宇宙中有哪些超出常人想像的現象?

問題描述:子問題:地球上有哪些超出常人想像的現象? - 自然 宇宙實在太難想像了……對於我們一般人來說。但是很多人還是非常有好奇心的。 例如二維世界無法想像三維世界能把一張平面的紙捲起來,中間弄個洞,對二維世界來說就是蟲洞啦~好像四維也能這么對三維世界弄蟲洞……
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曾少賢:

前面已經有人提到了宇宙中令人目瞪口呆的黑洞尺度,接下來,我來扒一扒宇宙其他同樣讓你感到目瞪口呆的尺度。

1.與最大的恆星相比,我們的太陽——幾乎可以忽略不計。

箭頭所指的天體,就是我們的地球,太陽可以容納100萬個地球,夠大了吧。

箭頭所指的天體,就是我們的太陽,與直徑4億千米的Pistol Star相比,我們的太陽,簡直就是一個極為渺小的存在。

直徑4億千米的Pistol Star被VY Canis Majoris虐成渣渣。

與最大的恆星——UY Scuti相比,我們的太陽,在它面前,需要放大無數倍,才能看得見。

2.與最大的星系相比,我們的銀河系——幾乎可以忽略不計。

這是我們的銀河系,直徑10萬光年。

我們的鄰居——仙女座星系,直徑20萬光年,銀河系成了小小弟弟。

與直徑50萬光年的Messier 87相比,銀河系和仙女座星系雙雙成為小弟弟。

目前觀測到最大的星系是IC 1101,直徑600萬光年。

3.與宇宙的年齡相比,我們人類存在的時間——幾乎可以忽略不計。
宇宙誕生於138億年前,當我們每每聽到這個數字時,難易想像這138億年,究竟有多麼遙遠。

假如自宇宙大霹靂到此時此刻的138億年,壓縮成我們熟知的12個月份,會是什麼樣的情形?

宇宙誕生之時,就是1月1號,從那時起一直到12月31號的午夜,整個年曆表,包含了宇宙誕生後所有的時間。

這個年曆和我們平時使用的年曆,在時間尺度上,有著天壤之別。

按照這個年曆,我們來看從1月1號開始,宇宙在什麼時候,會發生什麼。

1月1日:宇宙大霹靂
1月10號:第一批恆星發出光芒
1月13號:這些恆星開始聚合,形成第一批小星系
3月15號:銀河系誕生
8月31號:太陽誕生
9月21號:生命開始誕生
11月9號:生命開始呼吸、移動
12月17號:海洋生物開始登陸陸地
12月28號:第一朵花開始綻放
12月30號早上6點24分:小行星撞擊地球
12月31號最後一小時:人類出現
12月31號23點59分46秒:人類所有記載的歷史,都誕生於此

高樓、城堡、寺廟、你、我、他、草原、高山、湖泊、海洋……所有有形的還有無形的,所有物質的和精神的東西,都只是存在於這短短的14秒中。

人類之渺小,宇宙之洪荒,遠遠不是我們能夠想像的。

但慶幸的是,此時此刻,我們有陽光,有空氣,寒冷時有衣物禦寒,飢餓時有食物果腹。

仰望茫茫的星空,我們需要手拉著心愛的人,這樣才不會心慌。

http://weixin.qq.com/r/1zrYwDfEVGorrXOj92-F (二維碼自動識別)

圖片來源:國家地理頻道紀錄片:宇宙時空之旅

https://www.youtube.com/watch?v=UE8yHySiJ4A

https://www.youtube.com/watch?v=JqAJnrL27OY


Henry-航:

最奇妙的地方莫過於我們和宇宙之間的關系,我們所見到的一切包括我們自己身上的絕大多數元素都來自宇宙最具毀滅性的現象——超新星爆炸。

超新星爆炸來源於恆星爆炸,我們的太陽就是一個恆星,但因為質量太小不足以引起超新星爆炸。但所有的恆星都是一個元素合成裝置,我們的太陽先把最小的原子氫合成成氦,當氫元素用完時,恆星會把氦合成成碳,碳再合成成氧。從相對原子質量表中可以看出元素越來越重,恆星正在「組裝」元素。但我們的太陽因為質量不夠大,把元素組裝成碳就已經是極限了,如果我們的太陽開始合成碳,說明也壽命將至。

