我们为什么了解宇宙
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参考文献
可理解的宇宙 - Stenger, Victor J
为什么物理世界如此容易理解 - P.C.W.戴维斯
我们能看到的世界
如果你在晚上看天空，你可以看到成千上万的星星，它们与我们的太阳没有什么不同。如果你通过望远镜观察它们，你可以观察到更多的恒星和星系。天文学家利用望远镜收集的数据发现，我们的太阳大约是银河系 1000 亿颗恒星中的其中之一。在我们的银河系之外，还有大约1000亿个其他星系，拥有1000亿颗恒星，距离至少100亿光年。这只是我们获得的事件视界的信息。现代天文学模型显示了地平线之外更大的宇宙，这个模型甚至可以解释其他宇宙。
让我们把目光转向地球、海洋、云朵、山脉、沙漠、植物和动物。而且，我们的科学仪器再次揭示了显微镜的世界，最多也揭示了呈现表面外观的原子世界。
宇宙的巨大规模和复杂性以及微观世界的奇异性使许多外行和科学家推测宇宙将永远被神秘所包围。当然，已经有人提出，智力有限的人类永远无法容纳比我们的感官和仪器获得的数据更多的信息。
在本书中，我对这个假设提出了挑战。宇宙是可以理解的。远离神秘的奥秘，现有的物理学和天文学都在我们的理解范围之内。以下是我们努力学习的简要总结并得出一些一般性结论。
发光物体
物理学的巨大成功有力地表明，物理学不仅仅是一种工具。这些模型对于尚未被观察到的领域具有令人惊讶的预测能力，以简单地将世界视为随机运行。当然，物理学正在谈论最终的现实。然而，正如我所强调的，我们用来描述我们所观察到的事物的模型不需要模仿现实世界。如果模型不模仿世界，那仍然有意义。如果模型提出了适当的预测，它就可以用来预测未来。
在下一章中，我将思考自然的现实，但我可能会有些失望，因为我们只发现了至少两个完全依赖于观察的形而上学模型。因为它是最简单的，所以我更喜欢的模型是假设，原子论，即世界由底层粒子组成，并且它们移动到其他空的空间中。我将其称为“原子理论和真空”。对我来说，这是一个可以理解的宇宙。
但我不得不承认，还有另一种受到数学家和一些理论物理学家青睐的形而上学模型。这被称为柏拉图模型，该模型认为世界不是由电子和夸克等物质组成的，而是由数学中描述的抽象空间、量子场组成，与时空无关。对于大多数人，包括我自己来说，这是一个难以理解的宇宙。然而，在更具体地解释这些观点之前，让我们先看看我们可以自信地理解什么。最重要的是，在科学中，我们通过观察方法获得知识。观察可以看作是踢某物并找出要倾倒该物体的过程。作为识别这些冷冲物体的过程，我更准确地解释了所有观察中发现的能量和动量转移的过程。此时，物质被定义为向观察者传递能量和动量的物体。通过使用从特定运动获得的数据命名，可以将该材料识别为可区分的对象。这个模型对这些特征做出了更多的假设，并且它们都通过实验和观察进行了检验。
现在，这个模型似乎并不包括现实中定义的非物质事物。事实上，有人认为科学在物质解释一个领域方面存在局限性。然而，这两种想法都是错误的。如果纯粹依赖于物质的理论为所有观察结果提供了充分的描述，则模型中不需要也不需要附加组件。另一方面，如果纯粹依赖于材料的理论是不够的，那么我们的模型中需要额外的元素就有合理的理由。在这种情况下，自然包含一些非物质元素。到目前为止，还没有任何非物质元素被证明是必要的。
正如时空模型中所描述的，最具代表性的观察形式是从光源发出的光从物体反射并到达我们的眼睛的方式。或者我们正在看的物体可能就是光源。即使我们自己不“踢”他们，他们也会“夸”我们。我们的其他感官（感觉、听觉和触觉）也有类似的过程。
在仔细的实验中，我们通过向实验室中的物体发射可以测量动量或能量变化（例如光子）的探测粒子来量化我们的观察结果。因此，基本的测量过程可以看作是观察者与观察对象之间的动量和能量交换。借助科学工具，我们可以通过使用可见光之外的光子或 Nutrino 等其他粒子来扩大观察范围。科学观察比所有其他人类观察更准确、更量化，但人类观察也相当量化。例如，在我们的生活中，我们经常将某个事件记住为特定的时间和地点。
