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比《流浪地球》更辽阔:我的宇宙冥想曲3-- 6park.com暗物质、暗能量、反物质问题的根本是宇宙间质量的起源与归宿 6park.com作者:连横合纵 6park.com从第三部我发在我的好姐妹童心大美女这个新兴版面了。前两部我先发在军版了,现在见线下。 6park.com第三部引发我灵感的是首页新闻:量子卫星的惊人背景 看完我的认知彻底坍塌了(组图)https://news.toutiaoabc.com/newspark/view.php?app=news&act=view&nid=341712 6park.com但楼主小姐姐真心觉得这个新闻科普写得太粗浅了---里面谈论了暗物质、暗能量(小姐姐注:质能守恒,所以暗物质暗能量不可分;对暗物质、暗能量的研究是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。)、反物质及量子纠缠等,但是有很多意犹未尽的东西,正好我手里有历年积累的硬核原创素材,很多是当年我做科技版版主时候跟流氓小红兔、Schweini(德语:小猪)、老版主Wagen、龙珠雷达等诸位良师益友一起讨论出来的,就蹭大刘的热度,写一个连载系列原创吧。 6park.com暗物质(英语:Dark matter),是指无法通过电磁波的观测进行研究,也就是不与电磁力产生作用的物质。人们目前只能透过重力产生的效应得知,而且已经发现宇宙中有大量暗物质的存在。 6park.com现代天文学经由引力透镜、宇宙中大尺度结构的形成、微波背景辐射等方法和理论来探测暗物质:一般认为,难以探测的重子物质(如MACHOs以及一些气体)确实贡献了部分的暗物质,但证据指出这类的物质只占了其中一小部分。]而其余的部分称作“非重子暗物质”。 6park.com 6park.com历史上,人们将可能的暗物质分为三个大类:冷暗物质、温暗物质、热暗物质。[这个分类并非依照粒子的真实温度,而是依照其运动的速率。 6park.com 6park.com 6park.com冷暗物质:在经典速度下运动的物质。 6park.com温暗物质:粒子运动速度足以产生相对论效应。 6park.com热暗物质:粒子速度接近光速。 6park.com 6park.com早期暗物质的理论著重在一些隐藏起来的一般物质星体,例如:黑洞、中子星、衰老的白矮星、褐矮星等。这些星体一般归类为晕族大质量致密天体(MAssive Compact Halo Objects,缩写为:MACHOs)然而多年来的天文观测无法找到足够量的MACHOs。 6park.com由普朗克卫星探测的数据得到:整个宇宙的构成中,常规物质(即重子物质)占4.9%,而暗物质则占26.8%,还有68.3%是暗能量(质能等价)。暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性(inconsistency),对结构形成也非常关键。暗物质很有可能是一种(或几种)粒子物理标准模型以外的新粒子所构成。 6park.com星系转速曲线、重力透镜、宇宙结构形成、重子在星系团中的比例以及星系团丰度(结合独立得到的重子密度证据)等观测数据也指出宇宙中85-90%的质量不参与电磁作用。这类“非重子暗物质”一般猜测是由一种或多种不同于一般物质(电子、质子、中子、中微子等)的基本粒子所构成。 6park.com模拟银河系内暗物质流过地球与木星等行星的情形,发现这会使该暗物质流的密度明显上升(地球: {displaystyle 10^{7}} 10^{7}倍、木星: {displaystyle 10^{8}} 10^{8}倍),并呈现毛发状的向外辐射分布结构。 6park.com在众多可能是组成暗物质的成分中,最热门的要属一种被称为大质量弱相互作用粒子(英文叫做Weakly Interacting Massive Particle,简称WIMP)的新粒子了。