如果是我們的太陽大小的恆星耗盡所有核燃料。它最後會坍縮成只有地球般大小的白矮星,如果這是個雙星系統(沒有基礎知識的話可以想像成兩個太陽的系統),它就會開始吸引另一個恆星的物質,碳和氧會繼續合成成鐵,一旦吸積了足夠多的物質並達到了約為1.38倍太陽質量,達到一個叫錢德拉塞卡極限的時候,這顆白矮星將會爆炸,我們稱為Ia型超新星。

Ia型超新星爆炸後把大量鐵元素拋向宇宙空間,最後變成了每一個在你體內為你運送氧氣的鐵元素和你家的鍋。因為白矮星每次都在到達約1.38倍太陽質量爆炸(錢德拉塞卡極限),所以每次的亮度是一樣的。這個特性也讓Ia型超新星成為極佳的宇宙里程標,對比每顆Ia超新星的明亮程度我們就可以知道它離我們的距離,點亮宇宙的超新星也是天文學家測量宇宙的明燈。

那鐵以上的元素怎麼辦,比如人人都想要的金。因為原來只能合成鐵的原因是因為我們太陽的質量太「小」了,無法再合成更重的元素,那更重的恆星是不是可以合成更重的元素?答案是肯定的,更重的恆星會在死亡時坍縮,引發更大的壓力,從而製造出更重的元素。
你體內的各種重元素、手中的金戒指也許有的就來自這個級別的恆星坍縮時的內核。這些恆星有多大呢?

我們的太陽這么大,左下的小點是我們的地球。

為了合成更重的元素,恆星需要非常重的質量,這樣的恆星不需要雙星系統就可以自己引發超新星爆炸,比如海山二,質量約在太陽的150倍左右,亮度則約是太陽的500萬倍。越重的恆星合成的元素越多,合成速度也越快。

但越重的恆星並不意味著越大。參宿四,質量僅為太陽的18-19倍,但體積比海山二還要大約300倍,約為太陽的7.29億倍,如果它是我們的太陽,它可以觸碰到木星的軌道。光度為太陽的12萬倍,是全天第10亮星。

但這不是宇宙中最大的恆星,比如這顆——大犬座VY星,質量只是太陽的20倍左右,但體積是太陽的30億倍左右。人類所觀測到的宇宙中最大的恆星——盾牌座UY,體積則達到了太陽的50億倍左右。

這就是為什麼金子值錢的終極原因,因為越重的恆星越稀有
越重的恆星越狂暴,它們會很快耗完自己的燃料,但同時他們也會快速地製造大量元素。它們會進一步合成釩、鉻、錳、鐵等重元素。但一旦出現鐵(對就是你家用來炒菜那個鍋),這顆恆星就葯丸,鐵會吸收掉核聚變的力量,這顆恆星一下失去了核聚變向外推的力量會被自己強大的引力回吸,一下子坍縮成一個點,超大的壓力會使恆星內核進一步合成更重的元素,比如金。探索越過臨界值則會引發超新星爆炸。把合成的釩、鉻、錳、鐵、金等重元素拋向太空,這些元素再慢慢聚合形成下一個恆星或行星,如此反覆…….

如果像上面海山二這種級別的恆星如果死亡,將會引發更猛烈的爆炸——超超新星(Hypernova)。爆炸除了拋射出極大量元素到宇宙空間,還會留下一個遺產——黑洞。很多人都會覺得黑洞是個毀滅性的東西,但就跟超新星一樣,宇宙中毀滅和創生就跟太極一樣都是循環往複的,這玩意兒在我們銀河系中心就有一個,這個黑洞在銀河系的演化中扮演著極其重要的角色,如果沒有這個超級黑洞,你我也將不復存在。


