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大设计

力

引力

长程，弱，大物体迭加

由自旋为2的引力子携带

· 没有质量，所以长程

· 实引力子会产生引力波

决定宇宙的宏观结构

电磁力

长程，强，大物体抵消

由自旋为1的光子携带

· 无质量，长程

· 电子从离核较远的轨道变到离核较近的轨道时，释放能量，并且发射出实光子

· 光子和原子相撞，会将电子从离核较近的轨道移动到离核较远的轨道，吸收能量，光子被吸收

决定全部化学和生物学过程

弱核力

短程，弱，放射性

强核力

短程，强，束缚质子和中子/夸克

由自旋为1的胶子携带

色禁闭性

· 总把粒子束缚成不带颜色（白色）的结合体

· 红+绿+蓝夸克

? 质子或中子

· 红+反红 / 绿+反绿 / 蓝+反蓝 夸克

? 介子

? 不稳定

· 不能观测到单独的夸克或胶子

在高能量下变弱

相对论

狭义相对论

光速对于所有自由运动的观察者都应该显得相同（光速是绝对的）

· 时间是相对的！

? 每个人都拥有自己的时间！

· 没有东西可以运动得比光还快

E=mc2

· 本源真相的揭示1！

? 物质和能量的对等性

· 魔鬼被释放！

? 1939年曼哈顿计划（原子弹）开始

? 离真相越近，也就离毁灭越近？

广义相对论

大质量物体/能量 将时空弯曲

· “引力”只不过是时空为弯曲的这一事实的表现

? 时间和空间不能相互独立

? 四维时空

? 地球在四维时空中沿着直线运动，在三维空间中看起来却成了圆周轨道

· 证据

? 1999年英国西非探险队在日食时观察到光线通过太阳临近时被弯折

在大质量物体附近时间流逝得更慢

· 在大质量物体附近光的能量更大，频率更快，波长更短

· 高处生活的人比低处生活的人老得快！

使狭义相对论和引力理论相协调

· 牛顿引力论是广义相对论在弱引力场极限的一种近似

? 对水星运动的高精度观测发现它的实际运动和牛顿理论预言的略有不同，但和广义相对论的预测符合（其轨道椭圆的长轴应围绕太阳以大约每万年1度的速率进动）

引力波

· 运动的重物发射引力波

· 证据

? 双脉冲星PSR1913+16 (1975年，罗素*荷尔西，约瑟夫*泰勒，1993年诺贝尔奖)