在科学中，原子钟提供时间标准，其他时钟与该原子钟同步。根据最近的传统，两点之间的距离定义为光在两点之间传播所需的时间。在第二章中，我们讨论了将光发射到未观察到的点后原子钟的使用。通过对返回信号进行计时（假设存在），可以测量物体的位置、速度、加速度和其他物理变量。注意，前述时空模型是为了描述这些观测方法而设计的模型。我们没有其他方法可以如此详细地观察物体，也没有办法证明自然确实是由这些物体组成的，并且距离、速度和加速度等术语是自然的真正元素。我们只能说这个模型简单且一致。只要我们对所有数据显示一致的结果，我们就可以安全地得出合理的结论。时空模型并不是我们描述数据的唯一选择。 20世纪60年代，物理学家试图从他们的理论模型中去除空间和时间，并发展了仅由动量和能量（尤其是四动量）、S矩阵理论或自举理论代表的模型。这种方法源于这样一个事实：物理学的基本过程是粒子间的相互作用。然而，该模型的可预测性较差，并且由于夸克的发现而被废除，夸克强烈表明空位时间模型是有效的。尽管如此，在S矩阵理论中，委内瑞拉模型为发展为超弦理论提供了基石。超弦理论指出，如果不仅仅是一个四维变量，而是在普朗克尺度上编织更多维度，它就可以解释世界。
在我们的四维时空模型中，粒子被定义为太小而无法测量的物体，例如点。观察使我们假设所有可测量的物体都是一组潜在的点材料。夸克、轻子和规范守恒等标准模型对应于所有数据。如果底层对象是字符串或 m 膜（点是 0 膜，字符串是 1 膜，面是 2 膜等），那么它们是如此之小，以至于在将来它们将被视为诸如点之类的粒子。
确保客观性
给定我们的现实物质模型和时空，我们可以将人类在历史上观察到的东西与该模型结合起来。由于我们可以从不同的角度看待一个物体，物理学家已经意识到不应该从特定人的角度来解释数据。当然，这种模型完全依赖于观察并没有错。然而，这样的解释是主观的，不太可能代表这个世界的真相。也许更准确地说，这些主观模型在不同的框架中看待时可能毫无意义。科学一直追求客观性，因为历史已经表明这些方法会产生更好的结果。为了获得适当的机会来创建代表客观现实的模型，物理学家试图建立其他观察者可以以同样的方式看到的模型。当他们制定模型时，他们觉得有必要提出一些假设（找到更多基本规则）以获得所谓的物理规则。事实上，我们需要通过构建尽可能简单的数学规则来描述这种性质。
这类似于我们的大脑通过眼睛处理信息的方式。每只眼睛测量二维图像和能量（颜色），并将这两条信息组合起来产生与所有观察者相似的三维图像。
通常，我们将物理规则视为约束物质行为的条件。当然，守恒定律传统上也是如此。例如，扔出的球只能达到其能量允许的高度。但一个世纪前，艾玛·诺特证明了能量守恒定律、线动量守恒定律、角动量守恒定律与时空对称性密切相关。从这个意义上说，能量是随时间变化的数学元素。但正如我们已经看到的，能源是一个可衡量的目标。我们的眼睛在记录颜色的过程中测量能量。但我们只讨论测量能量的通用设备，即热量计。可以使用测量水温的温度计和与水隔离的仪表来制作简单但非常不准确的量热计。移动的物体进入水中并减速。物体的初始动能是通过水的热量的变化来测量的，水的热量的变化可以通过水温度的升高来测量。这里，有一个隐藏的假设，即损失的动能已转化为热能。当发生化学反应或核反应时，其余能量也可以转化为热量。如果实验者想要更准确地分析，还应该确定其他能量减少因素，例如声音的产生。
假设我们没有任何工具来干扰物体的运动，而不仅仅是热量计。那么我们可以假设物体将以恒定的能量继续运动。如果这里能量不守恒会发生什么？如果是这样，物体在移动到某些空旷的空间时可能会减慢或停止。同样，它可能会更快。因为没有什么可以阻止物体加速。一般来说，测量的质量会发生变化或者会出现这种综合效应。