而我們的銀河系是如此之大,以至於像太陽這種恆星就達到了4000億顆。圖中每個小光點就是一個像我們太陽系一樣的恆星系統。銀河系直徑約為120,000光年。

但比起我們的鄰居仙女座,我們還是嫌小了。

但比起M87星雲,鄰居仙女座還是相形見絀。

但比起我們找到最大的星系IC-1101,我們的銀河系小到幾乎不存在。

我們來看看組裝到一起,整個宇宙長什麼樣。

然而這個我們所認知的最大的物體,居然和我們所知道的最精巧細膩的物體——大腦,在結構和構成過程上有驚人的相似之處。

也許下次你仰望星空,你知道我們都來自那裡,來自能照亮宇宙的最絢爛煙花超新星爆炸,我們身體的每一個部分,所用的每一個部件,都來自極為狂暴的恆星內核。
是的,我們都是星塵之子。《聖經》說:「你本是塵土,仍要歸於塵土。」
天文學家說「你本是星塵,仍要歸於星塵。」

————————————————2016.2.10號更新線——————————————————–
今天看到了個非常有意思的視訊,天體物理學家 Neil DeGrasse Tyson 接受《時代周刊》的一個採訪時被問到,「關於宇宙,你覺得最震撼的事實是什麼?」,有人將他的回答做成短片。
The Most Astounding Fact (Neil DeGrasse Tyson)—線上播放—優酷網,視訊高清線上觀看
Tyson給出的回答和這篇答案非常有趣地不謀而合,短片的音樂還配上了The Cinematic Orchestra的《To Build A Home》,歌詞的最後幾句貼在下面:

And I built a home
For you
For me

Until it disappeared
From me
From you
And now, it’s time to leave and turn to dust.


周廣恩:

小時候我就夢想做一個宇航員,對神秘莫測的宇宙充滿了興趣,但是這輩子也難以窺得其中億分之一。網路上有很多關於宇宙的視訊,所以我花時間整理了其中的一部分,管中窺豹吧。還可以通過軟體,比如目前已知的自由和最真實多樣性的宇宙沙盤——Space Engine,去模擬的宇宙空間里自己探索。
對於一個這輩子都不可能走出地球之外的普通人來說,我希望有更多的人收藏這個回答,當我們有時間的時候,能夠停下腳步靜下心來,忘記一天的煩惱,沉浸在浩瀚神秘的宇宙之中。

友情提醒:部分鏈接如果打不開,大多因為是以前A站的鏈接。建議復制鏈接文字到B站或者百度搜索下,一般就能找到原視訊。

同時,我還為所有Aorqu的Aorquer準備了一份大禮,讓大家方便快捷的找到Aorqu各個話題下的精彩問題,請看————

史上最全的Aorqu話題整理,沒有之一!

哲學探討——我是誰 我從哪裡來 我往何處去 最根本的問題,一個引入深思的視訊,如果說宇宙中什麼最超乎想像,那麼我覺得宇宙的存在,我們自己和這一切的一切,本身就是一個超乎想像的現象。

【哲學探討】這個視訊是一個宇宙 @柚子木字幕組

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【中文字幕】在純音樂中感受宇宙之美

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絕對好奇(Curiosity)第二季全集 人人影視 中英字幕 高清