? 两颗致密中子星，相互公转，轨道周期在10多年间减少了10秒

? 将会在3亿年后相撞

量子力学

基础理论

不确定性原理

· 粒子的位置和速度不能被同时精确测量

? 普朗克常量

? 粒子位置的不确定性 x 粒子速度的不确定性 x 粒子质量 >= 普朗克常量

? 粒子不再拥有明确的位置和速度，而是位置和速度的一个结合物，即量子态

? 波函数可以被预言（薛定谔方程）

· 场值和变化率不能被同时精确测定

? 不存在绝对空虚的空间

? 真空起伏

费恩曼历史求和

· 宇宙具有每一种可能的历史，我们对于现状的观测确定宇宙的不同历史

· 对系统的观测影响它的过去

· 证据

? 电子双缝实验

? 单个电子在同一时刻通过了两条狭缝！

量子场论

玻色子

· 虚粒子

? 无质量

· 具有整数自旋（0，1，2）的粒子，基态能量为正

· 在物质粒子之间来回飞行，携带并传递力

? 如光子或引力子

? 粒子和反粒子相同

· 不服从泡利不相容原理

费米子

· 具有半整数自旋（如1/2, 2/3）的粒子，基态能量为负

· 物质粒子

? 如电子和夸克

超对称

· 每一种费米子/玻色子都具有其自旋比它大/小 1/2的超伴侣

量子电动力学（QED）

电磁力的量子理论

· 预言兰姆移动

量子色动力学（QCD）

基本粒子由夸克构成

· 颜色性

? 红，绿，蓝 / 反红，反绿，反蓝

? 只有无色组合才能作为自由粒子存在

? 夸克 + 反夸克 = 介子（不稳定）

? 红 + 绿 + 蓝 = 重子

? 质子

? 上+上+下

? 中子

? 下+下+上

? 反红 + 反绿 + 反蓝 = 反重子

? 反质子

· 渐进自由性

? 靠近强力变小，离开强力增大

? 夸克不能被单独观测到

· 6种味

? 上（+2/3电荷），下（-1/3电荷），奇，粲、底、顶

? 每种味都有三种色

统一电磁力与弱核力

· 预言W+，W-和Z0粒子（重矢量波色子）

? 自旋为1

? 在低能量下一些看起来完全不同的粒子子，事实上只是处于不同态的同一种粒子

? 在能量远超100吉电子伏的时候，和光子的行为相似

? 电子伏特

? 一个电子从一个伏特的电场得到的能量为1电子伏特

? 在大多数情况下，能量较低，粒子之间的对称被破坏，得到了大的质量。携带的力变成了短程

? 对称性自发破缺

原子结构

经典力学

· 电子是粒子

? 电子在旋转过程当中将会逐渐失去能量并最终撞击到原子核上

? 物质将会很快坍缩成密度非常高的状态

? 经典力学崩溃

量子力学

· 电子是波

? 电子只能围绕长度为波长整数倍的轨道张旋转

我们能支配的粒子的能量有多高，能“看到”的尺度就能有多小（能量越高，波长越短）

· 普朗克长度（1/1亿亿亿 毫米）

? 物理学的最小长度

? 我们可以探测而不必创生黑洞的最小距离

无边界理论

虚时间

同实时间成直角的时间

（虚）时间和空间是有限的，形成了没有边界的闭合面

对应于每一种可能的闭曲面在虚时间中都存在一个历史

· 虚时间中的历史和实时间中的历史一一对应

虚时间可能才是真正的时间，我们的实时间只是子虚乌有的空想？

宇宙是完全自足的（有科学定律和概率决定），不需要外界的任何东西去启动

宇宙自发出现并以所有可能的方式开始（费恩曼历史求和的不同表述）

创生出许多拥有不同物理定律的不同宇宙

· 其中一些达到临界尺度，发生爆胀

? “上帝的确掷骰子”

· 完全光滑地启始宇宙的历史拥有最高的概率

我们用自己的观测来创造历史，而非历史创生我们

预言

宇宙的膨胀率在每一方向上几乎相同

宇宙必须恰好从由不确定性原理允许的最小可能的非均匀性开始

· 最终导致星系、恒星……和已知宇宙的形成

M理论

膜世界

p膜

· 点

? 粒子

· 线

? 弦

· 面

? 二维膜

· 体

? 三维物体

? 我们也许生活在一张三维膜上，而我们世界的态记录着发生在五维区域内一切的密码（全息原理）

? 我们生活在五维空间的边界上面？

· 4~9维的其他物体

非引力的力被限制在膜上

引力发散到额外维

· 邻近膜会防止引力发散到更远的额外维

影子膜

· 由于光被限制在膜上，我们不能看见影子世界

· 我们能通过引力效应感受到影子膜的存在（暗物质）

? 行星可以围绕在影子膜上的暗质量公转

? 证据

? 银行系的螺旋星系边缘的恒星公转的速度过快，单凭我们观察到的所有恒星引力不足以把它们约束在轨道上面

大爆炸由膜的碰撞引发？

（宇宙）弦论

弦可以有端点（开弦），也可以自己连接成一个闭合圆环（闭弦）

· 开弦的世界片是一条带子

· 闭弦的世界片是一根管道

· 弦可以相互合并或者分拆成多条弦

? 有点像管道工程！

存在5种不同的弦论

· 只是M理论的不同近似

弦的不同振动导致不同的质量和力荷

· 它们被解释为基本粒子（粒子是弦的振动模式）

? 振动的波长越短，粒子质量越大

推论

· 时空必须为十一维（十个空间维和一个时间维）

? 额外的7个维度被卷曲成内空间

· 额外维的蜷缩方式有限

? 内空间的形状确定自然的表观定律

? 允许具有不同表观定律的不同宇宙

? 可能存在10的500次方个宇宙！

一个完备的统一理论只是第一步，我们的目标是完全理解发生在我们周围的事件以及我们自身的存在！

伟大的理想！

其他

好的理论模型

优雅

包含很少任意或者可调整的元素

和全部的观测一致并能解释之

能对将来的观测进行详细预言，并有可能被观测证伪

有效理论

任何难以预测的复杂存在都具有自由意志？

· 比如人类

自由意志、经济学

C，P，T对称

C：电荷对称

· 定律对于粒子和反粒子相同

P：宇称对称

· 定律对于任何情景与其镜像相同

? 弱力不服从P对称(1956年，杨振宁，李政道)

