巨变中的宇宙

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1 巨 变 中 的 宇 宙 正 见 网 癸 未 年 四 月 廿 五 日

2 目 录 写 在 前 边 的 话...4 第 一 章 万 有 引 力 及 粒 子 物 理 和 空 间 理 论...5 本 章 简 介 万 有 引 力 的 不 足 证 实 重 力 的 速 度 别 那 么 快 科 学 家 发 现 先 驱 者 航 天 器 轨 迹 明 显 偏 离 万 有 引 力 定 律 的 预 期 极 度 清 晰 的 哈 勃 图 像 挑 战 现 有 时 空 和 引 力 理 论 挑 战 万 有 引 力 定 律 :NASA 的 新 实 验 从 先 驱 者 号 轨 迹 反 常 谈 万 有 引 力 粒 子 物 理 面 临 的 挑 战 和 缺 陷 新 发 现 的 亚 原 子 粒 子 对 夸 克 理 论 提 出 挑 战 微 观 粒 子 间 神 秘 联 系 的 稳 定 程 度 超 出 科 学 家 预 期 科 学 家 发 现 粒 子 间 的 缠 绕 依 赖 于 它 们 的 相 对 运 动 状 态 科 学 家 利 用 中 子 星 的 热 核 爆 发 研 究 其 内 部 结 构 时 空 概 念 的 新 革 命 科 学 家 发 现 隐 藏 空 间 维 度 存 在 的 证 据 多 维 空 间 研 究 新 进 展 : 暗 能 量 多 维 空 间 研 究 新 进 展 : 膜 理 论 科 学 杂 志 介 绍 多 维 空 间 的 存 在 多 维 空 间 研 究 新 进 展 : 微 观 黑 洞 海 市 蜃 楼 奇 观 向 人 们 展 示 另 外 空 间 的 真 实 存 在 科 学 家 谈 多 世 界 的 存 在 美 国 科 学 家 认 为 宇 宙 可 能 有 无 数 个 科 学 家 : 人 的 宇 宙 学 原 理 越 来 越 受 尊 重 物 理 学 家 提 出 关 于 更 深 层 次 存 在 的 理 论...31 第 二 章 历 经 苍 桑 的 地 球...32 本 章 简 介 科 学 家 发 现 若 小 天 体 与 地 球 相 撞, 人 类 来 不 及 防 备 小 行 星 引 起 科 学 家 不 安 小 行 星 的 威 胁 有 多 大? 一 与 地 球 玩 猫 和 老 鼠 游 戏 的 小 行 星 靠 近 地 球 科 学 家 认 为 寻 找 地 外 生 命 需 要 打 破 我 们 对 生 命 认 识 的 框 框...36 第 三 章 发 生 在 太 阳 系 的 巨 变...38 本 章 简 介 太 阳 发 生 剧 烈 爆 发 太 阳 攻 击 掠 日 彗 星 太 阳 系 新 星 体 登 场 木 星 的 卫 星 数 量 快 速 增 至 48 颗 木 星 的 两 颗 卫 星 上 可 能 存 在 生 命 本 世 纪 最 壮 观 的 流 星 雨 本 世 纪 首 次 水 星 凌 日 现 象 结 束 五 星 联 珠 与 改 朝 换 代 天 文 新 发 现 : 小 行 星 在 地 球 围 绕 太 阳 运 转 的 轨 道 内 漫 行

3 3.10 土 星 周 围 发 现 一 颗 新 卫 星 云 罩 土 星 的 卫 星 泰 坦 (Titan) 天 文 新 发 现 : 海 王 星 出 现 3 颗 新 卫 星 一 奇 异 彗 星 已 经 驰 入 太 阳 系 科 学 家 质 疑 光 速 不 变 原 理...49 第 四 章 剧 变 中 的 银 河 系...51 本 章 简 介 天 文 学 家 发 现 银 河 中 心 特 大 质 量 黑 洞 爆 炸 频 繁 银 河 系 超 巨 星 Rho Cas 发 生 巨 型 爆 发 红 外 线 天 文 卫 星 观 测 到 银 河 系 大 量 新 生 恒 星 银 河 系 中 的 闪 亮 光 点 球 聚 体 不 平 静 的 银 河 系 球 形 星 团 快 速 穿 越 银 河 系 的 黑 洞 钱 德 勒 X- 射 线 观 测 仪 观 测 到 银 河 系 黑 洞 附 近 的 剧 烈 碰 撞 天 文 新 发 现 : 巨 星 环 环 绕 著 银 河 系 科 学 家 在 银 河 系 周 围 发 现 氢 气 云 团 银 河 系 中 心 亮 丽 风 景 线 哈 勃 望 远 镜 观 测 到 一 个 奇 异 星 体 爆 发 产 生 的 光 回 声 银 河 系 即 将 进 入 新 纪 元...61 第 五 章 宇 宙 巨 变...62 本 章 简 介 频 繁 的 伽 马 爆 揭 示 宇 宙 剧 烈 变 化 科 学 家 发 现 两 个 正 在 形 成 的 巨 型 星 系 万 象 更 新 的 星 系 塔 兰 图 拉 星 云 中 大 量 涌 现 的 新 星 体 哈 勃 望 远 镜 在 我 们 附 近 发 现 正 在 诞 生 的 微 型 星 系 哈 勃 望 远 镜 观 察 到 一 个 致 密 六 星 系 组 正 在 发 生 重 组 GAMMA 爆 发 -- 宇 宙 巨 变 的 证 据 宇 宙 间 最 强 磁 星 被 发 现 天 文 学 家 发 现 迄 今 宇 宙 中 最 大 的 X 射 线 盘 宇 宙 风 景 线 : 热 气 体 网 新 宇 宙 正 在 形 成 : 哈 伯 拍 摄 到 多 个 星 系 碰 撞 合 并 宇 宙 中 惊 人 的 爆 炸 : 星 体 的 消 亡 和 黑 洞 的 诞 生 哈 勃 发 现 一 向 外 喷 射 高 速 射 流 的 神 秘 星 云 暗 物 质 黑 洞 与 宇 宙 膨 胀 神 秘 的 暗 物 质 暗 物 质 和 常 规 物 质 共 同 构 建 我 们 的 宇 宙 钱 德 勒 X- 射 线 望 远 镜 发 现 暗 物 质 存 在 的 最 新 证 据 科 学 家 在 古 老 的 星 系 团 簇 中 发 现 出 人 意 料 的 活 跃 超 级 黑 洞 天 文 新 发 现 : 两 超 大 黑 洞 存 在 于 同 一 星 系 神 工 的 绝 妙 : 黑 洞 与 星 系 演 化 和 谐 相 联 天 文 学 家 发 现 形 成 于 宇 宙 早 期 的 超 级 黑 洞 天 文 学 家 认 为 宇 宙 在 加 速 扩 张 天 文 学 家 发 现 未 知 力 量 导 致 宇 宙 加 速 膨 胀

4 神 秘 的 宇 宙 加 速 膨 胀 引 起 科 学 家 极 大 兴 趣 现 代 科 学 关 于 宇 宙 和 地 球 年 龄 的 研 究 宇 宙 年 龄 再 次 被 修 改 科 学 家 发 现 宇 宙 的 产 生 和 演 化 需 要 外 部 力 量 的 干 预...90 结 束 语...91 超 新 星 爆 发 增 多 与 法 轮 大 法 洪 传

5 写 在 前 边 的 话 在 浩 瀚 的 历 史 长 河 中, 我 们 人 类 今 天 所 面 临 的 是 一 个 前 所 未 有 的 时 代 人 类 所 面 临 的 挑 战 和 机 遇 都 是 前 所 未 有 的 汹 涌 澎 湃 的 各 种 巨 变 正 在 和 即 将 展 现 在 我 们 的 面 前 是 啊, 茫 茫 宇 宙 为 何 而 生 难 倒 众 生 智! 千 古 以 来, 有 多 少 人 上 下 求 索, 在 苦 苦 地 寻 求 人 生 的 真 谛 我 们 从 何 而 来, 来 到 人 世 间 干 什 么, 我 们 将 来 到 哪 里 去? 中 国 人 历 来 相 信 天 人 合 一, 认 为 天 象 变 化 下 面 必 然 对 应 人 间 的 变 化, 人 间 的 变 化 来 自 天 象 变 化 的 带 动 近 两 年 以 来, 尤 其 是 最 近, 诸 多 的 前 所 未 有 的 天 体 变 化 展 现 在 我 们 的 面 前 中 国 人 讲 天 时, 地 利, 人 和 不 同 的 天 象 会 带 来 不 同 的 社 会 形 态 更 让 我 们 吃 惊 的 是, 宇 宙 的 变 化 正 在 导 致 我 们 所 赖 以 生 存 的 科 学 的 基 本 规 律 在 改 变 产 生 这 种 巨 变 的 原 因 在 哪 里? 这 巨 变 之 后 孕 育 着 什 么? 这 都 是 本 书 要 探 讨 的 问 题 然 而, 要 认 识 和 解 决 这 样 重 大 的 问 题, 必 须 从 更 新 观 念 入 手 因 为 天 人 合 一 说 明 了, 我 们 的 思 想 意 识 也 应 该 符 合 天 象 变 化, 才 能 真 正 理 解 正 在 发 生 和 将 要 发 生 的 巨 变 是 宇 宙 产 生 了 我 们, 而 不 是 我 们 创 造 了 宇 宙, 天 欲 行, 无 可 止, 我 们 只 是 这 宇 宙 一 瞬 的 凝 眸, 有 形 而 无 质 所 以 我 们 不 能 期 待 宇 宙 天 象 符 合 自 己 的 观 念, 而 应 该 让 自 己 的 观 念 去 寻 找 和 符 合 天 象 的 变 化 不 改 变 人 类 认 识 宇 宙 的 观 念, 人 类 将 无 从 认 识 和 理 解 今 天 宇 宙 及 其 变 化, 那 么 就 会 不 能 追 赶 上 宇 宙 巨 变 的 汹 涌 大 潮, 就 可 能 会 被 历 史 前 进 的 潮 流 所 淘 汰 观 念 是 人 类 在 认 识 物 质 世 界 的 过 程 中 形 成 的, 譬 如 说 眼 见 为 实, 很 多 人 认 为 自 己 眼 睛 看 到 的 才 是 真 实 的, 而 科 学 家 则 通 常 认 为 用 仪 器 探 测 到 的 才 是 可 信 的 是 眼 见 为 实 好 呢, 还 是 我 思 故 我 在 更 富 有 诗 意 的 哲 理? 是 相 信 眼 睛, 还 是 自 己 的 心 灵 更 可 信? 可 是 我 们 相 信 自 己 的 心 灵 吗? 或 许 早 已 经 忘 记 了 孩 提 时 仰 望 星 空 的 物 外 神 游 我 们 真 的 相 信 眼 睛 吗? 看 着 宇 宙 中 正 在 轰 轰 烈 烈 地 巨 变 着 我 们 却 似 乎 无 动 于 衷 更 新 观 念, 睁 大 眼 睛, 凝 视 我 们 正 在 面 临 的 辉 煌 时 代! 4

6 第 一 章 万 有 引 力 及 粒 子 物 理 和 空 间 理 论 本 章 简 介 历 史 发 展 到 今 天, 由 于 实 验 和 观 测 技 术 的 不 断 发 展, 人 类 现 有 的 科 学 理 论 受 到 了 极 大 的 冲 击 万 有 引 力 是 一 个 古 老 的 话 题, 也 是 近 代 物 理 的 一 个 理 论 基 石 然 而 从 最 近 的 研 究 和 观 测 结 果 来 看 宇 宙 天 体 是 受 到 限 制 的, 是 由 拮 抗 重 力 的 神 秘 高 能 量 所 主 宰 的, 并 非 象 哈 勃 (Hubble) 所 提 出 的 那 样 : 大 爆 炸 (Big Bang) 及 以 后 的 膨 胀 进 而 产 生 宇 宙 科 学 家 同 时 发 现 : 科 学 家 发 现 先 驱 者 航 天 器 轨 迹 明 显 偏 离 万 有 引 力 定 律 的 预 期 另 外, 传 统 观 点 认 为, 空 间 与 时 间 可 以 整 体 看 作 为 一 种 海 绵 当 光 线 穿 过 海 绵 时 应 该 受 到 干 扰, 即 使 这 种 干 扰 非 常 轻 微, 这 样 随 着 时 间 的 推 进, 光 线 在 宇 宙 中 穿 越 后, 在 精 确 望 远 镜 上 汇 聚 所 显 图 像 只 能 是 模 糊 的 简 而 言 之, 哈 勃 对 遥 远 星 体 所 拍 图 像 应 该 产 生 一 种 奇 怪 的 效 果, 然 而 实 际 上 却 没 有 : 哈 勃 图 像 清 晰 明 了, 与 拍 摄 对 象 的 距 离 没 有 关 系, 而 这 一 结 果, 也 构 成 了 对 现 有 的 空 间 和 引 力 理 论 的 挑 战 NASA 富 有 建 设 性 的 摆 脱 引 力 牵 制 的 实 验, 以 及 理 论 物 理 学 家 的 引 力 屏 蔽 效 应 的 理 论, 都 使 得 这 一 传 统 的 课 题 蒙 上 了 激 动 人 心 的 色 彩 本 章 第 二 个 要 讨 论 的 话 题 是 理 论 物 理 的 前 沿 : 粒 子 物 理 的 新 发 现 物 理 学 家 在 斯 坦 福 线 性 加 速 器 (SLAC) 上 发 现 的 理 论 上 预 言 的 新 粒 子, 但 是 新 粒 子 的 质 量 显 著 小 于 理 论 预 言 值, 对 夸 克 相 互 作 用 理 论 提 出 了 挑 战 在 粒 子 之 间 的 联 系 稳 定 性 方 面, 科 学 家 们 发 现 处 于 量 子 缠 绕 态 (quantum entanglement) 的 两 个 光 子 可 以 通 过 金 属 片 而 不 失 去 这 种 联 系 这 一 发 现 意 味 着 粒 子 间 的 这 种 量 子 联 系 比 科 学 家 们 原 先 认 为 的 要 稳 定 而 NASA 的 另 一 项 的 研 究 表 明 : 神 秘 的 量 子 缠 绕 态 与 观 察 者 相 对 于 微 观 粒 子 的 运 动 有 关, 这 种 量 子 缠 绕 可 以 由 观 察 者 的 相 对 运 动 来 产 生 或 者 破 坏 掉 NASA 的 科 学 家 还 发 现 了 中 子 星 并 利 用 中 子 星 的 热 核 爆 发 研 究 其 内 部 结 构 本 章 的 第 三 个 讨 论 话 题 是 空 间 理 论 问 题, 在 对 万 有 引 力 常 数 的 研 究 过 程 中, 科 学 家 发 现 隐 藏 空 间 维 度 存 在 的 证 据 在 暗 能 量 理 论 方 面, 英 国 剑 桥 大 学 天 文 学 教 授 乔 治 椰 佛 斯 德 休 (George Efstathiou) 领 导 的 由 27 位 天 文 学 家 组 成 的 研 究 小 组 公 布 了 他 们 发 现 的 关 于 暗 能 量 存 在 的 强 有 力 的 证 据 阿 肯 尼 - 哈 米 德 等 提 出 了 膜 世 界 理 论, 认 为 许 许 多 多 空 间 是 以 多 层 膜 的 形 式 存 在 于 一 个 多 层 超 空 近 来 有 些 物 理 学 家 提 出 了 可 能 存 在 的 另 一 种 形 式 的 黑 洞, 即 一 种 极 其 微 小 轻 微 形 式 的 微 观 黑 洞, 这 一 猜 想 若 被 证 实, 也 将 会 证 实 物 理 学 界 另 一 种 看 起 来 更 加 难 以 置 信 的 理 论, 认 为 除 了 我 们 熟 悉 的 4 维 时 空, 还 有 其 它 可 被 观 测 的 多 维 空 间 海 市 蜃 楼 奇 观 则 向 人 们 展 示 另 外 空 间 的 真 实 存 在 最 近, 在 中 国 大 陆 一 些 地 区 出 现 了 海 市 蜃 楼 现 象, 特 征 是 出 现 的 地 区 增 多, 持 续 时 间 增 长, 不 分 昼 夜 令 人 惊 奇 的 多 世 界 理 论, 物 理 学 博 士 艾 佛 雷 特 (Hugh Everett ) 在 1957 年 首 先 提 出 来 的, 而 后 被 美 国 最 著 名 的 宇 宙 物 理 学 家, 相 对 论 专 家, 二 战 时 期 研 制 原 子 弹 的 曼 5

