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美国国土安全部发布《物联网安全指导原则》

Sun, 20 Nov 2016 13:50:32 CST

物联网在内的网络互联服务为社会发展创造了机会和利益，而物联网自身的安全却跟不上创新和部署的快速步伐。如今，网络连接设备无处不在，物联网的增长和普及大大方便了人们的生活，而随着国家关键基础设施更多的网络物联应用，个人和国家面临的安全威胁越来越严重，而物联网的安全问题也接踵而来，恶意攻击、信息泄露、业务中断、大规模网络攻击……网络驱动生活，物联网安全事关国家安全。

本报告向物联网设备和系统相关开发商、生产商、管理者及个人提供了一组安全规则建议，以供参考。

1 在设计开发阶段考虑安全问题

任何网络连接设备都应考虑安全问题，在设计阶段的安全建设，避免了后期因安全问题带来的潜在业务中断和高昂重建成本。而通过注重网络设备安全性，也能为生产商和服务商提供市场分化机遇。建议：

以独特的方式设置难以破解的默认用户名密码。用户从来不会修改由生产商提供的默认用户名密码，很容易被破解。僵尸网络操作者正是利用这些默认密码信息扫描IoT设备，进行攻击感染。当然，强壮的安全控制应该是让用户具有修改禁用某些功能的权限。

使用技术过关和经济可行的主流操作系统。许多IoT设备内置使用了一些老版本的Linux系统，造成更新不及时，带来严重安全隐患。

使用安全集成硬件以加强设备和安全和完整性防护。例如，在处理器中嵌入安全集成芯片，并提供加密和匿名功能。

在设计中考虑系统和操作中断因素。只有了解造成设备故障的原因，才能制订有效的安全策略，甚至在某些可行情况下，为了减缓故障的严重性，开发商应该为设备设计一种安全无损的失效模式。

2 加强安全更新和漏洞管理

即使在设计阶段考虑了安全性，但在产品使用后还是会发现一些漏洞，这些漏洞可以通过更新和漏洞管理策略来进行缓解。对于这些缓解策略的制订者来说，应该充分考虑设备故障造成的影响、设备运行持续性和预期维修成本。而对于生产商来说，在漏洞威胁日趋严重的网络环境中，如果没有部署或设置安全更新能力，可能就会面对昂贵地召回或在遗弃不管的选择。建议：

考虑通过网络或其它自动化方式对设备进行安全加固更新。理想情况下，补丁应该通过加密和完整性验证方式来自动化更新。

考虑协调第三方供应商来进行软件更新，以解决和改进漏洞管理模式，确保消费者使用设备具有一整套的安全防护措施。

开发漏洞自动化处理更新机制。例如，在软件工程领域，建立来自安全研究者和黑客社区的漏洞报告实时信息获取机制，这对软件开发人员或后期维护人员来说都能得到及时的信息反馈和响应。

制订一个漏洞协调披露和处理政策。该政策应该涉及开发商、生产商、服务商和应急响应组织(CSIRT)，通过应急响应组织，如US-CERT、ICS-CERT提供的漏洞报告进行定期的漏洞分析和预警。

针对物联网设备制订一个使用期限策略。IoT设备不可能进行无限期的更新和升级，开发人员应了解生产商和消费者期望，考虑设备使用期限问题，并明确超出使用期限带来的安全风险。

3 建立一套公认的安全操作方法

许多针对传统IT和网络安全的操作实践可以应用于IoT领域，这些方法可以帮助识别漏洞、检测合规性、响应预警和快速恢复。建议：

实践基本的软件安全和网络安全做法，并通过适配、灵活和创新的方式应用于IoT生态系统。

参考相关部门的具体实践指导。一些联邦部门制订有相关安全实践条例，如国家高速公路交通安全管理局（NHTSA）发布的《现代汽车网络安全最佳实践指南》、FDA发布的《医疗设备网络安全的售后管理》。

执行深度防御。开发商和生产商应该采用分层防御和用户级别威胁考虑的整体安全防护策略，当某些更新升级失效时，这能很好地发挥作用。

加入漏洞信息共享平台，积极通报漏洞，及时接收第三方安全预警。信息共享平台是提高安全风险意识的关键工具。如DHS和其下属的国家网络安全通信协调中心（NCCIC）等。

4 优先考虑造成潜在影响的安全措施

不同的IoT系统有着不同的风险模型，如工业用户和零售用户所考虑的风险不同，而且不同用户设备造成的安全故障后果也不尽相同，而破坏、数据泄露、恶意攻击等行为将导致潜在的严重后果，应该给予重视。建议：

了解设备的预期用途和使用环境。这将有助于开发商和生产商考虑IoT设备的技术特点、运行机制和必要的安全措施。

以黑客和攻击者视角建立“红队”操作模式，针对应用层、网络层、数据层和物理层进行安全分析测试，由此产生的最终结果和相关缓解策略有助于优先针对某些薄弱地方增加安全措施。

对接入网络的设备进行识别认证，尤其是针对工业和商业领域。引入安全认证功能，将使关键和重要领域用户对其组织架构内的设备和服务进行有效控制管理。

5 促进整个物联网生命周期的透明度

开发商和生产商应该了解其组织外部供应链使用或提供的软硬件相关漏洞情况。大多数时候，因为在开发和生产过程中忽略了供应链过程和产品的安全评估，一些代成本、易使用的软硬件会为IoT设备带来很大的安全隐患。另外，由于一些不明的开源软件会应用于IoT设备的开发过程，更增加了由此产生的风险威胁。提高安全意识可以帮助制生产商和工业消费者识别、应用安全措施或建立冗余策略。根据不同产品、开发商、生产商和服务商的可能产生的风险，设置适当的威胁缓解和漏洞处理措施，如更新、产品召回或客户咨询。建议：

进行内部或第三方供应商的端到端风险评估。为了增加安全透明度，开发商、生产商、供应商和服务商都应参风险评估过程。另外，当供应链环节发生改变时，相应的安全措施也应该进行改变或调整。

考虑建立一个关于漏洞报告的公开披露机制，如漏洞众测模式的赏金计划等。

在供应商和生产商之间采用明细的设备部件使用清单，以共建信任机制。一份明细清单对IoT生态系统的风险管理和威胁处理非常有用。

6 谨慎接入互联网

在工业环境和其它关键应用领域的物联网用户，应审慎考虑是否需要把IoT设备接入网络，并清楚由此导致的中断和其它安全风险。在当前复杂的网络环境中，任何物联网设备在其生命周期内都有可能会遭到破坏，物联网设备开发商、生产商和消费者应该了解相关设备被破坏和中断对主要功能和业务运营造成的影响。建议：

建议IoT用户明确任何网络连接性质和目的。如工业控制等一些关键环境使用的IoT设备没必要接入网络。

配置替代性连接方案。为了加强深度防御策略，在不接入互联网的情况下，可以选择配置接入本地网络进行关键信息收集和评估。具体参考： https://ics-cert.us-cert.gov/recommended_practices

在一些选择性连接方案中，允许生产商、服务商和用户禁用特定端口和连接功能。针对不同IoT设备用途，设置用户端指导和控制方案。

*参考来源： DHS，FB小编clouds编译，转载请注明来自FreeBuf（FreeBuf.COM）

互联网：用户即信仰

Mon, 03 Sep 2012 16:30:24 CST

创新工场的创始合伙人汪华曾经总结：现在的很多应用和方案对接下来要进入的人群过于复杂，应该要简单化，还要挖掘他们的新需求。笔者认为这便是中国最顶级的产品经理对用户需求之于产品最简练的总结。

从BBS到门户网站到微博，互联网信息传递的速度越来越快，互联网产品与用户之间的距离也越来越近，然后只是因此就说明互联网产品经理要以用户为信仰否。我想，还有以下这些原因吧。

互联网：用户即信仰

一、互联网产品规模效益比传统行业大

互联网产品有一个特性——可反复贩售，这个特性决定互联网产品每增加一名用户，几乎不增加制造成本，那么同样数目的用户，给互联网产品带来的规模效益将远远高出去传统行业。每一次支付几乎都带来纯利润，这样的用户是否比上帝还要上帝。

二、互联网产品用户转移极快

换一个鞋子品牌，可能需要一定时间的斟酌，更换成本较高，需要的时间也比较长；换一个互联网产品，成本低不说，速度也不地鼠标点点的顷刻之间，因此互联网产品的用户转移极快，对产品的好坏反馈也极快。互联网产品时刻都必须以用户为中心，来研发产品的核心功能。

三、互联网用户的声音最丰富

互联网为用户提供了极大的分享平台，购物分享平台、社区平台等，这些地方都极为方便产品经理去倾听一线用户的一手声音，最及时地发现用户的需求；同时互联网也承载了太过丰富的用户声音，常常混淆了产品经理的判断，需要取舍和简化。

在这样的互联网产品时代，用户对是互联网产品的影响很大，而产品经理除了信仰还应该有什么？2012年9月15-16日，汪华将出席赢时代产品经理大会·北京站的会议，在会上他是否将继续分享用户需求与产品，或是有更新鲜的话题挑起，都值得期待。

据悉，此次产品经理大会还邀请了58同城副总裁陈小华、58同城副总裁张川、Discuz!之父李明顺、暴风影音CEO冯鑫、阿里巴巴资深产品经理霍莹、微拍CEO胡震生、《人人都是产品经理》作者苏杰等顶级产品经理，产品、产品人、设计、体验、运营一个主题也不落下，全面剖析，深度分享，产品人的年度盛会，即将开幕。

会议详情可点击： http://pmbj.timev.com/

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无觅

互联网的量子物理特性

Tue, 06 Nov 2012 17:16:02 CST

假如上图中的缝隙的宽度能够且仅能够通过一只足球，这个宇宙中一定没有任何一个运动员能够把足球踢出如图所示的分布。

然而在微观世界，最弱智的一束电子流通过双缝，都会产生类比如图的分布。更为鬼魅的是，哪怕只有一个电子通过双缝，都能够产生干涉（这感觉就像这个电子知道在它面前的是双缝而不是单缝一样）。这就是量子物理大名鼎鼎的双缝干涉实验。

单就一个粒子的双缝实验就足够令人震惊，更别说由量子论引出的平行时空、可择历史；

量子物理是如此的难以理解，就连量子论的奠基人之一玻尔（Niels Bohr）说:”如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论”费恩曼也曾这样写道，“我想我可以有把握地说，没有人理解量子力学。”

量子物理的确晦涩，但量子论革命的破坏力却是如此的惊人。在概率解释，

不确定性原理和互补原理这三大核心原理中，前两者摧毁了经典世界的因果性，互补原理和不确定原理又合力捣毁了世界的客观性和实在性。

由量子物理引申的哲学体系和人们的日常生活格格不入，甚至违背我们的理性本身，因此

连量子论的缔造者之一爱因斯坦都最终选择了放弃，因为爱因斯坦不愿意看到宇宙是由“上帝掷筛子决定的”

然后，无论是在微观世界还是宏观世界，量子物理都能与观测符合一致，还从未被检验失败过，他已经经受了比其他科学理论（包括经典物理理论）还要多的检验。因此至少在现在，量子物理比以牛顿为代表的经典物理体系更加应该得到我们的认可和信服。

量子论由三大基本原理构成，它们分别是

1、互补原理

2、测不准原理

3、概率解释

一：互补原理

电子到底是一个粒子还是一种波呢？如果是一个粒子，为什么它通过双缝时会产生波才有的干涉呢，如果它是一种波，又为什么当将其中一个缝关闭时，电子又能如同定位球一样准确的通过单缝呢；电子为什么在发出后能知道自己将要通过的是双缝还是单缝呢，它是不是通过缝A后再回头通过缝B去观察一下呢？物理学界在波动学说和微粒学说之间摇摆和争执了数百年。

直到波尔的互补原理出现：电子表现出波动性还是粒子性取决于观察方式，一旦观察方式确定了，电子就要选择一种表现形式，它得作为一个波或者粒子出现，而不能再暧昧地混杂在一起。波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们却在一个更高的层次上统一在一起，作为电子的两面被纳入一个整体概念中。

那么在没有观察它之前，电子是什么呢？量子理论给出的解释是：电子处于一种无限可能性的混合叠加中，没有人知道它是什么状态。

这个理论让爱因斯坦和薛定谔都非常不满；这毁掉了经典物理和传统哲学的“因果论”：结果不可预测，只能靠上帝掷筛子才能决定。

薛定谔曾经设计了著名的“薛定谔的猫“来质疑这个理论：没有测量之前，一个粒子的状态模糊不清，处于各种可能性的混合叠加，是吧？比如一个放射性原子，它何时衰变是完全概率性的。只要没有观察，它便处于衰变/不衰变的叠加状态中，只有确实地测量了，它随机选择一种状态而出现。好得很，那么让我们把这个原子放在一个不透明的箱子中让它保持这种叠加状态。现在薛定谔想象了一种结构巧妙的精密装置，每当原子衰变而放出一个中子，它就激发一连串连锁反应，最终结果是打破箱子里的一个毒气瓶，而同时在箱子里的还有一只可怜的猫。事情很明显：如果原子衰变了，那么毒气瓶就被打破，猫就被毒死。要是原子没有衰变，那么猫就好好地活着。

自然的推论：当它们都被锁在箱子里时，因为我们没有观察，所以那个原子处在衰变/不衰变的叠加状态。因为原子的状态不确定，所以猫的状态也不确定，只有当我们打开箱子察看，事情才

最终定论：要么猫四脚朝天躺在箱子里死掉了，要么它活蹦乱跳地“喵呜”直叫。问题是，当我们没有打开箱子之前，这只猫处在什么状态？似乎唯一的可能就是，它和我们的原子一样处在叠加态，这只猫当时陷于一种死/活的混合。