宇宙奧秘_國家數字影像館 【紀錄片】浩瀚宇宙 合集

對比——濃縮不同視角的宇宙大小和歷史等

http://www.bilibili.com/video/av1261813/ 1分鐘看看恆星的大小

http://www.bilibili.com/video/av801282/ 1分鐘對比恆星和行星

http://www.bilibili.com/video/av691110/ 1分鐘濃縮宇宙的歷史

http://www.bilibili.com/video/av2411436/ 2分半3D動畫看完宇宙

http://www.bilibili.com/video/av1228478/ 2分鐘地球到宇宙盡頭

http://www.acfun.tv/v/ac1184448 2分鐘看完宇宙有多大

http://www.acfun.tv/v/ac2383201 3分鐘縱觀宇宙的尺度

http://www.bilibili.com/video/av1839330/ 3分鐘看完宇宙的對比

http://www.bilibili.com/video/av1192095/ 3分鐘對比太陽的渺小

http://www.bilibili.com/video/av825951/ 3分鐘了解宇宙大霹靂

http://www.bilibili.com/video/av1867195/ 4分鐘從納米看到光年

http://www.bilibili.com/video/av2417201/ 4分鐘了解宇宙的大小

http://www.bilibili.com/video/av499656/ 4分鐘科普宇宙的大小

http://www.bilibili.com/video/av1115895/ 4分鐘看盡宇宙的進化

http://www.bilibili.com/video/av820924/ 4分鐘從百米到百億光年

http://www.bilibili.com/video/av1240827/ 5分鐘看完宇宙的演化

http://www.bilibili.com/video/av2733561/ 5分鐘秒懂次元的概念

http://www.acfun.tv/v/ac2412171 6分鐘看遍宇宙的全部

http://www.bilibili.com/video/av1270342/ 6分鐘看完粒子到宇宙

http://www.bilibili.com/video/av1413809/ 7分鐘速覽宇宙的尺寸

http://www.acfun.tv/v/ac2006599 7分鐘以時間對比歷史和未來

http://www.bilibili.com/video/av2741037/ 8分鐘簡述宇宙發展史

http://www.bilibili.com/video/av1800716/ 9分鐘看盡宇宙的大小

http://www.bilibili.com/video/av1410247/ 10分鐘說完宇宙的歷史

http://www.acfun.tv/v/ac2047473 17分鐘看完未來宇宙的時間線

http://www.acfun.tv/v/ac1144268 18分鐘講述宇宙的歷史

http://www.bilibili.com/video/av1581611/ 20分鐘宇宙誕生到地球毀滅

http://www.bilibili.com/video/av2870073/ 30分鐘比較宇宙大小擴充版

http://www.bilibili.com/video/av327446/ 90分鐘濃縮呈現世界的歷史


kmlover:

居然沒人提到伽瑪射線暴……

先引用維基百科裡對伽瑪射線暴的兩段描述:

伽瑪射線暴Gamma Ray Burst, 縮寫GRB),又稱伽瑪暴,是來自天空中某一方向的伽瑪射線強度在短時間內突然增強,隨後又迅速減弱的現象,持續時間在0.01-1000秒,輻射主要集中在0.1-100 MeV的能段。

這段文字的描述似乎沒有超出你的想像極限,那麼我們再看下面一段:

如果伽瑪射線暴確實位於宇宙學尺度上,那麼由它的亮度可以推斷,伽瑪暴必定具有非常巨大的能量,往往在幾秒時間里釋放出的能量就相當於幾百個太陽一生中所釋放出的能量總和,是人們已知的宇宙中最猛烈的爆發。例如1997年12月14日發生的一次伽瑪暴,距地球120億光年,在爆發後一兩秒內,其亮度就與除它以外的整個宇宙一樣明亮,它在50秒內釋放出的能量相當於銀河系200年的總輻射能量,比超新星爆發還要大幾百倍。在它附近的幾百千米範圍內,再現了宇宙大霹靂後千分之一秒時的高溫高密情形。而1999年1月23日發生的一次伽瑪暴比這還要猛烈十倍。

這應該能夠讓你對伽馬射線暴的威力有個初步的認識了,但還不夠具體,因為你對太陽釋放的能量等級仍然不清楚。所以我先告訴你:

據估計,人體中總共有細胞約3.72X10^13個,而一次伽瑪射線暴的威力大概相當於2.243X10^32枚廣島原子彈,也就是說,如果全球人口總數按70億計,把所有人身上的每一個細胞都換成八億六千一百萬枚廣島原子彈,加在一起一塊兒爆炸,才抵得上伽瑪射線暴一秒鐘的能量輸出……

好了,下面是這些數據的推導過程,為了方便推導,我們要再認識一個概念:太陽常數。

太陽常數是進入地球大氣的太陽輻射在單位面積內的總量,要在地球大氣層之外,垂直於入射光的平面上測量。以人造衛星測得的數值是每平方米大約1366瓦特,地球的截面積是127,400,000 平方公里,因此整個地球接收到的能量是1.740×10^17瓦特。由於太陽表面常有有黑子等太陽活動的緣故,太陽常數並不是固定不變的,一年當中的變化幅度在1%左右。

(注:為了使各位有更加直觀的認識,以下遇到類似的巨大數字都用174000000000000000和17.4億億表示,不用科學計數法。)

瓦特的定義是焦耳/秒,也就是說,地球每秒鐘從太陽接收到的能量是1740000000000000000焦耳(也即17.4億億焦耳),而一克TNT炸藥爆炸時所釋放的能量為4184焦耳。兩者相除,得:

