并且在大約10nm的間隔處，這種效應(yīng)（稱為卡西米爾效應(yīng)）在它們之間產(chǎn)生約一個(gè)大氣壓的壓力。因?yàn)榘鍖⑺鼈冎g的真空能量降低到低于正常的零點(diǎn)能量，所以據(jù)說(shuō)該空間具有負(fù)能量，其具有一些不尋常的特性。
負(fù)能量真空的一個(gè)特性是光在其中的傳播速度比在正常真空中傳播得快，有朝一日人們可能會(huì)在一種負(fù)能量真空泡沫中比光速更快地旅行。負(fù)能量也可用于保持可穿越的蟲洞，雖然理論上可能，但是如果沒(méi)有保持負(fù)能量狀態(tài)的技術(shù)的會(huì)立即崩潰。負(fù)能量也會(huì)導(dǎo)致黑洞蒸發(fā)。真空能量通常被建模為虛擬粒子突然生成和湮滅。只要粒子生成不久之后被消滅，這就不違反任何能量守恒定律。但是，如果在黑洞的事件視界上產(chǎn)生兩個(gè)粒子，則可以從黑洞移開，而另一個(gè)粒子落入黑洞。這意味著它們將無(wú)法消滅，因此粒子最終都會(huì)產(chǎn)生負(fù)能量。當(dāng)負(fù)能粒子落入黑洞時(shí)，它會(huì)降低黑洞的質(zhì)量而不是增加它，并且隨著時(shí)間的推移，像這樣的粒子將導(dǎo)致黑洞完全蒸發(fā)。因?yàn)樗沟俜一艚鹗紫忍岢隽诉@個(gè)理論，所以這種效應(yīng)給出的粒子（那些不落入黑洞的粒子）被稱為霍金輻射。這是第一個(gè)將量子理論與廣義相對(duì)論結(jié)合起來(lái)的理論，使其成為霍金迄今為止最偉大的科學(xué)成就。
二、時(shí)空拖曳
對(duì)愛因斯坦廣義相對(duì)論的一種預(yù)測(cè)是，當(dāng)一個(gè)大物體移動(dòng)時(shí)，它會(huì)拖動(dòng)它周圍的時(shí)空，導(dǎo)致附近的物體被拉動(dòng)。當(dāng)大物體沿直線移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況，雖然效果非常微小，但已通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 2004 年發(fā)射的重力探測(cè)器 B 實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)量地球附近的時(shí)空擾動(dòng)。盡管干擾源大于預(yù)期，但時(shí)空拖曳效應(yīng)已被測(cè)量為 15％ 的不確定性，進(jìn)一步分析希望進(jìn)一步降低這種影響。
實(shí)驗(yàn)的結(jié)果非常接近預(yù)測(cè)：由于地球的旋轉(zhuǎn)，探測(cè)器每年從其軌道上拉出約 2 米，這種影響純粹是由于地球的質(zhì)量扭曲了它周圍的時(shí)空。探測(cè)器本身不會(huì)感覺到這種額外的加速度，因?yàn)樗皇怯商綔y(cè)器上的加速度引起的，而是由探測(cè)器穿過(guò)的時(shí)空引起的，這類似于拉在桌子下面的地毯，而不是移動(dòng)桌子本身。
三、同時(shí)性的相對(duì)性
同時(shí)性的相對(duì)性，是指兩個(gè)事件是否同時(shí)發(fā)生的觀點(diǎn)是取決于觀察者的位置。這是狹義相對(duì)論的一個(gè)奇怪結(jié)果，適用于任何以一定距離分開的事件。例如，如果火星和金星上放煙火，一個(gè)觀察者在一個(gè)方向上可能會(huì)說(shuō)它們同時(shí)發(fā)生（補(bǔ)償光線到達(dá)它們的時(shí)間），而另一個(gè)觀察者以另一種方式行進(jìn)可能說(shuō)火星上的那個(gè)首先消失，而另一個(gè)可能會(huì)說(shuō)金星上的那個(gè)先消失了。它是由狹義相對(duì)論中不同觀點(diǎn)相互扭曲的方式引起的。因?yàn)樗鼈兌际窍鄬?duì)的，所以不能說(shuō)其中哪個(gè)觀察者的觀點(diǎn)不正確。
這可能導(dǎo)致非常不尋常的情況，例如觀察者在原因之前見證效果。然而，一旦觀察者看到效果，他們就不能在沒(méi)有光速的情況下快速地與原因相互作用，這是人們認(rèn)為禁止快于光的旅行的第一個(gè)原因之一，因?yàn)樗愃朴跁r(shí)間旅行和一個(gè)宇宙，你可以在效果之后與事業(yè)互動(dòng)毫無(wú)意義。
四、黑弦（相對(duì)『黑洞』而言）