7 哈 顿 计 划 和 氢 弹 计 划 的 主 持 人 之 一 的 约 翰. 惠 勒 (John Wheeler ) 教 授 所 进 一 步 发 展 在 其 后 的 五 十 年 当 中, 这 一 理 论 吸 引 了 一 代 又 一 代 的 物 理 学 家 致 力 其 中, 英 国 牛 津 大 学 著 名 的 戴 维 德 伊 池 (David Deutsch ) 教 授 正 是 其 中 的 代 表 人 物 一 种 新 的 宇 宙 学 理 论, 多 重 宇 宙 (multiverse) 概 念, 指 称 宇 宙 在 第 一 次 大 爆 炸 后 还 在 彼 此 不 断 大 爆 炸, 形 成 无 数 宇 宙 人 的 宇 宙 学 原 理, 为 众 多 科 学 家 所 重 视, 象 是 中 国 古 代 天 人 合 一 的 思 想 而 更 深 层 次 存 在 的 理 论 正 在 科 学 家 们 的 考 虑 中 1.1 万 有 引 力 的 不 足 证 实 重 力 的 速 度 别 那 么 快 本 月 初, 美 国 多 家 新 闻 媒 体 同 时 报 道 了 有 关 重 力 速 度 的 最 新 发 现 他 们 声 称 : 物 理 学 家 Sergei Kopeikin 对 木 星 的 观 察 表 明 重 力 通 过 太 空 的 速 度 和 光 速 相 同 这 一 发 现 首 次 证 实 了 爱 因 斯 坦 在 近 一 个 世 纪 前 的 预 测 然 而, 事 实 并 不 一 定 是 这 么 回 事 在 本 月 17 日 的 科 学 杂 志 上 [1], Robert Irion 撰 文 指 出 : 一 些 物 理 学 家 认 为 Kopeikin 的 研 究 实 际 上 是 测 定 的 光 速 而 非 重 力 的 速 度 和 媒 体 相 反, 美 国 科 学 界 对 Kopeikin 的 结 果 是 持 审 慎 态 度 的 可 以 理 解, 新 闻 媒 体 对 最 新 科 学 进 展 的 报 道 很 难 做 到 尽 善 尽 美 其 实, 今 年 第 一 期 的 科 学 杂 志 就 发 表 了 令 人 震 惊 的 重 大 发 现 通 过 对 宇 宙 年 龄 距 离 和 红 移 (redshift) 的 联 系, 宇 宙 几 何 外 形 这 三 个 重 要 参 数 的 独 立 研 究 和 观 察, 美 国 天 文 学 家 Krauss 和 Chaboyer 推 断 : 宇 宙 天 体 是 受 到 限 制 的, 是 由 拮 抗 重 力 的 神 秘 高 能 量 所 主 宰 的 [2] 并 非 象 哈 勃 (Hubble) 所 提 出 的 那 样 : 大 爆 炸 (Big Bang) 及 以 后 的 膨 胀 进 而 产 生 宇 宙 参 考 文 献 1 Science, 2003 年, 299 卷 5605 号 2 Science, 2003 年, 299 卷 5603 号 6

8 1.1.2 科 学 家 发 现 先 驱 者 航 天 器 轨 迹 明 显 偏 离 万 有 引 力 定 律 的 预 期 美 国 航 空 航 天 局 科 学 家 对 先 驱 者 (Pioneer)10 和 11 号 尤 利 西 斯 (Ulysses) 号 等 航 天 器 的 轨 迹 跟 踪 表 明, 这 些 航 天 器 的 运 行 轨 迹 明 显 偏 离 根 据 万 有 引 力 算 出 的 轨 道 有 关 结 果 已 经 发 表 在 1998 年 10 月 5 日 物 理 学 评 论 快 报 第 81 卷,2002 年 4 月 15 日 物 理 学 评 论 D 第 65 卷 等 权 威 杂 志 上 上 右 图 为 先 驱 者 航 天 器 示 意 图 先 驱 者 10 号 和 先 驱 者 11 号 航 天 器 分 别 发 射 于 1972 年 3 月 2 日 和 1973 年 4 月 5 日, 是 人 类 最 早 向 外 太 空 发 射 的 航 天 器 在 先 驱 者 10 号 和 11 号 分 别 与 木 星 土 星 相 会 后, 两 艘 航 天 器 沿 著 相 反 的 方 向 飞 向 太 空 先 锋 11 号 在 1995 年 11 月 份 最 后 一 次 发 射 回 信 号 后 与 地 面 失 去 了 联 系, 而 先 锋 10 号 最 后 一 次 发 送 回 信 号 是 在 今 年 2 月 份 根 据 两 艘 航 天 器 发 送 回 来 的 无 线 电 波 信 号, 科 学 家 们 可 以 准 确 地 定 出 它 们 的 位 置, 在 扣 除 行 星 的 微 扰 效 应 太 阳 辐 射 压 力 星 际 物 质 的 影 响 广 义 相 对 论 效 应 以 及 多 普 勒 偏 差 和 漂 移 等 影 响 后, 科 学 家 们 可 以 精 确 地 算 出 它 们 的 加 速 度, 计 算 精 度 高 达 cm/ s 2 从 1980 年 起, 当 太 阳 的 辐 射 压 力 小 於 5x10-8cm/s2 后,NASA 的 喷 气 推 进 实 验 室 (Jet Pr opulsion Laboratory,JPL) 研 究 组 就 发 现 了 对 先 驱 者 10 号 算 出 的 加 速 度 中 有 8(±3)x10-8 cm/s 2 无 从 解 释, 该 加 速 度 方 向 正 对 著 太 阳 在 这 以 后 更 精 确 的 计 算 表 明, 先 驱 者 10 号 和 11 号 都 受 到 约 8.5x10-8 cm/s 2 的 向 著 太 阳 的 不 明 来 源 的 加 速 度 此 后 实 验 组 考 虑 了 各 种 可 能 的 原 因, 诸 如 来 自 星 系 和 基 泊 尔 (Kuiper) 行 星 带 的 引 力 航 天 器 漏 气 地 球 进 动 地 球 方 向 误 差 飞 船 热 辐 射 的 各 向 异 性 等, 发 现 没 有 一 种 起 因 可 以 对 此 加 以 解 释, 有 些 因 素 引 起 的 加 速 度 偏 差 仅 是 上 述 偏 差 的 千 分 之 一 左 右 实 验 组 还 用 两 个 独 立 的 分 析 软 件 对 这 些 轨 道 作 了 计 算, 结 果 得 到 了 一 致 的 结 论, 排 除 了 分 析 软 件 存 在 缺 陷 导 致 错 误 的 可 能 性 为 检 验 所 发 现 的 加 速 度 是 否 是 某 种 未 知 粘 滞 阻 力 所 致, 考 虑 到 粘 滞 阻 力 总 是 与 速 度 方 向 相 反, 实 验 组 还 对 运 行 轨 道 不 沿 著 太 阳 半 径 方 向 的 尤 利 西 斯 号 的 轨 迹 进 行 了 分 析, 结 果 表 明 尤 利 西 斯 号 轨 道 也 受 到 类 似 的 不 明 加 速 度 的 作 用 ; 另 外, 利 西 斯 号 的 设 计 和 外 形 都 与 先 驱 者 号 大 不 相 同, 所 以 这 一 加 速 度 也 不 太 可 能 由 飞 行 器 的 硬 件 所 导 致 实 验 组 对 加 利 略 号 轨 道 的 分 析 也 得 到 了 类 似 的 结 论, 但 是 实 验 组 也 谨 慎 地 说 明, 加 利 略 号 受 太 阳 辐 射 压 力 影 响 较 大, 他 们 不 能 排 除 太 阳 辐 射 压 力 的 作 用 在 这 些 论 文 中, 这 些 科 学 家 还 指 出 了 与 这 一 加 速 度 有 关 的 另 外 一 个 疑 团, 它 只 是 影 响 人 造 飞 行 器 而 对 太 阳 系 的 九 大 行 星 的 运 行 轨 迹 没 有 显 著 的 影 响 今 天 人 类 已 经 能 够 对 行 星 的 运 动 进 行 了 精 确 的 观 测, 如 NASA 的 维 京 (Viking) 使 命 可 以 将 地 球 和 火 星 位 置 确 定 到 误 差 小 于 100 米 左 右, 如 果 地 球 和 火 星 有 同 样 的 效 应, 它 们 的 轨 道 半 径 据 推 算 要 比 现 在 分 别 小 21 和 76 公 里 这 一 现 象 也 不 太 可 能 是 目 前 使 天 文 学 家 们 正 在 寻 找 的 暗 物 质 引 起, 因 为 暗 物 质 会 对 行 星 施 加 相 似 的 加 速 度 7

9 一 些 科 学 家 认 为 这 一 现 象 有 可 能 是 新 的 物 理 原 理 所 致, 也 有 的 科 学 家 认 为 这 是 因 为 万 有 引 力 定 律 在 大 尺 度 上 不 再 成 立 的 缘 故 有 的 NASA 科 学 家 已 经 提 出 了 进 一 步 验 证 这 一 现 象 的 实 验 设 想, 并 已 决 定 在 以 后 的 飞 行 器 运 行 轨 道 设 计 中 考 虑 这 一 他 们 称 为 先 驱 者 号 反 常 的 现 象 参 考 文 献 1. J.D. Anderson, P.A. Laing, E.L. Lau, A.S. Liu, M.M. Nieto, and S.G. Turyshev, Phys. Rev. Lett. 81, 2858, J.D. Anderson, P.A. Laing, E.L. Lau, A.S. Liu, M.M. Nieto, and S.G. Turyshev, Phys. Rev D 65, , 极 度 清 晰 的 哈 勃 图 像 挑 战 现 有 时 空 和 引 力 理 论 另 外, 极 度 清 晰 的 通 过 哈 勃 望 远 镜 观 测 到 的 图 像 也 对 现 有 时 空 和 引 力 理 论 提 出 了 强 烈 挑 战 清 晰 度 是 天 文 学 家 及 公 众 对 哈 勃 太 空 望 远 镜 所 期 待 的, 然 而 哈 勃 所 拍 摄 的 遥 远 星 系 的 清 晰 度 却 使 科 学 家 思 考 为 什 么 这 些 图 片 不 模 糊, 因 为 依 据 一 些 新 的 计 算 这 些 图 片 应 该 模 糊, 同 时, 思 考 是 否 必 须 重 新 考 虑 空 间 时 间 和 引 力 理 论 的 一 些 基 本 假 设 对 于 非 常 遥 远 星 体 和 星 系 的 图 片 进 行 的 分 析 检 验 了 量 子 哈 勃 所 拍 摄 的 遥 远 星 系 力 量 的 一 个 基 本 方 面, 它 是 对 看 不 见 的 原 子 级 别 物 理 学 广 泛 所 持 观 点 的 一 个 集 合 体, 并 且 这 些 观 点 与 宇 宙 最 大 尺 度 级 别 物 理 概 念 相 关 传 统 观 点 认 为, 空 间 与 时 间 可 以 整 体 看 作 为 一 种 海 绵 当 光 线 穿 过 海 绵 时 应 该 受 到 干 扰, 即 使 这 种 干 扰 非 常 轻 微, 这 样 随 著 时 间 的 推 进, 光 线 在 宇 宙 中 穿 越 后, 在 精 确 望 远 镜 上 汇 聚 所 显 图 像 只 能 是 模 糊 的 简 而 言 之, 哈 勃 对 遥 远 星 体 所 拍 图 像 应 该 产 生 一 种 奇 怪 的 效 果, 然 而 实 际 上 却 没 有 : 哈 勃 图 像 清 晰 明 了, 与 拍 摄 对 象 的 距 离 没 有 关 系 根 据 两 独 立 研 究 小 组 的 研 究 结 果, 量 子 理 论 可 能 有 缺 陷 由 Roberto Ragazzoni 所 领 导 的 大 利 Arcetri 天 体 物 理 观 测 台 (Asrophysical Observatory of Arcetri) 和 德 国 马 普 天 文 所 (Max Planck Institute for Astronomy) 天 文 学 家 小 组 完 成 了 一 项 最 新 研 8