对此，量子论给出了波函数的“坍缩“和平行时空给予了解释。

好吧，这对我来说是一个死胡同，我无法解释清楚，但如同文章之初所说：量子理论经历了足够多的实验证明他的正确性，所以我们已经没有必要参与到这该死的争论中。

二：测不准原理

也叫不确定原理，由海森堡于1927年3月23日在《物理学杂志》上发表。

假如我们把原子的世界进行放大，把一个电子放大到我们小时候玩的弹珠的大小，此时我们需要使用测量手段去测试这个电子的位置和动量；我们当然无法再使用显微镜了，因为显微镜已经地球般大小（具体多大我也没有数学依据）所以我们只能使用和它差不多大小的光子去测量他。我们通过观察反射回来的光子来确定电子的位置和动量。

好，一切准备就绪，我们拿起一颗弹珠（光子）去击打那颗电子；他们发生碰撞后，光子弹了回来，我们捕获光子，以便给出测试结论。可问题发生了，此时和光子发生碰撞的那颗电子哪里去了呢？它还会在原来的地方吗？显然它已经被弹开。如果在测量之后我们确定不了电子的位置，那么我们如何知道测量发生的那一刻电子的位置呢？

这是对测不准原理的一个形象的解释，因为在微观的世界中，测量和被测试本身是一个整体，当测量发生时，它作为整体的一部分已经改变，那么作为整体一部分的被测量体毫无疑问也做出了变化。这或许就是当局者迷旁观者清吧。问题的症结在于：在一个给定的时空中，没有人是旁观者。

了解了量子论的基本原理，我们大可以跟互联网做一个类比了。其实这里的互联网可以放大到由大规模人群参与的总体行为。

首先我们需要了解一个概念“意识“。在上面的双缝实现中，我们说电子在穿越双缝的时候似乎是具有意识的，因为它似乎能够根据挡在前面的是双缝还是单缝选择不同的行为路径。也就是说，粒子要么穿过了第一道狭缝后又折回来穿过第二道狭缝最后再次穿过第一道缺缝；要么它穿越了宇宙又返转回来。那么粒子究竟怎么选择的呢？

在费恩曼的模型中，粒子会选择A点到B点的所有路径，并且为每一个路径收集了一个叫做相位的数值，最后通过相位叠加而确定落到B点的位置的概率（注意，我们在此说了概率，这个概率也就是量子理论三大基本原理的概率解释）。

而对于“意识“，似乎依然是医学等学科的处女地，然后量子理论认为，意识依然由基本粒子组成，应该符合粒子的量子物理理论，而绝对不是独立于物理体系的超自然产物，

那么人的“意识“是否和粒子有一定的相似之处呢？至少在不确定理论上他们是相同的。也就是说：人类的意识在做出某一决定时也是考虑了所有路径然后依照各个路径的相位叠加而给出了结果。

假如我是一个美女，我需要测试追求者是否足够善良，那么我需要对它进行考查，也就是测量。我们同时假设这位追求者是足够狡猾的，他能够根据我的测量给出有利于他自己的答案，那么通过测量我能够得出他是不是善良的答案呢？

再比如互联网产品经理用的A/B测试，我们希望通过用户使用A/B设计的反应来确定那一个设计更优，但由于测试过程中被测试人和测试介质是一个整体，A/B设计本身的设计思想在影响这为被测试者的意识和行为，因此我们依然得不出来用户最需要的是什么的结论。我们只能得出A/B比较，那个似乎更优一点的结论。

例如在没有触屏之前，我们要测试两种不同型号的输入设备，我们可能会得出A型号的输入设备是优于B型号的设计，可是消费者真正需要的有可能是“摇一摇”。

我们无法在不使用测试介质的情况来测量人的“意识”。但一旦测试介质参与到测试过程中，测试介质就和“意识“成为了一个整体，这个整体是联动反应的，任何一部分的改变都会导致另外一部分的改变，因此而无法测量出人的真正”意识“。在这一点上和量子理论的测不准原理是完全一致的。

股市是可预测的吗？假如上帝告诉你明天的某只股票能够涨10%；并且你只告诉了你一个人，那么这只股票明天是一定会涨10%，可是如果上帝告诉了所有人这只股票明天会涨10%呢？或者即使上帝只告诉了你一个人，但你自己嘴贱你又告诉了所有的人明天这只股票能够涨10%。那么这只股票明天还能涨10%吗？那么这种情况下就只有上帝才知道这只股票明天能涨多少了。

我们来推理一下这个过程，假若所有人都知道明天要涨10%（假定价格是10元），并且所有人都是理性的，那么所有人的行为都应该是以小于10元的价格来购买这只股票，问题是谁来以低于10元的价格卖呢？如果所有人都知道股票的价格应该以10元成交，那么所有卖股票的人给出的价格都应该是大于等于10元的。于是明天的结果是市场成交为0，股票的价格维持着原有的价格而没有变动。

在股市中，所有消息都类似于量子论中的测量行为，测量行为本身会改变电子本身的运动行为，从而无法给出准确的预测。

和股市一样，互联网的产品是众多有“意识”的人的共同使用的产品，我们单独从纷繁芜杂的互联网产品中随机选择一个让你告诉它是否能够成功？这能够预测吗，如果答案是能，那么估计这个人只能是上帝。

如果量子的哲学体系是非因果论的，过去并不确定，未来不可预测，我们唯一知道的当下。那么这该是多么悲哀呢？考上清华北大可能无用；Rape一个绝色女子，抢劫楼下的招商银行是否入刑都不确定；美国总统谁会当先都有可能。这个宇宙还是我们了解的宇宙吗？

三：概率解释

我们姑且不说，多量子相位叠加后的路径趋向确定。在这里就到了引出量子论的第三个基本原则的时候：“概率解释”。

在双缝干涉实验中，对于同一个电子的位置并不确定，但是当多个电子通过后，他们的分布看似是有一定的规律性的。如文章开始的图：在某一个地方，足球出现的概率高，在另外一些地方则出现的概率低，这是什么原因，让我们来看看“波函数“吧

“波函数是量子力学中用来描述粒子的德布罗意波的函数。为了定量地描述微观粒子的状态，量子力学中引入了波函数，并用ψ表示。一般来讲，波函数是空间和时间的函数，并且是复函数，即ψ=ψ(x，y，z，t)。将爱因斯坦的“鬼场”和光子存在的概率之间的关系加以推广，玻恩假定就是粒子的概率密度，即在时刻t，在点(x,y,z)附近单位体积内发现粒子的概率。波函数ψ因此就称为概率幅。”

也就是说：电子在屏上各个位置出现的概率密度并不是常数，有些地方出现的概率大，即出现干涉图样中的“亮条纹”；而有些地方出现的概率却可以为零，没有电子到达，显示“暗条纹”。

如果初中物理你没有逃课，大概应该会有一个波形图的概念，众所周知，波形图是一个确定的类似正弦函数或者余弦函数的图形，他的波形是确定的。

那么也就是说：对于单个电子来说，他的位置是不确定的，但是对于大量电子来说，他们的分布是按照波函数进行概率分布的。

因此概率又再一次统治了宇宙。

“传统行业创业好比登山，互联网创业好比冲浪。山总是在那里的，你准备好了就去登好了，永远有机会，登多高取决于实力。而浪是一个接着一个的，你只要踩上一个浪，保持住，它的高度就决定了你的高度，Google、Facebook都是这样。而如果你错过了一波浪，就再也追不上它了。我觉得互联网后面还有浪，但要确保在合适的时间踩上去。”对于传统创业和互联网创业，王兴如是说。（该部分内容引用自@ 云科技）

“浪”!多么有意思的词语，它再一次等于了“波”。成功被再一次定义成为了成功的概率，而不是非“1”既“0”的决定论。

互联网浪潮大约经历了“门户”，“搜索”，“SNS“等几波大的浪潮；我们无法预知在一次的趋势中哪个公司可以成功，但是我们可以预知的是会有一波一波的”浪“。就好像我们能够预知”移动互联网“一定会是一浪一样。互联网如同大浪淘沙一下，每一次浪潮总能带出美丽的贝壳，哪些适应潮流的公司就应运而生。

而我们能够得出的结论：下一个伟大的公司出现在移动互联网业务中的XXX业务的可能性是85%。这就是互联网在量子力学的概率解释

所以不要Rape一个绝色女子，也不要抢劫楼下的招商银行，因为你被逮捕的概率是96%。

四：创新和可择历史

如果未来不可预测，那么何来创新。这应该是一个更加有探讨价值的话题。

根据量子论，历史是可择的。再次来看我们之前说的“双缝实现”。电子选择什么样的路径并不可知，只在你观察的那一刻，呈现出粒子特性或者波动特性。

也就是说历史并不取决于过去发生了什么，而取决你观察的时刻你看到的时空是什么，如果你看到的是An，那么历史就可能是有A1，A2……组成；如果你看到了Bn，历史就可能由B1，B2组成。这再一次颠覆了我们的常识。

我们可以举一个形象一点的例子

假如一只苍蝇从南极点出发，此时它出现在了北京的某一个具体位置C。这是我们观测到的信息。同时我们也知道，从南极到位置C有无数种路径可供选择。那么苍蝇的历史是什么呢？

如果时空是线性发展的，因果论是成立的。那么我们应该从南极出发尝试所以路径来寻找历史继而找到苍蝇。用这种方法，我们能找到苍蝇吗？显然我们无法找到。

那么寻找历史的唯一方法就是从观察到苍蝇的C点出发去回溯历史（或许回溯这个词用的并不恰当）。于是历史是什么取决于C点而不是南极。

因此我们能得到的唯一结论是历史由当前决定，所以历史是可以被选择的。

前面说了，我们无法通过各种看似合理的用户研究方法来预知未来，无论是调查问卷、焦点小组、亦或者是数据挖掘和分析。因为用户的意识只是针对测试介质的既定反应。那么如何创新呢？

创新就被定义为了一种创造用户需求的行为而不是连续的改进行为。相对于键盘，触屏是一种创新；相对于手机Iphone是一种创新；相对于猴子，人是一种创新（谁知道呢）。

“好奇害死猫”，薛定谔的潘多拉的盒子打开后会是什么样子呢？我们知道的和我们看到的是否真的是确实存在的呢？

或许量子物理在改变我们的价值观和哲学观，或许这就是真实的互联网。但期望老板明天给你加工资是不现实的，期待林志玲明天会爱上你也是YY的，

请相信概率！！

每天懂点儿经济学

Fri, 16 Dec 2011 20:12:12 CST

1.股神巴菲特在上周日做客哥伦比亚广播公司的“60分钟”访谈节目中透露，希望儿子霍华德·巴菲特能够在他死后任伯克希尔哈撒韦公司的非执行董事会主席一职。巴菲特在访谈中表示，儿子霍华德将会是一个很好的接班人，因为他了解公司的价值所在。对于接替父亲掌管这个市值2000亿美元的投资帝国，霍华德对媒体表示，即使继任，他也不需要直接决策这家数十亿美元投资公司的业务，只要能保留他白天大豆和玉米农场主的工作，他对此并不反对。
霍华德·巴菲特说“他不会离开公司，直到被埋到土里”

有一种人是非常好的：他们年纪过了30岁，年收入在30万左右，有能力买奢侈品，却从来不买，衣着干净朴素，一切都懂但很少说，对社会早就不抱任何幻想，只活好自己，经常外出游荡，看一些新闻读一些历史，对是非有正确判断，有稳定工作，既不吹嘘自己也不诋毁别人，而时刻保持一颗谦卑的良心。

2.《现实给了梦想多少时间》

3.原来chrome是介样来滴

4.【幸运草的含义】四叶草又称为幸运草：那知道每一片叶都代表什么吗？第一片叶子代表真爱 (love) ，第二片叶子代表健康 (health) ，第三片叶子代表名誉 (glory) ，第四片叶子代表财富 (riches) 。

5.越长大越明白这个世界

6.@每天懂点儿经济学：【决定你前途的12种能力】1.逆向思维能力；2.换位思考能力；3.总结能力；4.文字书写能力；5.信息收集能力；6.灵活处理问题的能力；7.目标调整能力；8.自我安慰能力；9.沟通能力；10.企业文化的适应能力；11.岗位变化的承受能力；12.能做好份内之事的能力。你有几种了？

7.时尚趣味馆：【7种食物可增高】①每天3杯牛奶，不喜欢牛奶就喝酸奶吃奶酪；②每天吃一两个鸡蛋，不喜欢鸡蛋可多吃豆腐；③黑大豆，可用花生替代；④沙丁鱼，更易消化吸收；⑤菠菜，不喜欢可用青椒替代；⑥橘子，利于钙吸收；⑦胡萝卜，可与苹果一起榨汁喝。想长高的你记下了吗？

8.@常用心理学：我们每个人都像小丑，玩着五个球，五个球是你的工作、健康、家庭、朋友和灵魂。这五个球只有一个是用橡胶做的，掉下去会弹起来，那就是工作。另外四个球都是用玻璃做的，掉了，就碎了。这段话值得我们深思。

9.@该死的心理学：【你睡觉的时候，有没有抽搐后突然踹了一下腿？】这叫肌抽跃——常在睡觉时发生，睡觉时呼吸频率降低的幅度太大，大脑会认为身体快要死亡了，所以它会发送一个脉冲使身体觉醒。常发生肌抽跃的人一定要注意了，这表明你这时的身体机能不是很好，要注意健康了！

10.【如何提升个人专业能力】1.写文章，多发表个人见解，增加个人思考机会；2.大量看书，自学，但一定要选好书；3.多和圈里高手交流，听君一席话，胜读十年书，遇到不懂的多请教；4.建立个人文件管理系统，不断整理自己的原创；5.参加系统学习，找到短板，快速学习；6.实践，大量实践！

11.【全球最适合女性的六大度假天堂】1．巴黎，巴黎即是浪漫；2．罗马，爱之城； 3．里约热内卢，上帝花了六天时间创造世界，第七天创造了里约热内卢； 4．拉斯维加斯，发生什么都有可能；5．西西里岛，意大利的美丽之源；6．青岛，红瓦绿树，碧海蓝天。