这种粒子与普通物质的作用非常微弱,以致于他们虽然存在于我们周围,却从来没有被探测到过。还有一种被理论物理学家提出来解决强相互作用中CP问题,被称为轴子的新粒子,也很有可能是暗物质的成分之一。惰性中微子(sterile neutrino)也有可能是组成暗物质的一种成分。暗物质也可能是一种称为Ψ暗物质的极轻型粒子,其质量为电子的10-28倍,波长约为一千光年,而密度则为液态水的一百万倍。 6park.com2017年11月30日,中国科学院发布,悟空卫星发现可能是暗物质存在的证据。中国的暗物质粒子探测卫星是现今观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子空间探测器。 6park.com暗物质是目前在解释各种星系及星系团观测结果上最热门的理论,但目前仍没有暗物质的直接观测证据。有一些不包含大量不可探测物质(即暗物质)的替代理论也被提出来解释这些现象。这些替代理论大致可分成重力理论的修正以及量子引力。两者的区别在于重力理论的修正单纯地只对星系或宇宙尺度的重力效应作出修正,而不考虑量子尺度的问题。然而两者都主张牛顿或爱因斯坦的理论并不完备,重力在不同的尺度会有不一样的行为。 6park.com楼主小姐姐注,这里如果我们要理解暗物质与量子纠缠、CP问题等的关联,必须先理解量子引力与量子真空的概念。 6park.com量子引力称作万有理论,通俗地说,就是在以宇宙为尺度的爱因斯坦广义相对论与海森堡、薛定谔等微观尺度的量子力学之间架桥的领域。它企图统一重力(万有引力)以及量子力学的理论,这两门物理至今未能被完全整合。循环量子引力、超弦理论以及其继任的M理论皆属于这类的理论。 6park.com量子真空是一个与对称性是否破缺及超对称性有关的概念(以后几集小姐姐我会分别讲到)----量子真空中的虚引力偶极能被邻近重恒星与星系中的重子物质引力极化(gravitationally polarized)。当虚偶极排列时,它们能产生额外的引力场,能与恒星及星系所产生的引力场结合,在星系的旋转曲线上产生相同的“加速”效应、、、、、、、很玄乎吗?小姐姐我告诉你,你可以理解成宇宙间的“蝴蝶效应”,不过呢引发一连串振动与混沌的不是蝴蝶翅膀,而是量子,通俗地说,一个真空中的量子状态可以与另外一个空间了的量子成为镜像(纠缠),从而能够以小博大地影响大尺度天体的运行轨道、、、、、 6park.com接下来小姐姐我来以尽量通俗的语言来谈谈质量的起源(暗物质暗能量反物质等都在“质量”范畴里),它的来龙去脉与我们的宇宙的成住坏空之间的关系。 6park.com 6park.com我先说我的观点--小姐姐格外强调粒子的衰变速率,是和其惯性质量直接相关的,我力图以最短的篇幅把下列三大方面串烧在一起: 6park.com 6park.com 6park.com1 当今宇宙学的基础-爱因斯坦的广义相对论与海森堡的量子上帝之间那条天沟---爱因斯坦描述了引力的性质,并假设宇宙是平滑连续的。而量子力学则表明宇宙 在最小尺度上是分立的,现代物理学最关心的问题之一就是将这两个理论用量子引力统一起来--也就是说粒子速率和角动量如何影响时空的弯曲,光的偏振,反过 来说也是一样的 6park.com 6park.com 6park.com2 CP违逆(CP Violation)和宇宙一样具有有界性,但并不是无边普适的--会随着宇宙内不同的质量粒子,主要是物质和反物质分布和衰变比例的变化而变化 6park.com 6park.com 6park.com3 既然质量问题是填平量子引力鸿沟的基础--那么也应该把涉及质量两极端的两种粒子-希格斯粒子(即著名的上帝粒子)和中微子放到宇宙学尺度上来讨论. 6park.com 6park.com 6park.com首先偶们要明确要希格斯粒子是标准玻色子的一个有质量的分标量: 6park.com 6park.com 6park.com标 准模型是一套描述强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。