T：时间对称

· 定律对于前进或后退的时间方向一样

? 如果颠倒所有粒子和反粒子的运动方向，系统应回到早先的那样

任何服从量子力学和相对论的理论总是服从CPT联合对称

大统一理论（GUT）

在高能量下电子和夸克相互转变

· 电子 <-> 反夸克， 反电子<->夸克

在高能量下弱核力，强核力和电磁力统一

时间旅行

基础

广义相对论

· 虫洞

宇宙弦

长的具有微小截面的重的物体

· 一根单独的宇宙弦可以贯穿整个宇宙

两根宇宙弦相互快速穿越的时空允许时间旅行

量子理论允许微观尺度上的时间旅行

根据费恩曼历史求和，应该存在粒子向过去旅行的历史，尤其是在时空的一个闭合圈环上不断循环的历史

证据

· 两片平行金属板之间的很小的吸引力（卡西米尔效应）

? 平板间距离是其中虚光子波长的整数倍

? 平板间的能量密度为负！

· 在闭合圈环中运动的电子引起的氢原子光谱的微小位移

时序防卫猜测

物理定律协同防卫宏观物体的时间旅行

一个在时间中向未来运动的通常粒子等价于一个在时间中向过去运动的反粒子

黑洞

逃逸速度超过光速的星体

恒星的生命周期

1.大量气体（主要为氢）受引力吸引坍缩，氢聚合成核，开始发光

2. 内部压力和引力平衡，进入稳定期（褐矮星）

3. 氢燃料耗尽，成为红巨星

4. 坍缩

· 恒星质量 < 钱德拉赛卡极限（约2个太阳质量）

? 白矮星

? 半径几千英里，每立方英寸几百吨（电子排斥）

? 中子星

? 半径10英里，每立方英寸几亿吨（中子和质子排斥）

? 证据

? 1967年，脉冲星（旋转的中子星）发现，剑桥

· 恒星质量 > 钱德拉赛卡极限

? 黑洞

? 其数目应该比可见恒星数目大得多！

? 解释银河系为何以现有 速率转动（仅凭可见恒星的质量不足以形成这种情况）

? 银河系中心是一个大约为太阳质量10万倍的黑洞

? 银河系中心有非常致密的射电波和红外线源

? 证据

? 天鹅X-1

? 正在被“吃掉”的可见星 + 6倍太阳质量的不可见伴星（黑洞）!