12.【史上最具创意的简历】这样的人才，你舍得拒绝吗？http://t.cn/h5ZR2Z

13. 5分钟教你最潮的25个围巾系法

14. Clay Shirky提出”认知剩余”–我们在网路上作分享的工作时的空闲时间。当我们埋首于Wikipedia的编辑、在Ushahidi上发布讯息(当然，还有在LOLcats)，我们就是正在建立一个更好、更有合作性的世界。中文译者： Lin Su-Wei 影片来源：TED.COM

15.点击播放《特种部队2：复仇》首款预告片

黑暗旅行(Contre Jour) -微软推出HTML5网页版游戏

Thu, 11 Oct 2012 20:50:12 CST

          黑暗旅行(Contre Jour) 是一款在iPhone和iPad上极具挑战性的物理益智关卡游戏，独特的游戏设置、优美的界面以及奇幻的风格。在微软和Clarity Consulting公司的帮助下Contre Jour的团队将黑暗旅行搬上了网页，网页版游戏同样支持 触控操作。
         网页版 Contre Jour 使用了最前沿的 HTML5技术和CSS3技术，包含支持多层次的Canvas和开源二维物理引擎Box2D， 支持多点触控。游戏在浏览器中表现得极度流畅，几乎和本机应用无任何差别的流畅和快速响应，让你忽略这是在网页上玩游戏。Contre Jour支持在IE9、Chrome 和 Firefox浏览器中运行黑暗旅行，但完全达不到 IE9、IE10 上流畅的效果。其实，享受这款游戏乐趣最好的方式是在 Windows 8平板上使用IE10来闯关。
        现在你就可以使用鼠标在IE10浏览器上改变地形, 帮助神秘的Petit安全抵达目的地。使用 拖拉、滑动和轻触小工具, 如触角、喷气口和滑轮等来智勇闯关。《黑暗旅行》的背景音乐由作曲家David, Ari Leon创作完成,十分悦耳动听,游戏从头至尾都将玩家置于悲喜交加的氛围当中。
访问黑暗旅行

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企业家葬送团队凝聚力的8种“捷径”

Mon, 27 Aug 2012 13:43:55 CST

企业家葬送团队凝聚力的8种“捷径”

我相信没有哪个创业者或企业家想破坏自己团队的积极性，但现实中这样的例子却是屡见不鲜。不可否认有些企业家和领导人都太过于以自我为中心，没有意识到他们的行为对别人造成了什么影响。这些领导人需要做的是花更多的时间来消除自己的挫伤习惯，而不是在不知不觉中扼杀更多员工的积极性。

之前有大量人力管理类的技巧、讲座、书籍等资源，都讲述了创业初期领头人如何激励员工的斗志，但是 现在很多企业家需要的不是这些资源，他们更需要知道的是自己做错了什么或者自己不该做什么。下面小编带大家来看一下企业带头人经常犯的那些糊涂事儿，如果你不想重蹈创业风车网的覆辙，让员工一再受挫，就赶紧摆脱这些恶习吧。

一、不让员工知道你在想什么

很多领头人都觉得自己应该时刻保持神秘感，不能让员工洞悉老板的内心，那样才能随时随地地发号施令，指点江山。如果你也有这种想法，那你就大错特错了，保持悬念也许能提高员工的警惕性，但那也能深深地打击到员工的工作积极性。

二、永远不解释自己的所作所为

你不能因为自己是老板，就不对自己的行为做任何解释，员工可以看到你的一举一动，但他们不知道你这样做的意图是什么。一个团队里没有交流沟通怎么进步，你的员工不知道自己的老板为什么这么做，也不明白接下来会发生什么，那这样的工作关系也长久不了。

企业家葬送团队凝聚力的8种“捷径”

三、只雇佣顺你心意的“听话”员工

所谓忠言逆耳利于行，你想把公司做得让竞争对手都佩服，就要听的了反对意见，如果你只是雇佣那些顺着你心思走的人，那公司将来的路肯定走不长远。创业“梦之队”里没有业务争执，遇到问题都听从你的想法，那么到最后怎么可能有什么创新和突破。

四、通过惩罚来恐吓员工，保持高高在上的姿态

很多公司的员工都过得提心吊胆的，生怕出点儿什么岔子丢了饭碗，或者让本来应得的奖金福利，与自己失之交臂。有些领头人就是这么“强悍”，你有功是要记功，可是一旦犯了错就成了十恶不赦之徒，扣钱、批评、停职等都有可能发生。员工整天在惶恐中度日，还怎么可能全心全意地拿公司当自己的家。

五、通过班组会议来传达最新决策

保证你们的团队成员都参与到公司所有的会议中去，但一定要确保他们仔细聆听了会议内容，而不是机械地听说读写。领导人都喜欢让员工给自己提所谓的意见，通过电子邮箱整理好问题及建议来传达内心思想，可是一些失败的企业家则总是因为忙碌的工作而忽视掉了这些宝贵邮件。

企业家葬送团队凝聚力的8种“捷径”

六、给员工过多的压力，制定不可能的工作量

在听到员工汇报的最新销售预测之后，你是不是经常在此基础上“拉伸”他们的目标，以此来提高他们的挑战潜力。对于一些预计中的开发项目，有些企业家习惯让员工在法定节假日之前制定好工作时间表，甚至总是用假期提成，来鼓励他们放弃假期专注于工作。

七、老在鸡毛蒜皮的小事情上感谢员工

有时候你会意识到公司需要员工积极的反馈意见，但很多事都要分出急重轻缓。不要因为员工主动扫了一次地，或者临时加了一次小班，就感激涕零地表达自己的谢意。员工的积极性确实需要得到肯定，但是身为领头人的你也不能够万事皆谢，要制定出严格等级的奖罚分明制度。

八、对员工管制太多，限制他们的发展

如果你给他们的帮助太多，很有可能会扼杀他们的学习能力，你要给他们自由成长的空间，而且要让他们知道什么事的优先级高。公司等级制度明确之后，还要多给他们提供自我成长、学习的机会，让他们以主动的姿态去汲取资源。

Via SAI

本文由最科技邬云连编译，转载请注明出处： http://www.zuitech.com/15101.html

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无觅

右脑开发的传闻与真相

Tue, 17 Apr 2012 13:23:01 CST

本文作者：圆儿

当今社会上，儿童右脑开发的宣传铺天盖地，右脑的功用被描述的十分重要，远远胜过左脑。右脑开发简直刻不容缓，万分紧迫。可事实上，关于右脑的传言很多，孰真孰假，你对右脑了解多少呢？

让我们先来看看下面的判断题，你能做对几个：

1. 右脑主导的人和左脑主导的人数相当，可以通过简单的测试测出你是哪个脑主导。
2. 爱因斯坦是左撇子，他比常人聪明因为他右脑极其发达。
3. 右脑储存的信息是左脑的10万倍。
4. 左脑掌管语言逻辑，而右脑负责情绪艺术和创造力
5. 婴幼儿是右脑开发的关键时期

答案是，上面几个判断题只有最后一题是真的，别的都是没有科学依据的传言，你答对了几题呢？假如你对答案疑惑不已，下面就让我们就来看看更详细的解释吧。

1. 右脑主导的人和左脑主导的人数相当，可以通过简单的测试测出你是哪个脑主导

答：我们都知道左脑控制后半边的身体，而右脑控制左半边的身体。世界上大部分人都是习惯使用右手的，也就是右撇子。而左撇子约占总人口数的百分之十。但并不是所有的左撇子都是右脑占主导的。一项美国的统计研究表明，对于语言功能来说，95%的右撇子都是左脑型的，而只有不到20%的左撇子是右脑型的(a)。千万别相信那些简单的看图或者各种题目的小测试，它们并不能测出一个人是左脑型的还是右脑型的，只有通过复杂的脑扫描实验才能确定哪个脑占主导。

2.爱因斯坦是左撇子，他比常人聪明因为他右脑极其发达

答：没有任何资料显示爱因斯坦是左撇子。恰恰相反，很多资料照片证明，他是使用右手握笔并写字的，这表明他其实更有可能是个右撇子。还有传闻宣称爱因斯坦的右脑超级发达，这导致他天才的成就。1999年，三位美国科学家在著名医学杂志The Lancet (《柳叶刀》)上发表了对爱因斯坦大脑切片进行研究的论文。他们的一个重要发现是，爱因斯坦的大脑顶叶部分比一般人对称，这主要是由于他的左顶叶比常人要大，大小和形态类似于右顶叶(b)。而顶叶这片脑区主管着视觉空间认知、数学能力和运动想象能力，这很有可能就是导致爱因斯坦超凡的逻辑思维和空间认知能力的主要原因。这说明，爱因斯坦异于常人的主要是左脑，而不是传闻中的右脑。

3.右脑储存的信息是左脑的10万倍

左脑和右脑在形态和结构上是基本相同的，神经细胞数量和突触接触点的数量至少在数量级上也是一致的。没有任何科学实验显示右脑和左脑在信息储存功能上存在巨大的差别，“右脑储存的信息是左脑的10万倍”这种言论基本上可以说纯属是无稽之谈。

4. 左脑掌管语言逻辑，而右脑负责情绪艺术和创造力

这个流传很广的”左右脑分工明确”的说法其实可以称为是对脑科学理解的三大误区之一。(另两个误区是“人的大脑利用率只有不到十分之一”和“脑细胞不能再生”，真相是“ 人的大脑利用率已经很高，接近饱和”和“ 部分脑细胞是有再生能力的”。)

这个传闻可能是由上世纪60年代”裂脑”实验引申出来的。当时在治疗某些癫痫患者的时候采取了把连接左右脑的胼胝体割裂的方式，从而导致患者左右脑的信息交流中断。后来这些患者做了一些实验，通过实验结果人们引发出左右脑功能上差异的猜想。而在本世纪初，通过核磁共振扫描仪对人脑的扫描的实验发现，其实左右脑的功能划分并非是严格的一刀切。人们发现，其实在完成语言，逻辑思维等任务的时候左右脑都会参与，而左脑对细节更加关注，右脑则更看重大局(c)。所以说，其实左右脑的差别，是处理问题方式上的差别，而非其功能本身的差别。另外，去年一篇概括了63篇学术文章，72项试验的关于创造性综述(d)中明确指出， 没有任何证据显示创造性与右脑有着什么特殊关系。

5.婴幼儿是右脑开发的关键时期

这些判断题里只有这条是真的。婴儿时期是大脑发育最迅速的时期，不仅是右脑开发的最佳时期，也是左脑开发的最佳时期。好的训练不仅仅要开发一半的大脑，而是要调动左右脑共同完成，只有这样，才能开发出整个大脑最大的潜能。2009年，一个美国的研究小组发现，平时喜欢共同使用双手的测试者要比只喜欢单手操作的测试者在一些创造性的测试题目中得分高很多。而如果让那些单手实验者在做一些创造性的题目之前双眼左右的平行移动30秒钟，他们的创造性会大大的增加(e)。研究人员猜测，左右脑的交流增多的时候，人解决问题的能力也增强。各位爸爸妈妈们是不是闻听上面的研究发现都开始摩拳擦掌，打算让宝宝多做眼睛左右移动的“运动”了？不过很遗憾，研究人员发现虽然这个增强创造性的方法十分简单有效，但是创造性的增加只是暂时的，也就90分钟的时间就过期了，所以并不能作为一个可靠的训练方法。要想提高左右脑的交流，还要让孩子多做左右脑同时进行的活动，让左右脑交流成为一种习惯，比如多做左右两边同时调动起来的运动，比如学一门双手演奏的乐器，比如讲故事的时候既讲注重细节，也顾全大局，这样才能有效的调动整个大脑，合理的开发整个大脑。

右脑潜能没有传说中的那么巨大，右脑开发也并不比左脑开发重要很多。一个人在思考，处事，判断，思维，和语言应用的时候都是协调了左右脑共同完成的，左右脑还是需要协调平衡发展才是关键。家长在选择“早教”方法的时候也应该仔细考察其基本的理念和科学基础，切勿被华丽的外衣所迷惑。

发表在《时尚育儿》，有删改

参考资料

a. Taylor, Insep and Taylor, M. Martin (1990) "Psycholinguistics: Learning and using Language". page 362
b. Sandra F Witelson, Debra L Kigar, Thomas Harvey, The exceptional brain of Albert Einstein, The Lancet, Vol 353, 2149-2153, 1999
c. G. R. Fink, P. W. Halligan, J. C. Marshall, C. D. Frith, R. S. J. Frackowiak & R. J. Dolan, Where in the brain does visual attention select the forest and the trees? Nature 382, 626 - 628 (15 August 1996)
d. Dietrich A, Kanso R., A review of EEG, ERP, and neuroimaging studies of creativity and insight. Psychol Bull. 2010 Sep;136(5):822-48
e. Shobe ER, Ross NM, & Fleck JI (2009). Influence of handedness and bilateral eye movements on creativity. Brain and cognition, 71 (3), 204-14

[小红猪]维也纳香肠与多世界理论

Thu, 13 Oct 2011 10:00:31 CST

译者：月光

校对：沐右

小红花等级：4朵

原文地址：Multiple Worlds By Splitting A Wiener Sausage

量子力学证实了定域实在论并不能解释宇宙（译者注：定域实在论 Local realism：物体只会被它周边的事物所影响且在被观测前已有一个可测的初值）。如此一来，多世界解释成了流行趋势。这个解释引发的问题是：它被广泛误解为一些在时空之外真实存在的宇宙分支，仿佛一棵树。

很多民众以及一些知名的物理学家（比如麦克斯·泰格马克）认为从类似上帝的角度看世界，你可以数出这些不同的宇宙分支，其中任何一个宇宙出现的概率与呈现这个宇宙的分支数目，比如说N个，或这些分支的体积成正比。

这已经错了：埃弗雷特的解释是一个相对状态的描述，并不必然是多世界理论。（译者注：埃弗雷特是多世界理论的奠基人，他在1957年首先阐释了相对状态的形成，后经德维特发展为多世界理论）