174000000000000000焦耳/(4184焦耳/克TNT)*(1000克/千克)*(1000千克/噸)=41587000噸TNT

即地球每秒鐘從太陽接收到的能量相當於4158.7萬噸TNT炸藥爆炸。

做個對比:

·廣島原子彈的當量約為1.3萬噸TNT,;
·第二次世界大戰中所使用的炸藥總量約為500萬噸TNT;
·人類製造並引爆過的最大核彈「沙皇炸彈」當量為5000萬噸(據俄方公布數據);
·每千克原油完全燃燒產生的熱量為41868000焦耳,2005年時全球原油日開采量為11400000000千克,完全燃燒能產生約477000000000000000(47.7億億)焦耳的熱量,即地球每秒從太陽接收的能量的2.74倍。

不要忘記,太陽和地球之間有著約1.5億千米的距離,假如我們用一個半徑等於日地距離的大球包住太陽,使太陽恰好位於這個球的核心,那麼太陽向外釋放的輻射能將均勻地分布在這個球面上,其面積為:

4*3.14*150000000千米*150000000千米=282600000000000000平方千米(28.26億億平方千米)

橫截面積127400000平方千米的地球在這個巨大的球面上只佔:

127400000平方千米/282600000000000000平方千米=0.00000000045的份額,或百億分之四點五。由於太陽的輻射能是均勻地散布在這個球面上的,如果不考慮輻射能在途中的損失,那麼太陽每秒鐘對外輻射的能量就是:

174000000000000000焦耳/0.00000000045=387000000000000000000000000焦耳

也就是387億億億焦耳,相當於1848311111(十八億四千八百三十一萬一千一百一十一)枚沙皇炸彈爆炸時所釋放的能量。如果原油產量保持不變,則

387億億億焦耳/(47.7億億焦耳/日)*(365.2564日/年)=2221236年

(注,年的具體長度隨定義而不同,這里取恆星年,即地球圍繞太陽運動的公轉周期為准)

也就是說,人類得從222萬1236年前還是古猿時就開始以2005年的速率(每天1140萬噸)開采原油,一直持續到今天,再將開采出來的原油完全燃燒,才足夠支持太陽一秒鐘的對外輻射能。

現在你該對太陽的輻射能有個清晰明確的概念了吧?

再回頭看我們前面引用的內容:

伽瑪暴必定具有非常巨大的能量,往往在幾秒時間里釋放出的能量就相當於幾百個太陽一生中所釋放出的能量總和,

天文學告訴我們,太陽的壽命大約為100億年,一年有365.2564天,一天有86400秒。至於「幾秒時間里釋放出的能量就相當於幾百個太陽一生中所釋放出的能量總和「,我們就把那個」幾」字約去,變成「每秒釋放的能量相當於一百個太陽一生中所釋放出的能量總和「好了。

把十八億四千八百三十一萬一千一百一十一枚沙皇炸彈(每枚沙皇炸彈的威力都相當於廣島原子彈的3846倍)或者2005年原油產量的二百二十二萬一千二百三十六倍乘上一百億,再乘上365.2564,再乘上86400,再乘上100,就是:

五萬八千三百三十億億億枚沙皇炸彈或者二點二四三億億億億枚廣島原子彈同時爆炸……

人類以2005年時的原油開采速率,連續不停地開采七十億億億年(做個對比,宇宙誕生至今約為150-200億年,地球誕生至今約為46億年),然後完全徹底地燒掉……

這么多的能量在一秒鐘內完全釋放出來,就是伽瑪射線暴的威力。

現在你對伽瑪射線暴的能量有清晰明確的概念了嗎?


黑魚:

沒想到收到這么多贊。藉著這個答案寫一點題外話。因為這點題外話好懂,所以寫在前面了。其實是兩個話題,我寫在自己的個人公眾號裡面了。除了寫這個,我最近還寫了一些關於古羅馬歷史的東西。小小的公眾號求關註:younglings_2011

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我想在這里寫寫,我們是怎麼適應了我們的宇宙,我們觀察到的宇宙為什麼是這個樣子,最後說一點題外話。