物理學(xué)中未解之謎之一是引力如何與其他基本力量相關(guān)，例如電磁學(xué)。1919 年首次提出的一種理論表明，如果在宇宙中增加了一個(gè)額外的維度，那么重力仍然存在于前四個(gè)維度（三個(gè)空間維度和時(shí)間）中，但這個(gè)四維空間在額外的第五維度上，自然產(chǎn)生除了重力的其他基本力量。然而，我們無(wú)法看到或發(fā)現(xiàn)這第五個(gè)維度，因此有人提出額外的維度被卷曲，因此對(duì)我們來(lái)說(shuō)是不可見的。這個(gè)理論最終導(dǎo)致了弦理論，并且仍然是大多數(shù)弦理論分析的核心。
由于這個(gè)額外的尺寸很小，只有微小的物體（如顆粒）可以沿著它移動(dòng)。在這些情況下，他們最終只是在他們開始的地方結(jié)束，因?yàn)轭~外的維度自身卷曲。然而，在五個(gè)維度上變得更加復(fù)雜的一個(gè)對(duì)象是黑洞。當(dāng)擴(kuò)展到五維時(shí)，它變成『黑弦』，并且與普通的 4D 黑洞不同，它是不穩(wěn)定的（這忽略了 4D 黑洞最終蒸發(fā)的事實(shí)）。黑弦非長(zhǎng)不穩(wěn)定，會(huì)在五維中分裂成多個(gè) 4D 黑洞，這些多個(gè) 4D 黑洞然會(huì)合成一個(gè)更大的黑洞。最有趣的是，使用現(xiàn)有的模型，最后形成的黑洞是一個(gè)『裸』的奇點(diǎn)。也就是說(shuō)，它沒(méi)有圍繞它的事件視界。這違反了物理學(xué)認(rèn)為所有奇點(diǎn)必須被事件視界所包圍以避免在奇點(diǎn)附近的時(shí)間旅行效應(yīng)會(huì)改變整個(gè)宇宙的歷史的假設(shè)。
五、Geon 和 『球狀閃電』
如公式 E = MC^2 所示，能量和物質(zhì)從根本上聯(lián)系在一起。其中一個(gè)影響是能量和質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生引力場(chǎng)。1955 年，John Wheeler 首先研究了 Geon(一種電磁波或引力波，它通過(guò)其自身場(chǎng)能的引力在一個(gè)受限區(qū)域內(nèi)保持在一起)，它的能量產(chǎn)生了引力場(chǎng)，而引力場(chǎng)又將 Geon 本身固定在一個(gè)狹窄的空間中。
Wheeler 推測(cè)，微觀 Geon 和基本粒子之間可能存在聯(lián)系，甚至可能是同一個(gè)東西。一個(gè)更極端的例子是『球狀閃電』，這種強(qiáng)光集中在一個(gè)特定的點(diǎn)上，由光能引起的重力變得強(qiáng)大到足以坍縮成黑洞，將它發(fā)出的光線彎曲回自身。雖然沒(méi)有人否認(rèn)『球狀閃電』的可以存在，但普遍認(rèn)為只能暫時(shí)形成，因?yàn)樗鼈儾豢杀苊獾貢?huì)泄漏能量并最終崩潰。不幸的是，這表明 Wheeler 最初的推測(cè)是不正確的，但這還沒(méi)有得到明確證實(shí)。
六、克爾黑洞
大多數(shù)人都熟悉的黑洞模型，內(nèi)部有無(wú)限密度的奇點(diǎn)，其外部的被事件視界包圍。實(shí)際上這種黑洞有一個(gè)更具體的名稱：Schwarzschild 黑洞。它以卡爾施瓦茲希爾德（Karl Schwarzschild）的名字命名，他在愛因斯坦實(shí)際發(fā)表他的廣義相對(duì)論一個(gè)月后，在1915年找到了愛因斯坦場(chǎng)球方程用于球形非旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的數(shù)學(xué)解。然而，直到1963年，數(shù)學(xué)家 Roy Kerr 才找到旋轉(zhuǎn)球形質(zhì)量的解決方案。因此，旋轉(zhuǎn)黑洞被稱為克爾黑洞，它具有一些不尋常的特性。