以下是我“切香肠”模型，它阐释了EPR佯谬所用到的概念。（译者注：EPR佯谬是指爱因斯坦、潘多尔斯基和罗森在1935年提出的一个思想实验。）警告：它帮助我们理解物理学以及人们（对此理论）的认识。但是，这个模型从根本上是错误的！这当然也不意味着放弃整个概念。“反现实多想法”版本多世界解释是理解现代物理唯一成熟的方式。（译者注：anti-realistic many-minds多世界理论是多世界理论中的一个分支，是指世界的不同从观察者头脑的层面都决定了。对于哪种解释更好有争议）

开始这场思维盛宴吧！

（如下图所示）爱丽丝和鲍伯每人选择了一个测量方向，比如说分别为a和b，每人测量一对处于纠缠态的光子的其中一个。爱丽丝在左，鲍伯在右。按照我之前仔细描述的设定，两个光子从香肠中间沿X轴分别向两边运动。假设爱丽丝和鲍伯都沿着Y轴测量，a和b是平行且沿Y轴向纸面内延伸。

想象当鲍伯的光子到达他的位置（香肠的右端），遵照右手定则，世界开始从这里裂开：到达光子的传播方向（X轴正方向）沿着右手大拇指，b沿着食指方向，这样中指将会向上。这里是鲍伯测量的极化程度B=1的世界。下面一半香肠则是那些B的测量值为0的世界。（译者注：右手定则：右手大拇指食指中指分别代表三个坐标轴所围成的三维空间。）

红色的裂口就是以光速向左传播的退相干裂口，用H. Dieter Zeh的话说，像拉链一样把世界一分两半。鲍伯的测量就像拿刀将维也纳香肠水平切开，将它分成两个平行世界。

当爱丽丝测量的时候相同的事情发生了，只是爱丽丝的光子沿着X轴负方向传播。再次应用右手定则，极化程度A=1的世界这次在底端。

爱丽丝和鲍伯从同一平面上切开了量子宇宙！既然分裂是完全的，这样就只有两种坐标（A,B）分别为（0,1）以及为（1,0）的世界。两个宇宙都是原宇宙体积的50%，加起来就正好是正确的量子概率。

我们来看看如果爱丽丝的测量角度为45°的时候会发生什么情况。注意在这个模型中没有Z轴。模型中的Y轴对应着真正的Y轴，但是图片中的z轴不是真正的z 轴。这是因为模型必须顾及所谓“重覆盖”，比如说电子将会——不再深入谈了；这是通常必需要转两次才能回到原状态的SU（2）问题（译者注：见魔方原理）。简单来说，我的香肠模型图的角度是实际Y轴和a的方向的夹角的两倍；φ=45°在这里是2φ=90°。

对鲍伯来说并没有变化，但对爱丽丝，应用右手定则，A=1的世界成了后面部分，而A=0的世界是香肠前半部分。既然a和b的方向已经不垂直了，香肠变成了4种平行世界。

每一种世界的体积都是原来的25%，与量子物理学的结果相一致。

我不再画其他角度的图了。同样的做法均会得到4种不同的世界，它们的坐标为（0,0），（0,1），（1,0）和（1,1）。由图易知它们的体积如下：

V(0,0) = V(1,1) = [2δ/π]/2

V(0,1) = V(1,0) = [1 - 2δ/π]/2

如果整个香肠的体积V=1，a、b之间的夹角为δ（真实世界中为δ，图中为2δ），分裂后的世界（A,B）的体积V(A,B)为：

V(0,0) = V(1,1) = [2δ/π]/2

V(0,1) = V(1,0) = [1 - 2δ/π]/2

P(0,0) = P(1,1) = [sin2(δ)]/2

P(0,1) = P(1,0) = [cos2(δ)]/2 = [1 - sin2(δ)]/2

现在如果你对这个模型稍微研究一下，你一定能找到一些香肠的形状或者对角度甚至光子做一些修改而使得体积V等于量子概率P：

P(0,0) = P(1,1) = [sin2(δ)]/2

P(0,1) = P(1,0) = [cos2(δ)]/2 = [1 - sin2(δ)]/2

它们在δ=0和δ= π/4 = 45°的时候相等，在其他时候值相似，除了2δ/π替换为sin2(δ)。

对这个模型的介绍到此为止就结束了。你现在可以认为直觉上这个模型告诉我们有多少个世界，以及它们如何不用“远距离上怪异的行为”（没有比光速传播快的事物）来解释非定域现象（译者注：“远距离上怪异的行为”指EPR佯谬）。它会让你觉得此处没有隐藏变量以及裂口是沿着测量方向切开了世界，确实，它的确触及了一部分深奥的解释。切口的夹角决定世界的体积，而它只在爱丽丝和鲍伯的测量产生的切口传播后可知。它看起来是非定域的。

但是，你恐怕错了！哪里错了呢？先想想看，我会下次给出答案。

开普勒和他的朋友们

Mon, 24 Oct 2011 21:46:30 CST

（《礼志杂志》）

近代科学特别是近代物理以精确实验与数学计算为主要特点，这些特点开始于文艺复兴之后的欧洲。近代科学开始于天文学和物理学的革命，在物理巨人牛顿之前，有四个巨人起了开创性的作用，他们是哥白尼，第谷，伽利略和我们今天要聊的主角，开普勒。

这四位老兄所生活的时代相距不远，最老的当然是哥白尼，出生于1473年，比文艺复兴全才达芬奇仅小21岁。哥白尼本人也是一个全才，不仅是天文学家，还懂四种语言，兼数学家、医生、艺术家，外交家、经济学家，还是个天主教圣职人员；年纪排在第二的是第谷，出生于1546年，比哥白尼小了73岁，间隔确实大了些；三哥是伽利略，出生于1564年；小弟是开普勒，出生于1571年，比伽利略小7岁，比他的师傅第谷小25岁。其实第谷并不是开普勒的师傅，后者只是继承了他的皇家数学家身份，在第谷去世前一年，开普勒做了第谷的助手，但师傅并不那么慷慨大方，很多数据不让助手看到。

在那个时代，每个科学家都身兼一些奇奇怪怪的职业，比如第谷，同时是个炼金术士，也相信星相学。开普勒本身就是个星相学家，帮助神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世提供占星咨询，也帮助其他国王做这种事，所以他地位甚高。如果就星相学来说，四位巨人，两位出生在二月：哥白尼的生日是2月19号，伽利略的生日是2月15号，都是水瓶座。另两位出生在12月：第谷老师出生在12月14日，开普勒老师的生日是12月27号，前者是射手座，后者是魔羯座。当然我们在这里不想深究这些生日的含义，如果开普勒老师再世，一定会告诉我们很多道理。

这四位的共同特点是什么？第一，他们都信教，有的是天主教徒，有的是路德教派。第二，他们都多才多艺，前面已经说过哥白尼的数种身份了，第谷除了迷于炼金术，还研究草药，有些草药直到上世纪末还在用，他还开办了也许是最早的研究生院，这个研究生院教授天文学和医学。伽利略除了科学外，还是个技术发明者，发明了最早的望远镜——这使得他以观测否定了地心说，发明和改进了军用罗盘，制造了温度计。至于开普勒，在我们现在已经不信的占星学之外，他还是一位数学家，研究过雪花的六边对称性，提出著名的开普勒猜想：关于如何将圆和球紧凑地放在一起。除了以上所有共性，他们都热爱艺术，或多或少是艺术家。

另外，这四位老师都和宗教脱不开干系，虽然我们常说教廷因为伽利略相信和宣传日心说找他麻烦，软禁他，伽利略确实是位虔诚的天主教徒。一个证据是，他在婚外生了两个女儿和一个儿子，他觉得这些女儿不再适合婚嫁，都让她们进了修道院，一进去就是终身的。那个非婚儿子后来被正式承认为合法的儿子，并结了婚。四位老师中的老大，哥白尼虽然在死前出版了革命性的日心说，但终其一生都得益于教会。哥白尼的舅舅是位主教，与波兰的几任君主有密切关系。哥白尼在30岁到42岁之间是他舅舅的助手，帮助管理政教以及一些经济事务。哥白尼在此期间还尽了一些医生的职责，同时将85首诗歌从希腊语翻译到拉丁语，用肉眼观测行星，开始发现日心说。再说第谷，这位老兄是丹麦贵族，据说一度据有丹麦资产的百分之一，第谷也是占星学的信徒。最后，开普勒是路德教派的，但不是天主教徒。由于拒绝皈依为天主教徒，被迫离开家乡。在当时，路德教派算是先进的，趋向自由的派别。

不难看到，那个时期的科学先驱都生在有地位或富有的家庭，这也是他们能够在年轻时接受很好的教育，有机会接触到天文学等学科的原因。第谷本人就是贵族，开普勒祖父当过市长，我们前面提到哥白尼的主教舅舅，而伽利略的父亲是位作曲家和音乐理论家。

在谈他们的主要科学贡献之前，我们再八卦一点这些人的奇闻异事。前面也说过哥白尼是个百科全书式的人物，他仅仅比达芬奇小21岁，涉猎的领域一点也不比达芬奇少。说到语言，在波兰语之外，据说他通晓拉丁语，德语，希腊语和意大利语，研究钱币和与钱币有关的经济学，为自己的舅舅、亲戚以及一些主教看病。哥白尼自己也差点成为主教。最有趣的是第谷，这位老兄由于出身贵族，染上贵族病，在20岁时和另一位贵族子弟在别人的婚礼上口角，因而决斗，在决斗中鼻梁给打碎了，所以一直戴一个金属鼻梁，据说是金的或银的。结果是，1901年有人挖第谷的墓，发现假鼻梁是铜的。大家觉得这很合理，因为铜比金银要轻。第谷死于撒不出尿，而这个毛病据说是因为他参加一个宴会不好意思离开，得了膀胱病。他死于55岁，死后开普勒继承了他的位置，同时也获得了第谷生前不愿意给开普勒的行星资料。我们可以猜想，如果第谷活得更长些，开普勒也许一直发现不了行星运动的第三定律，而这个第三定律是开普勒行星运动三定律中最重要的，因为它直接导致万有引力的发现。

哥白尼的日心说对天文学直至整个科学的贡献和影响就不用说了。第谷的最大贡献是精确测量了一些行星轨道，为开普勒总结行星三定律提供了机会，他还发现了1572超新星，这颗在1572年被看到的超新星使得传统的观念彻底改变：传统上月亮之上的天空一直被认为完全不同于地上的物体，是永恒不变的。第谷证明了这颗超新星在月亮和所有行星之上，超新星会突然出现说明天上的事也在变化。哥白尼和第谷都精于观测，理论上，不同于后来的伽利略和开普勒。相对年轻的伽利略和开普勒善于利用数学构造理论，一般认为，伽利略是将数学应用到天文和物理中的鼻祖。例如，伽利略总结了钟摆定律，他还声明在真空中，不同物体在地球的重力场中下落的速度是一样的，另外，还有著名的惯性原理。

至于开普勒，他在研究第谷的资料之前，认为可以用柏拉图正多面体来解释各大行星到太阳的距离。在研究第谷的观测资料后，他总结了行星运动三定律：

1、所有行星的轨道都是椭圆，而太阳处于椭圆的一个焦点上。注意，比开普勒大七岁的的伽利略一直认为行星轨道是圆的，不是椭圆。在发现椭圆轨道之前，开普勒也走过弯路，一度认为轨道是卵形的。

2、在相等的时间内，行星和太阳的连线在轨道上扫过的面积相等。这等价于今天的角动量守恒。这个定律与万有引力具体的形式没有关系，只需要所谓转动不变性，即太阳引力场是转动不变的，与角度无关。

3、第三定律至为重要：每个行星绕太阳运动周期的平方与椭圆轨道的半长轴的立方成正比。这个定律直接导致牛顿后来发现的万有引力定律。

开普勒发现第三定律与他的一个嗜好有关。这个嗜好是，他喜欢将世间的一切都与音乐的和谐挂起钩来。例如，在这个信念之下他发现了开普勒多面体，这些多面体不同于柏拉图多面体。基于同样的原因，他发现了第三定律。有趣的是，不同于牛顿的寻求力学解释，开普勒认为，太阳代表了上帝，而行星则代表了圣子，距离太阳越远，上帝的感应越小，所以地球这个灵魂所受到的引力就越小。我们看到，一些伟大发现的发现者的动机和启发往往不是我们后人所能想象的。

没找到相关的文章.