希格斯粒子是整个标准模型的基石,如果希格斯粒子不存在,将使 整个标准模型失去效力。标准模型所包含的玻色子有:负责传递电磁力的光子;负责传递弱核力的W及Z玻色子;负责传递强核力的8种胶子。 6park.com 6park.com 6park.com希格斯子,也是一种玻色子,然而它与上述这些规范玻色子不同,希格斯粒子负责引导规范变换中的对称性自发破缺,是惯性质量的来源,因此并不是规范玻色子。 6park.com 6park.com 6park.com杨-米尔斯方法无论应用到弱还是强相互作用中所遇到的主要障碍就是质量问题,由于规范理论规范对称性禁止规范玻色子带有任何质量,却与实验中的观测不相符合(1962年9-每一个自发对称性破缺都被证明必定伴随着一个无质量无自旋粒子,这无疑也是不可能的。 6park.com 6park.com 6park.com1964 年,英国物理学家希格斯(Higgs)解决了这个问题,使得自发对称性破缺发生时,那个无质量无自旋粒子仍然存在,但它将变成规范粒子的螺旋性为零的分 量,从而使规范粒子获得质量。标准模型通过引入基本标量唱—希格斯场来实现谓希格斯机制。通过希格斯场产生对称性破缺,同时在现实世界留下了一个自旋为 零的希格斯粒子。 6park.com 6park.com 6park.com传递弱相互作用的中性和带电玻色子,夸克和轻子可能原先也是光速粒子-小姐姐我举例,i.e帝哥(上帝)造规范玻色子,后来由于对称性破缺,希格斯粒子和质量的出现才不再为光速粒子。 6park.com 6park.com 6park.com由 于物质和反物质粒子具有不同的性质,它们可能对时间膨胀有着不同的响应,由此它们的衰变也有会着不同的速率--物理学家已经测量出物质和反物质之间衰变速 率的不对称性,并呼之为电荷宇称不守恒现象(宇称对称性破坏,以后简称CP违逆)。但是,还没有人能解释产生这种不对称性的原因。最近曙光初现!美国费米 国家加速器实验室(Tevatron)Dzero实验小组的科学家,在一个名为Bs介子的粒子上发现了迄今最大的宇称不守恒,此前就有科学家预测,Bs介 子里可能含有额外的宇称不守恒。Dzero实验小组的科学家研究了制造出Bs介子的质子和反质子之间的碰撞,Bs介子接着衰变为介子。该团队发现,介子比 反介子更多,这标志着制造出的物质比反物质更多,正如宇宙诞生之初的那样。 6park.com 6park.com 6park.com 6park.com 6park.com此外 ,中微子(目前已知有三种完全不同种类的中微子)的研究或许也能够从动量角度解释为什么世界是由物质,而非反物质构成的--它们以接近光速运动,不带电荷,几乎没有质量,而且很难与其他物质发生反应。 6park.com 6park.com 6park.com到这里,小姐姐我必须补充总结一下: 6park.com我 觉得,从狭义相对论知识来讲,讨论楼主小姐姐这集的标题问题应该先分清楚光速粒子和非光速或者亚光速粒子的质量区别。 楼主我就总结讲下质量的来龙去脉--- 6park.com1)光速粒子:恒以光速运动的粒子称为光速粒子。光子是光速粒子,传递强相互作用的胶子也是光速粒子。 6park.com 6park.com 6park.com2)在狭义相对论理论中,光速粒子的惯性质量恒为零--粒子(或质点)的惯性质量决定着它的惯性大小,光速粒子的惯性质量为零,那么它的惯性大小应为零。 6park.com注意,但不能反向 顺推为一个惯性大小为零的粒子(或质点)没有惯性--光速粒子,不受外力,恒以光速运动(在真空中),显然是有惯性的(符合牛顿运动第一定律)。 6park.com 6park.com 6park.com3)那么狭义相对论中是如何理解粒子(或质点)之惯性大小,光速粒子的惯性质量恒为零?-在狭义相对论中,当不存在外力时,动量守恒定律成立。 