10 究 Ragazzoni 认 为, 预 期 的 量 子 效 应 就 象 地 球 大 气 层 所 导 致 的 细 微 模 糊 情 形, 这 使 星 体 产 生 闪 烁 Ragazzoni 解 释 道, 当 光 线 从 遥 远 目 标 传 来 时, 由 于 不 同 光 波 以 略 微 不 同 的 路 径 穿 过 海 绵, 一 些 光 波 相 对 于 其 它 光 波 就 会 受 到 阻 碍, 光 线 就 会 从 实 际 光 源 周 围 的 位 置 传 来 从 而 导 致 模 糊 你 没 有 看 到 一 个 宇 宙 是 模 糊 的, 他 说, 如 果 你 取 出 任 何 一 张 哈 勃 太 空 望 远 镜 深 景 图 像 你 会 看 到 都 是 非 常 清 晰 的, 这 足 以 告 诉 我 们 光 线 在 从 光 源 传 到 观 测 器 的 时 空 中, 没 有 因 波 动 起 伏 而 发 生 畸 变 或 受 到 干 扰 该 项 研 究 将 发 表 于 2002 年 4 月 10 日 出 版 的 天 体 物 理 杂 志 快 报 上 (Astrophysical Journal Letters) 诸 多 的 现 代 科 学 实 验 表 明, 万 有 引 力 以 及 现 有 的 引 力 理 论 都 存 在 这 难 以 克 服 的 困 难 和 不 足, 随 着 实 验 技 术 的 发 展 和 观 测 技 术 的 进 一 步 提 高, 这 种 不 足 会 暴 露 得 更 加 明 显 回 首 近 百 年 来 人 类 物 理 学 和 科 学 技 术 发 展 史, 似 乎 都 是 在 不 断 地 重 复 这 一 相 似 的 过 程 然 而 今 天 人 类 科 学 技 术 的 发 展 所 受 到 的 挑 战 也 是 空 前 的 实 际 上, 造 成 这 一 结 果 的 根 本 原 因 是 人 类 对 物 质 世 界 的 认 识 还 停 留 在 事 物 的 表 面 上, 所 以 提 出 的 理 论 也 是 唯 象 的 唯 象 的 理 论 只 能 停 留 在 与 之 相 应 的 空 间 范 围 之 内, 而 超 出 其 范 围, 理 论 即 出 现 断 层, 也 就 不 得 不 从 新 构 筑 新 的 理 论 模 型 以 克 服 先 前 理 论 的 不 足 一 段 时 期 以 来, 人 类 已 经 观 测 到 宇 宙 以 发 生 了 前 所 未 有 的 巨 大 变 化, 这 些 观 测 到 天 体 现 象, 也 为 人 类 科 学 技 术 的 发 展 提 供 了 前 所 未 有 的 契 机, 能 否 扑 捉 的 这 些 认 识 自 然 的 契 机 取 决 于 人 类 自 身 的 观 念 的 转 变, 能 否 从 以 前 对 自 然 认 识 的 传 统 观 念 中 解 脱 出 来 决 定 了 人 类 对 自 然 界 的 认 识 程 度 参 考 文 献 挑 战 万 有 引 力 定 律 :NASA 的 新 实 验 在 中 国 和 其 它 国 家, 都 有 人 在 空 中 漂 浮 的 报 导 例 如 一 位 美 国 记 者 对 印 度 的 一 位 高 人 的 采 访, 这 位 高 人 能 起 空 飞 行 人 体 能 起 空 意 味 者 人 体 和 地 球 之 间 的 万 有 引 力 变 为 零 根 据 万 有 引 力 定 律, 这 表 明 此 时 人 的 质 量 为 零 虽 然 这 似 乎 是 异 想 天 开, 但 这 对 于 美 国 航 空 航 天 局 (NASA) 来 说 实 在 太 重 要 了 因 为 NASA 一 直 希 望 能 进 行 恒 星 际 的 旅 行, 就 是 能 飞 到 其 它 的 太 阳 系 去 然 9

11 而, 即 使 在 没 有 引 力 的 外 太 空, 还 是 需 要 将 飞 船 加 速 到 极 高 的 速 度, 才 能 使 这 种 星 际 旅 行 成 为 可 能, 然 而 常 规 的 火 箭 技 术 却 达 不 到 这 一 点 NASA 在 去 年 7 月 份 的 一 项 报 告 中 指 出 : 采 用 现 有 的 火 箭 技 术, 要 想 在 合 理 的 寿 命 时 间 内 到 达 最 近 的 恒 星, 所 需 要 的 燃 料 的 质 量 可 以 和 一 个 行 星 的 质 量 相 当 但 是 如 果 能 够 减 小 飞 船 的 质 量, 那 么 所 需 要 的 燃 料 推 进 力 就 会 减 少, 因 为 根 据 牛 顿 第 二 定 律, 要 想 达 到 同 样 的 加 速 度, 所 需 要 的 燃 料 推 进 力 和 质 量 成 正 比, 即 质 量 越 小, 则 所 需 要 的 推 进 力 越 小 经 过 近 两 年 的 等 待, 位 于 美 国 阿 拉 巴 马 州 (Alabama) 杭 茨 维 尔 市 (Huntsville) 的 NASA 马 沙 尔 太 空 飞 行 中 心 (Marshall Space Flight Center) 即 将 迎 来 有 希 望 挑 战 万 有 引 力 定 律 的 仪 器 虽 然 听 起 来 有 点 象 天 方 夜 谭, 但 是 这 个 NASA 项 目 的 科 研 人 员 说, 他 们 的 努 力 是 基 于 真 正 的 科 学,NASA 已 支 付 了 600,000 美 元 向 位 于 俄 亥 俄 州 (Ohio) 的 超 导 器 件 公 司 (Superconductive Components, Inc.) 定 制 这 台 仪 器 NASA 的 这 个 实 验 起 源 于 1992 年 物 理 杂 志 C(Physica C) 上 俄 国 物 理 学 家 Evgeny Podkletnov 的 一 篇 论 文 [6] Podkletnov 在 论 文 中 宣 布 他 发 现 了 引 力 屏 蔽 效 应 他 把 引 力 减 小 了 % 虽 然 听 起 来 不 怎 么 样, 但 对 于 物 理 学 界 来 说, 却 象 爆 炸 了 一 颗 炸 弹 因 为 万 有 引 力 定 律 是 现 代 科 学 最 神 圣 的 原 理 之 一, 对 它 的 任 何 违 背 都 是 对 现 代 理 论 框 架 的 威 胁 如 果 Podkletnov 的 实 验 被 证 实 的 话, 那 无 疑 会 给 它 的 发 现 者 带 来 诺 贝 尔 奖 金 虽 然 仪 器 可 能 很 复 杂, 但 其 基 本 的 原 理 却 是 很 简 单 的 它 有 一 个 直 径 6 英 寸 厚 度 0.25 英 寸 的 超 导 圆 盘 这 个 圆 盘 被 降 温 至 摄 氏 零 下 233 度, 悬 浮 在 一 个 磁 场 中 再 施 加 一 个 电 场 使 圆 盘 旋 转 Podkletnov 说 当 转 速 超 过 每 分 钟 5000 转 时, 置 于 盘 上 的 物 体 就 开 始 失 去 重 量 Podkletnov 在 论 文 中 对 他 的 发 现 是 这 样 解 释 的 : 重 量 的 部 份 减 小 可 能 与 低 温 下 超 导 体 晶 体 结 构 内 存 在 的 某 种 能 量 态 有 关 这 种 不 同 寻 常 的 能 量 态 可 能 改 变 了 固 体 内 电 磁 力 核 力 和 引 力 间 的 相 互 作 用, 从 而 产 生 了 引 力 屏 蔽 效 应 [6] 在 Podkletnov 之 后, 有 一 些 物 理 学 家 重 复 了 他 的 实 验, 有 的 说 成 功, 有 的 说 失 败 还 有 一 些 物 理 学 家 从 理 论 上 论 证 了 引 力 屏 蔽 效 应 的 可 行 性 [7][8], 也 有 的 认 为 不 行 [9] 10

12 虽 然 大 多 数 物 理 学 家 对 NASA 的 实 验 不 抱 乐 观 的 态 度, 但 NASA 突 破 推 进 物 理 项 目 (Breakthrough Propulsion Physics Project) 的 负 责 人 航 空 工 程 师 麦 克 米 立 斯 (Marc G. Millis) 说, NASA 将 会 保 持 一 个 开 放 的 思 想 历 史 告 诉 我 们, 新 的 发 现 可 能 来 自 看 起 来 最 不 可 能 的 方 向 参 考 文 献 [6] "A possibility of gravitational force shielding by bulk YBa2Cu3O7-x superconductor", Podkletnov, E.; Nieminen, R., Physica C, vol.203, P (1992) [7] "Theoretical analysis of a reported weak-gravitational-shielding effect", Modanese, G., Europhysics Letters, vol. 35, P (1996) [8] "A new theoretical approach of the gravitational shielding: Podkletnov's effect", Buzea, C. G.; Agop, M., Physica C, vol , P (2000) [9] "Does a superconductor shield gravity?", Unnikrishnan, C. S., Physica C, vol.266, P (1996) 从 先 驱 者 号 轨 迹 反 常 谈 万 有 引 力 众 所 周 知, 万 有 引 力 定 律 是 由 十 七 世 纪 英 国 科 学 家 牛 顿 发 现 的 牛 顿 根 据 当 时 对 太 阳 系 内 行 星 运 行 观 测 的 数 据, 结 合 自 己 和 前 人 发 现 的 的 运 动 定 律 推 导 出 了 万 有 引 力 定 律 尽 管 万 有 引 力 定 律 在 解 释 行 星 运 行 上 取 得 了 成 功, 但 是 它 在 太 阳 系 以 外 并 没 有 得 到 实 验 的 验 证 先 驱 者 号 航 行 使 人 类 第 一 次 有 机 会 精 确 地 在 大 尺 度 上 检 测 万 有 引 力 定 律, 而 先 驱 者 号 的 轨 迹 反 常 显 示 万 有 引 力 可 能 还 有 不 为 我 们 所 知 的 奥 秘 旋 转 的 星 系 在 星 系 尺 度 上, 现 在 的 天 体 观 测 已 经 发 现 了 很 多 不 能 为 万 有 引 力 定 律 解 释 的 现 象 比 如 星 系 的 运 动, 万 有 引 力 定 律 就 无 能 为 力 科 学 家 们 早 就 发 现 观 测 到 的 星 系 旋 转 速 度 比 万 有 引 力 定 律 算 出 的 要 快 很 多, 要 维 系 星 系 的 运 行 而 使 它 们 不 分 崩 离 析, 必 须 假 设 星 系 中 星 体 的 引 力 常 数 ( 表 征 引 力 强 度 的 常 数 ) 比 我 们 现 在 所 知 的 的 引 力 常 数 要 强 很 多 ; 或 者 是 维 持 引 力 常 数 不 变, 假 定 存 在 着 质 量 比 我 们 能 够 观 测 到 的 普 通 星 体 质 量 大 10 倍 左 右 的 所 谓 暗 物 质 在 维 持 着 星 系 的 稳 定 虽 然 现 在 物 理 学 家 11

13 都 是 倾 向 于 后 一 个 假 设, 但 是 这 种 假 设 十 分 随 意 ( 因 为 科 学 家 们 对 暗 物 质 一 无 所 知 ), 这 种 假 设 也 只 是 许 多 可 能 性 中 的 一 种, 真 实 情 况 如 何 仍 然 不 得 而 知 几 年 来 发 现 的 著 名 的 宇 宙 加 速 膨 胀, 更 是 万 有 引 力 定 律 无 法 解 释 的 按 照 现 代 宇 宙 论, 宇 宙 起 源 于 一 次 宇 宙 大 爆 炸, 宇 宙 因 大 爆 炸 而 膨 胀 按 照 万 有 引 力 定 律, 宇 宙 的 膨 胀 速 度 应 该 因 为 宇 宙 中 星 系 之 间 的 万 有 引 力 而 逐 渐 减 慢 但 是 自 1998 年 以 来, 几 个 互 相 独 立 实 验 观 测 都 证 实 了 我 们 宇 宙 在 加 速 膨 胀 科 学 家 为 此 不 得 不 引 入 所 谓 的 暗 能 量 来 推 动 这 种 膨 胀 科 学 家 们 在 测 量 万 有 引 力 常 数 的 实 验 中 也 发 现 了 异 常 例 如 在 对 万 有 引 力 常 数 的 测 定 中, 目 前 两 组 精 确 度 最 高 的 测 量 值 虽 然 实 验 精 度 达 到 万 分 之 一, 但 是 奇 怪 的 是, 这 两 个 实 验 数 值 彼 此 相 差 超 过 实 验 精 度 的 10 倍 以 上 还 有 其 他 一 些 实 验 组 给 出 的 数 值 相 互 之 间 也 有 很 大 的 出 入 对 此, 科 学 家 们 百 思 不 得 其 解 现 在 有 些 科 学 家 认 为 这 一 常 数 并 不 是 真 正 意 义 上 的 常 数, 它 在 地 球 上 不 同 的 地 点 有 着 不 同 的 数 值 在 理 论 上, 万 有 引 力 也 是 让 理 论 物 理 学 家 最 为 头 疼 的 相 互 作 用 它 与 其 它 重 要 的 现 有 物 理 理 论 如 量 子 场 论 等 格 格 不 入 因 此 很 多 研 究 弦 论 和 膜 论 的 物 理 学 家 认 为 万 有 引 力 只 是 一 种 现 象, 真 正 的 物 理 实 质 是 什 么 还 有 待 于 进 一 步 的 探 索 在 科 学 家 们 找 到 其 物 理 实 质 之 前, 引 力 将 持 续 困 扰 着 我 们 先 驱 者 号 轨 迹 反 常 还 有 一 个 令 人 不 解 之 处, 就 是 我 们 太 阳 系 中 自 然 存 在 的 行 星 都 没 有 发 现 这 种 反 常 加 速 度 难 道 自 然 存 在 的 行 星 和 人 造 的 飞 船 的 万 有 引 力 存 在 着 某 些 不 为 我 们 所 知 的 差 异 吗? 或 者 自 然 存 在 的 行 星 轨 道 有 什 么 特 殊 之 处? 这 不 禁 使 人 想 起 了 原 子 中 的 电 子 轨 道 在 原 子 中, 电 子 的 定 态 轨 道 的 确 是 一 些 很 特 殊 的 轨 道, 也 许 微 观 和 宏 观 世 界 存 在 着 某 种 还 不 为 我 们 所 知 的 相 通 之 处 参 考 文 献 1. J.D. Anderson, P.A. Laing, E.L. Lau, A.S. Liu, M.M. Nieto, and S.G. Turyshev, Phys. Rev. Lett. 81, 2858, J.D. Anderson, P.A. Laing, E.L. Lau, A.S. Liu, M.M. Nieto, and S.G. Turyshev, Phys. Rev D 65, ,