量子共振信息水，到底有多不靠谱

Tue, 25 Oct 2011 17:44:03 CST

流言：宇宙中存在一种量子的 “灵力场”。人体各器官都有其固有的共振频率，体内的“灵力场”紊乱之后，共振频率就会偏离正常，继而生病。如果把正常人体共振信息全部取出、放大、永久记忆在水上，做成量子共振信息水，放在患处附近，就可以“隔空治病”，把紊乱的人体频率恢复正常，从而恢复健康^[1][2][3]。

真相：一瓶200ml的“量子共振信息水”在电子商务网站上卖600元，是相同容量主流品牌化妆水价格的10倍。东西卖得这么贵，到底有什么神奇的效果呢？恐怕无法找到令人信服的依据。

堀尾忠正是谁？

“量子共振信息水”的发明者叫堀尾忠正，其姓氏来自日本的养母^[2][3]。他自称“从小喜欢物理学，1996年在暨南大学医学院获得医学硕士学位，大学毕业不久就成了当地名医。其后系统学习了量子学、心理学……分析了霍金的《时间简史》（笔者：注意，这是一本科普读物），指出其理论中的缺陷及其缺失的部分。同时补充上第五种力和第五种场，即灵力、灵力场，可以更利于揭开宇宙真相^[2]……”

不过，在谷歌学术搜索引擎中，笔者找不到任何与“灵力场”、“量子共振信息水”有关的文献。

汉字的排列组合不是科学研究

共振和量子信息分别是物理学中的两个专有名词。“量子共振信息水”只不过是把这二者“嫁接”了起来。尽管找不到什么公开文献的佐证，他本人却多次透露“想做第一个获得诺贝尔奖的中国人”。事实上，从网上能找到的资料来看，他很可能只有观点，没有论据。我们无法检验模糊的语言的真伪，那么，在科学研究中如果遇到了新的想法，如何才能检验想法的真伪呢？

在现实生活中，要想证明存在一家新的养鸡场，首先要给出养鸡场的详细地址。在物理学中，要想证明存在一种新的量子场，也要先给出量子场在物理学理论中的详细地址，叫做“拉格朗日量”。例如，电磁场、引力场都有各自的拉格朗日量。有了这个地址，我们才可以深入场的内部，看看它占地面积多大，养了什么样的鸡，卫生是否达标。有了拉格朗日量，我们才能深入量子场的本质，看看它所占维度有多大，包含什么样的粒子，对称性是否达标。不过，写出拉格朗日量只是万里长征的第一步，想要最终检验它的真伪，还有无数繁琐的步骤需要完成。可以确定的是，如果有人兜售养鸡场的股份，又没有主动公开养鸡场的地址，那八成是个骗子。同理，网络上那些所谓的“灵力场”、“信息场”、“全息场”、“生物场”，如果没有相应的拉格朗日量的话，就等于没有地址的养鸡场，万万不可轻信。

如果无法提供 “灵力场”存在的依据，我们就无法确认它的存在。人体器官的共振频率的情况也是类似的。我们知道，频率是一个物理量，可以写成一个有量纲的数。例如，一般微波炉产生的微波频率是2450兆赫兹^[4]，表示一秒钟之内，电磁场能够在其中振荡24.5亿次。那么，健康人体的共振频率是多少赫兹呢？生病后又是多少赫兹呢？不同的疾病对应的频率是否相等呢？量子共振信息水中总共“记载”了多少个不同的频率数值呢？10ml的水和200ml的水分别能“记载”多少比特的信息呢？笔者没能找到堀尾忠正的回答。

从这个意义上说，“量子共振信息水”的概念只不过是几个汉字的排列组合，并不等于科学的研究成果。这些没有证据又要打破常识的观点，其实连“错”都算不上。

未经证实的治疗效果

从错误的理论出发，不一定碰不到正确的结果，那么，“量子共振信息水”有这样的好运吗？所谓将水“隔空”放在患处附近，就能治愈任何疾病的说法有什么科学依据吗？

堀尾忠正在网站上公布了很多无名无姓，无从考证的“个案”，其中包括“深圳有一位女的”，“多位癌症等严重的患者”，“一位从英国专程来找我治疗的”，“中国某开国元帅、国务院副总理的孙子”^[2]等等。

也许他是为了保护个人隐私，才不透露“个案”的具体信息的。那么，“量子共振信息水”是否有其它的间接证据证明其效果呢？当被问到是否进行过动物实验时，堀尾忠正流露出强烈不满：“这同‘郑人买履’，不相信自己穿鞋时脚的感受、而只相信尺码一模一样……我直接选择了正常人体的共振信息记忆在水上，而不是选择动物的共振信息……结果是，在人身上人人有效，而在动物身上很多会不灵了。”^[2]

堀尾不但制售“量子共振信息水”，还主动提出为一名白血病患者治疗。2011年2月21日，大丰之都网报道说：堀尾称自己看到某媒体的报道后，“千方百计想”找到患者葛某，“希望她用灵力医学排列和量子共振信息水治疗白血病”。他声称“曾经治疗过不少白血病人，均是两星期就返校上学”，并断言葛某“3月2 日就可回校上学”。记者表示，“（葛某）使用了信息水后，效果看上去也是非常明显的，随着我们的跟踪报道，我想大家也会一同见证。”

2011年3月3日，患者葛某去世。^[5]

量子医学不过是海市蜃楼

量子物理学是人类在20世纪最伟大的科学发现之一，它将我们对客观世界的认识深入到了比原子还微小的尺度，极大地改变了我们的生活方式。在中文文献检索系统中，也能查到数个“量子医学”的文献。那么，世界上真的有量子医学吗？

泛泛而论，一切已知的物质都是由基本粒子组成的。一切基本粒子都服从量子物理学的运动规律。因此，一切运动，包括生命现象，本质上讲都是一种量子的物理运动。然而，这并不意味着我们必须用量子理论来解释一切现象。一方面是因为，我们不可能知道每一个基本粒子在任何时刻的准确量子状态；另一方面，许多复杂现象都是宏观的集体的行为，不了解微观机制，并不一定会影响我们对问题的认识，这是物理学本身固有的性质。例如，量子物理学认为，电子没有固定的运动轨道，而是呈一种电子云的分布。但是，当我们做电学实验时，只要知道导体中电子的集体运动可以看作电荷的流动就可以了。这种解释是量子物理的一种近似的等效表述，并不与之矛盾。

所以，研究人体疾病的发展规律，最重要的理论基础是生理学、化学或者经典物理学，而不是量子物理学。在人体疾病的层次上，它们的可操作性要比直接解量子物理方程高的多。检测和治疗疾病的手段也是多种多样，其中一些运用了量子物理学的研究成果，例如核磁共振、PET扫描、放射性治疗等等，但这并不等于是量子医学。因为在所有检测结果、治疗效果中，对疾病的描述和对疗效的评估都不是建立在量子理论的基础上的。（关于现代医学，推荐阅读赵承渊的《正确的医学诊断从哪里来？》）

在现有的“量子医学”文献中，有关量子物理的表述存在诸多错误，体现出文章作者缺乏基本的常识。例如，有文献说：“电子、质子、中子等都是基本粒子”^[6]，“物理学上量子是电磁辐射最小的能量描述, 因此量子医学上使用的电磁场辐射的能量最低、最安全^[7]”。实际上，中子和质子都是由夸克组成的，并不是基本粒子。量子不单单用于描述电磁辐射，而是涵盖了所有物质的微观形态，甚至包括真空。如果光子的密度很大，即使单个光子的能量很低，总的能量密度也会很高，不见得最安全，因此这个因果关系也不成立。

结论：谣言破解。“量子共振信息水”没有任何科学依据。没有任何证据表明，“量子共振信息水”对某种疾病有治疗效果。从目前看来，所谓的“量子医学”，不过是个别缺乏科学常识的人的美好幻想。

参考资料：

[1] http://baike.baidu.com/view/2538590.htm

[2] http://www.yougong.com/productgzs.asp

[3] http://news.dfzs.cc/local/depth/2011/0221/29131.shtml

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Microwave_oven

[5] http://news.dfzs.cc/local/depth/2011/0303/29274.shtml

[6] http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgyszz200403001.aspx

[7] http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_njbdyy200602048.aspx

[8] http://www.guokr.com/blog/58702/

本文已发布于果壳网谣言粉碎机主题站《量子共振信息水，到底有多不靠谱？》文字编辑：拇姬

红警里的种种辐射

Mon, 24 Oct 2011 14:50:49 CST

提起核电站，核武器和各种辐射，《红色警戒》的玩家们对于它们在游戏中的给力表现一定印象深刻。不知为什么，游戏的设计者只给现实中美国的敌对方苏俄、伊拉克、利比亚、古巴这些国家配备了发电功率强大的核反应堆。在苏俄军事基地里，只要建起一座超级核反应堆，电力问题立刻高枕无忧，电力显示条从红色电力不足格子“刷”一下上升到绿色格子，让依靠建一个又一个小发电站增加电力的敌方基地望洋兴叹。

核电站有没有“大烟囱”

在红警3的游戏画面里，一个反应堆有三个口径很粗的高耸的曲线型“大烟囱”，上面冒着火焰，飘着黑烟。真实世界的核发电厂、核反应堆和红警里的可有些不一样。

在真实的核电站中，将经过蒸气轮机的水蒸气冷却是保证正常运行的重要步骤，一般来说，建在海边的核电站可以直接使用海水进行冷却（比如福岛核电站），只要有水泵就可以了。而建在内陆的核电站就需要修建又粗又大的冷却塔，这些冷却塔的形象就跟游戏中的那些大烟囱一样。

不过，冷却塔和反应堆部分是隔离的，只是把经过蒸气轮机的高温蒸汽冷却成水，最多也就只会冒出些水雾。正常情况下，连放射性物质都放不出来，更不用说像游戏里面那样冒出火焰和黑烟了。事实上，烟囱里冒着黑烟是燃烧煤、石油、天然气的常规火电厂的标志。这在核发电厂中是不会出现的，不会污染大气正是核发电厂的一大优势。

不过，在“红警”里，核发电厂也有不足之处，如果苏俄方的部队溜了号，没保护好核电厂，不小心让它们被盟军部队击毁，景象就壮观了：核电厂会像原子弹一样猛烈爆炸，升起一大团蘑菇云，周围的建筑、士兵、坦克都会受到波及，周围一大片区域也会变成绿色辐射区。

现实中，人们会担心福岛核电站发生核爆炸，这种担忧也一样存在于游戏设计者之中。不过，按理红警的核电厂是不会发生原子弹一样的爆炸的。

无论是原子弹还是核电站，它们产生巨大的能量依靠的都是“链式反应”。一些元素，比如常用的铀235的原子，它们的原子核可以分裂成多个小的原子核，同时会释放出很多能量，同时还会产生几个中子，这些中子又会去激发别的原子核继续分裂，以这样连锁反应的形式，在很短的时间内很多原子核分裂释放出巨大能量。可是原子弹和核电站的区别在于，原子弹的链式反应会以失控的形式加速发生，发生威力巨大的爆炸，但是核反应堆是在可控制的情况下运行的。

虽然核弹和核反应堆都以铀为原料，核弹要求铀235的纯度在90%以上，核反应堆中的铀浓度只有3%，两者相差悬殊，核反应堆不会发生像原子弹那样的核爆。不过，核反应堆里可以发生普通炸药级别的爆炸，如果威力够大，将包含着几层保护壳的整个建筑物摧毁，携带着放射性物质的烟尘会大范围扩散，让它们“变绿”。

单兵辐射武器可行吗？

在游戏里，伊拉克方面还有一种特殊的“大规模杀伤性武器”——辐射工兵。辐射工兵带着防护面具，身上背着一个“反应炉”，一旦部署后，会在四周形成一圈绿色辐射层。对于辐射工兵，敌方步兵轻易可伤不起，一旦进入绿色区域，就会全身变绿，被溶解掉。

现实中，原子弹、氢弹一般都是作为弹头安装在远程导弹上，或者用飞机空投。美国曾经制造过只可以摧毁一小片区域的小型原子弹，可以像炮弹一样用无座力炮发射到敌方阵地上。

不过，像辐射工兵一样背包里装着放射性物质去执行任务的主意恐怕只有恐怖分子才会考虑。如果手拿肩扛辐射物质去执行任务，怎样杀伤敌人又能让自己全身而退是个难题。在福岛核电站事故现场，工作人员即使全副武装，身穿核防护服，也无法阻挡住到达身体的全部核辐射。他们每15分钟就要换一次班，以避免过量辐射造成严重伤害。而放射性物质产生的伽马射线穿透力很强，需要使用很厚的铅壳才能屏蔽住，在辐射现场蹲在那里的辐射工兵们总不可能全身披挂几吨重的铅质铁甲。如果我们放宽一下要求，允许辐射工兵在辐射场扔完放射性物质后立刻逃走。不过，辐射剂量要足够，才能让进入区域内敌方士兵快速死亡。辐射工兵自己在放置核物质的时候如果稍微慢了一点，就要“出师未捷身先死了”；为了自己的安全，如果把铅罐里核物质浓度调低一点，但是杀伤力又要打折扣了。所以辐射工兵和核恐怖分子都不好当呀。

在红警里，小巧的恐怖机器人对辐射工兵的辐射无所畏惧，是辐射工兵的克星之一。可在实际中，在很强的核辐射之下，机器人如果没有专门防辐射的电路，未必能正常工作。核辐射形成的强大的电磁场，可以烧毁机器人电路中的电子器件，让恐怖机器人失灵。

隐形坦克的辐射武器

除了核辐射以外，“红警”的武器家族里其他的各种辐射武器也不少见。比如幻影坦克，在静止时可以伪装成树木（岩石或草丛）来隐藏自己，不被敌人发现，趁敌人不备时突然用高能热辐射发起攻击，由于热辐射没有颜色，令人防不胜防。对于幻影坦克的这一项功能，本文作者要吐一下槽。

在实际军事战争中，想让一辆坦克在敌人的眼皮底下隐身，仅仅人的肉眼看不见是远远不够的。敌方可以用微波雷达，红外线探测仪，噪音探测仪各种仪器来探测坦克的存在。只要坦克的温度明显高于周围环境，就会辐射出较多的红外线，被红外线探测器“现原形”。坦克强劲的发动机、发射炮弹的炮管、与地面摩擦的履带都会产生很多热量，难逃红外线探测器眼睛，为此，科学家们提出采取使用隔热发动机，在燃油中加入添加剂，改进冷却系统和通风系统等很多方法。由此可见，幻影坦克向外发射高能热辐射偷袭敌人并不是个好主意，会轻易让自己现原形。

另一项武器，使用光辐射的光棱塔是“用巨大的棱镜，通过反射太阳光，发出激光光束打击敌人”。一旦有敌方士兵或者坦克靠近光棱塔或者光棱坦克，它们会朝目标发射一道道明亮的光束，敌方士兵会瞬间变为灰烬，敌方坦克受到攻击后也会爆炸。相比于其他虚拟的武器，游戏中的激光武器更可行一些，现实中一些国家军方也在研制杀伤力强大的激光枪、激光炮、激光导弹拦截装置。只是原理上出了问题，激光无法单单靠棱镜反射阳光得到，需要有专门的激光器完成光子的受激辐射产生光束。