6park.com质量大者高维速度空间分量改变小,其速度较难改变,表明惯性大 6park.com质量小者高维速度空间分量改变大,速度较易改变,表明惯性小 6park.com所以狭 义相对论同牛顿力学,质量也量度着惯性的大校 6park.com 6park.com 6park.com 6park.com 6park.com4)非光速或者亚光速粒子:传递弱相互作用的中性和带电玻色子原先也是光速粒子,后来由于对称性破缺,才不再为光速粒子。 夸克和轻子可能原先也是光速粒子,后来由于对称性破缺,才不再为光速粒子。? 6park.com 6park.com 6park.com我的结论: 6park.com 6park.com 6park.com在 高维折叠和平行的无边宇宙的总和中,总的说来CP是不违逆的,是守恒的,因为各个标准玻色子之间的自旋动量是相抵消的,因此在这个最终尺度上讲物质和反物 质粒子也应该是等比的,希格斯粒子是实在的,只是象质量与反质量,粒子与反粒子一样,在给定界面的各个分立宇宙之内,Higgs的分布是不均匀的,所以在 这样边界条件的分立宇宙内CP是破缺的,违逆的、、、、 6park.com------------------------------------------ 6park.com线下是前两集的内容。轻拍! 6park.com比《流浪地球》更辽阔:我的宇宙冥想曲1 6park.com维度越高的生命越先进,维度越高的世界越文明,维度越高的视觉艺术也越美丽;看刘慈欣的流浪地球科幻片及回顾三体小说后,小姐姐我对“维度”这个词的内涵总结。 6park.com小姐姐我有幸在大年三十成为在海外第一波观看这部电影的人,毫不客气地赞扬说,吴京的战狼红海系列突破了成龙等把持几十年的华语动作片全球化的瓶颈,而这部刘慈欣本人监制的吴京团队新片已经冲破了好莱坞窠臼,创造了科幻片的新纪元,大刘的三体系列本来就是历史纵深与哲学高度非常出色的作品,把什么阿西莫夫甚至于田中芳树的银河系列等都远远甩在背后,而且读了三体后再度跟大刘哲学思考着眼点类似的以色列历史学家Yuval Noah Harari的《人类简史:从动物到上帝》(英语:Sapiens: A Brief History of Humankind),你会觉得后者很肤浅,很教条。大刘的书,在科幻界,相当于霍金的《时间简史》和《大设计》在宇宙学领域的标杆地位。 6park.com 6park.com 6park.com非常高兴,三体系列翻拍成电影的第一部《流浪地球》就这么棒,小姐姐不仅看好它突破五十亿人民币票房,而且,我看好它在影史的地位可以直追星球大战系列加指环王系列。 6park.com场景上的确借鉴了美国的后天系列(气候灾难)大片、、、、有关“木星的重力忽然变大”的情节质疑-----我猜是被剪辑掉了,原著里大刘说过宇宙之外还有很多延伸出去的相对独立的小宇宙暗空间,这些伊甸园偷走了宇宙的质量,容易造成整个宇宙向死寂方向发展,而不是有利于宇宙自身的生命力维持平衡,所以小宇宙应该牺牲自己,把质量归还,小姐姐我认为木星引力突然变大,应该是质量回归的结果。 6park.com 6park.com关于阿西莫夫的硬伤,小姐姐先说几点:阿西莫夫是我这个专业关联的前辈大牛,他是生物化学教授,不是物理学教授。此外,小姐姐我真正受益的第一部科幻是苏联学者伽莫夫写的,物理世界奇遇记,常读常新!此外是普利高津的,从混沌到有序。 6park.com 6park.com庞加莱早就就证明了三体运动的不稳定性,而阿西莫夫整了个6个恒星组成一个稳定的星系,忽悠说那里的文明人们享受的是每天1-5个太阳的温暖,每2000年发生一次日食,并把文明的毁灭归根于日食带来的黑暗,小学生都知道并不是星球每个角落都能看到日全食的!!!阿西莫夫的机器人三定律其实是他自己意淫出来的机器人道德伦理学,人类说颜即正义,老阿说机器人越聪明就越善良---基督教传统不允许人类效仿上帝, 老阿的机器人却是效仿上帝造人的产物: 6park.com 6park.com 6park.com1 机器人不得伤害人,亦不得因不作为而致人伤害。 