14 1.2 粒 子 物 理 面 临 的 挑 战 和 缺 陷 新 发 现 的 亚 原 子 粒 子 对 夸 克 理 论 提 出 挑 战 据 二 三 年 五 月 1 日 新 科 学 家 网 站 报 导, 物 理 学 家 在 斯 坦 福 线 性 加 速 器 (SLAC) 上 发 现 的 理 论 上 预 言 的 新 粒 子, 但 是 新 粒 子 的 质 量 显 著 小 于 理 论 预 言 值, 对 夸 克 相 互 作 用 理 论 提 出 了 挑 战 夸 克 是 组 成 中 子 质 子 等 粒 子 的 亚 原 子 粒 子 新 发 现 的 粒 子 名 为 DS(2317), 物 理 学 家 认 为 它 属 于 粲 - 奇 异 夸 克 介 子 粲 夸 克 和 奇 异 夸 克 是 两 种 不 同 的 夸 克, 它 们 和 它 们 的 反 夸 克 组 成 粲 - 奇 异 夸 克 介 子 利 用 夸 克 之 间 的 强 相 互 作 用 模 型 可 以 计 算 出 这 些 介 子 的 质 量, 计 算 出 的 粲 夸 克 和 反 奇 异 夸 克 组 成 的 DS 介 子 质 量 约 为 2500 兆 电 子 伏 但 是 测 量 到 的 粒 子 质 量 比 算 出 的 DS 的 质 量 小 了 10% 卡 内 基 梅 隆 大 学 的 实 验 粒 子 物 理 学 家 若 依. 布 里 叶 (Roy Briere) 博 士 说 : 这 些 看 起 来 确 实 是 真 实 的 -- 虽 然 结 论 令 人 吃 惊, 但 是 他 们 对 得 到 的 数 据 作 了 所 有 正 确 的 处 理 物 理 学 家 目 前 还 无 法 解 释 新 粒 子 质 量 与 理 论 预 言 的 偏 差 如 果 结 论 被 证 实, 意 味 着 现 在 的 夸 克 理 论 存 在 重 大 的 缺 陷 参 考 文 献 微 观 粒 子 间 神 秘 联 系 的 稳 定 程 度 超 出 科 学 家 预 期 科 学 家 们 发 现 处 于 量 子 缠 绕 态 (quantum entanglement) 的 两 个 光 子 可 以 通 过 金 属 片 而 不 失 去 这 种 联 系 这 一 发 现 意 味 着 粒 子 间 的 这 种 量 子 联 系 比 科 学 家 们 原 先 认 为 的 要 稳 定 这 一 发 现 已 发 表 在 自 然 杂 志 2002 年 7 月 出 版 的 418 卷 上 量 子 缠 绕 态 是 至 今 还 不 能 被 科 学 家 们 很 好 解 释 的 存 在 于 微 观 粒 子 的 一 种 奇 特 的 联 系 在 量 子 力 学 研 究 中, 科 学 家 们 发 现 原 来 处 于 同 一 系 统 的 微 观 粒 子 在 分 开 后, 无 论 它 们 相 距 多 远, 仍 然 保 持 一 种 瞬 时 的 联 系, 一 个 粒 子 状 态 的 改 变 可 以 瞬 时 地 使 另 外 粒 子 的 状 态 发 生 相 应 的 改 变, 这 种 奇 异 状 态 被 称 为 量 子 缠 绕 态 这 种 现 象 最 早 由 物 理 学 家 爱 因 斯 坦 (Albert Einstein) 等 提 出 1935 年, 爱 因 斯 坦 在 与 玻 尔 (Niles Boher) 关 13

15 于 量 子 力 学 完 备 性 的 争 论 中, 与 两 个 同 事 一 起 提 出 了 这 种 量 子 缠 绕 现 象 他 们 并 不 相 信 这 种 现 象 真 的 存 在, 他 们 提 出 这 一 现 象 是 想 以 它 作 为 量 子 力 学 的 不 完 备 的 证 据, 因 为 它 直 接 违 反 了 物 理 学 中 定 域 性 和 爱 因 斯 坦 的 狭 义 相 对 论 但 几 十 年 以 后 科 学 家 们 在 实 验 上 真 的 发 现 了 这 种 现 象 科 学 家 们 原 以 为 粒 子 的 这 种 量 子 缠 绕 会 因 为 它 们 与 其 它 物 质 的 相 互 作 用 而 被 破 坏 掉 但 荷 兰 雷 登 (leiden) 大 学 科 学 家 厄 尔 文 阿 尔 特 维 切 尔 (Erwin Altewischer) 研 究 组 发 现 这 种 观 点 不 正 确 他 们 用 一 块 单 晶 把 光 子 分 成 一 对 能 量 较 低 的 极 化 互 相 缠 绕 的 光 子, 然 后 他 们 把 这 些 光 子 打 在 厚 度 足 以 挡 住 光 子 的 金 箔 上 在 这 些 金 箔 上 面 布 满 很 多 直 径 为 200 纳 米 ( 一 纳 米 等 于 10 亿 分 之 一 米 ) 的 小 孔, 虽 然 因 为 这 些 小 孔 太 小 光 子 无 法 直 接 通 过, 但 他 们 发 现 光 子 在 金 箔 表 面 产 生 的 一 种 被 称 为 等 离 激 元 (plasmon) 的 表 面 电 子 波 可 以 穿 过 金 箔 上 的 小 孔 并 在 金 箔 的 另 一 面 湮 灭 而 发 射 出 光 子 他 们 对 打 到 金 箔 以 后 的 光 子 进 行 的 测 量 表 明, 无 论 是 一 个 光 子 还 是 两 个 光 子 同 时 被 转 化 成 等 离 激 元, 经 过 这 一 过 程 后 的 这 些 光 子 仍 然 处 于 量 子 缠 绕 态 阿 尔 特 维 切 尔 认 为 光 子 的 量 子 缠 绕 在 光 子 被 转 化 成 等 离 激 元 以 后 还 能 保 持, 这 一 发 现 可 能 被 用 于 开 发 一 种 新 型 的 量 子 计 算 机 或 量 子 编 码 系 统 这 是 一 个 好 兆 头, 因 为 它 表 明 量 子 缠 绕 在 我 们 原 先 以 为 它 不 能 保 持 的 一 些 过 程 可 以 继 续 被 保 存, 厄 克 色 特 尔 (Exeter) 大 学 光 子 学 (photonics) 专 家 比 尔 巴 尔 内 斯 说, 如 果 他 们 在 这 一 过 程 中 能 保 持, 那 么 它 能 在 另 外 的 什 么 过 程 中 可 以 保 持 吗? 对 量 子 缠 绕 现 象 的 本 质 目 前 科 学 家 们 仍 然 没 有 什 么 线 索 量 子 力 学 的 多 世 界 理 论 倒 是 可 以 解 释 这 种 现 象 : 多 世 界 理 论 认 为 粒 子 同 时 存 在 于 很 多 个 不 同 的 世 界 中 在 我 们 这 个 物 质 空 间 中 相 距 遥 远 的 粒 子, 在 另 外 的 空 间 中 可 能 近 在 咫 尺, 所 以 对 一 个 粒 子 的 扰 动, 另 外 粒 子 可 能 会 即 时 受 到 影 响 无 论 这 种 量 子 缠 绕 的 本 质 是 什 么, 有 一 点 是 肯 定 的, 这 就 是 现 代 科 学 对 物 质 之 间 联 系 的 认 识 还 很 不 全 面 这 种 联 系 可 能 不 仅 存 在 于 微 观 世 界, 也 存 在 于 宏 观 世 界 中 国 古 人 可 以 利 用 天 象 的 变 化 预 测 人 事 的 变 迁, 而 这 种 天 象 发 生 的 地 点 离 我 们 地 球 可 以 非 常 遥 远, 可 能 就 是 对 这 种 联 系 的 认 识 和 运 用 这 些 联 系 对 现 代 科 学 来 说 现 在 仍 然 是 个 迷 参 考 文 献

16 taf/dynapage.taf?file=/nature/journal/v418/n6895/full/nature00869_fs.html 科 学 家 发 现 粒 子 间 的 缠 绕 依 赖 于 它 们 的 相 对 运 动 状 态 据 Science Daily 网 站 报 导, 美 国 国 家 航 空 航 天 局 (NASA) 喷 气 动 力 实 验 室 的 科 学 家 发 现 神 秘 的 量 子 缠 绕 态 与 观 察 者 相 对 于 微 观 粒 子 的 运 动 有 关, 这 种 量 子 缠 绕 可 以 由 观 察 者 的 相 对 运 动 来 产 生 或 者 破 坏 掉 这 一 发 现 已 经 发 表 在 2002 年 12 月 号 的 物 理 评 论 快 报 上 量 子 缠 绕 是 科 学 家 们 在 微 观 粒 子 世 界 中 发 现 的 一 种 艺 术 家 想 象 中 的 量 子 缠 绕 粒 子 神 秘 的 现 象 处 于 量 子 缠 绕 态 的 粒 子, 相 互 之 间 似 乎 心 有 灵 犀, 无 论 相 距 多 远, 对 其 中 一 个 粒 子 的 干 扰 会 瞬 时 地 影 响 到 量 子 缠 绕 态 中 的 其 它 粒 子, 也 就 是 说 这 种 关 联 的 传 播 好 像 不 需 要 时 间 这 显 然 违 反 了 爱 因 斯 坦 的 狭 义 相 对 论 光 速 不 可 逾 越 的 结 论, 因 此 当 初 他 从 量 子 力 学 理 论 中 推 导 出 这 一 结 论 时, 他 并 不 相 信 这 种 现 象 真 的 存 在, 而 是 试 图 利 用 这 一 结 论 来 证 明 量 子 力 学 的 不 合 理, 并 称 之 为 幽 灵 式 的 联 系 但 是 后 来 的 实 验 证 明 这 种 量 子 缠 绕 现 象 的 确 是 存 在 的, 它 是 目 前 热 门 的 量 子 超 光 速 传 输 研 究 的 基 础 NASA 的 克 利 斯 托 弗. 阿 达 米 博 士 (Christoph Adami) 和 罗 伯 特. 金 里 切 (Robert Gingrich) 博 士 是 最 先 用 爱 因 斯 坦 的 相 对 论 来 研 究 粒 子 之 间 的 量 子 缠 绕 他 们 比 较 了 粒 子 在 静 止 时 和 被 加 速 时 的 缠 绕 程 度, 发 现 当 通 常 缠 绕 的 粒 子 在 被 加 速 会 失 去 这 种 缠 绕 联 系, 一 些 特 殊 制 备 的 粒 子 对 在 被 加 速 时 则 增 加 这 种 缠 绕 联 系 程 度 了 解 一 些 静 止 时 不 缠 绕 的 粒 子 之 间 如 何 仅 仅 通 过 运 动 就 可 以 获 得 量 子 缠 绕, 可 能 有 许 多 潜 在 的 重 要 应 用 比 如, 处 于 缠 绕 的 粒 子 可 以 用 来 校 对 原 子 钟, 这 对 于 太 空 飞 船 的 在 太 空 深 处 的 旅 行 至 关 重 要 另 外, 量 子 缠 绕 在 对 量 子 通 讯 和 量 子 计 算 都 扮 演 着 重 要 的 角 色, 这 一 发 现 对 这 些 领 域 也 会 产 生 重 要 的 影 响 量 子 缠 绕 态 是 迄 今 科 学 家 们 仍 然 无 法 圆 满 解 释 的 一 种 现 象, 它 暗 示 事 物 之 间 的 联 系 能 力 也 许 远 远 超 出 现 代 科 学 的 认 识 对 其 本 质 的 认 识 可 能 会 使 现 代 科 学 在 一 些 关 键 问 题 上 取 得 重 大 的 突 破 15

17 粒 子 物 理 始 终 是 理 论 物 理 的 一 个 非 常 活 跃 的 前 沿 从 夸 壳 理 论 的 提 出 到 粒 子 物 理 发 展 到 今 天, 人 们 似 乎 难 以 知 道 夸 壳 以 下 究 竟 是 什 么 实 际 上, 粒 子 物 理 的 发 展 除 了 受 现 有 观 测 技 术, 实 验 技 术 的 制 约 外, 更 主 要 的 是 同 样 受 到 人 们 认 识 观 念 的 制 约 打 个 比 方 说 如 果 把 一 个 氢 原 子 放 大 到 地 球 这 么 大, 那 么 此 时 在 观 测 围 绕 着 氢 原 子 运 动 的 电 子 时 会 出 现 什 么 情 况 和 结 果 呢? 那 么 此 时 又 用 那 些 物 理 量 来 描 述 电 子 的 运 动 的 特 征 呢? 那 么 此 时 在 来 研 究 质 子 和 电 子 的 结 构 结 论 又 会 如 何 呢? 反 之, 如 果 把 地 球 缩 小 到 只 有 一 个 乒 乓 球 那 么 大 拿 在 手 中, 你 可 曾 想 到 手 掌 大 的 一 个 小 球 里 面 竟 生 活 了 几 十 亿 人 呢! 事 实 上, 是 认 识 的 方 法 和 观 念 上 的 障 碍 导 致 现 有 粒 子 物 理 面 临 难 以 回 避 的 挑 战 和 缺 陷 其 实, 岂 止 是 粒 子 物 理, 这 个 现 代 科 学 都 面 临 着 同 样 的 问 题 参 考 文 献 科 学 家 利 用 中 子 星 的 热 核 爆 发 研 究 其 内 部 结 构 据 美 国 航 空 航 天 局 网 站 11 月 7 日 消 息, 在 一 个 中 子 星 (Neutron Star) 表 面 发 生 28 次 系 列 热 核 爆 发 (thermonuclear blast) 期 间, 科 学 家 利 用 欧 洲 太 空 总 署 (ESA) 的 XMM 牛 顿 X- 线 探 测 卫 星 对 这 种 神 秘 的 物 体 进 行 了 许 多 关 键 的 测 量 中 子 星 是 由 中 子 直 接 组 成 的 致 密 星 体 我 们 眼 睛 所 见 的 地 球 上 的 物 质 通 常 是 由 分 子 组 成, 分 子 由 原 子 组 成 和 中 子 相 比, 分 子 之 间, 原 子 之 间 以 及 原 子 和 分 子 内 部 都 有 巨 大 的 空 隙, 因 此 和 我 们 日 常 接 触 的 物 体 相 比, 中 子 星 的 密 度 大 得 惊 人 一 个 典 型 的 中 子 星 的 密 度 约 是 地 球 密 度 的 100 万 亿 倍 左 右, 一 个 火 柴 盒 大 小 的 中 子 星 物 质 质 量 高 达 几 十 亿 吨 这 次 测 量 到 的 这 个 中 子 星 是 双 星 系 统 EXO 的 一 部 分, 位 于 飞 鱼 星 座 科 学 家 估 计 这 个 中 子 星 质 量 约 为 太 阳 的 1.4 倍, 直 径 为 16 公 里 左 右 基 恩 科 塔 母 (Jean Cottam) 博 士 和 他 的 研 究 组 首 次 利 用 光 在 中 子 星 的 极 端 引 力 场 中 穿 过 其 大 气 层 时 发 生 的 频 率 偏 移 现 象 ( 即 引 力 红 移 ) 研 究 了 中 子 的 内 部 结 构, 首 此 获 得 到 了 这 个 中 子 星 质 量 和 半 径 的 比 率, 这 一 结 果 发 表 在 自 然 杂 志 11 月 7 日 号 期 刊 上 一 中 子 星 表 面 发 生 系 列 热 核 爆 发 科 塔 母 博 士 说 : 只 有 在 中 子 星 发 生 热 核 爆 发 引 起 其 临 近 区 域 大 放 光 彩 时 我 们 才 能 测 到 射 出 的 光 与 中 子 星 极 端 引 力 场 相 互 作 用 而 留 下 的 特 征 因 为 光 线 的 引 力 红 移 直 接 决 定 于 中 子 星 的 质 量 和 半 径, 其 质 量 和 半 径 比 又 决 定 了 其 内 部 物 质 所 遵 从 的 状 态 方 程, 所 以 这 类 测 量 对 于 了 解 中 子 星 的 性 质 有 着 非 常 重 要 的 意 16

