真能用狮吼功震碎青瓷杯吗,到底说了个啥
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(橡胶万岁/译)汉斯已经在黑暗的房间里等待了45分钟。这段时光十分无聊,但是他的实验需要眼睛适应黑暗的环境——因为他要数清给α粒子打在金属箔上发生偏转时的模糊闪光。

霍金又卖萌了。上周六,在回答“您对Zayn离开1D组合致使无数少女心碎有什么看法”的时候,他的回答是:“我建议这些女孩多学物理,因为某天你可能会发现平行世界的存在,在那里Zayn没有退团,甚至你还有可能嫁给了他。”但是,你确信你懂得他在说什么吗?“平行世界”并不是什么梦想成真的天堂,这里面的讲究可多了去了。

所谓狮吼功,也就是用嗓音做武器的功夫,到底存在不存在?理论上的答案是,存在。

这个实验是欧内斯特•卢瑟福(Ernest Rutherford)在1908年进行的系列实验的一部分。该实验最终发现了原子核的存在。卢瑟福的助手,物理学家汉斯•盖革(Hans Geiger)在这一发现中也有相当的功劳。

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因为声音的载体是声波,而声波是赛博坦星球狂派变形金刚里很厉害的一个角色(误)。严肃回来说,声波是一种机械波,由物体振动而产生,在气体和液体中表现为一种纵波。形象化纵波形式的声波,你可以把它看作是一根biubiubiu伸缩的弹簧。当这根弹簧撞到你,你当然会“为之一震”。

他们的这些实验处于粒子物理学的起步阶段。

引言 多重宇宙大家族

从中文讲,“上下四方曰宇,往古来今曰宙”,宇宙二字本身已包罗万象。从英文讲,“universe”源于拉丁语词汇“universum”,可理解为“变成一”。若要问除了一切之外还有另一个一切吗,谁听了都会摇头。

但是,当我们说到“宇宙”时,并不能无止境地向过去追溯,而是止于138亿年前的一场大爆炸。在此之前——如果有“之前”的话——我们不知道发生了什么。如果彼时还有空间和物质存在,可否称之为时间中的另一个宇宙呢?

或者,因为宇宙年龄有限,我们只能观测460亿光年里的范围;假如真正的宇宙比这个范围大得多——我们之后会看到这样假设的原因——在宇宙视界之外那些与我们没有因果关系,各自独立发展的区域,可否称之为空间中的另一个宇宙呢?

又或者,我们观测宇宙时看到了许多基本定律和常数,但我们并不知道为何要有这些规律。如果在我们所知的宇宙之外,还有另外的规律和常数,可否称之为常数里的另一个宇宙呢?如果我们能够在计算机中模拟所知的一切,可否称之为低一层的另一个宇宙呢?如果我们身处虚拟现实之中,那么模拟者所在的现实可否称之为高一层的另一个宇宙呢?

诚然,这样的观点恐怕很长一段时间内都不能证明,也不能证伪,因此也许不能称之为真正的“科学”;但正如古代哲人对世界本源的探索一样,这些思考也许会生根发芽,带来真正有价值的东西。所以,此处我们不如卸下包袱,轻装前进,单纯地享受思考的乐趣。

图片 2《变形金刚》中的“声波”剧照。图片:DreamWorks

研究粒子物理需要揭示出物质最微小的部分。实验中可能需要用上亿个加速过的粒子去撞击目标,然后观察碰撞中的产物,这就需要架设一台探测器来观测其中产生的粒子。

五花八门的多重宇宙

为了弥补“universe”一词的不足,人们常常用多重宇宙(multiverse)来概括所有关于“另一个宇宙”的想法。科学家所关心的多重宇宙理论几乎都植根于20世纪物理学的革命性突破——量子理论之中。

在这个框架中诞生的第一个多重宇宙理论是休•埃弗雷特三世提出的量子力学多世界解释。在量子力学中,人们可以用波函数和波动方程完全确定一个粒子的状态,但这个状态可能包含了许多种看似矛盾的可能性。比如,一个电子既在这里,又在那里。一个状态确定的中微子,既是电子型中微子、又是μ子型、τ子型中微子。更不可思议的是,当人们用特定的方法测量粒子状态时,只能随机地得到其中一个结果。其它结果到哪儿去了呢?