总的看来，红警里的辐射武器大多还都是浮云，作为消遣娱乐足够，但在现实世界的战争中，实在不见得是好主意。

电的历史与八卦

Tue, 18 Oct 2011 12:57:36 CST

英国《新科学家》杂志曾评选出了历史上11项“看起来不行却最终改变了世界”的科学，其中包括陀螺仪、复数概念、飞机、数字通信等，而其中排在首位是每天都伴随我们的电。

很多人对于多年前美国发生的大停电事故还记忆犹新，在2003年8月的一天下午，纽约部分地区开始了长达29小时的供电中断，原本安坐在疾驰的地铁里的乘客顿时陷入一片黑暗，困在伸手不见拇指的地铁隧道里；所有摩天大厦的空调全部停止运转，一阵阵夏日的热浪向人们扑面而来；在城市的各条街道上，大量恐慌人群不得不步行回家；工厂被迫停产，商店纷纷结业，冷藏室里的食品大量变质，通信陷入中断，就连曼哈顿岛的联合国总部也未能幸免，很多重要的国际会议都被迫推迟举行。原本繁华的城市陷入了一片死寂，据估计，这次事故造成的经济损失达数十亿美元，纽约的各行各业都受到了影响。很难想象，如果有一天电真的从这个世界上消失了，我们的生活会变成什么样子？

电的历史可以追溯到18世纪，在1745年，荷兰莱顿大学教授Musschenbroek利用盛水玻璃瓶来储存电荷，被称作莱顿瓶，也就是中学物理中学过的电容器，其后科学家证实天上的闪电也是一种放电现象。此时，人们对于电已经初见端倪，可以出乎人们意料的是，这项伟大的发明在开始的几十年里只是沦为了一件玩具，当时完全没有人预料到它日后会如此“飞黄腾达”。

[莱顿瓶的内部构造，图片来自howstuffWorks.com]

电这项新奇的东西最先吸引了魔术师们的注意，他们携带着起电器和莱顿瓶周游各地卖艺，表演的内容有许多种，有时很简单，魔术师先对一个外观与普通玻璃瓶无异、但已经充了电的莱顿瓶“施加魔法”，然后邀请一位观众上台，让他用手碰莱顿瓶两端，此时魔术师带着笑容说“你的手一定很麻吧，我的魔法奏效了”，不知情的观众对魔术师的技艺大加称赞，在花高价买了门票后争先恐后希望去体验一下“奇妙”的感觉。但好景不长，变这种魔术的表演者越来越多，同行竞争越来越激烈，这些江湖艺人不得不变着法儿发明一些更加惊险刺激的项目来，开始时表演电死青蛙，后来表演电死小狗，再后来有一位魔术师声称可以用使人复活，自然吸引了大量观众去观看。那么他是怎样做到的呢？在生物课上，很多人都做过电击青蛙腿标本的实验，已经被杀的青蛙腿神经受刺激后，蛙腿的肌肉还会有力地一下一下的收缩，这位魔术师用的也是这招啦，他找来刚刚执行完绞刑的犯人尸体，通上电后，犯人尸体的手、腿会被电的抬起来，甚至眼睛、嘴也会睁开，人好像复活了一样，台下女观众甚至被吓昏过去。这种恐怖表演在当时盛行了好一段时间。

[藏于美国Bakken博物馆的莱顿瓶实物]

作为研究电的大名鼎鼎科学家之一，富兰克林自然也对表演电的魔术深有兴趣，（关于富兰克林的风筝实验，请参见《富兰克林的风筝实验真实存在吗？》）在很长一段时间里，每个星期他都会举办一个小型聚会，为朋友们表演各种有趣的电学实验，例如制作一个纸蜘蛛，由于同种电荷相互吸引和异种电荷相互排斥，蜘蛛会在两个带有不同电荷的莱顿瓶之间飞来飞去，他有趣的表演每一次都会吸引很多粉丝前来驻足观看。此后他行情大涨，有时还会被邀请到欧洲表演。在当时欧美社会上层和皇室贵族舞会上，人们还时常玩一种“集体触电”的游戏：十几个人手拉手连成一排，排在队伍第一个和最末一个的人分别接触莱顿瓶两端，整个队伍就会同时尖叫着跳起来，很多人沉溺于这项游戏，劲头不亚于现代摇头丸爱好者。可是渐渐地，人们发现一个奇怪的现象，玩这种游戏时，有时只有队伍的前一部分人跳起来，到某一个人就停住了，这很费解，一旦某个人成为这个不幸的角色，就会被议论纷纷，有说他在不久后会遭遇大难，有说这是幸运的象征，有说这个人的生理结构与众不同。直到后来科学家总结出原因，这些人鞋底是湿的，是导电的水将电荷引导到了地下。在1748年，法国人诺莱特在巴黎圣母院外为法国国王路易十五的皇室成员做了一次特别表演，700名修道士手拉手连在电容器两端，如群众所期待的一般，700人几乎同时跳起来，场面令人惊叹不已。

由于电可以刺激人的神经，使肌肉收缩，瘫痪病人对电的治疗作用充满了期待。当时一些医生用电刺激病人的腿后发现，只有在通电时，下肢瘫痪病人的腿才会有一些颤动，停止通电后，又恢复了原样。单纯通电对于治疗瘫痪病人其实没有效果。但当年，欧洲各国的骗子庸医却建立了形形色色的组织，如电治疗协会，电治疗医院，电治疗学校……有人还声称电可以包治百病，从致命的天花到不孕不育症，法国一位医生在学习两年“电疗术”后，制作了一个电磁床，宣称只要人躺在上面就可以获得神奇的疗效，不过这些谎言都很快被揭穿。

当人们对新事物的好奇心逐渐褪去之后，接踵而来的是不断地向科学家提出电到底有什么用的质疑。1831年法拉第发现了可以用磁场来发电，在一次讲座中，一位贵妇人问他“您的发明看起来很有趣，可是实际有什么用呢？”，法拉第回答“新生婴儿有什么用呢”，这成为了经典的名言。不出法拉第所料，在短短四五十年后，19世纪70、80年代美国费城博览会和法国巴黎博览会上，爱迪生的灯泡、留声机，西门子的发电机，贝尔的电话先后展示在了人们的面前，曾经作为娱乐工具和骗子把戏的电力变成了一种新的能源，走进了世界各国。

已发表于《百科知识》杂志

富兰克林的风筝实验真实存在吗？

Mon, 17 Oct 2011 10:06:48 CST

传言： 富兰克林曾经与雷电有亲密接触。据说他将一把铜钥匙，系在风筝线的末端。风筝升入雷雨云层，闪电在风筝附近闪烁，雷声隆隆。一道闪电掠过，风筝线上有一小段直立起来，像被一种看不见的力移动着。富兰克林突然觉得他的手有麻木的感觉，就把手指靠近铜钥匙，顷刻之间，铜钥匙上射出一串火花。富兰克林大叫一声，赶紧把手远离了钥匙。他喊到：“威廉！我受到电击了！现在可以证明，闪电就是电”。

真相： 富兰克林的成就实在是数不胜数。他参加起草了《独立宣言》和美国宪法，担任过州长，是美国历史上第一位驻外大使，出版了费城第一份报纸《宾夕法尼亚报》、美国第一本医学专著、第一部小说以及其他很多畅销书，在多个科学领域也有很多贡献。（他甚至成了财富的象征）

富兰克林生前身后自然流传着很多故事，这个带电风筝的故事就是其中之一。作为流传已久的经典传说，很多美国人深信不疑。在国内，作为语文教科书里的“老段子”，同样人尽皆知。可是这到底是个神话还是真有其事呢？

富兰克林是第一个提出用实验来证明天空中的闪电就是电的的科学家，那是在1750年。^[1]但是第一个付诸于实践的却是法国科学家——他像图中那样观察到了铁棒上的火花，不过没有用身体近距离去碰铁棒。此后，还有一些研究者也做了类似的实验。在俄罗斯有一位物理学家在模仿这个实验时，因为操作不慎被雷电击死。

在几年后，有传闻和一些书籍称富兰克林用风筝替代了铁棒，做了这个著名风筝雷电的实验，但是缺乏充足的证据。后来有研究者发现富兰克林本人也从来没有正式承认做过这个实验。^[2]尽管对于富兰克林是否做过风筝实验存在争议，但是有一点可以肯定的是，富兰克林即使做过风筝实验，也肯定不会和传说中的一模一样。

实验若成功，富兰克林必死

如果云层上的电荷聚集越来越多，和地面之间形成的电压越来越大，最后它们击穿十几千米厚的空气，形成一条到达地面的导电通道，释放巨大的能量，这就产生了雷电。如果这条通道正好途经某个人的身体，放电电流会很大，数量级达到几十千安甚至百千安以上。那么大的电流流过受害者的躯体，首先伤害的是受害者的大脑和心脏。因为几毫安的电流就足以使人类的心脏发生心室纤维性颤动、停搏。雷电流也会致使呼吸系统麻痹而停止呼吸，从而致人丧命。此外，雷电流的极大的机械效应足以撕裂受害者的皮肤和肌肉，而强烈的热效应也足以烧焦受害者的躯体。这种雷击事故称为“直接雷击”。遭受直接雷击的人十有八九会死亡，即使没有死亡也会重度受伤。^[3]如果这条导电通道没有直接通过人体，相隔一段距离，比如击中了附近的一棵树，人体仍然有可能因为感应的电流而触电，称为“感应雷击”。感应雷击有时会比较弱，被击中者无大碍，受雷击大难不死的幸运儿大多数是这种情况。

如果按照故事中的情节，风筝被雷电击中，雷电电流顺着风筝线一直到钥匙，富兰克林的手指与钥匙之间距离很近，而且之间产生了明亮火花。富兰克林这样直接被雷击击中，绝不可能安然无恙。

实验！实验！

为了探明真相，著名实验帝《流言终结者》在第4季第5集里复制了这个流言^[4]。他们试图证明三件事：1、风筝能否吸引电流，并且通过长长的风筝线传递到钥匙；2、流入钥匙的电流量是否足以电到富兰克林的手指；3、那股电流是否足以让放风筝者心跳停止。

实验者模仿18世纪时使用的材料制作了一个大风筝和木板棚架。把风筝在天气晴朗的海滩上放飞，在飘扬的海风中，虽然完全没有电闪雷鸣，但空气中的电荷和风筝和风筝线与空气之间的摩擦产生的电荷已经可以使风筝明显地带上静电，风筝线上挂着的钥匙在吱吱响。第一件事很容易地验证了。

接着他们把风筝线弄湿，风筝上的静电量进一步增大。但是把手指靠近钥匙，却并没有出现明显的触电感觉。为了增大电量，终结者找了一个大金属球形状的电荷产生器代替海边的空气作为电荷来源，这个大金属球产生的电荷远远高过空气中的静电产生的电荷，但是比起真正的闪电还是微不足道的。当风筝靠近这个金属球时，就会被击中，如果把一个探头靠近钥匙，可以看到两者之间有微弱的火花。第二件事也证实了。

为了模拟雷电的威力，终结者走进了电力公司的试验中心，这里的高压电可达到100万伏，可是比起真正的雷电1亿伏的电压，也只是1%。他们用组织替代胶制作了一个假人的模型，里面安装了一个模拟的心跳检测器，并用模拟的雨中淋湿的风筝线进行实验。风筝被高压电击中时，在钥匙和假人的“手指”之间出现了明亮的电弧，通过模拟心脏的电流已经超过可以使人心脏停跳的最大电流的很多倍。这个“迷你版本”已经足以让富兰克林英勇牺牲很多次了。由此可见，富兰克林在直接被雷电电后还毫发无损，并且淡定地说“我可以证明闪电是电”是不靠谱的。

结论：谣言粉碎。 富兰克林或许有过风筝实验的想法，即便他真的做过这个实验，在细节上与传言也必定有所出入。从安全角度而言，如果在暴雨中被真的雷电电到的话，就不会是手被电麻了，很可能是当场暴毙。

参考资料：
[1] The Lightning Discharge 作者：Martin A. Uman
[2] 科学史话——富兰克林的风筝
[3] 雷击人身伤害与防雷知识要点作者：梅忠恕
[4] 《流言终结者》节目第4季第5集

本文已发表于果壳网谣言粉碎机主题站《富兰克林的风筝实验真实存在吗？》

[孤独专题]氦的孤独

Tue, 30 Aug 2011 05:10:30 CST

作者：rabyan

说起来，氦应该算是一种最孤独的元素。

在元素周期表中，氦、氖、氩、氪、氙、氡六种元素很是特殊，它们都位列周期表的最右边，都是各自周期（即周期表中的每一行）中的最后一种元素。周期表中的每一行到此都戛然而止，只有另起一行才能延续那周而复始的循环。从这个意义上说，它们称得上是每一周期的“终结者”。

当然，它们也不是天生就愿意呆在这个偏僻的角落，只不过是门捷列夫这个“总设计师”在规划各元素的“宏伟蓝图”时，把它们分在这个拍集体照都只能得到变形的脸的最靠边的“单元”。（其实，在门捷列夫最初编制的元素周期表中并没有这六种元素，因为当时它们还没有被发现，门捷列夫也没有给它们预留位置。当19世纪末氦、氖、氩、氪、氙、氡被发现后，它们就被补充在元素周期表的最右侧）

不过，让它们“靠边站”，却也不是没有道理。元素周期表是按原子结构的周期性变化来排列的，氦、氖、氩、氪、氙、氡比较特殊的原子结构（电子层的最外层上充满电子，化学上称之为稳定结构），使得它们处在这个位置显得顺理成章。

就这样，它们在周期表的一隅安家落户，它们毫无怨言，安之若素。在别的元素互相拉帮结派，勾心斗角时，它们却超然物外。它们既不像氧那样，和谁都能打得火热；也不像碳那样，喜欢抱团成小集体。它们似乎天生就不爱凑热闹，要想让它们和其他物质发生反应，几乎就是“不可能的任务”。由于它们这种“特立独行”的脾气，化学上把这六种元素称为“惰性元素”，把它们的单质称为“惰性气体”。