18 义 如 果 能 够 得 到 中 子 星 精 确 的 质 量 半 径 比, 科 学 家 可 以 确 定 中 子 星 内 超 流 体 (superfluid) 的 特 性 及 其 相 互 作 用 -- 类 似 于 粒 子 物 理 学 家 在 粒 子 加 速 器 中 寻 找 的 现 象 这 次 测 量 得 到 的 结 果 还 首 次 证 明 了 中 子 星 在 自 然 界 中 是 的 确 存 在 的 不 象 太 阳 的 内 部 结 构 已 经 被 我 们 清 楚 地 了 解, 中 子 星 对 人 类 来 说 象 是 一 个 黑 盒 子, 论 文 的 合 作 者, 哥 伦 比 亚 大 学 的 弗 里 兹 培 雷 尔 斯 (Frits Paerels) 博 士 说, 我 们 在 中 子 星 这 个 黑 盒 子 上 开 了 第 一 个 小 孔 现 在 理 论 工 作 者 们 可 以 凭 着 我 们 提 供 的 数 据 继 续 探 索 中 子 星 位 于 双 星 系 统 EXO , 属 于 飞 鱼 座 更 重 要 的 是, 论 文 的 另 一 合 作 者, 荷 兰 空 间 研 究 所 的 马 里 亚 诺 门 德 兹 博 士 (Mariano Mendez) 指 出, 这 一 工 作 开 创 了 利 用 引 力 红 移 研 究 致 密 星 体 的 新 方 法 也 许 可 以 利 用 它 来 寻 找 新 一 类 的 致 密 天 体, 如 夸 克 星 等 现 代 科 学 的 新 发 现 特 别 是 天 体 物 理 学 所 观 测 到 的 现 象 极 大 地 开 拓 了 我 们 人 类 的 视 野 一 些 物 质 如 中 子 星, 黑 洞 等, 因 为 它 们 都 远 远 超 出 了 人 们 在 日 常 生 活 中 的 经 验, 在 几 十 年 前 甚 至 更 近 的 时 间 内, 人 们 都 曾 经 怀 疑 它 们 的 存 在, 而 今 天 都 已 经 相 继 被 实 验 观 测 所 证 实 人 们 在 日 常 生 活 中 所 固 守 的 一 些 观 念, 如 看 不 见, 或 者 现 代 科 学 还 没 认 识 到 就 一 概 加 以 否 认 甚 至 反 对, 已 经 一 再 被 证 明 是 不 科 学 的 现 在 科 学 不 能 解 释, 不 能 观 察 的 一 些 现 象, 将 来 可 能 是 人 们 的 常 识 参 考 文 献 时 空 概 念 的 新 革 命 科 学 家 发 现 隐 藏 空 间 维 度 存 在 的 证 据 万 有 引 力 常 数 是 物 理 学 中 除 光 速 外 研 究 得 最 早 的 物 理 常 数 然 而 长 期 以 来, 万 有 引 力 常 数 G 却 是 测 量 精 度 最 差 的 一 个 物 理 常 数 目 前 两 组 精 确 度 最 高 的 测 量 值 精 度 虽 达 万 分 之 一, 但 是 奇 怪 的 是, 这 两 个 数 值 彼 此 相 差 超 过 实 验 精 度 的 10 倍 以 上 所 以 现 在 人 们 仍 然 不 知 到 它 到 底 应 该 是 多 少 17

19 据 新 科 学 家 网 站 9 月 22 日 消 息, 法 国 科 学 家 声 称 在 不 同 地 点 测 量 到 的 万 有 引 力 常 数 G 各 不 相 同, 是 因 为 隐 藏 著 的 另 外 空 间 维 度 导 致 万 有 引 力 常 数 受 到 地 球 磁 场 的 影 响 如 果 这 一 结 论 被 证 实, 将 成 为 证 实 另 外 空 间 维 度 存 在 的 第 一 个 科 学 证 据 测 量 万 有 引 力 常 数 的 最 常 用 的 方 法 是 基 于 早 在 300 年 前 英 国 科 学 家 卡 文 迪 许 发 明 的 扭 摆 法 1982 年, 一 个 研 究 组 得 到 的 万 有 引 力 常 数 精 度 为 % 这 一 数 值 看 起 来 很 精 确, 但 与 其 它 的 物 理 常 数 的 精 度 相 比 却 差 了 足 有 一 千 倍 更 为 奇 怪 的 是, 这 与 最 近 来 自 德 国 新 西 兰 俄 罗 斯 的 一 些 很 有 名 的 研 究 组 的 新 测 量 值 存 在 著 显 著 的 差 异 例 如, 德 国 标 准 研 究 所 得 到 的 数 值 比 公 认 值 大 了 0.6%, 德 国 乌 培 尔 达 尔 大 学 (University of Wuppertal) 得 到 的 数 值 却 低 了 0.06%, 新 西 兰 计 量 标 准 实 验 室 得 到 的 结 果 低 0.1% 俄 罗 斯 一 个 研 究 组 更 发 现 了 万 有 引 力 常 数 值 随 测 量 时 间 地 点 的 变 动 范 围 高 达 0.7% 地 磁 场 与 隐 藏 的 维 度 相 互 作 用 示 意 图 位 于 法 国 巴 黎 附 近 原 子 能 委 员 会 的 科 学 家 基 恩 - 泊 尔 比 勒 克 (Jean-Paul Mbelek) 和 马 克 拉 赤 责 - 雷 (Marc Lachieze-Ray) 对 此 提 出 了 他 们 的 解 释, 他 们 指 出 这 是 因 为 实 验 是 在 不 同 的 地 点 进 行 的, 不 同 地 点 不 同 的 地 磁 场 与 隐 藏 的 维 度 相 互 作 用 造 成 了 引 力 大 小 常 数 的 不 同 他 们 研 究 工 作 的 理 论 基 础 是 理 论 物 理 中 的 弦 论 在 提 交 给 经 典 和 量 子 引 力 杂 志 的 文 章 和 欧 洲 天 文 学 会 在 葡 萄 牙 波 尔 托 市 的 召 开 的 一 个 会 议 报 告 中, 他 们 给 出 了 不 同 纬 度 万 有 引 力 常 数 的 计 算 值 计 算 结 果 表 明, 磁 场 越 强, 引 力 常 数 越 大, 地 球 上 万 有 引 力 常 数 在 南 北 两 磁 极 达 到 最 大 现 有 的 万 有 引 力 常 数 在 不 同 地 点 的 测 量 值 与 他 们 的 结 论 吻 合, 对 太 阳 的 观 测 结 果 也 与 他 们 的 理 论 相 符 科 学 家 们 早 就 发 现 要 使 太 阳 内 部 的 数 学 模 型 符 合 实 验 观 测, 他 们 不 得 不 采 用 比 公 认 数 值 更 低 的 引 力 常 数 值 引 力 虽 然 是 科 学 家 们 研 究 的 最 早 的 相 互 作 用, 但 它 同 时 也 是 科 学 家 们 了 解 得 最 少, 长 期 以 来 使 科 学 家 们 最 头 疼 的 一 种 相 互 作 用, 它 的 很 多 性 质 与 其 它 相 互 作 用 力 格 格 不 入, 与 一 些 重 要 的 物 理 理 论 如 量 子 场 论 也 不 相 容 最 近 对 宇 宙 和 星 系 的 很 多 观 测 表 明, 引 力 并 不 能 很 好 地 解 释 星 系 和 宇 宙 在 大 尺 度 范 围 的 运 动 在 修 炼 界, 人 体 起 空 的 现 象 并 不 少 见, 这 更 是 引 力 理 论 难 以 解 释 的 一 些 研 究 膜 (Brane) 理 论 的 科 学 家 认 为 引 力 也 许 并 不 是 基 本 的 相 互 作 用 也 就 是 说, 引 力 只 是 一 种 外 在 表 现, 它 的 实 质 我 们 还 没 找 到 参 考 文 献

20 1.3.2 多 维 空 间 研 究 新 进 展 : 暗 能 量 经 典 物 理 学 认 为, 宇 宙 空 间 是 三 维 的, 可 以 用 长 宽 高 来 描 述 宇 宙 中 任 何 一 个 物 体 的 位 置, 就 像 在 直 角 坐 标 系 中 可 以 用 (x,y,z) 来 描 述 任 何 一 个 点 的 位 置 一 样 在 宇 宙 中 有 无 数 的 象 银 河 系 一 样 的 星 系, 里 面 有 无 数 的 星 体, 包 括 无 数 的 恒 星 行 星 由 于 恒 星 的 质 量 远 远 大 于 行 星, 所 以 宇 宙 的 质 量 主 要 由 恒 星 决 定 然 而 现 代 科 学 发 现, 宇 宙 的 结 构 还 不 是 这 样 简 单 在 基 本 粒 子 基 本 相 互 作 用 力 等 领 域 研 究 中, 科 学 家 们 发 现, 我 们 的 宇 宙 可 能 不 是 简 简 单 单 的 一 个 三 维 空 间 超 弦 理 论 预 言 宇 宙 还 有 其 它 7 个 维 度 的 时 空 存 在, 而 膜 世 界 理 论 则 表 明 我 们 人 类 所 生 存 的 空 间 只 是 多 维 宇 宙 的 一 个 层 面 ( 膜 ) 下 面 介 绍 的 是 科 学 家 对 宇 宙 暗 能 量 (Dark Energy) 的 研 究 成 果, 从 另 一 个 角 度 对 多 维 空 间 进 行 了 探 索 宇 宙 大 爆 炸 理 论 描 述 了 大 约 150 多 亿 年 前 宇 宙 诞 生 的 初 期, 巨 大 的 能 量 使 宇 宙 急 剧 地 膨 胀 后 来 随 着 宇 宙 的 慢 慢 冷 却, 在 引 力 的 作 用 下 宇 宙 的 膨 胀 速 度 渐 渐 减 小 然 而 令 人 吃 惊 的 是, 英 国 和 澳 大 利 亚 的 天 文 学 家 们 独 立 地 发 现 了 宇 宙 膨 胀 加 速 的 新 证 据 他 们 的 研 究 结 果 刚 刚 刊 登 在 英 国 皇 家 天 文 学 会 最 新 的 月 度 期 刊 上 [1] 这 两 个 天 文 学 家 小 组 的 发 现 震 动 了 科 学 界, 因 为 人 们 一 直 认 为 宇 宙 中 的 物 质 所 产 生 的 引 力 会 使 宇 宙 的 膨 胀 减 速, 而 不 应 该 是 加 速 这 两 个 小 组 根 据 观 测 到 的 遥 远 星 系 中 的 超 新 星 ( 巨 型 的 爆 炸 的 星 体 ) 的 亮 度 推 断, 宇 宙 里 面 充 满 了 一 种 神 秘 的 暗 能 量, 正 是 这 种 暗 能 量 的 存 在 使 得 宇 宙 不 断 地 加 速 膨 胀 暗 能 量 的 概 念 最 早 是 由 爱 因 斯 坦 (Einstein) 提 出 来 的, 但 是 后 来 爱 因 斯 坦 把 提 出 这 个 概 念 说 成 是 他 科 学 生 涯 里 的 大 错 误, 因 为 它 破 坏 了 他 的 广 义 相 对 论 的 简 单 和 优 美 从 那 以 后, 暗 能 量 成 为 科 学 家 们 争 议 的 话 题 著 名 的 英 国 剑 桥 大 学 天 文 学 家 亚 瑟 斯 特 雷 艾 丁 顿 (Arthur Stanley Eddington) 相 信 暗 能 量 的 存 在, 他 认 为 暗 能 量 把 可 观 测 宇 宙 的 巨 大 与 次 原 子 粒 子 的 微 小 区 分 开 但 是 大 多 数 理 论 物 理 学 家 认 为, 暗 能 量 看 起 来 实 在 太 神 秘, 没 有 必 要, 所 以 他 们 不 愿 接 受 超 新 星 小 组 的 结 果 英 国 剑 桥 大 学 天 文 学 教 授 乔 治 艾 夫 斯 塔 休 (George Efstathiou) 领 导 的 由 27 位 天 文 学 家 组 成 的 研 究 小 组 公 布 了 他 们 发 现 的 关 于 暗 能 量 存 在 的 强 有 力 的 证 据 [2] 他 们 对 由 位 于 澳 大 利 亚 新 南 威 尔 斯 州 赛 丁 市 的 名 叫 英 澳 的 天 文 望 远 镜 拍 摄 的 巨 大 宇 宙 空 间 的 250,000 个 星 系 的 照 片 图 案 进 行 分 析 通 过 比 较 大 爆 炸 后 150 亿 年 后 的 现 在 宇 宙 的 结 构, 和 从 微 波 背 景 辐 射 中 观 测 到 的 大 爆 炸 后 30 万 年 时 宇 宙 的 结 构, 英 澳 小 组 就 能 用 简 单 的 几 何 学 原 理 来 弄 清 宇 宙 的 组 成 19

21 他 们 的 结 果 表 明, 宇 宙 充 满 了 暗 能 量, 与 以 前 超 新 星 小 组 的 结 果 完 全 一 致 艾 夫 斯 塔 休 教 授 说 : 看 来 爱 因 斯 坦 一 点 也 没 有 犯 错 --- 暗 能 量 看 来 是 存 在 的, 而 且 它 们 的 作 用 超 过 了 常 规 物 质 对 暗 能 量 的 解 释 可 能 涉 及 到 超 弦 理 论 多 维 空 间, 甚 至 涉 及 到 大 爆 炸 之 前 的 事 情 现 在 还 没 有 人 清 楚, 但 理 论 物 理 学 家 正 在 研 究 之 中 参 考 文 献 1. The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 330, No. 2, 21 February The 2dF (2-degree field) Galaxy Redshift Survey (2dFGRS). More information about the 2dFGRS is available at 多 维 空 间 研 究 新 进 展 : 膜 理 论 在 现 代 物 理 学 研 究 中, 为 了 能 够 把 万 有 引 力 和 其 它 基 本 作 用 力 统 一 起 来, 一 些 理 论 物 理 学 家 提 出, 我 们 这 个 宇 宙 可 能 只 是 多 维 空 间 的 一 个 层 面 ( 膜 ) 基 于 这 个 膜 世 界 的 概 念, 科 学 家 们 试 图 把 万 有 引 力 和 其 它 基 本 作 用 力 统 一 起 来 权 威 科 学 杂 志 自 然 2001 年 6 月 28 日 ( 第 411 卷 ) 报 导 了 膜 世 界 理 论 的 研 究 以 下 为 原 文 的 部 份 翻 译 请 设 想 一 下, 我 们 熟 悉 的 这 个 三 维 空 间 和 一 维 时 间 的 宇 宙 被 一 个 多 重 宇 宙 所 代 替, 当 然 这 超 出 了 我 们 的 经 验 现 在 设 想 这 个 多 重 宇 宙 是 以 多 层 膜 的 形 式 存 在 于 一 个 多 维 超 空 间 这 些 另 外 的 时 空 可 能 只 有 原 子 大 小, 也 可 能 无 限 的 大 我 们 也 许 永 远 也 不 能 进 入 这 些 时 空, 但 是 它 们 却 对 我 们 这 个 宇 宙 的 物 理 现 象 产 生 深 刻 的 影 响 膜 世 界 迄 今 只 是 在 理 论 物 理 学 家 脑 海 里 被 证 明 存 在 的 奇 异 世 界 虽 然 听 起 来 有 点 异 想 天 开, 实 际 上 膜 世 界 理 论 是 非 常 严 肃 认 真 的 一 个 尝 试, 去 解 决 最 令 现 代 物 理 学 家 们 苦 恼 的 问 题 : 怎 样 把 引 力 和 其 它 三 个 基 本 作 用 力 统 一 起 来 对 基 本 粒 子 和 基 本 作 用 力 特 性 的 最 流 行 的 解 释 是 标 准 模 型 其 主 要 的 缺 点 是 不 能 把 引 力 和 其 它 作 用 力 平 等 对 待 多 膜 世 界 物 理 学 创 始 人 之 一, 哈 佛 大 学 教 授 尼 玛 阿 肯 尼 - 哈 米 德 说 : 这 是 非 同 寻 常 的, 虽 然 引 力 是 最 早 发 现 的, 却 是 迄 今 了 解 最 少 的 力 与 其 它 的 夥 伴 相 比, 引 力 很 弱 比 较 两 个 电 子 之 间 的 引 力 与 电 磁 斥 力, 引 力 要 弱 10^43 倍 阿 肯 尼 - 哈 米 德 用 了 一 个 大 家 熟 悉 的 例 子 进 一 步 说 明 : 一 个 普 通 的 磁 铁 20