? M87星系

? 中心是一个20亿倍太阳质量的黑洞！

? 星系NGC4151中心是一个1亿倍太阳质量的黑洞

黑洞也可以由外部的巨大压力形成

极早期宇宙可能形成小质量的太初黑洞

· 太初黑洞应该辐射出伽马射线暴

黑洞无毛

完美的旋转的椭球形

大小和形状只取决于它的质量和旋转速率（与形成它的本源天体的性质无关）

事件视界（黑洞的外边界）

光线距黑洞的常距离处逗留，永远不能离开

事件视界是黑洞的熵的测度

· 热力学第二定律

? 一个孤立系统的熵总是增加，并且将两个系统连接在一起时，其合并系统的熵大于所有单独系统的熵的总和

· 想了解发生在黑洞之内的东西？

? 量子论+全息

? P膜的黑洞模型

? 落入黑洞的信息不会消失

黑洞辐射会带走能量

黑洞质量会不断缩小

· 黑洞温度会越来越高

? 辐射加快

? 最终完全消失

? 落入黑洞的信息将会消失

大质量的黑洞很冷

T=hc2/8πKGM（M为黑洞质量）

· 几个太阳质量的黑洞，温度只比绝对零度高1/1,000,000度

? 绝大部分黑洞的量子辐射被淹没在宇宙微波背景辐射中

生命起源

我们的创生（碳形成的三阿尔法过程）

两个氢核碰撞生成氦

· 两个氦核碰撞生成铍

? 开始坍缩的恒星中，铍在衰变前和氦核碰撞生成碳

恒星在生命终点超新星爆发抛出碳和其他重元素

· 这些物质凝聚成行星

? 再经过不可思议的复杂过程形成具有自我复制能力的单元（细胞），并最终形成生命

铍核和氦核的能量之和与要形成的碳的同位素的某一量子态的能量精确相等（共振）

· 核物理定律被有意设计？（弗雷德*霍伊尔，1950年代）

（在太初海洋中）原子的相互碰撞形成分子

分子能够自我复制并不断聚集

· 35亿年前DNA分子出现

DNA

本源真相的揭示2！

· 生命密码

双螺旋结构 + 4 种碱基（腺嘌呤，鸟嘌呤，胸腺嘧啶，胞嘧啶）

· 碱基沿螺旋楼梯排列的顺序携带遗传信息

人类遗传工程不可避免

· 人类将进入快速进化时代？

· 离真相越近，离毁灭越近？

人类成为统治阶级

文字的发明

· 现代文明的真正起始，质变时刻！

· 通过外部的非生物手段的资讯传递使人类凌驾于世界之上，并使人口指数增长

智慧有更好的存活价值吗？

细菌比人类的历史更悠久，生命力更强

计算机将最终具有智慧

复制人脑（大规模并行计算）

生命游戏（1970年，剑桥，约翰康威）

人类也可以扮演上帝？

我们的宇宙

组织结构

星系团

· 星系

? 恒星系

? 行星

（亿万个）星系

· 螺旋星系

? 银河系（由千亿颗恒星组成）

? 太阳系（位于银河系的外臂）

? 地球

? 距离我们最近的恒星-比邻星

? 4光年

? 宇宙速度

? 第一宇宙速度

? 12千米/秒

? 逃离地球

? 第二宇宙速度

? 100千米/秒

? 逃离太阳系

· 棒旋星系

· 椭圆星系

创生

大爆炸

· 大约发生在137亿年前

· 证据

? 宇宙微波辐射CMBR

? 早期致密致热宇宙遗留下来的辐射

? 比绝对零度高2.7度

? 预言宇宙中氢、氦、锂的比例和观测一致（氦丰度）

· 膨胀第一相 – 爆胀

? 宇宙的起源是一个量子事件

? 其比例好像一枚硬币突然间爆炸到银河系宽度的1000万倍！！！

? 预言CMBR的不均匀性

? 1992年首次被NASA的COBE卫星观测到

? 暴胀的确发生过！

? 需要以不可思议的精确程度设定宇宙的初始状态

宇宙正在膨胀

恒星观测

· 光谱

? 红色端

? 长波

? 蓝色端

? 短波

? 波长比较

? 伽马射线 < X射线 < 紫外线 < 可见光 < 红外线 < 微波 < 射电波

· 从光谱推测出温度和大气元素

· 离开地球时波长变长，因此红移

每10亿年膨胀 5% ~ 10%

所有能观测到的恒星质量总和 < 阻止膨胀所需临界值的1%

· 暗物质的存在证据

终结

大挤压（物质密度超过临界值）

无限膨胀，寒冷虚空（物质密度低于临界值）

弱人择原理（我们的存在限制了我们所处的环境）

太阳系刚好是单星系统

· 双星或多星系统中，行星要么太热，要么太冷，无法维持生命