惰性气体不与其他物质反应的性质，和其原子的稳定结构有着必然的联系，因此，惰性气体一度被认为绝不可能形成化合物。然而，把不可能的事变成可能，永远是科学的目的之一。自1962年，第一个惰性气体化合物——六氟合铂酸氙被制取出来后，科学家陆续制得了氩、氪、氙、氡四种惰性气体元素的化合物。当然，我们也可以大胆地预测，在不久的将来，氖的化合物也极有可能被攻克。而氦，则依然孤独，孑然一身。

氦是孤独的，但这并不表示氦很脆弱。按照大爆炸理论，在宇宙诞生的最初，氢和氦就存在了。而与此相类似的是，恒星（包括太阳）也几乎都是由氢和氦构成的。（事实上，氦元素的最初发现也来自于对太阳光谱的观测，据此，科学家曾一度认为氦是太阳上特有的元素，当然这是错误的）太阳巨大的能量来源于其无休无止的热核反应。那些氘和氚（氢的同位素），“享受不了生活的战斗的欢乐”，在极高的温度下迫不及待地聚合在一起（即核聚变），在释放出巨大能量的同时，也毁灭了自己。而氦，则泰然处之，即便面对上千万度的高温，亦自岿然不动。

氦是孤独的，但这并不表示氦很孤僻。充斥于我们周围的空气中，就有氦的身影。（确切地说，包括氦在内的惰性气体，是空气重要的组成部分）而氦，则一直与空气中的氮气、氧气、二氧化碳等朝夕相处，相安无事。如果将时间倒退，几十亿年前地球的大气圈形成时，氦（及其他惰性气体）就已经是原始大气的成分。大浪淘沙，原始大气中含量较高的氨气、甲烷、氯化氢、硫化氢等等，历经岁月的煎熬，早已“灰飞烟灭”。不同时期，空气中的成分如走马灯般变换，而氦则历经数十亿年依然不变，成为空气中的“元老”。大隐隐于市，氦也许就是个最好的明证。

氦是孤独的，但这并不表示氦很自私。拥有一个能飞上蓝天的气球，大概是每个孩子都曾有的愿望。氦气密度很小，比空气要小得多；而由于氢气具有可燃性，因此人们取而代之用氦气来填充气球。对于安全要求更高的飞艇（包括载人飞艇）等，则必须使用氦气。氦气的沸点很低（是已知的沸点最低的气体），这也就意味着液态氦能提供其他物质所不能提供的超低温，因此液氦常用于超低温冷却。核磁共振技术是现代医学常用的一种检测手段，其中需要用到一种超导温度很低的超导体，而只有使用液氦来制冷才能达到这样低的温度。离开了氦以及低温超导技术，现代的核磁共振技术就无从发展。当然，有鉴于氦出色的“拒人以千里之外”的本领，氦气也常在工业生产中（如焊接、硅晶片生产）用作保护气，用以隔绝“讨厌的”氧气带来的干扰。所以说，氦“虽然不好看，可是很有用，不是外表好看而没有实用的东西”。

氦，这个占据着元素周期表最显眼的位置之一的元素，在无私奉献自己的同时，一如既往地享受着自己的孤独。

时间与空间

Fri, 16 Sep 2011 09:44:40 CST

（《Vision》文章，勿转）

一、经典的时空

时间与空间这两个概念是物理学的基石，也是我们人类甚至动物依靠直觉就具备的概念。

我们判断一个物体的位置，我们从一个地点走到另一个地点，涉及到空间这个概念。在小学，我们就开始学习一些简单的几何概念，例如三角形，三角形中的三个角有锐角、钝角和直角。到了中学，我们还学一点立体几何和解析几何。在这些初步几何课程中，基本的几何对象有点、线、面和体，这些分别对应于零维的对象，一维的、两维的和三维的对象。所以，维度这个概念我们从小学就开始接触了。而在日常生活中，不必通过学习我们就具备这些直觉概念。例如两维，我们有东西南北方向，对应于两个垂直的轴分别在两个方向上的延长。要决定平面上的一个点，我们只需要给出两个座标，每个座标就是对应轴的投影位置。我们生活在三维空间中，在东西南北之外，我们还有上下的概念，也就是在两个座标外添加了第三个座标。

我们还很早就学习了勾股定理，即一个直角三角形中，直角的两个边长的平方之和等于弦长的平方，这是欧几里德几何学中最基本的定理之一。我们还可以将这个定理推广到三维空间中去。我们称这个定理成立的空间为欧几里德空间，简称为欧氏空间。这是最简单的空间。

在球面上画一个三角形，勾股定理不再成立，而且，三角形的三个内角之和大于180度。所以，球面不再是欧氏空间。这个非欧几何我们普通人就能发现，因为我们经常看到球面。在19世纪，几位重要的几何学家还发现，除了平面几何和球面几何，还存在第三种几何，在这个几何中，三角形的内角之和小于180度。这种几何叫做罗巴切夫斯基几何，因发现者罗巴切夫斯基命名。同时发现这个几何的还有高斯。但罗氏几何反直觉，当时没有很快被人们接受，高斯其实早于罗巴切夫斯基发现这个几何，但只在通信中对朋友解释了他的一些想法。高斯甚至还通过大地测量来决定我们的空间到底是欧氏几何还是非欧几何。

后来，黎曼甚至认为非欧几何也要推广，在黎曼那里，空间可以任意被弯曲。

几何学不仅仅是数学，也是物理学的基础。在牛顿力学的伟大框架中，他必须对空间的性质作出规定。牛顿觉得空间是绝对的，也就是说，空间是三维欧氏几何，而且不会变化。到了爱因斯坦，这个概念受到挑战，并被实验证明空间本身不是绝对的。

时间和空间一样被我们的直觉所感觉，我们知道两件事分先后，时间在不断地流逝，我们也会随着时间的流逝成长和衰老。

尽管我们实实在在地感受到时间，并常常为时间的易逝感伤，时间到底是什么？这并不好回答，至少，严格的回答并不简单。我们先从牛顿的经典时间谈起。时间的操作定义与人们心理上感到的时间很类似，也就是说，当我们感到变化，我们觉得时间流过，或时间在流逝。所以，时间和变化即运动有关。为了量度时间，我们需要找到可以信赖的运动，例如天体在天空中的位置的变化。一天，就是太阳升起落下和再升起，或星星在天上东升西落一个周期。一月，是月相变化的一个周期。一年，是地球绕着太阳运动的一个周期。所有这些都和周期运动有关。有时，我们觉得这样定义的时间并不准，这和周期是否是严格的有关。现代授时技术已经用到了原子钟，这是基于某些原子的跃迁频率。

以上时间的操作性定义基于一个假定，即时间的均匀性，或某种周期运动本身的均匀性。这看上去有点同义反复，但并不完全是这样。时间的均匀性和时间的另一个性质密切相关，就是物理定律在时间上的“平移不变性”，一个物理定律在一万年前是如此，一万年后也是如此。周期运动是物理定律的一个结果，所以周期运动的一个周期是均匀的。在牛顿力学中，时间是均匀流动的。

还是爱因斯坦，彻底推翻了牛顿的绝对时间概念。在他的相对论中，时间并不绝对，对于两个事件，不同的人看到它们发生的时间间隔不同。有时，一个人看到A事件发生在B事件之前，而另一个人可能看到B事件发生在A事件之前。这种离奇的事确实会发生，只要两个人以非常大的相对速度运动。当然，如果B事件是A的结果，那么任何观测者都会看到A事件先发生。

爱因斯坦走得更远，他认为，万有引力其实是时间和空间弯曲的结果，在他的理论中，时间和空间不是独立的弯曲的，而是交缠在一起弯曲的。举个例子，地球万有引力使得地球周围的时空弯曲，不同高度的时钟走的快慢不同，这种快慢不同就是时间弯曲，但又是在不同地点发生的。

二、演化的空间

既然时间在不同的空间地点流逝的速度不一样，同样，空间上的两点距离也可能随着时间变化而变化。宇宙大爆炸就与此有关，我们难以想象三维的空间如何变化，但我们可以想象两维的空间随时间变化。例如看一个气球，气球的表面是两维的，当我们吹气时，球面的面积就会变大，气球上任何两点的距离也会变大。当我们这样看气球时，自然是将气球放在三维空间里看的。我们也可以设想一个没有镶嵌在三维空间中的一个抽象的两维球面，就像气球一样随时间变大。将这个抽象的图像推广到三维，就是我们宇宙的膨胀。

精确的天文观测以及对一些宇宙中结构以及辐射和物质的测量表明，宇宙不仅在膨胀着，而且还起源于大约137亿年前的一次大爆炸。这个大爆炸不同于我们见过的炮竹爆炸和炸药爆炸，后者是在一个小范围爆炸到大范围。而宇宙爆炸就像一个急速膨胀的三维气球，每两点之间的距离都急速变大。在开始的时候，宇宙中的每一点的温度都非常高，远远高于太阳内部的温度。随着宇宙的膨胀，温度降低（就像过冷气体的膨胀一样，温度会下降）。开始的时候，宇宙中所有粒子形成同一个温度的混合气体，当温度下降到近三千度的时候，宇宙变得透明，光开始与物质分离，光的温度和物质的温度开始变得不同，而物质慢慢地在引力作用下开始一块一块地成团，开始形成现在我们看到恒星的种子，恒星慢慢形成。然后是很多恒星一起形成类似我们银河系的星系。比星系更大的是星系团。

最近十年来，宇宙学家、物理学家和天文学家一道发现了一些更加令人目瞪口呆的事实。其中一个最“离谱”的事实是，宇宙看上去不仅在膨胀，膨胀的速度还在变大。为什么说这看上去很离谱呢？原因是，我们知道万有引力一直是引力，任何两团物质之间存在引力。所以，宇宙尽管会膨胀，但在引力的控制下膨胀的速度会降低，这就像我们向上抛掷苹果，尽管开始我们给苹果一个很快的向上速度，但苹果受到地球的引力，速度会越来越慢。同理，宇宙一开始因大爆炸的原因变得越来越大，但变大的速度会随着时间降低，最后可能会停止膨胀，然后甚至会收缩。在1998年前，科学家一直相信这是正确的图像。但98年的一个重大发现告诉我们事实不是这样的，宇宙膨胀的速度越来越大，就像被抛掷的苹果向上升起的速度越来越大一样（当然这不是事实）。换句话说，在宇宙的尺度上，似乎还存在斥力，这个斥力就是宇宙膨胀加速的原因。我们现在流行的说法是，某种暗能量的存在引起斥力，这个斥力使得宇宙膨胀的速度越来越大。而暗能量在宇宙中无所不在，并且是均匀的。暗能量是新世纪物理学和宇宙学最大的谜题之一，甚至可以说就是最大的谜题。

天文观测还告诉我们，在宇宙大爆炸“之前”，也就是说，在那团极高温气体出现之前，宇宙可能是冷的，而且也是加速膨胀的，加速度比现在宇宙膨胀的加速度要大得多，宇宙在极短极短的时间内膨胀了至少26个量级！然后，那个时期的“暗能量”才释放出普通物质，这些普通物质由于能量密度极大就成了高温气体。在大爆炸之前的这个极短的冷宇宙加速膨胀现在普遍被称为暴涨时期。同样，为何存在暴涨时期以及暴涨的根本原因是什么，也是目前物理学和宇宙学研究的中心问题之一。

三、时间和空间的起源

既然宇宙起源于大约137亿年前的大爆炸，一个自然的问题就是，在那之前宇宙是什么样子的？存在空间吗？存在时间吗？

前面我们说过，科学家普遍认为大爆炸之前还有一段很短的暴涨时期。那么，暴涨时期之前宇宙是什么？这是科学家各有各的说法的问题。下面我们罗列一些可能的说法。在罗列这些说法之前，我们先强调一点，就是，所有科学家都同意，要真正弄清这个问题，我们要理解两点：1、引力在极小空间距离上是继续遵循爱因斯坦理论，还是有很大的修改？特别是，量子论彻底修改了引力了吗？2、与上一点相关的是，时间和空间这些古老的概念，即使通过爱因斯坦修正，还成立吗？是否空间距离短到一定程度，时间短到一定程度，时间和空间根本不存在了？取而代之的是其他概念。就像在原子尺度上，连续物体的概念不成立了，被一个一个分子原子取代了一样。物理学家努力奋斗了半个世纪，还不能确切地回答这两个问题。下面是宇宙是关于“宇宙存在之前”各种学说不完全名单。

1、霍金以及他的一些合作者认为，在暴涨时期之前，什么都不存在，既不存在时间，也不存在空间。宇宙是从“无”中产生的，也就是说，在宇宙诞生之前，只有某种看不见的空间的量子涨落（什么是量子涨落？其实也是很玄妙的一个概念，我们这次不作详细介绍）。宇宙空间是突然从这种看不见的量子涨落中冒出来的。

2、有一个意大利小学派认为，在宇宙存在之前，存在一个“前宇宙”，这个前宇宙与我们现在这个宇宙没有多少不同，只是，那个前宇宙晚期一直在缩小，缩小到一定程度又开始膨胀。他们声称，这个假说是超弦理论预言的，但我们只能说这只是一家之说，弦论预言前宇宙也完全是他们的一厢情愿。

3、在暴涨时期之前，宇宙可能处于任何一种状态，而暴涨是偶然发生的，这是所谓永恒暴涨学说。永恒暴涨学说认为，真正的宇宙远远比我们看到的宇宙要大得多，我们的宇宙只是一小块区域，这个区域起源于暴涨，然后暴涨结束，产生物质。宇宙的其他区域还不断地产生暴涨，有的会结束，有的不会结束。永恒暴涨理论就是一锅巨大无比的开水，有的地方产生气泡，这个气泡形成一个宇宙，有的地方不形成气泡。然后，气泡之中又产生小气泡，以致无穷。

4、多元宇宙论。这个理论其实是建立在前面的永恒暴涨理论之中。这个理论认为，真正的宇宙很大很大，里面有很多不同区域，其中之一是我们这个宇宙。每个区域中的物理规律不同，例如万有引力常数不同，电子的电荷不同，甚至有的地方没有电子而有其他粒子。多元宇宙很可能是弦论的预言。但弦论家们就这个问题还在争论。