在克爾黑洞的中心，沒(méi)有點(diǎn)奇點(diǎn)，而是一個(gè)環(huán)奇點(diǎn)——一個(gè)旋轉(zhuǎn)的一維環(huán)。還有兩個(gè)事件視界，一個(gè)是內(nèi)部視界一個(gè)外部視界，還有一個(gè)稱為 ergosphere 的橢圓體，其中時(shí)空本身隨著黑洞（由于時(shí)空拖曳）而旋轉(zhuǎn)，比光速更快。當(dāng)物體進(jìn)入 Schwarzschild 黑洞視界時(shí)，空間和時(shí)間會(huì)互換，這意味著將不可避免地撞向奇點(diǎn)。不同，當(dāng)您通過(guò)克爾黑洞的內(nèi)部事件視界時(shí)，時(shí)間和空間將再次對(duì)調(diào)，不同之處在于時(shí)空本身是相反的，這意味著環(huán)形奇點(diǎn)附近的重力變得令人厭惡，實(shí)際上將你推離環(huán)奇點(diǎn)。事實(shí)上，除非你準(zhǔn)確地在赤道上進(jìn)入黑洞，否則無(wú)法擊中環(huán)奇點(diǎn)本身。此外，環(huán)奇點(diǎn)可以通過(guò)時(shí)空鏈接，因此它們可以充當(dāng)蟲洞，雖然離開另一側(cè)的黑洞是不可能的（除非它是一個(gè)裸奇點(diǎn)，可能是在環(huán)奇點(diǎn)旋轉(zhuǎn)得足夠快時(shí)產(chǎn)生的）。穿越環(huán)形奇點(diǎn)可能會(huì)帶你到時(shí)空中的另一個(gè)點(diǎn)，例如另一個(gè)宇宙，在那里你可以看到光從黑洞外面落下，但不會(huì)留在黑洞里面。它甚至可能會(huì)把你帶到一個(gè)負(fù)宇宙中的『白洞』，會(huì)發(fā)生什么仍然是未知的。
七、量子隧道
量子隧穿是一種粒子可以穿越屏障的效應(yīng)，允許粒子穿過(guò)應(yīng)該是不可穿透的物理屏障，或者可以允許電子在沒(méi)有動(dòng)能的情況下從原子核的束縛中逃逸。根據(jù)量子力學(xué)，在宇宙中的任何地方都可以找到任何粒子的概率是有限的。
當(dāng)粒子面對(duì)足夠小的屏障（約 1-3nm 寬）時(shí)，常規(guī)計(jì)算表明粒子難以穿透。然而，粒子將簡(jiǎn)單地通過(guò)該屏障的概率變得相當(dāng)大。這可以通過(guò)海森堡不確定性原理來(lái)解釋，該原理限制了關(guān)于粒子的信息量。粒子可以從它所作用的系統(tǒng)『借用』能量，使用它來(lái)穿過(guò)障礙物，然后再次失去能量。量子隧穿涉及許多物理過(guò)程，例如放射性衰變和在太陽(yáng)中發(fā)生的核聚變。它也用于某些電子元件，甚至已經(jīng)證明它存在于生物系統(tǒng)中的酶中。例如，催化葡萄糖反應(yīng)成過(guò)氧化氫的酶葡萄糖氧化酶涉及整個(gè)氧原子的量子隧道效應(yīng)。
量子隧穿也是掃描隧道顯微鏡的關(guān)鍵原理，是第一臺(tái)能夠成像和操縱單個(gè)原子的機(jī)器。它通過(guò)測(cè)量非常精細(xì)的尖端中的電壓來(lái)工作，當(dāng)尖端接近表面時(shí)，由于電子穿過(guò)它們之間的真空而產(chǎn)生影響。這為設(shè)備提供了制作極高分辨率圖像所需的靈敏度。它還使器件能夠通過(guò)故意將電流通過(guò)導(dǎo)電尖端來(lái)移動(dòng)原子。
八、宇宙弦
在大爆炸之后，宇宙處于高度混亂的狀態(tài)。這意味著微小的變化和缺陷不會(huì)改變宇宙的整體結(jié)構(gòu)。然而，隨著宇宙膨脹，冷卻，從無(wú)序狀態(tài)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，它達(dá)到了非常小的波動(dòng)產(chǎn)生非常大的變化的程度。
這類似于鋪瓷磚。如果一個(gè)瓷磚鋪斜了，這意味著你后面鋪的一排的瓷磚將都會(huì)變斜。這與稱為宇宙弦的物體類似，宇宙弦是時(shí)空缺陷形成的極薄且極長(zhǎng)的時(shí)空形狀。這些宇宙弦是由宇宙的大多數(shù)模型預(yù)測(cè)的，例如弦理論，其中兩種『弦』是不相關(guān)的。如果存在，每根弦都會(huì)像質(zhì)子一樣薄，但非常密集。
宇宙弦被認(rèn)為是非常長(zhǎng)的，達(dá)到數(shù)千個(gè)星系大小的數(shù)量級(jí)。事實(shí)上，最近的觀察和模擬表明，宇宙弦的網(wǎng)絡(luò)遍布整個(gè)宇宙。這曾經(jīng)被認(rèn)為是導(dǎo)致星系在超星系團(tuán)中形成的原因（這個(gè)想法已被推翻）。超星系團(tuán)復(fù)合體由連接的『長(zhǎng)絲』組成，其長(zhǎng)度可達(dá) 10 億光年。由于宇宙弦對(duì)時(shí)空的獨(dú)特影響，將兩個(gè)琴弦靠近在一起，已經(jīng)證明它們可能用于時(shí)間旅行。宇宙弦也會(huì)產(chǎn)生令人難以置信的引力波，比任何其他已知源都強(qiáng)。