6park.com 6park.com 6park.com2 机器人必须遵循人的命令,除非违背第一定律。 6park.com 6park.com 6park.com3 机器人必须保护自己,除非违背第一或第二定律。 6park.com硬伤太多了: 6park.com比如对机器人怀有敌意的人或机器人能轻易利用第二定律让机器人自毁; 比如美国军方的无人机 drone——另一种不拟人的机器人——直接违反了第一定律, 但只要人类对自相残杀的 “需要” 一日未绝, 那样的机器人恐怕非但不会消亡, 还会有更多的应用。 6park.com 6park.com《致哈雷彗星》 6park.com——黄旭升1985年4月 6park.com 6park.com在你的身上我似乎看见秋天 6park.com四月的南半球,萧索的枯叶在枝头瑟瑟抖颤 6park.com为了见证你的身影在天宇重现 6park.com多少人流着泪,写下壮丽的诗篇 6park.com 6park.com 6park.com在你的身上我似乎看见暮色 6park.com旧帝国的余晖乘上了阿波罗向西去的金车 6park.com沉陷于黑暗的,或是追求光明者 6park.com 6park.com无暇款待你,这千里远至的宾客 6park.com而你无视这冷漠 6park.com依旧如期而至,在星辉斑斓里放歌 6park.com 6park.com 6park.com在你的身上我似乎看见昨日 6park.com那古朴而厚重的,是凝固的历史 6park.com有你的身影在其中穿梭飞驰 6park.com朝代变迁,时代更替 6park.com你都冷眼旁观,不管时间流逝 6park.com 6park.com 6park.com年年岁岁,你循环往复地奔跑 6park.com你看到李广难封,冯唐易老 6park.com你看到割据纷争,战火喧嚣 6park.com你看到秦淮水榭花开早,容易冰消 6park.com你置身其外且微笑 6park.com 6park.com 6park.com你是旁观者,将历史的风云证见 6park.com你是反射镜,将外界的讯息映鉴 6park.com从你的身上,我们意识到自己的孤单 6park.com从你的身上,我们探知未知世界的凶险 6park.com 6park.com 6park.com然而我们依然很勇敢 6park.com我们的足迹已经踏上星球唯一的陪伴 6park.com我们的脚步正在迈向星河遥远的彼岸! 6park.com 6park.com 6park.com是的,我们孤单,然而并不彷徨 6park.com因为冷寂的空间还有你定期的造访 6park.com孤独寂寞中我们依然坚强 6park.com你回归的号角让天宇嘹亮 6park.com 6park.com 6park.com与你初相会时,我将是白发苍苍 6park.com然而我仍将努力仰望 6park.com水光接天,星辰连江 6park.com看你璀璨的身影映射万丈光芒! 6park.com 6park.com 6park.com时间流逝了,你依然在 6park.com然而下次、下下次,我们将不再仅仅等待 6park.com我们要出发,探寻美好的未来 6park.com我们的征途将是星辰大海!!! 6park.com 6park.com 6park.comPS:“我们的征途是星辰大海”最早出自日本作家田中芳树《银河英雄传说》里莱因哈特的台词 6park.com------------------------------ 6park.com比《流浪地球》更辽阔:我的宇宙冥想曲2 6park.com关于三体问题或者N-body问题 6park.com先插一句话,我如何看待大刘被批判为“社会达尔文主义”的宇宙文明黑暗丛林法则?我认为历史学家借古讽今,大刘也可以借幻刺真嘛。我的概括就是小时候我爸爸作为一个从事国防科研多年的军人经常说的一句俏皮话,就是教我要沉着理性--“悄悄地进村,打枪地不要”。而大刘认为一个文明要生存首先要懂得在浩瀚宇宙里隐藏起来,不要被其他文明的侵略军或者猎手们或者宇宙清道夫们被标定在坐标系里成为靶子。