在经典物理学中，质量是物体的不变静态量。动量实际上是移动物体的数量，是一个不变的动态量。能量是物体做功的能力，而做功是力的有效应用。这些物理量在基础物理教科书中都有定义。
简单地假设物体的质量是一个常数，因此能量的任何变化都可以通过速度的变化来测量。然后，让我们制作一个物体在空旷的空间中移动的视频。如果能量恒定，我们就无法知道特定帧意味着什么时间。也就是说，我们不能用一个明确的标准来划分每一帧。另一方面，如果能量不是恒定的（如果能量守恒定律由于观察行为而改变），则视频的每一帧都可以随着时间的推移而被区分。你可以找到能量守恒和时间之间的不变量。
这种现象到底是怎么回事呢？构成宇宙的特殊规则，称为能量守恒定律，使孤立的物体以恒定的能量运动。
我提供了另一种观点。能量是我们物理学家发明的概念，被定义为可以用热量计测量。从任何角度来看，该量必须与时间无关，以便产生一致的结果（即，在这种情况下，无论时钟何时启动）。
让我们更准确地解释这一点。如果我们想要创建一个不依赖于特定观察者视角的时空模型，该模型需要包含在含义上有些抽象的能量概念，尽管它意味着从热量计读取的数字。同样，模型还应包括线动量和角动量的概念。
现在，当亥姆霍兹于 1847 年发现能量守恒定律（纳特发现她的理论之前）时，这样的讨论就成为可能。然而，回想起来，虽然能量并不是牛顿力学的明确元素，但牛顿定律却可以导出随时间变化的量，这表明它本质上暗示了能量守恒。事实上，能量守恒定律是大学一年级的学生从牛顿定律中就能推导出来的定律。
反驳的可能性类似的论点也适用于其他守恒定律。作为一种测量方法，函数定义的线性动量和角动量、电荷、核子和其他几个量应该能够在其他时空模型中守恒。这个守恒定律就成为一个普遍原理，而不是一条定律。事实上，它们是“非法的”或“无法无天的法律”，这是我更喜欢的标题。指向时空模型中的特定位置和方向需要一些我们可以将其解释为定律的运动。但我们希望看到的并不是这样的运动。尽管如此，我们希望它不依赖某一特定观点来表达客观现实。
如果取决于视角，我们将给出一个放弃视角独立原则的严重例子。 20 年代末，测量了各种原子的 β 射线能谱。其基本原理是由于β衰变，其中原子核中的一个中子变成一个电子和一个质子，并且β射线可以通过电子来测量。由于中子的初始动量为零，因此质子和电子在相反方向上必须具有相同大小的动量。 （动能源自中子的质量缺陷。）由于电子的线性动量是固定的，因此电子的动能也必须是固定的。然而，这与观察结果不同。相反，电子的能量绘制了连续的光谱。
这个实验暗示能量已经转变为其他形式或者看不见的粒子已经被创造出来。后一种可能性是角动量守恒定律。这是因为所有三个粒子的自旋均为 1/2，并且无法匹配三粒子反应中的角动量。
1930 年，沃尔夫冈·泡利 (Wolfgang Pauli) 提出，正如恩里科·费米 (Enrico Fermi) 推测的那样，这种看不见的粒子将是自旋为 1/2、质量非常小的 Nutrino。二十五年后，Nutrino 首次在实验室中被发现。
现在，假设没有发现 Nutrino，并且反应总是仅形成两个粒子。这违反了能量守恒定律、线动量守恒定律和角动量守恒定律。这意味着为描述我们的观察结果而引入的规则与解释观察结果密切相关。到目前为止，还没有发现这些规则有错。
这也说明了为什么我们引入的东西与后现代主义并不冲突。在后现代主义中，任何事情都有效。但在物理学中事实并非如此。
总之，用于为我们的模型提供基础的视角独立原则是非常可测试的和一次性的。而且它从未被反驳过。
权力的概念