初級版本

高中物理教材在討論黑體輻射的時候,都是把太陽當做理想黑體的。太陽的溫度是6000開爾文左右。太陽發出的光最大功率的頻段就是可見光。有些宗教人士會說「這是上帝給人的恩惠」。其實是我們的眼睛為了適應太陽光而進化。因為太陽的溫度是六千度左右,所以在某一頻段上輻射的強度最大。而人類在晝間活動,自然要能看到最強的光線,也就是太陽光。

為什麼25攝氏度是我們最舒服的溫度,也不是什麼上帝的恩惠,而是我們就是在這樣的溫度下進化而來。

遠古的海洋鹽度是0.9%,我們今天醫院里用的生理鹽水濃度也是0.9%。

Aorqu上有過一個很有趣的問題,為什麼這個世界上沒有哥斯拉那樣可怕的巨獸?其實不是沒有,而是我們人類就是。這個世界上絕大多數動物都是昆蟲的大小,而在螞蟻和螞蚱面前,我們就是哥斯拉一樣的存在。

我還真的想要討論動物的大小問題。

在恐龍時代,不光恐龍長得那麼巨大。白堊紀的蜻蜓也能長到一米長。我們知道,維持一個物體的形狀不變,這個物體越大,表面積/體積的比值就越小,而對於生物體來說,這個比值太小,會導致生物體和外界物質交換困難。而所有的生物體,都需要排出廢物,不斷吸收營養。這也是為什麼無論多大的生物,細胞只能長那麼大。

對動物來說,想要得到足夠的氧氣。動物長得越大,就需要更大的肺。更大的肺,是指肺在身體中佔據的比例也更大。

中生代的空氣中,氧含量高達32%,而現在的空氣中含氧量21%左右。所以中生代的空氣足以支持恐龍那樣的巨獸,今天的空氣不能。

進階版,進階到真正物理的梗了呢。

真正物理的梗,我們觀測到的宇宙為什麼是這個樣子的?

霍金在《果殼中的宇宙》裡面討論了幾個很有趣的問題。其中一個就是「人存定理」,用我們的存在本身,來解釋為什麼我們觀測到的宇宙是現在這個樣子。因為只有在這樣的宇宙中,我們才能生存,所以我們觀察到的宇宙只能是這個樣子。似乎能解釋很多不好解釋的問題:

為什麼空間是三維的?或者說,為什麼空間不是二維的?不能是四維甚至更高維度的?

二維的空間不足以容納生命的復雜結構。霍金在《果殼中的宇宙》裡面就給了一個例子:二維的駱駝。二維的駱駝怎麼吃掉一個蘋果?把自己分成兩半嗎?

為什麼空間不能是四維甚至是更高維度的?

我們知道靜電力和萬有引力都是與距離的平方成反比的。我想這是因為我們生活在三維空間當中,而三維空間中存在著高斯定理。對電場來說,在一個封閉曲面上做對電場做積分,積分得到的通量和曲面內包含的電荷量成正比。而高斯定理使得這些力成為平方反比的作用力。

如果空間是四維的,電場力和萬有引力想必會和距離的三次方成反比吧。三次方反比的結果,是電場力和萬有引力的梯度太大,會撕裂我們所見的所有物體,就像土星撕裂土星環一樣。

為什麼土星環不能聚合成一顆真正的大衛星,而是只能形成一團塵埃和碎石漂在軌道上?土星環離土星太近了,它被土星引力的梯度撕裂,不能構成一個衛星。絕大多數星球都是靠引力來凝聚的。而在土星這樣一個大傢伙面前,土星環上的那些塵埃,不能靠自身的引力來對抗土星環的引力梯度,所以被撕裂。

在強大的引力梯度影響下,靠自身引力聚集已然不可能。所以只好靠分子間的作用力來聚合。可是聚合出來的東西,自然不會是那些大塊頭。畢竟只有引力的作用距離有那麼遠。

行星的引力梯度尚且如此,宇宙中最可怕的引力梯度就是黑洞。黑洞的引力梯度,大到可以撕裂比太陽大幾百倍的恆星。

而真正接近黑洞的視界時,面對強大的引力,所有的物質結構都會被撕裂,包括我們剛剛說過的靠分子間作用力聚合的物體。即使是那些我們所以為牢不可破的結構,分子,原子,核子,那些我們所知道的最強的力:電磁力、強相互作用,面對真正的奇點,統統都是戰五渣。

在四維的空間中,就會出現類似的問題。四維空間中,代入高斯定理,引力的表達式呈現三次方反比。而這個三次方反比的引力,無疑會有更大的梯度。這樣引力梯度會撕裂我們。所以,我們不能生活在四維空間中。

霍金用人存定理解釋的又一個問題是,為什麼宇宙存在至今,是150億年?