22 能 够 吸 起 桌 子 上 的 一 根 别 针, 尽 管 整 个 地 球 的 质 量 都 在 向 下 拉 这 根 针, 试 图 阻 止 它 被 磁 铁 吸 上 去 然 而 现 在 的 宇 宙 理 论 要 求, 在 宇 宙 大 爆 炸 后 的 一 个 很 短 时 间 内, 所 有 的 四 种 基 本 作 用 力 是 合 一 的 在 这 样 的 高 能 状 态 下, 这 些 作 用 力 随 着 宇 宙 的 冷 却, 在 互 相 分 离 之 前, 引 力 一 定 与 其 夥 伴 有 相 同 的 强 度 目 前 试 图 解 决 这 个 矛 盾 的 主 要 理 论 是 超 弦 理 论, 它 把 所 有 的 基 本 粒 子 都 用 振 动 的 一 维 弦 来 表 示 根 据 超 弦 理 论, 在 极 小 的 距 离 (10^(-35) 米 ) 之 内, 引 力 的 强 度 可 以 赶 上 其 它 夥 伴 如 果 能 探 测 这 样 小 的 范 围, 就 可 能 发 现 另 外 7 个 卷 曲 的 维 度 科 学 家 们 让 两 个 能 量 极 高 的 较 大 粒 子 互 相 碰 撞, 在 碰 撞 产 生 的 碎 片 中 寻 找 ( 新 的 ) 基 本 粒 子 如 果 超 弦 理 论 是 对 的, 那 么 要 想 探 测 引 力 的 性 质, 所 需 要 的 能 量 将 高 达 10^16 万 亿 电 子 伏 特, 而 现 在 世 界 上 最 大 的 只 有 2 万 亿 电 子 伏 特 巨 大 的 能 量 也 给 理 论 物 理 学 家 带 来 了 麻 烦 粒 子 碰 撞 实 验 表 明 : 电 磁 力 和 弱 核 力 在 1 万 亿 电 子 伏 特 能 量 时 可 以 统 一 起 来 通 过 仔 细 调 节, 标 准 模 型 可 以 适 用 于 这 个 电 弱 能 量 级 别, 但 是 无 法 解 释 观 察 到 的 弱 电 能 量 级 别 和 弦 理 论 所 预 言 的 10^16 万 亿 电 子 伏 特 之 间 的 巨 大 差 异 物 理 学 家 们 把 它 叫 做 级 别 问 题 大 多 数 理 论 物 理 学 家 试 图 通 过 引 进 超 对 称 来 解 决 级 别 问 题 这 个 理 论 提 出, 在 标 准 模 型 中 每 个 粒 子 都 有 一 个 镜 象, 它 们 具 有 不 同 的 自 旋 这 种 基 本 特 性 这 些 粒 子 的 量 子 效 应 处 于 极 高 的 能 量 级 别 (10^16 万 亿 电 子 伏 特 ), 但 是 理 论 物 理 学 家 们 发 现 : 他 们 几 乎 完 全 抵 消 掉 了, 只 剩 下 电 弱 能 量 级 别 1998 年, 在 加 州 斯 坦 福 大 学 工 作 的 阿 肯 尼 - 哈 米 德 萨 瓦 斯 迪 莫 泊 拉 斯 和 加 艾 德 瓦 里 从 另 一 角 度 考 虑 级 别 问 题 他 们 设 想 如 果 引 力 和 电 弱 力 具 有 相 同 的 能 量 级 别, 那 么 引 力 会 是 什 么 样 的 呢? 经 过 深 入 的 研 究, 阿 肯 尼 - 哈 米 德 等 提 出 了 膜 世 界 理 论, 认 为 许 许 多 多 空 间 是 以 多 层 膜 的 形 式 存 在 于 一 个 多 层 超 空 间 图 示 为 其 提 出 的 一 个 模 型 我 们 人 类 生 存 的 这 个 膜 ( 空 间 ) 是 以 折 叠 的 形 式 存 在 的, 遥 远 的 星 球 在 一 个 多 层 空 间 中 看 可 能 离 我 们 地 球 只 有 1 毫 米 的 距 离 光 波 只 能 局 限 在 膜 内 传 输, 而 引 力 却 能 够 泄 漏 到 其 它 空 间, 也 即 引 力 可 以 在 其 它 空 间 传 输 由 于 这 个 差 别, 引 力 在 我 们 这 个 空 间 看 起 来 就 非 常 弱 了 21

23 自 然 在 这 篇 报 导 中 对 膜 世 界 理 论 有 更 详 细 的 介 绍, 读 者 可 以 参 阅 现 在 膜 世 界 理 论 还 在 不 断 的 发 展 之 中, 实 验 物 理 学 家 们 正 在 用 实 验 对 膜 世 界 理 论 的 预 言 进 行 验 证 右 图 为 膜 世 界 理 论 模 型 图 事 实 上, 对 万 有 引 力 本 身, 也 有 很 多 疑 问 美 国 航 天 局 的 科 学 家 一 直 疑 惑 不 解 的 是, 他 们 发 射 的 几 个 宇 宙 飞 行 器 逐 渐 放 慢, 偏 离 按 照 万 有 引 力 定 律 所 计 算 的 轨 迹 特 别 是 对 先 驱 者 10 号 轨 迹 的 观 察 更 是 提 供 了 直 接 的 证 据 时 空 的 概 念 是 一 个 古 老 的 话 题, 然 而 人 类 对 时 空 的 认 识 的 过 程 却 是 曲 折 而 又 漫 长 到 了 近 代, 逐 渐 形 成 了 以 牛 顿 理 论 为 基 础 的 经 典 时 空 理 论 并 达 到 了 那 个 时 代 近 乎 完 美 的 程 度 然 而 在 解 释 电 磁 现 象 尤 其 是 在 解 释 光 波 传 播 时 却 遇 到 了 困 难, 不 得 不 引 入 以 太 的 概 念 而 在 实 验 中 又 观 测 不 到 以 太 漂 移 所 带 来 的 效 果, 朗 朗 的 物 理 天 空 上 蒙 上 了 一 层 乌 云 至 此, 经 典 物 理 学, 经 典 时 空 论 走 到 了 顶 点 一 九 五 年, 爱 因 思 坦 的 狭 义 相 对 论 的 提 出 打 破 了 僵 局, 提 出 了 革 命 性 的 新 的 时 空 概 念, 至 一 九 一 五 年 广 义 相 对 论 的 发 表, 人 类 对 时 空 的 认 识 进 入 了 一 个 崭 新 的 时 代 爱 因 思 坦 的 相 对 论 可 以 说 是 一 个 划 时 代 的 贡 献, 使 人 类 对 时 空 的 认 识 得 到 了 极 大 的 深 化 然 而 如 前 所 诉, 在 新 的 实 验 观 测 结 果 面 前, 爱 因 思 坦 的 相 对 论 同 样 遇 到 了 难 以 克 服 的 困 难 然 而, 时 空 真 的 像 人 们 想 像 的 那 么 复 杂 和 不 可 琢 磨 吗? 固 然 时 空 有 其 认 识 上 较 为 复 杂 的 一 面, 但 它 也 却 有 容 易 认 识 的 一 面, 问 题 在 于 采 用 什 么 样 的 思 想 和 方 法 去 认 识, 而 这 也 是 能 否 真 正 认 识 另 外 时 空 的 关 键 所 在 为 什 么 另 外 时 空 对 有 些 人 来 说 是 穿 身 而 过, 近 在 咫 尺 的 事, 而 对 诸 多 科 学 家 来 讲 却 是 难 以 望 及 的 呢! 在 中 国 素 来 有 天 人 合 一 的 思 想, 就 是 讲 人 是 宇 宙 的 一 部 分 如 此 说 来, 净 化 自 己 的 思 想 对 于 人 认 识 宇 宙 来 说 是 至 关 重 要 的 而 这 一 点, 决 不 是 靠 纯 粹 发 展 科 学 所 能 解 决 得 了 的 因 此, 更 新 观 念 也 就 成 了 认 识 另 外 时 空 的 关 键 所 在 了 科 学 杂 志 介 绍 多 维 空 间 的 存 在 在 普 通 人 对 另 外 空 间 的 存 在 还 或 信 或 疑 的 时 候, 大 多 数 物 理 学 家 已 经 逐 渐 地 接 受 了 它 科 学 (Science ) 杂 志 在 今 年 五 月 第 296 卷 上 发 表 了 一 篇 题 为 时 空, 卷 曲 的 膜 和 隐 藏 的 维 度 的 综 述 性 文 章, 简 要 地 介 绍 了 多 维 空 间 的 概 念 如 果 有 人 问, 在 环 视 四 周 时 你 能 看 到 多 少 个 维 度, 任 何 人 都 会 回 答 四 个 : 三 个 空 间 维 度 和 一 个 时 间 维 度 的 确, 四 个 数 字 就 足 以 描 述 和 确 定 任 何 发 生 在 宇 宙 空 间 的 事 物 了 但 是 为 什 么 是 四 个 呢? 四 这 个 数 字 来 自 何 处? 在 西 方 科 学 史 上, 科 学 家 们 都 认 22

24 为 这 没 有 什 么 好 问 的, 时 空 本 来 就 只 有 四 个 维 度 然 而, 当 八 十 七 年 前, 爱 因 斯 坦 的 广 义 相 对 论 把 四 个 维 度 合 并 在 一 起, 形 成 了 时 空 这 个 概 念 的 时 候, 科 学 家 才 意 识 到 时 间 和 空 间 并 不 是 绝 对 的, 宇 宙 实 际 上 是 有 涨 落, 可 延 展 的, 它 可 以 象 橡 皮 球 一 样 被 拉 长, 压 缩, 弯 曲, 在 某 些 地 方 空 间 甚 至 可 以 把 自 己 卷 曲 成 诸 如 黑 洞 这 样 的 奇 异 天 体 文 章 说, 在 研 究 宇 宙 结 构 的 演 变 时, 科 学 家 们 发 现, 人 们 没 有 任 何 理 由 说 时 空 必 须 是 四 维 的, 并 且 从 数 学 的 角 度 来 说, 多 维 的 时 空 更 容 易 被 描 述 那 么 他 们 为 什 么 不 应 该 存 在 呢? 实 际 上, 和 很 多 人 的 直 觉 相 反, 许 多 物 理 学 家 已 经 证 明 了 多 维 时 空 的 存 在 不 仅 是 可 能 的, 而 且 为 了 保 持 对 时 空 描 述 的 一 致 性, 它 们 必 须 存 在 举 例 来 说, 在 二 十 世 纪 七 十 年 代, 为 了 把 相 对 论 和 量 子 力 学 统 一 在 一 起, 物 理 学 家 们 发 明 了 当 代 物 理 学 中 最 尖 端 的 超 弦 理 论, 在 这 个 理 论 中, 构 成 我 们 宇 宙 的 最 基 本 的 粒 子 是 一 些 被 称 之 为 弦 的 极 微 小 的 亚 原 子 物 体 弦 论 同 时 告 诉 人 们, 我 们 生 活 的 这 个 空 间 实 际 上 应 该 至 少 有 十 个 维 度, 其 他 六 维 紧 紧 地 卷 缩 在 一 起, 由 于 其 极 为 微 小, 人 们 无 法 用 通 常 的 方 法 探 测 到 它 们 文 章 认 为, 人 们 之 所 以 感 觉 不 到 多 维 空 间 的 存 在, 是 因 为 人 们 的 视 场 (Field of View ) 被 限 制 在 一 个 低 维 的 膜 中, 而 这 个 低 维 的 膜 被 镶 嵌 在 更 高 维 的 膜 中 这 些 膜 之 间 一 次 又 一 次 的 激 烈 碰 撞 产 生 了 一 系 列 的 大 爆 炸, 从 而 演 化 出 多 重 宇 宙 结 构 来 在 此 之 前, 一 篇 发 表 在 自 然 杂 志 2001 年 6 月 第 411 卷 的 文 章 也 同 样 认 为, 我 们 这 个 宇 宙 只 是 多 维 空 间 的 一 层 膜, 多 重 的 宇 宙 是 以 多 层 膜 的 形 式 存 在 于 一 个 多 维 的 超 空 间 中 这 些 另 外 的 时 空 可 能 只 有 原 子 大 小, 也 可 能 无 限 大, 我 们 可 能 探 测 不 到 它 们 的 存 在, 但 它 们 却 对 我 们 这 个 宇 宙 的 物 理 现 象 产 生 深 刻 的 影 响 西 方 科 学 到 了 现 代 才 逐 渐 认 识 到 了 多 维 时 空 的 存 在, 而 在 我 们 古 老 的 东 方, 尤 其 是 在 修 炼 人 的 眼 里, 多 维 时 空 早 已 经 不 是 什 么 新 鲜 的 概 念 了 历 史 上 有 许 多 记 载, 修 炼 的 人 能 够 看 到 另 外 空 间 中 存 在 的 物 体 生 命, 甚 至 有 些 修 炼 人 自 己 还 能 够 遁 入 另 外 的 空 间 中 当 代 科 学 的 许 多 发 现, 诸 如 遥 视 等 特 异 功 能 也 都 一 再 证 实 了 这 一 点 看 来, 要 真 正 认 识 多 维 时 空 的 结 构 与 特 性, 人 们 不 仅 需 要 现 代 科 学, 而 且 也 需 要 在 古 代 东 方 的 修 炼 文 化 中 寻 求 更 深 刻 的 智 慧 参 考 文 献 1. Ian Osborne, Linda Rowan, and Robert Coonts (2002) Spacetime, Warped Branes, and Hidden Dimensions, Science Vol.296, May 24, 2002, pp Nature, June 28, 2001 Vol