现在让我们回顾一下我们的权力概念。在经典物理学中，守恒定律涉及运动方程和描述物体运动的力的概念。在量子物理学中，这样的方程描述了物体的平均运动。一般来说，力是引起事件的因素，例如物体运动的变化。然而，我们知道所有基本力都是物理学家设计的物理量，因此即使在不同的角度来看，运动方程也不会相互矛盾。经典物理学中提出了离心力和科里奥利希姆，使得牛顿定律仍然适用于旋转系统。请注意，这些力并不存在于所有框架中。如果您漂浮在地球上并且正在观察地球旋转，则不必使用离心力和科里奥利力来描述物体的运动。但是，如果您想在地球上的固定位置使用牛顿定律，则需要引入这些力以保持视角独立性（此处为牛顿力学）。
爱因斯坦意识到引力与其他角度的结果是一样的。落在均匀引力场下的观察者不会感受到任何重力。观察者的处境与远离天体的太空舱中的观察者没有什么不同。另一方面，观察者在地球上方观看电梯以加速度坠落时，会感觉到加速度正在作用在电梯上。这与电梯中的观察者以相同惯性加速度加速的情况相同。然而，这种惯性力是虚构的力，例如离心力和科里奥利希姆力。
那么是什么让物体加速到表面呢？正如我们的经典描述所述，我们称之为引力。或者，如果有人想要独立于视角的广义相对论，我们将解释一个物体沿着称为测地线的曲面上的最短路径移动。
这取决于型号。在这种情况下，广义相对论是一个优越的模型。然而，在许多情况下，不同的模型描述的现象对于同一现象来说是充分的，但彼此矛盾。那时，很难将一种理论与另一种理论相比视为真正的现实。
事实上，这个练习本身就是我们创造的。回想一下，当我们定义空间和时间时，我们使用时钟和在空间中移动的物体来进行测量。力的规则保证了该模型的一致配置。换句话说，过程（组成？）不是任意的。尽管锻炼和力量是我们的发明，但它们已经做到了旧模式无法做到的事情。该模型将准确地描述观察结果。
我们的模型中提出的时空协调涉及伽利略相对论，即以恒定速度运行的物体具有相同的视角。然而，伽利略变换的应用范围仅限于运动速度远低于光速的物体。由于洛伦兹变换，更一般的视角可以涵盖所有速度。一旦我们获得了洛伦兹变换并拥有合适的动量和能量形式以保持一致，我们就获得了诸如时间膨胀、菲茨杰拉德-洛伦兹收缩和E=mc2等结果。换句话说，可以看出狭义相对论受到了我们描述客观现实的愿望的影响。
正如我们所看到的，随着洛伦兹变换，马赫原理，我称之为莱布尼茨-马赫原理，导致了广义相对论的发展。还可以看出，这一原理是客观描述自然的努力的影响。太空中的物体不能自行加速。没有物体可以自行加速。需要第二个对象。爱因斯坦意识到，给定粒子位置处的能量动力张量会影响附近的其他物体，即宇宙中的所有其他物体。张量是洛伦兹变量对质量或能量密度概念的扩展。密度取决于视角；用于单个物体的能量动量张量则不然。张量是向量的推广。矢量是坐标系上的一组事物，它们相对于箭头以及旋转的角度和大小是恒定的。张量也是一组变量，其分量可能会变化，但其旋转和大小是恒定的。当从一个角度移动到另一个角度时，需要变换方程。
在爱因斯坦模型中，另一个称为爱因斯坦张量的张量包含牛顿引力常数G，相当于线性增加的能量原动力张量。该张量被认为是广义相对论中的引力场。在爱因斯坦的模型中，一种特定的数学技术可以解释时空系统中给定空间的几何形状，尽管它不是描述自然的唯一方法，并且足够简单，可以使用公制传感器进行各种解释。无需进一步假设，爱因斯坦的广义相对论是可归纳的。
常数
那么常数G呢？这个常数从哪里来？与光速 c 和普朗克常数 h 一样，G 也被一些物理学家认为是一个有问题的物体。然而，由于我们已经确认 c 和 h 是任意转换系数，因此 G 将同样适用。重力的大小是不可调节的！ G的具体值是它是描述系统必须具有的单位。您还可以将所有物理计算拟合为 h=c=G=1。
现在，这并不是说自然的其他力与重力相比是任意的。优点是可以用无量纲尺度来表示。即，可以设定为质子质量的整数倍。原则上，可以选择任何质量作为单位质量。然而，在所有情况下，相对重力取决于质量参数，质量参数也与电磁力或其他基本力有关。质量和重力之间的关系与电荷和电磁力之间的关系相同。有一天，测量力的相对力的无量纲数字将由基础理论计算出来，但目前我们必须在实验中确定它们的值。到目前为止，我们仍然不得不承认他们所赋予的价值实际上可能是我们的错误。