地球轨道几乎是正圆（2%的偏心率）

· 偏心率高的椭圆轨道在近日和远日的时候温度相差过大，无法维持生命

太阳系存在狭窄的“金凤花区域”允许液态水的存在

· 地球正好处于其中！

强人择原理（我们的存在限制了自然定律的形式）

我们的宇宙及其定律就像是一种精心设计，为了我们的存在！

现象

· 强核力/电磁力如果稍微改变

? 恒星中会毁灭全部的碳/氢

· 弱核力如果再弱一点

? 所有的氢都会转变成氦

? 恒星无法形成

· 弱核力再强一点

? 超新星无法喷出外壳

· 构成质子的夸克的质量总和对于大量稳定原子核的存在刚好最佳

· 只有三维时行星的椭圆轨道才有可能

· 宇宙常数的存在

科学史

世界由自然规律制约泰勒斯（-624 ~ -547），爱奥尼亚

预言首次日食（-585）

进化论起始阿那克西曼德（-610 ~ -546），爱奥尼亚

毕达哥拉斯弦长定理毕达哥拉斯（-580 ~ -500），爱奥尼亚

自然定律的最早数学表述

发现空气恩培多克勒（-490 ~ -430），爱奥尼亚

提出原子德谟克里特（-460 ~ -370），爱奥尼亚

地球是圆的（-340，《论天》）亚里士多德

地球围绕太阳公转，夜空中的星星是遥远的太阳，人类并不处于宇宙的中心阿里斯塔克（-310 ~ -230），爱奥尼亚

“杠杆定律”、“浮力定律”、“反射定律”阿基米德（-287 ~ -212）

地心模型托勒密(85~165)

日心模型（1514）哥白尼

科学二原则：1.观测是科学的基础 2.科学的目标是研究物理现象之间的定量关系伽利略（1564 ~ 1642）

上帝让世界启动，给定一个初始状态，然后放手。世界由自然定律制约笛卡尔（1596 ~ 1650）

光速有限（1676年，欧尔*克里斯 琴森*罗默，丹麦）

牛顿三定律（1687，《自然哲学的数学原理》）艾萨克*牛顿（1643 ~ 1727）

除了精神和思想，没有任何东西存在乔治*贝克莱（1685-1753）

科学决定论拉普拉斯（1749 ~ 1827）

电磁场（1831年，迈克尔*法拉第，英国）

麦克斯韦方程（1865年，詹姆斯*克拉克*麦克斯韦，苏格兰）

迈克尔孙 莫雷实验（1887年，俄亥俄州克里夫兰，凯斯应用科学学校，阿尔伯特*迈克尔孙，爱德华*莫雷）

光速似乎总是相对不变（沿着地球运动方向的光速和与地球运动垂直的方向上的光速相同）

发现电子（1897年，剑桥大学卡文迪许实验室，J.J.汤姆逊）

光以量子波包发射或吸收（1900年，马克思*普朗克，柏林）

量子理论开端

狭义相对论（1905年，阿尔伯特*爱因斯坦）

原子由原子核和电子组成（1911年，恩斯特*卢瑟福，新西兰）

广义相对论（1916年，阿尔伯特*爱因斯坦）

泡利不相容原理（1925年，沃尔夫冈*泡利，奥地利）

两个类似的粒子不能存在于相同的态中

1945年诺贝尔奖

不确定性原理（1926年，威纳*海森伯）

粒子位置的不确定性 x 粒子速度的不确定性 x 粒子质量 >= 普朗克常量 (海森伯不确定性方程)

电子双缝实验（1927年，贝尔实验室，克林顿*达维孙，勒斯特*泽默）

量子物理开端（波/粒 二重性）

反电子（物质）存在（1928年，保罗*迪拉克，剑桥）

1932年正电子发现

1933年诺贝尔奖

宇宙正在膨胀（1929年，埃德温*哈勃）

多普勒效应（红移）

不完备性定理（1931年，库尔特*哥德尔）

发现中子（1932年，詹姆斯 * 查德威克，剑桥）

获诺贝尔奖

量子电动力学（QED，1940年，理查德*费恩曼）

费恩曼历史求和

费 恩曼图

DNA双螺旋结构（1953年，弗朗西斯*克里克，詹姆*华特森，剑桥，卡文迪许实验室）

宇宙微波辐射（1965年，阿洛*彭齐亚斯，罗伯特*威尔逊）

量子色动力学（QCD，1967年，阿拉伯斯*萨拉姆， 史蒂芬*温伯格，伦敦帝国学院）

1979年诺贝尔奖

奇点存在，而时间具有开端（1968年，史蒂芬*霍金，罗杰*彭罗斯）

发现夸克（默雷*盖尔曼，加州理工）

1969年诺贝尔奖

提出"黑洞"（1969年，约翰*阿契巴尔德*惠勒，美国）

提出“暗星”（1783年，约翰*米歇尔，剑桥）

宗教束缚让人类失去1000年！