图片 3量子力学多世界解释的创始人Hugh Everett III。图片来源:wiki

埃弗雷特三世认为,所有的结果其实都出现了。每一次测量都会导致多重宇宙“分裂”成多个子宇宙,其中每个子宇宙只实现其中一种可能的结果,每个子宇宙中的人只能看到他所在的子宇宙中的结果。这就是量子的多重宇宙

如果将量子理论与宇宙学的观测结果结合起来,无需提出新理论,就会自动得出宇宙之外别有洞天的结论。《宇宙的琴弦》作者,物理学家B•格林在2011年新作《隐藏的现实》一书中将它命名为“百衲被多重宇宙”。因为每一个宇宙都存在各自的视界,它们各自为政,就像一块块碎布缝成的被单。主流观点认为,宇宙的空间如此平坦,是因为它诞生后不久就经历过一轮短暂的加速膨胀,叫做暴胀(inflation)。暴胀不只产生了许许多多我们这样的宇宙,还可能不断产生数不尽的百衲被多重宇宙。这就是暴胀的多重宇宙

为了将20世纪另一项革命广义相对论纳入量子框架,理论家对超弦理论寄予了厚望。使命尚未完成,超弦理论和它的高级形式M-理论却带来了3种新的多重宇宙理论。超弦(及M-理论)要求时空维度为10维(或11维),但我们所生活的宇宙却是3维空间加1维时间。为了调和这一矛盾,理论家发现超弦(及M-理论)的数学结构刚好允许我们将宇宙描述为漂浮在高维时空中的一张3维膜。在3维膜之外,或许还存在别的膜,上面是另一番天地。如果两张完全平行的膜如果相撞,就会引发一场大爆炸,将旧的秩序全部推翻,产生新的宇宙。两张膜一开一合,膜上的宇宙前赴后继——也许我们的宇宙只是序列中的一员。而如果额外维度蜷缩了起来,它的可能形式有至少10500种之多,每一种形式可以都相应地形成一种宇宙,它们可能有不同的宏观维度,甚至有不同的物理定律和基本常数。这是迄今为止最为广阔的多重宇宙图景,叫做弦景观(String Landscape)多重宇宙

《三体》中设想了太阳系的3维空间被某种外部力量转化为2维平面的场景。事实上,量子理论有一种观点认为,我们的宇宙本来就是2维的,只不过表面上看是3维的而已。当我们看3D电影的时候,尽管获得了立体的视觉体验,但每一帧电影实际的信息量不会超过2维屏幕的呈现能力。3D电影的本质是2维的。同理,虽然我们相信3维空间真实存在,但当我们将广义相对论和量子理论结合,试图探索空间信息存储能力的极限时,就会发现空间或许只是一张2维全息屏的投影。它就像3D电影一样,所容纳的信息不会超过一张2维屏幕的呈现能力,这就是全息原理(holographic principle)。

既然宇宙所容纳的信息受到限制,那如果我们将这些信息用另一种方式表达出来,是不是就等于制造了一款宇宙呢?毕竟,铅笔写成的字和计算机中的字没有语义上的区别。麻省理工学院的S. 劳埃德在《计算的终极物理极限》一文中估计,一个体积为1升,重量为1千克的“终极笔记本电脑”,计算能力大约是每秒1051次,所容纳的信息为1031比特。这个消息对模拟宇宙来说可能是喜忧参半。一方面,一旦我们拥有如此强大的计算能力,就可以尝试模拟一个栩栩如生的小型宇宙,获得模拟多重宇宙。另一方面,与一公斤物质相比,全方位模拟整个宇宙所需的计算能力和存储量是个更加宏大的天文数字。如果我们真的活在一个计算机中,那个程序员要么下了血本,要么在我们不知道的地方投机取巧了。

可以发现,多重宇宙不是一个理论,而是一类理论。当我们用量子理论作为框架去研究物理学基本规律的各个方面时,总会在不经意间得到各式各样的多重宇宙。

但获得多重宇宙只是第一步,如果我们的目的是想在其他的宇宙里寻找完美版的自己,那得首先有别的自己——或者说,找到和我们世界相差无几的“平行”宇宙。平行世界在科幻和美漫圈子里早已经是流行概念,但那主要是因为叙事方便——而在现实中,物理学似乎真的能给出平行的可能性。