九、反物質(zhì)逆向性
反物質(zhì)是物質(zhì)的反面。它具有相同的質(zhì)量但具有相反的電荷。John Wheeler 和諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 Richard Feynman 基于物理系統(tǒng)應(yīng)該是時(shí)間可逆的觀點(diǎn)，發(fā)表了一個(gè)關(guān)于反物質(zhì)存在的理論。例如，我們太陽(yáng)系行星的運(yùn)動(dòng)方向如果倒過(guò)來(lái)，仍應(yīng)遵守與正向運(yùn)動(dòng)時(shí)相同的規(guī)則。這導(dǎo)致了這樣一種觀點(diǎn)，即反物質(zhì)只是普通的物質(zhì)在時(shí)間上向后倒退，這可以解釋為什么反粒子具有相反的電荷，因?yàn)槿绻娮釉跁r(shí)間上前進(jìn)時(shí)被擊退，那么倒退就會(huì)改變電子的電荷。這也解釋了為什么物質(zhì)和反物質(zhì)湮滅。這不是兩個(gè)粒子碰撞并相互破壞的情況，它是同一顆粒突然停止并回到過(guò)去的時(shí)間。在真空中，產(chǎn)生一對(duì)虛擬粒子然后消滅，這實(shí)際上只是一個(gè)粒子進(jìn)入無(wú)限循環(huán)，反復(fù)前進(jìn)后退導(dǎo)致的。
雖然這個(gè)理論的準(zhǔn)確性仍有待討論，但是將反物質(zhì)作為時(shí)間倒退的物質(zhì)在數(shù)學(xué)上得到了與其他更傳統(tǒng)理論相同的解決方案。當(dāng)它首次被理論化時(shí)，約翰惠勒說(shuō)，或許它回答了為什么宇宙中所有電子都具有相同性質(zhì)的問(wèn)題，他認(rèn)為宇宙中只有一個(gè)電子，不斷在整個(gè)宇宙中飛奔，從大爆炸到時(shí)間的結(jié)束再回來(lái)，繼續(xù)無(wú)數(shù)次。即使這個(gè)想法涉及時(shí)間旅行，它也不能用于發(fā)送任何信息，因?yàn)槟悴荒芤苿?dòng)一塊反物質(zhì)來(lái)影響過(guò) 去。
十、哥德爾的不完備性定理
1931 年 Kurt Gdel 證明，在任何給定的邏輯規(guī)則集中，除了最簡(jiǎn)單的邏輯規(guī)則之外，總會(huì)有不可判斷的陳述，這意味著由于不可避免的自我指涉性質(zhì)而無(wú)法證明或證明它們是不可證實(shí)的。任何甚至遠(yuǎn)程復(fù)雜的邏輯系統(tǒng)。這被認(rèn)為表明沒(méi)有能夠證明或反駁所有陳述的數(shù)學(xué)系統(tǒng)。一個(gè)不可判定的語(yǔ)句可以被認(rèn)為是一種語(yǔ)句的數(shù)學(xué)形式，如『我總是撒謊』，因?yàn)樵撜Z(yǔ)句引用了用于描述它的語(yǔ)言，所以無(wú)法知道該語(yǔ)句是否為真。然而，一個(gè)不可判定的陳述不需要明確地自我指稱是不可判定的。哥德爾不完備性定理的主要結(jié)論是，所有邏輯系統(tǒng)都將具有無(wú)法證明或證明的陳述; 因此，所有邏輯系統(tǒng)都必須『不完整』。
這些定理的哲學(xué)意義很普遍。該集合表明，在物理學(xué)中，『Theory of everything』（萬(wàn)物理論）可能是不存在的，因?yàn)闆](méi)有一套規(guī)則可以解釋每一個(gè)可能的事件或結(jié)果。它還表明，邏輯上，『證據(jù)』是一個(gè)比『真實(shí)』更弱的概念; 這樣的概念對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)是令人不安的，因?yàn)檫@意味著總會(huì)有一些東西盡管是真的，但卻無(wú)法證明是真的。由于這套定理也適用于計(jì)算機(jī)，它也意味著我們自己的思想是不完整的，并且有一些我們永遠(yuǎn)無(wú)法知道的想法，包括我們自己的思想是否一致（即我們的推理不包含不正確的矛盾）。這是因?yàn)楦绲聽柕牡诙€(gè)不完備性定理指出，沒(méi)有一致的系統(tǒng)可以證明它自己的一致性，這意味著沒(méi)有理智的頭腦可以證明自己的理智。
聯(lián)系客服