化學元素的產生,來源於大恆星內部的核聚變。碳、氧、氮,這些元素支撐著我們的生命。一顆大恆星從氫開始,在自身引力的作用下聚集,塌縮。在這一過程中,引力勢能轉化為這些氫分子的動能,也就是內能。內能不斷積累,高溫高壓之下,氫聚變。聚變的結果,就是形成了更多更復雜的化學元素。

需要產生真正足夠數量的重的化學元素,需要無數大恆星前仆後繼地聚變,自然是需要更多的時間。

大恆星完成了它們的生命周期之後,這些化學元素在宇宙中遊盪,重新在引力的作用下聚集,形成了像地球這樣的行星。地球上無機物之間的化學反應,機緣巧合形成了有機物。有機物的化學反應更加復雜,慢慢出現了生命。一切等待都是那麼漫長,150億年之後,終於出現了我們人類這樣的生命體。所以,我們觀測到的宇宙是150億年。

人存原理的邏輯是這樣的:因為只有這樣的世界能容納我們,只有在這樣的世界中我們才能存在,所以我們觀察到的世界是這個樣子的。

進階+1版

萬有引力是怎麼產生的,有個很有趣的解釋。

有個解釋是,廣義相對論所講,物體的質量使空間彎曲。物體在空間中運動,而空間被龐大質量所扭曲,就出現了萬有引力的效果。

然而我想討論的是另一種解釋。

兩個物體,構成了一個勢阱。根據不確定性原理,空間中波函數的位置和動量不能同時精確地測量。這個「不能精確測量」的意思,不是我們技術手段不夠,而是說粒子和波的運動本身就是不確定的。勢阱中的波函數不能是零。如果波函數是零的話,就違反了不確定性關系。所以,空間中的波函數一定是某一個基態。現在我改變兩個物體之間的距離,也就改變了這個勢阱。這個勢阱中波函數的基態也就相應地改變,也就改變了波函數基態的能量。

物體的位移導致了能量的改變,這正是一個保守力的特徵,所以萬有引力誕生了。

終極版,接下來的內容是關於相對論的,可能對不懂物理的同學造成成噸傷害。

我直接略去了相對論發現的過程,感興趣的親們可以看霍金《果殼中的宇宙》第一章《相對論簡史》;我也略去了相對論的公式推導,感興趣的親們可以去看大學物理教材。舒幼生《力學》北京大學出版社。這本書折磨了我一個學期之久。

其實為了寫這一段,我確實花了一天時間從頭到尾地推公式,然而我決定在這里把公式都略掉,畢竟我沒在寫教材。

狹義相對論中提出了不同於常識的時空變換:在不同的參考系下觀測,時間和空間都會變化。洛倫茨變換引出了「動鍾變慢」和「動尺收縮」的效應:如果一個物體,相對於我,以接近光速的速度在運動,我認為它的時間變慢了,我認為它的長度縮短了。

一個例子是來自宇宙射線中的μ子,在10-20km的高空中產生(大概是二次粒子吧)。實驗測量之下,μ子的壽命(半衰期)大概是2.2μs( )。就算μ子用光速飛行,它們再衰變之前能走過的平均距離也只有0.66km。然而,我們在地面上就能觀測到大量的μ子。

在μ子的參考系看來,地球在以接近光速運動,而動尺收縮效應,使得大氣層變薄了。μ子認為自己並沒有走10km,它走的距離還是0.66km。

在地球參考系看來,大氣層還是那麼厚。但是因為動鍾變慢的效應,μ子的壽命大大延長了。也就是說,運動中的μ子壽命是遠大於2.2μs的,μ子可以走完10km到達地球。

如果是一列火車,以接近光速的速度開進山洞呢?假設火車和山洞在靜止時長度是相等的。那麼在火車司機看來,山洞是運動的,所以縮短了,比火車短。在山洞門口的保安看來,火車是運動的,所以火車比山洞短。

現在保安做這樣一件事情:在關上山洞後門的同時,打開山洞的前門。達到的效果就是,有那麼一瞬間,火車是整個被關在山洞裡面的。把火車關在山洞裡面,就證明火車真的比山洞短了,對嗎?然而在火車司機的參考系看來,火車還是比山洞長的,這怎麼解釋呢?