图片 4动画片《飞出个未来》第4季15集中,主人公就遇到了自己的副本。图片来源:动画截图

表达声音大小的常用单位是分贝。1分贝是大部分人能分辨出的最小的声音,差不多相当于3米外一只蚊子发出的嗡嗡声。面对面交谈的音量大约是50分贝,它的能量是1分贝声音的大约10万倍。隔壁装修用冲击钻打孔的时候音量大约有100分贝。最躁的演唱会现场音量有差不多137分贝,待在那种地方你的耳朵会疼,听完一场你的耳鸣会持续好多天——真正的余音绕梁。近距离炸响的炮弹产生的声音可达150分贝,这样强度的声音足以撕裂鼓膜——所以大音希声。而残暴的科学家曾经用高达180分贝的声音摧残过小白鼠,发现这样的声音可以震碎它们的肝脏,也就是撕心裂肺。别看分贝数只是从1升高到180,它蕴含的能量已经变大了1000000000000000000倍。

如今,大型计算机和电子元件已经取代了卢瑟福和盖革艰辛的人工计数。物理学家也会用到除了金属箔之外的很多其他材料来显示粒子的踪迹,包括很难捕捉的中微子。

一  百衲被的平行宇宙

所以,理论上,只要声音够大,摧枯拉朽什么的根本不在话下,何况一个玻璃杯呢。

1.干洗液

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物理学家雷·戴维斯(Ray Davis)有一个很棒的主意,它不但可以用来探测粒子,还可以用来干洗很多衣服。在1966年之前的几年,他得到了600吨四氯乙烯(perchloroethylene),这也是一种常用的干洗液。他把这些四氯乙烯灌注在一个探测器里。这个探测器安置在距离南达科他州布莱克山一英里左右的霍姆斯特金矿中。他想计数太阳中微子。当这种中微子穿过干洗液时,会触发可以检测到的反应。实验中记录到的中微子数量只有戴维斯计算的理论值的三分之一,不过他的四氯乙烯探测器仍然获得了成功。这个“数量对不上”的发现也提示,中微子发生了振荡,并且转化成了不同的“味”。(更多阅读:中微子为什么要振荡?; 中微子,开启通向新物理学的大门)

(注:这里所发生的反应是中微子与氯37原子的相互作用。中微子撞在氯核上,可以有很小的概率将其中的一个中子转化成质子,同时释放一个电子,这样一来氯37就转变成了氩37。选择四氯乙烯,也是因为这种液体富含氯原子。这种反应的发生频率非常小,即使动用了如此大量的四氯乙烯,并且将数据收集持续到了1994年,这项研究中一共也只探测到了约2000个发生反应的中微子。)

不同的架构,同样的材料

从微观层面看,我们的宇宙充满了副本。除了我们不怎么了解的暗物质和暗能量之外,已知的物质都是由品种有限的基本粒子所组成。比如,水是由氢原子和氧原子组成,而原子都是由核外电子和核内的质子、中子所组成。质子和中子又是由更基本的夸克和胶子所组成的束缚态。不同种类的基本粒子存在质量、电荷、自旋等方面的差异,但同种基本粒子之间却存在一种绝对的平等。我们经验中多姿多彩的世界其实都是由有限的几种基本粒子积木搭起来的,副本并不是变化的对立面,而是它的基础。

比方说,人体内的物质在生化反应中不断丢失和获得电子,从内禀性质看,这些电子和电线中的电子、雷电中的电子、天体中的电子完全一样。如果从你身上取出一个电子,再从火星的岩石中取出一个电子,放在相同的环境中进行比较,任何测量手段都无法分辨两个电子的差别。事实上,物理学家约翰•惠勒曾经提出过一个相当疯狂的猜想:也许所有的电子根本就是同一个电子在时空中不断穿梭,形成一个巨大的缠结!(可惜这个猜想和我们的观测不太符合。)

不过,即使基本成分相同,成分之间排列方式的变化也会造就惊人的差异。水和冰的分子都是H2O,生命却无法容忍将体内的水分全部换成冰。石墨和钻石的原子都是碳,但硬度和价格却有天壤之别。在上千度的高温下,磁铁的成分没有变化,磁性却消失了。因此,我们把世间万物都还原成基本粒子的时候,也要注意每个粒子所处的状态。只有组成两个物体的基本粒子完全相同,每个粒子所处的状态也相同,才可以认为它们是一模一样的副本。宇宙也不例外。

图片 6石墨和金刚石由碳原子通过不同的排列方式组成。图片来源:作者供图

但每个粒子的状态和组合难道不是无穷无尽的吗?物理学认为,并不是。

不同的状态,有限的变数

我们所见到的宇宙,可以看作是从138亿年前开始,到现在的半径460亿光年的空间中所有事件的结合。这些事件总共有多少呢?虽然没数过,但我们可以断定它一定是个有限的数目。这是因为时间和空间的范围是有限的,而我们对时间和空间的分辨能力也是有限的,有限除以有限得到的结果仍然有限。