无法无天的真空法则
实验数据并不总是代表一组必须遵守的重要规则。我们可观测的宇宙似乎也几乎没有任何元素。物理定律要么是“无规则的规则”，要么是来自非常糟糕的计划的“无法无天的法律”。它们是真空的规则。
让我们想想放射性衰变。自 20 世纪初以来，人们对数百个例子进行了相当准确的研究，所有这些数据都表明这些事件是随机的和客观的。
正如第 6 章所讨论的，放射性核衰变的指数曲线表明，衰变概率在每个小时间隔内都是恒定的，并且与时间无关。在放射性衰变中，观察到的指数分布比平坦分布更多，因为原子数量随着塌缩而减少。根据我们在本书中开发的语言，崩溃的概率具有时间进展对称性。现在，物理学家将观察到的曲线称为“指数衰减定律”。虽然我们推测一些外部因素导致原子核随机塌缩，但目前的正统观点认为它本身就是随机的。如果实施了偶然的过程，则可以预期会有优选的时间分布。我们没有更多的理由来解释为什么会发生崩溃，就像解释为什么公平的硬币正面和背面跌落的概率相同一样。一个更简单的结论是，宇宙中不存在看不见的随机元素。
在这个例子中，指数“规则”具有时间进程对称性。这是真空规则，随着时间的推移不具有任何特征。正如我们已经看到的，物理学的宇宙学原理可以被称为无法无天的真空定律。
为什么有些东西是真实的？
现在，你会有这个问题。如果宇宙具有普遍真空的特性，为什么不是纯粹的真空呢？答案可能是真空不如太空中的物质稳定。
我们经常在物理学中发现相当对称的系统比不太对称的系统更不稳定的情况。这是因为系统反应成为较低能态，因为不太对称的状态具有较低的能级。一根一端立着的铅笔相对于其垂直轴具有旋转对称性，但它不稳定并会因光线反射而掉落。
雪花是另一个例子。我们习惯看到雪花融化，但这只是因为我们居住的环境温度平均高于冰点。环境的能量破坏其结构。当雪花被放置在隔离的真空中时，原则上它会永久存在。
真空是相当对称的，因此我们可以期望在不太对称的状态下自发反应。精心设计的模型的计算表明，相当对称的状态通常是不稳定的，但并非总是如此。
诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·维尔切克 (Frank Wilczek) 写下了以下内容，对我想要设想的画面进行了精彩的总结。
关于底层粒子之间相互作用的现代理论表明，宇宙可以以多种状态存在，就像水可以以液体或固体存在一样。各种状态下物质的状态是不同的；例如，某些粒子在某些状态下很轻，但在其他状态下很重。正如晶格排列在水中比在冰中更加对称一样，决定了空间中的特定位置和方向，物理定律现在以这种形式比在其他状态下更加对称。
在这些模型中，宇宙的大多数对称相位被发现是不稳定的。人们可以想象，一个以基本对称状态开始的宇宙可能存在，那里根本不存在任何物质。第二态的对称性稍差，但能级也较低。最后，不太对称的状态增长得很快。相变释放的能量以颗粒形成的形式存在。这种情况可以通过大爆炸的形式得到证实。粒子宇宙是电中性的这一事实是可以理解的，因为缺少物质的宇宙也是电中性的。宇宙缺乏自转可以理解为处于最适合相变的环境和后续生长之间，其中包括物质与反物质之间的不对称性被打破的现象。这个古老的问题是：“为什么某物是真实的？”可以用“因为没有什么是不稳定的”来回答。这如何表明宇宙从无到有？虚无的意义可以成为无休止讨论的话题。你会如何定义萝卜？在定义“无”之前，“无”有哪些特征？如果没有任何东西有任何特征，为什么世界上其他任何东西都不能呢？哲学家贝德·朗德尔（Bede Rundle）在他的著作《为什么有东西而非无》一书中得出结论。
我还将真空定义为一种去除了所有物质和能量的状态。真空中无法测量任何物理量。即使你踢真空吸尘器也不会做出反应。如果这个真空吸尘器不是萝卜，我真的不知道什么是萝卜。如果真空不稳定，我们将“真实”定义为另一种虚无状态。就好像冰和蒸汽是水的不同状态一样。
输入：2015年12月17日23:57