这种韬光养晦,我觉得依然值得当今中华家借鉴。 6park.com一些人读了刘慈欣的三体系列以后,会以为三体问题或者N-body问题是一个宇宙学尺度上的宏观问题,非也,这是一个宇宙间从宏观到微观尺度的通用问题,嗯,小姐姐我是不相信在政治上有所谓人类的普世价值(人类太渺小,不配谈普世和永恒),但是对于宇宙间的普世问题,还是饶有兴趣的。 6park.com我最近一次讨论N-body(包括三体问题)是跟张旺教授,当然职业牧师老伯伯(虽然他是右翼政治立场,跟我和老张在政治上相左,但欢迎他参加民科讨论哈,这是我一贯的原则)也参加讨论了。 6park.com我问老张---老张,我问你一个问题,三个以上原子或者分子之间的力学作用,比如轨道、能级等,能不能用博弈论来解释?如果可以,什么是它们之间的不动点和动点? 6park.com我觉得这个问题很重要,我准备培养我儿子将来解决这个化学动力学和电动力学等领域的通用问题。嗯,他才三岁呢。 6park.com当时我跟一个学数学的小猪在留园讨论我这突发奇想的时候,小猪认为可以把问题限定在量子博弈范畴,你明白吗,我假定粒子都是在能量的利用上保守和自私的,自身最优化的倾向然后求解它们之间电动力学组合的通用规律、、、、然后你的老朋友牧师伯伯旁听了,就发展出他那套也不知道是否可以自洽的纠缠理论了,啊哈! 6park.com老张说---也许可参靠一下N-body问题。夏志宏教授做过优秀工作。 6park.com牧师说---别, 你儿子只负责吃奶, 别瞎培养, 楼下旺旺的N 体问题可以解释一点。博弈本身就是能量分布。 6park.com关于这段:小姐姐我划重点--- 6park.com第一,我和张旺教授认为星体之间互相作用的轨道问题,与分子原子之间互相作用的轨道问题,也许本质上并没有不同,就是N-body问题。为何大刘单单提溜出“三体”呢,因为从N=3开始,轨道的数学解具有不确定性和复杂性,也就是混沌性质(Chaos)。 6park.com然而,任何的轨道,从星体轨道到分子原子轨道,在某个给定的时间点(其实也不对,因为时间也是物质,是可以消失转化为其他物质的,严格的来说是在上帝视角的某个给定的测量),其最大可能性也是给定的,人类沉醉于三体问题或者N-body问题现实意义就是想知道在我们时空阶段,可以被观察到的大到星体,小到分子原子的轨道是否具备可推理预测的规律(科学上的规律一定是可以被数学模型化的,小姐姐注)。 6park.com第二,设定每一个物体,从星体到分子原子,都具有“自私性”---这是指他们在运动中有自身质能最优化最利于自己的分布倾向。 6park.com那么三体问题涉及的轨道解,其历史与进展如何呢?小姐姐我再一次说明,这个“轨道”既可以是分子原子的轨道(未来可以用来设计新分子式,包括新药和新材料),也可以是星体的轨道,数学本质相同。但是此处为了表述方便,你们理解方便,我引用的是大尺度力学阐释。 6park.com 6park.com牛顿的引力理论正确预测两个(N=2)互相吸引的天体(比如太阳和地球)的运动规律——它们的轨道基本是椭圆形。 6park.com但如果有3个以上天体互相作用,它们的运行轨道在不确定性之外还有什么规律可循?这就是著名的“三体问题”。现在科学家一口气找到了13--16族新的周期性特解。 6park.com“三体问题”的提出可以追溯到17世纪80年代,当时英国物理学家、数学家艾萨克·牛顿运用他的引力理论正确预测两个互相吸引的天体的运动规律——它们的轨道基本是椭圆形。但如果有3个天体,比如太阳、地球和月球相互作用,它们的运行轨道是什么样的?牛顿没能给出通用的特解答案。 6park.com简单地说,“三体问题”就是探讨3个质量、初始位置和初始速度都为任意的可视为质点的天体,在相互之间万有引力的作用下的运动规律问题。 6park.com | |||
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