25 1.3.5 多 维 空 间 研 究 新 进 展 : 微 观 黑 洞 人 类 对 黑 洞 的 经 典 设 想 是 一 个 遥 远 庞 大 的 不 发 光 天 体, 吞 噬 经 过 它 周 围 的 任 何 物 质, 甚 至 包 括 光 线 近 来 有 些 物 理 学 家 提 出 了 可 能 存 在 的 另 一 种 形 式 的 黑 洞, 即 一 种 极 其 微 小 轻 微 形 式 的 微 观 黑 洞 当 极 其 高 能 量 的 宇 宙 射 线 与 大 气 层 气 体 分 子 碰 撞 时 产 生 它 随 即 立 即 衰 变, 产 生 无 害 的 次 级 粒 子, 穿 落 到 地 面, 穿 过 我 们 的 身 体 这 一 猜 想 若 被 证 实, 也 将 会 证 实 物 理 学 界 另 一 种 看 起 来 更 加 难 以 置 信 的 理 论, 认 为 除 了 我 们 熟 悉 的 4 维 时 空, 还 有 其 它 可 被 观 测 的 多 维 空 间 自 1970 年 以 来, 随 着 超 弦 理 论 的 发 展, 人 们 对 多 维 空 间 的 兴 趣 日 增 但 其 他 维 空 间 在 超 弦 理 论 中 是 如 此 的 微 小, 以 致 现 有 的 技 术 不 可 能 探 测 到 它 约 4 年 前,3 个 理 论 物 理 学 家 ( 斯 坦 福 大 学 理 论 物 理 学 家 Savas Dimopoulos et.al.) 大 胆 提 出, 也 许 一 些 其 他 维 空 间 没 有 被 完 全 禁 闭, 甚 至 某 一 维 空 间 尺 度 会 大 到 半 径 1mm 这 一 理 论 的 提 出 不 仅 使 微 观 黑 洞 的 形 成 成 为 可 能, 而 且 也 为 人 们 寻 找 其 他 维 空 间 找 到 了 一 条 可 能 的 方 法 因 为 在 大 的 其 它 维 空 间, 物 体 间 的 吸 引 力 会 变 得 异 常 强 大, 甚 至 可 能 会 把 物 质 和 能 量 压 缩 到 塌 陷 成 为 一 个 微 观 黑 洞! 而 微 观 黑 洞 若 被 实 验 探 测 到, 也 就 等 于 证 明 了 其 它 维 空 间 的 存 在 一 些 研 究 人 员 已 开 始 寻 找 微 观 黑 洞 存 在 的 可 能 迹 象, 即 微 观 黑 洞 在 大 气 层 引 起 的 特 殊 粒 子 簇 射 2002 年 1 月 14 日 的 Physical Review Letters 上 麻 省 理 工 学 院 理 论 物 理 学 家 Jonathan L. Feng 和 他 的 同 事 估 算 地 球 大 气 层 每 分 钟 产 生 几 个 微 观 黑 洞 新 的 宇 宙 射 线 探 测 器 正 在 阿 根 挺 建 造, 预 计 每 年 探 测 到 几 十 个 微 观 黑 洞 事 例 下 一 个 可 能 发 现 微 观 黑 洞 的 地 方 是 预 计 2007 年 开 始 运 行 的 欧 洲 日 内 瓦 新 的 强 子 对 撞 机 (Large Hadron Collider), 在 那 里 极 高 能 量 的 质 子 对 头 碰 撞 后, 将 可 能 产 生 微 观 黑 洞 Savas Dimopoulos 和 他 的 同 事 在 2001 年 10 月 15 日 的 Physical Review Letters 预 言, 欧 洲 日 内 瓦 强 子 对 撞 机 将 可 能 会 每 秒 产 生 一 个 微 观 黑 洞! 去 年 秋 天, 另 外 几 个 研 究 人 员 也 独 立 的 得 出 类 似 的 结 论 其 实, 目 前 人 类 对 微 观 黑 洞 及 其 它 维 空 间 的 认 识 还 停 留 在 理 论 探 索 阶 段, 更 不 用 说 再 去 推 测 其 它 维 空 间 的 物 质 的 构 成 及 其 运 行 规 律 了 多 维 空 间 也 许 将 很 快 不 再 是 幻 想 它 将 打 开 现 有 科 学 的 思 维 框 架, 使 人 类 对 这 个 客 观 世 界 的 认 识 发 生 根 本 的 变 化 24

26 参 考 文 献 1. Dimopoulos, S., and G. Landsberg Black holes at the Large Hadron Collider. Physical Review Letters 87(Oct. 15):e Abstract available at 2. Feng, J.L., and A.D. Shapere Black hole production by cosmic rays. Physical Review Letters 88(Jan. 14):e Abstract available at 3 Weiss, P. The Black Hole Next Door, Science News Vol. 161, No. 12 (March 23, 2002). Available at 海 市 蜃 楼 奇 观 向 人 们 展 示 另 外 空 间 的 真 实 存 在 最 近 几 个 月 来 中 国 大 陆 很 多 地 方 出 现 了 海 市 蜃 楼 奇 观 海 市 蜃 楼 到 底 是 怎 么 回 事 呢? 一 般 人 认 为 海 市 蜃 楼 是 一 种 的 大 气 折 射 现 象, 可 是 这 一 解 释 不 能 让 人 们 信 服 随 着 科 学 的 不 断 发 展, 人 们 也 开 始 认 识 到 我 们 人 类 所 存 在 的 空 间 并 不 是 宇 宙 中 唯 一 存 在 的 空 间, 还 有 另 外 空 间 的 存 在, 另 外 空 间 也 有 物 质 生 命 的 存 在, 只 是 一 般 情 况 下 肉 眼 看 不 见 海 市 蜃 楼 其 实 就 是 另 外 空 间 的 真 实 体 现, 也 就 是 说 另 外 空 间 的 景 象 阴 差 阳 错 地 闪 现 在 我 们 这 个 肉 眼 所 能 看 到 的 空 间 中 来 了 山 东 蓬 莱 连 续 出 现 两 次 海 市 蜃 楼 奇 观 2002 年 日 10 时 10 月 25 日 13 时, 山 东 蓬 莱 市 蓬 莱 阁 以 北 海 面 两 次 出 现 海 市 蜃 楼 蓬 莱 阁 北 面 的 长 山 列 岛, 除 南 北 长 山 岛 以 外 均 发 生 变 形 : 大 小 黑 山 岛 大 竹 山 岛 两 头 翘 起, 如 同 海 龟 遨 游 海 上 ; 大 岛 之 间 的 海 平 面 上, 出 现 几 个 虚 幻 的 小 岛 屿, 形 状 不 断 发 生 变 化 ; 车 由 岛 等, 则 如 同 一 个 个 圆 球 漂 浮 在 海 上 近 百 里 的 海 面 上, 各 种 岛 屿 千 姿 百 态 变 幻 莫 测 虚 实 难 辨 两 次 海 市 蜃 楼 分 别 持 续 70 分 钟 和 150 分 钟 天 津 市 区 出 现 罕 见 的 海 市 蜃 楼 天 津 市 区 出 现 罕 见 的 海 市 蜃 楼 25

27 2002 年 7 月 17 日 日 下 午 4 时 57 分, 天 津 市 东 南 方 向 地 平 线 处 的 空 中, 隐 约 飘 浮 着 几 幢 建 筑 物, 大 约 15 分 钟 后 又 消 失 在 人 们 的 视 线 中 青 岛 惊 现 海 市 蜃 楼 2002 年 7 月 4 日 下 午 7 时 左 右, 青 岛 王 朝 大 酒 店 对 面 的 海 面 上 出 现 了 海 市 蜃 楼 海 面 上 出 现 了 一 片 现 代 化 的 海 港, 吊 杆 林 立, 灯 火 闪 耀, 亦 幻 亦 真, 让 人 真 假 难 辨, 煞 是 好 看 青 岛 惊 现 海 市 蜃 楼 河 南 林 州 太 行 大 峡 谷 隧 道 出 现 海 市 蜃 楼 6 月 4 日, 海 市 蜃 楼 出 现 在 了 河 南 林 州 市 的 太 行 大 峡 谷 隧 道 站 在 隧 道 东 口 向 东 南 方 向 望 去, 天 空 中 的 云 间 呈 现 出 连 绵 不 断 的 群 山, 山 势 或 巍 峨 险 峻, 或 低 缓 秀 丽, 山 顶 仿 佛 与 隧 道 口 持 平, 目 测 高 度 有 五 六 百 米 海 市 蜃 楼 从 上 午 8 时 一 直 持 续 到 11 时 重 庆 两 处 惊 现 海 市 蜃 楼 2002 年 5 月 15 日 早 上 8 时 20 分, 在 重 庆 江 北 区 方 向 的 半 空 中, 出 现 了 一 个 美 不 胜 收 的 渝 中 半 岛 : 鹅 岭 - 枇 杷 山 山 脉, 万 豪 大 都 会 等 标 志 性 建 筑, 甚 至 建 筑 工 地 上 的 3 台 塔 吊 纤 毫 毕 现 被 复 制 到 了 半 空 中 好 景 不 长, 到 8 时 50 分, 浓 雾 渐 起, 半 空 中 的 渝 中 区 消 失 在 雾 中 2002 年 5 月 15 日 8 时 40 分 左 右, 从 大 佛 寺 大 桥 到 北 部 新 城 到 杨 家 坪, 一 个 环 形 的 雾 状 图 象 湿 淋 淋 地 在 空 中 显 现 里 面 群 山 连 绵, 苍 松 翠 柏, 还 有 一 座 八 面 玲 珑 的 八 角 塔, 活 脱 脱 一 幅 中 国 水 墨 山 水 画 大 约 过 了 18 分 钟, 随 着 长 江 上 的 大 雾 和 远 处 的 雾 越 来 越 大, 那 飘 渺 如 蓬 莱 仙 境 的 山 水 画 才 慢 慢 消 失 了 26

28 1.3.7 科 学 家 谈 多 世 界 的 存 在 当 我 们 仰 望 星 空 的 时 候 可 会 想 到, 在 这 大 穹 之 中 实 际 上 有 无 限 多 个 世 界 同 时 存 在, 相 互 平 行 地 演 变 着, 我 们 每 一 个 人 都 同 时 生 活 在 这 无 限 多 个 世 界 中, 做 着 不 同 的 事 情, 而 所 有 的 物 体 在 每 一 个 的 世 界 中 也 都 有 其 特 定 的 存 在 和 演 化 形 式 这 听 起 来 就 像 是 科 幻 小 说, 然 而 这 正 是 量 子 力 学 的 多 世 界 理 论 (Many Worlds Theory) 的 中 心 内 容 这 个 理 论 是 由 普 林 斯 顿 大 学 的 物 理 学 博 士 艾 佛 雷 特 (Hugh Everett ) 在 1957 年 首 先 提 出 来 的, 而 后 被 美 国 最 著 名 的 宇 宙 物 理 学 家, 相 对 论 专 家, 二 战 时 期 研 制 原 子 弹 的 曼 哈 顿 计 划 和 氢 弹 计 划 的 主 持 人 之 一 的 约 翰. 惠 勒 (John Wheeler ) 教 授 所 进 一 步 发 展 在 其 后 的 五 十 年 当 中, 这 一 理 论 吸 引 了 一 代 又 一 代 的 物 理 学 家 致 力 其 中, 英 国 牛 津 大 学 著 名 的 的 戴 维 德 伊 池 (David Deutsch ) 教 授 正 是 其 中 的 代 表 人 物 德 伊 池 教 授 被 誉 为 世 界 理 论 物 理 学 界 领 袖 之 一 2001 年 9 月, 美 国 著 名 的 发 现 杂 志 (Discover ) 刊 登 了 对 他 的 专 访 文 章 在 文 章 中, 德 伊 池 教 授 为 记 者 简 要 的 介 绍 了 多 世 界 存 在 的 概 念 自 二 十 世 纪 初, 量 子 物 理 学 家 们 发 现, 诸 如 电 子, 质 子 等 所 有 的 微 观 粒 子, 都 有 一 个 奇 怪 的 性 质 : 在 同 一 个 时 刻, 它 可 以 既 在 这 里 又 在 那 里, 也 就 是 说 一 个 微 观 粒 子 同 时 存 在 于 在 空 间 中 的 许 多 位 置 上, 就 像 它 们 有 分 身 术 一 样, 但 是 当 我 们 真 正 去 观 测 它 时, 又 却 只 能 在 一 个 位 置 上 找 到 它 这 和 我 们 日 常 生 活 中 的 经 验 是 大 相 径 庭 的, 也 使 所 有 的 物 理 学 家 都 大 惑 不 解 人 们 提 出 了 很 多 理 论 来 解 释 这 一 现 象, 但 是 严 格 来 说 在 数 学 上 都 站 不 住 脚 直 到 二 十 世 纪 五 十 年 代, 多 世 界 理 论 的 提 出 才 解 决 了 这 一 问 题 多 世 界 理 论 认 为, 实 际 上 有 无 限 多 个 世 界, 空 间 中 有 多 少 个 位 置, 就 有 多 少 个 世 界 在 这 些 世 界 的 每 一 个 中, 微 观 粒 子 都 有 一 个 确 定 的 位 置, 所 以 看 起 来 就 像 是 粒 子 在 空 间 每 一 个 位 置 上 都 存 在 一 样 我 们 每 做 一 次 测 量, 就 是 从 这 无 限 多 个 世 界 中 选 择 出 一 个 世 界, 粒 子 在 那 个 世 界 中 的 位 置 就 是 我 们 真 正 测 量 到 的 位 置 德 伊 池 教 授 认 为, 量 子 力 学 的 这 一 理 论 不 仅 适 用 于 微 观 世 界, 而 且 适 用 于 宏 观 世 界 的 每 一 个 层 面 因 为 所 有 的 宏 观 物 体, 包 括 我 们 自 己 都 是 由 这 些 微 观 粒 子 构 成 的, 既 然 在 微 观 领 域, 有 无 数 的 实 验 证 实 了 量 多 世 界 理 论 认 为, 牛 津 大 学 的 学 生, 包 括 我 们 其 他 人, 都 在 无 数 个 世 界 者 存 在 着 副 本, Discover ( 发 现 ) 供 图 27