人眼睛的有限分辨能力可以作为类比。光既可以看成一种粒子,也可以看成一种量子的波动。当一个点光源发出的光穿过瞳孔落在视网膜时,并非汇聚在一个没有大小的点上,而是像波一样发生衍射,主要能量分布在一个圆形的范围内,叫做艾里斑。如果两个点光源离得太近,以至于产生的两个艾里斑重叠在一起,我们就会把它认作同一个光源。

图片 7艾里斑的图示。当两个斑临近时,人眼就无法区分,所以人能判断的状态是有限的。图片来源:作者提供

宇宙中的基本粒子像光一样,都具有波粒二象性。主流观点认为,这不仅意味着我们无法无限地分辨它们在时间和空间上的细微差别,更意味着它们并不存在这样无限细微的差别。这就是海森堡不确定性原理的一种体现:如果你想更精确地测量时间,能量就会变得不确定;如果你想更精确地测量动量,位置就会变得不确定。物理学家认为,宇宙中最短的时间间隔是普朗克时间,约为10-43秒;最短的空间间隔是普朗克长度,约为10-35米。所以,如果我们给定了所见宇宙的时间和空间范围,其中的事件数目一定是有限的,因此,宇宙中粒子的排列组合方式也是有限的。

让一个东西碎掉,考验的是它的“断裂韧性”。正如大家知道的,普通玻璃的断裂韧性很差,大约只有同等条件下钢铁的百分之一左右。

2.苏联时期的弹壳

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在二十世纪四十年代,前苏联海军用特别设计的黄铜外壳弹药来武装军舰,这些炮弹在高压下也不容易变形,而且可以保存相当长的时间。五十多年之后,当欧洲核子研究中心(CERN)建设大型强子对撞机(LHC)时,他们在紧凑μ子线圈(CMS)粒子探测器上也要用到同样高品质的黄铜。用在这里的材料必须在寿命期限内承受粒子的轰击并保持稳定才行。实验室与俄国官方签署协议,将不再使用的旧炮弹壳回炉熔化,并用它们来制作CMS强子量能器。这是LHC中探测粒子撞击能量的探测器组件。(更多阅读:大型强子对撞机重启倒计时)

图片 9 黄铜弹壳的真面目。图片来自:cms.web.cern.ch

有限的组合,无限的……宇宙?

有一个无限猴子定理说,如果让一只猴子在打字机上随机按键,总有一天会按出莎士比亚全集的内容。为了得到宇宙的副本,我们无须雇一只懂物理的猴子来组合基本粒子,只需要知道宇宙的空间曲率。

爱因斯坦的广义相对论将万有引力描述成时空弯曲的结果。这套理论优美的数学形式和惊人的预言能力让每一个行家里手都为之折服。广义相对论开辟了现代宇宙学的研究,将从古至今许多哲学问题纳入了科学的麾下。其中一个问题就是,宇宙到底有多大?

这里说的宇宙大小,并不只是半径460亿光年的可见范围,而是包括之外可能存在的空间区域。如果宇宙空间拥有正的曲率,就像2维的球面一样,虽然没有边界,但是范围有限,那我们在可见范围之外找到宇宙副本的可能性就不会太高。如果宇宙空间拥有负的曲率,像2维的马鞍面一样朝四面八方无限延伸,前景就广阔许多。20世纪末到本世纪初,科学家用地面、空中和太空的各个望远镜测量了宇宙的微波背景辐射,从中得到的信息却是第三种情况:宇宙空间的曲率等于0。这就意味着宇宙的空间可能就像一张2维平面,无边无际。

图片 10各向同性均匀的空间的曲率有3种取值,一种是像球面一样的正曲率,一种是像马鞍面一样的负曲率,一种是像平面一样的零曲率。图片来源:作者提供

在讨论狮吼功碎裂玻璃杯这个问题上,有一个问题不得不提及,那就是共振。如何理解共振?相信每个人都推过秋千。把坐在秋千上的人推高,可以使蛮力,只要力气够大,管你三七二十一,一掌连秋千架推倒都行。另外一个方法就是使巧劲儿,每个秋千都有自己的摆动频率,把发力的节奏和秋千摆动的节奏同步起来,不用太费劲也能把坐秋千的人推得求饶。如果你用的是第二种方法,恭喜你,这就是共振的原理。玻璃杯也好,飞机也好,一座桥也好,都有自己的“固有频率”,也就是秋千摆动的节奏。如果外力的频率跟这个固有频率相同或者接近,就能引起物体更大幅度的振动。

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