然而,在火車司機的視角來看,是山洞的前門先打開了,若干時間以後,山東的後門關上了。其實火車還是比山洞長的。

時間是什麼?我們日常生活中對時間的測量,是基於對同時事件的觀測。「兩點鍾我出門」也就是,鍾的指針指向兩點鍾的時候,我出門了。但是我們用什麼辦法來對鍾?我的意思是說,想要確定兩件事情是「同時」,本身就很難。我們怎麼知道時間?看錶嗎?但是看錶的時候,資訊也是以光速到了我的眼睛裡啊。

對時間的測量,只有完全在同一地點,才是完全準確的。我在看錶的過程中,「六點鍾」這個資訊以光速傳遞到我的眼睛裡,這已經經歷了一段時間。所以,這個測量其實是不嚴格的。

對距離的測量,只有同時測量,才是準確的。我測量一個桌子的長度,只有在t1時刻測量桌子的左邊是x1, 右邊是x2, 這樣測出來的長度是準確的。如果我在t1時刻測量桌子左邊x1,在t2時刻測量右邊是x2,誰又知道這段時間里桌子動過沒有呢?

洛倫茨變換本質上強調的是同時,同一地點的相對性:同時和同地的觀測需要資訊的傳遞,而資訊的傳遞需要時間。因此,在不同的坐標系中,對不同的觀察者而言,會出現不同的同時、同地標准。理解了這一層,就明白為什麼長度和時間會隨著坐標系的變換而改變。

洛倫茨變換的基礎是:所有的參照系都是平等的,沒有一個絕對靜止的參照系;在各個參照系中,光速都是不變的。然後就是一系列推導了。

有了洛倫茨變換,動鍾變慢和動尺收縮,就不難推導了。

想要測量時間,必須同地。想要測量空間,必須同時。而相對論對傳統時空觀真正的顛覆,就是提出在不同的參考系下「同時」和「同地」的標准都會變的。

而在剛剛山洞關火車的例子里:在火車司機的視角看來,保安測量火車長度這個行為並不同時,所以測量得不對。

相對論的另一個有趣的問題是雙生子佯謬了。

雙胞胎兄弟,一個留在地球上,一個坐著飛船去旅行。運動是相對的,所以在飛船上的哥哥看來,地球上弟弟的時間變慢了;在地球上的弟弟看來,飛船上的哥哥的時間變慢了。所以問題來了,哥哥和弟弟到底誰更年輕?

一直以來,很多人認為這個題目要訴諸廣義相對論:哥哥在飛船上,要返回地球,要做加速運動。作加速運動的結果就是,他比弟弟更年輕。

在這里我想說的是,其實這個問題在狹義相對論的框架內就能解決。相對論的基本假設在於,在任何參考系中真空光速不變、兩個事件之間的間隔不變。間隔的表示如下

在我們平時對間隔的定義下,兩點之間直線最短。然而在這個公式對「間隔」的定義之下,就成了兩點之間直線最長。圖中紅線是坐飛船的哥哥在時空中的路線,藍線是留在地球上的弟弟。

那麼,不管哥哥飛出去多遠,他想要回到地球跟弟弟比誰更老,都要走一條折線。兩點之間直線最長,所以,弟弟走過的間隔線是比哥哥更長的。那麼,這個問題的結論是:在任何一個參考系眼裡,哥哥都比弟弟要年輕。

最後一個問題是愛因斯坦的那個著名的公式

講的是質量和能量的對應關系。這個公式到底是什麼意思?我還特意討教過好幾個老師。答案是,其實在狹義相對論的語境之下,我們是不區分能量和質量的。質量就是能量,能量就是質量。就像我們在稱體重的時候不會區分地球的重力和我們身體的質量一樣。

質量守恆在相對論的語境之下,則表示動質量守恆。(洛倫茨變換的另一個結果,運動的物體質量會變大)而物體動質量與靜止質量之差,就是它的動能了。

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