29 子 力 学 的 可 靠 性, 那 么 在 宏 观 领 域, 它 也 同 样 应 该 适 用 教 授 说, 我 们 每 一 个 人 也 都 同 时 存 在 于 不 同 的 空 间 中, 即 使 我 们 自 己 意 识 不 到 这 一 点 实 际 上 不 仅 是 每 一 个 人, 而 且 这 个 地 球, 甚 至 整 个 宇 宙 都 有 无 数 的 分 身, 他 们 同 时 存 在 于 无 数 宏 大 的 世 界 中, 在 每 一 个 世 界 中 都 有 其 特 定 的 演 变 形 式 所 以 单 一 世 界 的 概 念 实 际 上 是 错 误 的 在 通 常 情 况 下, 我 们 是 感 觉 不 到 多 个 世 界 存 在 的, 我 们 也 几 乎 无 法 知 道 在 另 外 的 时 空 中, 我 们 另 外 的 自 己 在 做 什 么 但 是 如 果 精 心 控 制 实 验 条 件, 我 们 可 以 在 诸 如 双 缝 衍 射 等 实 验 中, 瞥 见 多 个 世 界 存 在 的 蛛 丝 马 迹 德 伊 池, 这 位 理 论 物 理 学 界 的 大 师 级 人 物, 认 为 这 一 理 论 是 对 量 子 力 学 中 奇 怪 现 象 的 唯 一 解 释 因 为 它 基 于 严 密 的 数 学 方 程, 和 大 量 试 验 结 果 在 不 同 的 世 界 中, 我 们 可 能 做 着 不 同 的 事 情, 在 一 个 世 界 中 我 们 穿 过 了 这 道 门, 在 另 一 个 世 界 中, 我 们 的 一 个 副 本 留 在 了 门 的 这 一 边 Discover( 发 现 ) 供 图 在 文 章 的 最 后, 德 伊 池 教 授 批 评 了 某 些 物 理 学 家 之 所 以 不 能 接 受 多 世 界 理 论, 是 因 为 他 们 不 敢 改 变 传 统 的 观 念 去 思 维, 只 是 出 于 实 用 主 义 的 考 虑 而 应 用 量 子 力 学, 而 不 去 真 正 思 考 他 们 每 天 都 在 用 的 方 程 式 后 面 真 正 的 意 义 是 什 么 德 伊 池 说, 这 就 像 当 年 人 们 不 相 信 地 球 是 围 绕 着 太 阳 转 一 样, 如 果 拒 绝 用 多 世 界 的 眼 光 看 事 物, 人 们 就 永 远 不 会 对 宇 宙 有 更 新 和 更 深 刻 的 认 识 参 考 文 献 DISCOVER Vol. 22 No. 9 (September 2001) 美 国 科 学 家 认 为 宇 宙 可 能 有 无 数 个 美 国 天 文 学 家 最 近 提 出 各 种 有 关 宇 宙 的 现 代 理 论, 包 括 所 谓 多 重 宇 宙 (multiverse) 概 念, 指 称 宇 宙 在 第 一 次 大 爆 炸 后 还 在 彼 此 不 断 大 爆 炸, 形 成 无 数 宇 宙 空 间 为 什 么 是 三 度 空 间, 而 不 是 二 度 空 间 十 度 空 间 或 廿 五 度 空 间? 光 速 为 什 么 远 快 于 音 速? 为 什 么 原 子 远 小 于 星 球? 我 们 的 宇 宙 为 什 么 这 么 老? 是 否 还 有 其 他 里 面 一 切 事 务 都 跟 我 们 宇 宙 不 同 的 宇 宙? 这 些 是 科 学 家 们 提 出 和 探 讨 的 问 题 28

30 一 个 世 纪 前, 科 学 家 还 认 为 整 个 宇 宙 不 过 是 银 河 中 数 十 亿 颗 星 球 和 星 云, 而 现 在 的 天 文 学 家 已 经 知 道 宇 宙 中 有 无 数 类 似 银 河 系 的 星 系 根 据 天 文 观 察, 无 法 侦 测 出 的 黑 暗 能 量 占 宇 宙 质 能 的 三 分 之 二, 约 为 物 质 的 两 倍 一 些 天 文 学 家 提 出, 宇 宙 是 以 等 比 级 数 无 尽 的 扩 张, 像 小 宇 宙 在 黑 洞 中 孵 化 一 样 也 有 人 认 为 宇 宙 在 虚 无 中 漂 浮, 有 时 与 第 五 度 空 间 相 撞 美 国 宾 州 大 学 天 文 学 家 泰 马 克 说, 至 少 有 四 种 宇 宙 圣 塔 巴 巴 拉 加 州 大 学 理 论 物 理 研 究 所 的 博 钦 斯 基 教 授 最 近 说, 基 本 弦 理 论 可 能 有 十 的 六 十 次 方 种 的 解 释, 人 类 今 天 所 存 在 的 宇 宙 可 能 是 其 中 一 套 比 较 友 善 的 组 合 麻 省 理 工 学 院 教 授 古 斯 根 据 现 代 粒 子 物 理 理 论 指 出, 宇 宙 在 太 初 时 因 为 空 间 所 具 有 的 反 引 力 发 生 短 暂 的 超 级 大 爆 炸 古 斯 和 史 丹 佛 大 学 的 林 德 塔 虎 脱 大 学 的 维 伦 金 普 林 斯 顿 大 学 的 史 坦 哈 都 认 为, 这 种 膨 胀 只 要 开 始, 就 会 无 限 制 重 复, 造 成 无 数 的 宇 宙 参 考 文 献 科 学 家 : 人 的 宇 宙 学 原 理 越 来 越 受 尊 重 在 沉 寂 了 二 十 多 年 之 后, 一 个 被 称 之 为 人 择 原 理 ( 另 名 人 的 宇 宙 学 原 理 ) 的 宇 宙 学 理 论 又 重 新 引 起 了 科 学 家 们 的 重 视 据 欧 洲 物 理 学 权 威 刊 物 物 理 世 界 (Physics World ) 报 道, 来 自 世 界 各 国 的 物 理 和 宇 宙 学 家 们 于 2001 年 八 月 底 在 英 国 剑 桥, 召 开 了 一 个 名 为 基 础 物 理 和 宇 宙 学 中 的 人 择 原 理 的 科 学 会 议 报 道 说, 这 个 由 泰 普 莱 顿 基 金 会 (Templeton Foundation) 提 供 支 持 的 学 术 会 议 在 欧 洲 学 术 界 引 起 了 热 烈 反 响, 越 来 越 多 的 著 名 物 理 学 家 对 此 理 论 产 生 了 兴 趣 人 择 原 理 (anthropic principle) 是 受 当 时 最 著 名 的 物 理 学 家 之 一, 诺 贝 尔 奖 获 得 者 迪 拉 克 (P.Dirac) 的 启 发, 在 20 世 纪 60 年 代 由 普 林 斯 顿 大 学 的 物 理 学 教 授 罗 伯 特 迪 克 (Robert Dicke ) 率 先 提 出, 后 来 又 被 以 剑 桥 的 布 兰 登 卡 特 (Brandon Carter) 为 代 表 的 一 批 物 理 学 家 和 宇 宙 学 家 所 发 展 的 这 个 理 论 认 为, 宇 宙 现 在 的 状 态, 特 别 是 在 靠 近 地 球 周 围 的 一 些 宇 宙 常 数, 之 所 以 是 现 在 这 个 样 子, 是 因 为 在 星 系 29

31 中 最 终 将 要 产 生 人, 换 句 话 说, 如 果 宇 宙 中 不 需 要 有 人 类 的 出 现 的 话, 那 么 我 们 从 地 球 上 观 察 到 的 宇 宙 将 不 会 是 现 在 这 个 样 子 对 人 类 来 说, 地 球 是 一 个 格 外 殷 勤 好 客 的 地 方, 它 有 着 丰 富 的 水 分, 和 一 个 恰 巧 处 于 水 呈 液 态 状 的 狭 窄 范 围 之 内 的 平 均 温 度 如 果 地 球 象 火 星 那 样 寒 冷 和 干 燥, 或 者 如 果 它 有 象 金 星 那 样 蒸 腾 的 腐 蚀 性 大 气, 就 不 会 有 智 能 生 命 的 产 生 想 象 一 个 完 全 不 同 于 人 们 所 观 测 到 的 星 系 是 非 常 容 易 的, 例 如, 改 变 某 些 物 理 常 数 的 大 小, 就 可 以 引 出 一 个 可 能 的 星 系 来, 在 那 里 比 氢 更 重 的 元 素 决 不 会 形 成, 或 者 那 里 所 有 的 恒 星 都 是 大 的, 热 的, 和 短 命 的, 在 这 样 想 象 出 的, 可 能 的 星 系 中 出 现 人 类 的 可 能 性 几 乎 为 零 而 科 学 家 们 认 为, 正 是 在 我 们 这 个 真 实 的 星 系 中 将 会 有 人 类 的 存 在, 才 对 星 系 产 生 和 发 展 的 诸 多 可 能 性 加 以 了 选 择, 也 正 是 因 为 要 产 生 人 类, 星 系 中 的 诸 多 物 理 规 律 才 被 选 择 成 了 现 在 这 个 样 子 这 个 理 论 是 完 全 和 进 化 论 背 道 而 驰 的, 进 化 论 认 为 人 是 物 竞 天 择, 不 断 改 变 自 身 去 适 应 环 境 的 产 物, 而 人 择 原 理 认 为, 是 为 了 适 应 人 类 的 最 终 出 现, 星 系 才 具 有 现 在 这 样 一 个 能 让 人 生 存 的 的 状 态 人 择 原 理 的 论 证 方 式 也 不 同 于 一 般 的 演 绎 推 理 演 绎 理 论 是 由 一 个 体 系 的 初 始 条 件, 和 它 的 自 然 规 律 开 始, 然 后 推 导, 预 言 体 系 以 后 的 情 况 而 在 宇 宙 学 这 里, 演 绎 理 论 遇 到 了 极 大 的 困 难, 因 为 星 系 的 初 始 条 件 是 根 本 不 可 知 的, 而 且 在 它 诞 生 的 初 期, 所 起 作 用 的 物 理 规 律 也 是 极 为 不 确 定 的 那 么 对 于 它 以 后 发 展 来 说, 唯 一 的 一 个 约 束 条 件 就 是, 它 以 后 必 须 得 适 合 人 类 生 存 在 人 择 理 论 被 提 出 的 初 期, 科 学 家 们 只 是 因 为 它 本 身 具 有 的 自 洽 性 而 接 受 了 它, 它 很 好 地 符 合 了 现 有 的 物 理 理 论, 在 数 学 上 无 懈 可 击, 但 是 却 没 有 更 多 的 实 验 可 以 进 一 步 证 实, 所 以 渐 渐 被 人 冷 落 但 近 些 年 来, 由 于 大 量 实 验 证 据 和 天 文 现 象 被 发 现, 诸 如 微 波 背 景 辐 射, 遥 远 星 系 的 退 行, 宇 宙 的 各 向 同 性, 科 学 家 们 又 重 新 审 视 了 象 哈 勃 年 龄, 引 力 耦 合 常 数, 重 粒 子 数 等 宇 宙 常 数 之 间 的 关 系, 人 们 发 现 人 择 原 理 在 实 验 上 也 是 合 理 的 正 如 英 国 伦 敦 大 学 数 学 科 学 系 的 科 学 家 波 奈 德 卡 尔 博 士 (Bernard Carr the Astronomy Unit, School of Mathematical Sciences, Queen Mary, University of London, UK.) 所 说 人 择 原 理 正 飞 快 地 在 学 术 界 受 到 越 来 越 多 的 尊 重 大 量 的 证 据 表 明 达 尔 文 的 进 化 论 是 漏 洞 百 出 的, 它 也 被 越 来 越 多 的 科 学 家 所 质 疑, 而 人 择 原 理 更 是 从 物 理 学 的 角 度 证 实 了 人 类 其 实 并 非 是 进 化 的 产 物, 早 在 星 系 诞 生 的 初 期, 就 已 经 注 定 了 人 类 的 产 生 和 存 在 了, 而 星 系 之 所 以 是 现 在 这 个 样 子, 也 正 是 为 了 30

32 以 后 人 类 的 生 存 其 实 人 择 原 理 并 不 是 一 个 什 么 新 鲜 的 概 念, 在 修 炼 界, 人 们 早 就 认 识 到, 人 类 实 际 上 是 由 更 高 级 的 生 命 出 于 慈 悲 而 创 造 出 来 的, 而 为 了 人 类 能 够 生 存, 在 造 人 的 同 时, 高 级 生 命 也 开 创 了 地 球 和 银 河 系 这 样 的 一 个 刚 好 能 够 使 人 类 居 住 的 自 然 环 境, 事 实 上 这 也 就 是 人 择 原 理 背 后 的 真 正 原 因 参 考 文 献 The Anthropic Principle, Dr. George Gale, University of Missouri-Kansas city 科 学 1980, No 物 理 学 家 提 出 关 于 更 深 层 次 存 在 的 理 论 近 几 年 来, 在 许 多 领 域 发 现 的 许 多 奇 妙 的 现 象 足 使 更 多 的 科 学 家 重 新 思 考 物 理 学 中 一 些 基 本 问 题 其 中 对 量 子 力 学 的 非 决 定 性 起 源 就 是 这 样 的 问 题 之 一 这 个 问 题 曾 经 是 上 世 纪 物 理 学 界 两 大 泰 斗 爱 因 斯 坦 和 玻 尔 争 论 的 核 心 爱 因 斯 坦 认 为 它 起 源 于 我 们 对 量 子 系 统 的 信 息 了 解 不 完 全 所 致, 世 界 在 本 质 上 是 决 定 性 的, 所 以 量 子 力 学 只 是 一 种 过 渡 的 理 论 而 玻 尔 认 为 世 界 本 来 就 是 不 确 定 性 的, 因 此 量 子 力 学 并 没 有 什 么 不 妥 为 解 决 这 个 问 题, 荷 兰 著 名 的 物 理 学 家 1999 诺 贝 尔 物 理 奖 得 主 盖 拉 德 达 霍 夫 特 (Gerard 't Hooft) 提 出 了 在 我 们 能 够 直 接 接 触 的 世 界 之 外 存 在 着 更 深 层 次 存 在 的 观 点 自 然 杂 志 网 络 版 在 2003 年 1 月 8 日 撰 文 介 绍 了 他 的 理 论 许 多 对 现 行 量 子 力 学 理 论 不 满 意 的 科 学 家 为 解 决 这 个 问 题 曾 经 提 出 过 不 少 理 论, 其 中 最 著 名 的 理 论 要 数 隐 变 量 理 论 但 在 上 个 世 纪 八 十 年 代 的 一 个 实 验 结 果 否 定 了 这 种 理 论 盖 拉 德 达 霍 夫 特 教 授 认 为 问 题 的 关 键 是 信 息 的 丢 失 他 的 理 论 认 为 在 极 微 观 -- 普 朗 克 尺 度 下, 比 原 子 核 还 小 很 多 万 亿 倍 的 微 观 中 存 在 着 关 于 世 界 的 全 部 信 息 但 是 信 息 丢 失 得 非 常 快, 到 了 要 对 系 统 进 行 测 量 时, 我 们 只 有 少 得 可 怜 的 信 息 可 以 利 用, 就 好 象 现 在 的 考 古 学 家 对 古 巴 比 伦 人 所 拥 有 的 知 识 一 样, 我 们 只 能 说 系 统 也 许 是 怎 样 的 他 说, 与 通 常 的 观 念 相 反, 构 建 一 个 和 量 子 力 学 的 预 言 结 果 一 模 一 样 的 决 定 论 理 论 并 不 困 难 31