5、以上都不正确。正确的理论还没有被推导出来，我们需要理解在极短时间尺度上和极小空间尺度上时间和空间的本质才能真正理解宇宙的起源和时空的起源。我个人属于这个小圈子。

总之，时间和空间的本性以及宇宙的起源息息相关，甚至与目前我们这个巨大宇宙的一些不可理解现象也有关系，例如为什么存在暗能量，暗能量是什么？我们处于一个物理学的突破前夜。

你有相信自由意志的自由，也有不相信它的自由

Wed, 09 Feb 2011 10:45:25 CST

倘若你问我全宇宙范围内最讨厌什么东西，此时此刻，毫不犹豫地告诉你，姑娘我最受不了的有三件东西：爵士乐、键盘上失灵的Ctrl键，以及，拉普拉斯妖。

我也知道，接下去有很大的概率，你将马上问道：什么是拉普拉斯……呃，那个妖？

拉普拉斯，19世纪著名法国天文学家和数学家是也，中学课本上已经和我们打过照面了。却说1814年的一天，丫突发奇想做了个假设，说没准世上有种超级智能生物，其特异之处在于能知晓每个原子的位置和能量，这怪物被后世称作“拉普拉斯妖”，一个关于其性质的比较确切的表述，出现在了拉氏所著《概率论》的导论部分：“我们可以把宇宙现在的状态视为其过去的果以及未来的因。如果一个智能知道某一刻所有自然运动的力和所有自然构成的物件的位置，假如他也能够对这些数据进行分析，那宇宙里最大的物体到最小的粒子的运动都会包含在一条简单公式中。对于这智者来说没有事物会是含糊的，而未来只会像过去般出现在他面前。（http://zh.wikipedia.org/zh/%E6%8B%89%E6%99%AE%E6%8B%89%E6%96%AF%E5%A6%96）

实不相瞒，对我的意识世界来说，这样一种所谓智能的存在简直就是个灾难，它直接影响了生活的有趣程度——想象一下，一位帅哥公元2010年1月19日晚上20时27分6秒对我一见钟情，是因为他49分钟以前在对面酒吧里喝了一瓶红酒，喝这瓶红酒的理由来自于6个小时前他从任职的公司里拿了一笔项目奖金，这笔奖金和他3个月前陪同老板一起出的差有关，而这次出差……打住，我想我已经把自己极度厌恶的对象用概念提炼出来了，那就是“决定论”。（注1）宁可相信，那位拥有完美单眼皮的帅气男子，整十分钟不舍得把眼光从我身上移开是出于他的自由意志，这一行为绝对不是什么智能通过某种算法设定在宇宙事件里的，也不是喝多了之后的随意偶然，去他妈的红酒，去他妈的奖金，去他妈的出差吧！

即使当代神经生物学不得不把大脑当做一部机器来研究，也依然不妨碍它想要恪守某种“不完备性”，即有权利按或不按照算法来决定自己的下一个行动。（注2）

DNA螺旋结构发现者之一弗兰西斯•克里克（Francis Crick）在著作《惊人的假说——灵魂的科学探索》对具有“自由意志”的事物作出了如下设定：第一，人脑的某个部分与制定进一步行动的计划有关，但不一定执行它；第二，人不能意识到这部分脑所执行的“计算”过程，而只知道它作出的最终“决定”，也就是计划；第三，执行这个计划或那个计划的决定受到同样的限制。克里克并且认为，一个叫做“前扣带回”的脑区很有可能是“自由意志”的源地。

而哲学家、可爱的美国人威廉•詹姆斯（William James）在上上世纪末说的一句话深得我心，他认为人活着的全部刺激来源于“我们可以感知到生活中的事情是被一个又一个瞬间决定的，而非一系列在上帝出生以前就被决定的连锁反应”。

可是，尽管相信自由意志存在的信念显得无比正义，仍然会有人有这个自由不去相信它存在，比如，加州大学旧金山分校的神经学家本杰明•利伯特（Benjamin Libet）在1980年代进行了一项经典实验（Brain, vol 106, p 623），称自己测量了大脑在自发运动前的准备电位，确定了它们发生在产生意图的206毫秒之前。换而言之，我们自认为随机的每个动作，都并非由我们大脑所决定，大脑只不过接受了另一个更有决定权的信号的指挥而已。更要命的是，德国人约翰•海恩斯（John-Dylan Haynes）2007年做的另一项按按钮实验（Nature Neuroscience 11, 543 – 545 (2008)）打击了我企图质疑几百毫秒是否出于仪器偏差的想法，他使用功能性核磁共振脑成像技术，证实了行为的意图其实源于头脑中的无意识加工，这种加工大概在意图进入意识之前10秒就已经开始。

两位科学家凭借伟大的实验主义精神，不留情地告诫着类似我这种过分浪漫主义的脑袋：相信吧，自由意志，它只是个幻觉。

Haynes的按钮实验

Brembs的果蝇实验

好在，这场较量只不过刚刚开始，我知道试图唱反调者也不乏其人。同样在2007年，来自自由柏林大学的布乔恩•布伦布斯（Björn Brembs）等人进行了一项果蝇实验（PLoS One (DOI: 10.1371/journal.pone.0000443)），得出了针锋相对的结果，因为他们发现密室中的果蝇可以变换不定地向左飞或向右飞，这些飞行方向的决定乃是出自其大脑。需要指出的是，这项工作的真正可称道之处在于表明自由意志可以存在，但事实上也并没有证明其确实存在。

果蝇视频：http://www.msnbc.msn.com/id/21134540/vp/18699863#18699863

也许关于自由意志的争论最终必然落到物理层面上去探讨，既然，你我都不可避免地作为一种物理实体存在。给这个世界带来了无穷困扰也带来了无限可能的是量子力学的核心部分——粒子在被观察之前不具有明确的性质，人永远也无法预言观测的结果，而这种不可测性却为爱因斯坦所深恶痛绝，他在相对论的框架下树立起了“上帝不投骰子”的信誓旦旦（在给对手玻尔的一封信中爱因斯坦曾写道过：你信仰投骰子的上帝，我却信仰完备的定律和秩序）。但最最有趣的事实是，自由意志其实应该存在于两者之间，它不应当是完全的随机论，也不应当是简单的决定论，因为一切若是那随机的生灭，则无所谓意志，而一切若由那不知名的至高存在来决定，则无所谓自由。说白了，自由意志要一种“收放自如”，它里面简直有种唯心的疯狂。这东西的本来面目，原是个会搞破头的哲学命题，只不过不知道用了什么妖法，引来无数科学家竞折腰。某种意义上，荷兰理论物理学家、1999年诺贝尔物理奖获得者杰拉德•特•胡夫特（Gerard ‘t Hooft）可认为是个折中型的修正主义决定论者，他曾用一番言论解释了对该问题的看法：任何去进行观测的决定都会受到不久前的环境因素的影响，而观测进行过程中也有足够时间，允许你作出改变测量方式的决定。总而言之，即便在决定论的框架下，自由意志也不会彻底地失去，而是有范围地失去。想象一下，如果你端着一杯咖啡，“我不可能在一瞬间改变要喝下它还是把它扔到房间另一头去的决定，这个决定是根据以往的经验早就确定了的。重要的是，我可以划算一下喝下去（美美地享受一番）或者扔掉（做好准备洗地毯吧）对我的影响。所以，我们缺乏的只是改变初始条件的自由意志。”（New Scientist, issue 2615）

听上去很完满，我几乎就要写下“证毕”二字结束这篇文章了，但这样做其实是不道德的，因为，还必须告诉你一件事：推翻特•胡夫特这番说法的办法也不是没有的——苏黎世量子哲学中心的安东尼·苏亚雷斯（Antoine Suarez）已经用量子纠缠（注3）作为实验手段，证明他在解释中所用到的那个时间顺序也不过只是，一种幻觉而已（http://www.quantumphil.org/SuarezRandFinQM）。看到这里你是不是很崩溃？没错，我写得也有些崩溃。

毫无疑问，相信与怀疑还将继续，实验和争吵也将继续，因为人们愿意为之争吵乃至付出代价，这契合了马克•吐温所说的一句话，他说，我们有三样东西珍贵到了难以用语言形容的地步：言论自由、良心自由以及从不实践这二者的谨慎。

注1：决定论的基本思想是：一切世界的运动都是由确定的规律决定的；知道了原因以后就一定能知道结果，现在发生的一切都是由过去所决定的，它们通过因果而建立起关系。

注2：库尔特•哥德尔于1931年证明并发表了两条定理：任何一个兼容的数学形式化理论中，只要它强到足以蕴涵皮亚诺算术公理，就可以在其中构造在体系中既不能证明也不能否证的命题；任何兼容的形式体系不能用于证明它本身的兼容性。这被称为“哥德尔不完备定理”，是数理逻辑中的重要基础，它深刻地揭示了形式系统的内在局限性，也进一步揭示了人工智能的局限性，简而言之，从不完备定理可以导出总有算法解决不了的问题，也总有计算机解决不了的问题。

注3：量子纠缠是一种量子力学现象，描述的是复合系统中一类特殊的量子态，无论在多么遥远的距离下，两个处于量子纠缠的粒子都会保持一种特别的关联性，当其中一颗由于量子测量而发生性状变化，另一颗也会瞬即发生相应的变化。

民航飞机上为什么没有降落伞

Sun, 20 Dec 2009 11:20:58 CST

2009年对于民用航空来说，不是一个安稳年。每当提到民航事故，总会有人掀起争论，民航飞机上，为什么不给乘客准备降落伞。说起这个问题，好多读者都不理解，有人甚至认为，这是因为航空公司偷工减料。到互联网上搜索一下，对此给出的解释也不少，但无论怎么解释，总会有人提出各种诘问。但实际上，在民航业内，这早已是一个盖棺定论的问题，并不存在什么争议。

飞机在飞行中发生事故，我们分成两种情况来看。先假设这架可怜的飞机失控了，其实这是非常稀罕的事儿，对于现代民用客机来说，要想完全失控还真不容易。完全失控意味着，要么飞机进入了无法改出的危险状态（如尾旋或风切变），要么就是爆炸了，总之机身没有办法稳定。在这种情况下，飞机就像调酒师手中的摇壶，乘客完全无法站立，更不用说跳伞。不过别担心，这种情况是极少见的，否则的话，客机一定会设计弹射座椅。在没有弹射座椅之前，降落伞在这种情况下完全派不上用场。

然而在绝大多数航空事故中，飞机都是仍然可控的，在可控的情况下迫降，成功率非常高。通俗地说，飞机无论出了什么事，最后都会落地，飞机员需要做的只是让它落得轻一些，这并没有想象的那么难。举例来说，加拿大航空公司的一架波音767，在40000英尺的高空燃油耗尽，依靠无动力滑翔最终成功迫降，无一人受伤。美国阿罗哈航空公司一架波音737，机舱突然完全破损，前半段机身仅剩下地板，仍以过山车的外表迫降，仅失去了一名没系安全带的空姐。这是因为，现代飞机的动力和控制系统，通常都有多套冗余，如果排除严重的人为失误，出现伤亡性事故的机率极小。波音747有四套液压操纵系统，坏掉三套仍然能正常控制，波音777有两台发动机，只要一台工作就能越洋飞行。如果飞机没有失控，按照正确方法进行迫降，根据以往的情况来看，出现伤亡的机会是很小的。

而跳伞可就不同了。在一个摄氏零下40度，严重缺氧的高度，一个既不是超人也不是007的普通人，抱着“有总比没有强的心态”，打开舱门造成客舱失压，然后抱着降落伞从接近0.8马赫的飞机上跳下来，他可能既不会拉伞，也不会着地动作，也不知道落在什么地方……可以想见，这个生存机率有多大。假设现在我们处在一架发生事故、正在迫降的飞机上，给你一副降落伞，你想跳吗？

如果你不想，这就是本文给出的答案，一个理智的人，在危机情况下会选择两害相权取其轻，而不是跳下去总比听天由命强。因为此时你并不是听天由命，站在你身后的，是100年来无数的顶尖科学家和工程师，还有经过大量应急训练的飞行员团队。也许有的人说，我就不相信科学，就不相信技术，就不相信飞行员，我就相信我自己——那这就是一种癖。放弃安全来满足乘客的癖，这就不属于航空公司该做的事了。

还有的人会举出这样的例子，有的飞机在发生事故后，在低空盘旋了很久才坠毁，这个时间完全可以跳伞。但问题的关键在于，那些飞机盘旋并不是为了等死，而是在寻找迫降的机会，成功迫降的机会是非常大的。迫降失败都是在几秒钟的时间内发生的，在这之前，没有人能够预料，据以往的数据来看，这种可能性也不会高于3%。所以这种事后诸葛的论断，并不具有说服力，用过去发生的小概率事件去指导未来，也很难成为有效的做法——你把今天的彩票头奖号码背得滚瓜烂熟，也很难得到明天的头奖。所以，即使在飞机上准备了降落伞，在不能未卜先知的情况下，贸然跳伞也不是一个明智的选择。

所以，民航飞机不需要降落伞。

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[凝]最冷的，最凝聚

Sat, 27 Aug 2011 10:37:27 CST

这话说起来有点酷：距离我办公桌数百米，在Eric Cornell教授的实验室里，存在着可能是这个星球上甚至这个宇宙中最寒冷的地方。那里面的物质拥有一种神奇的状态：玻色-爱因斯坦凝聚。

这一切要从费米子和玻色子说起——

大家知道，物质是由原子构成的，原子是由质子、中子、电子构成的，而质子、中子等又是由夸克构成的，另外还有传递相互作用的光子、胶子等等。从原子、质子、中子到夸克、光子、胶子，这些都是微观粒子。根据它们的物理性质不同，可以将这些微观粒子分成不同的类别，比如：是否为目前认为不能再向下分的基本粒子、是否带有电荷、是否带有静止质量，等等。

中子和质子组成的原子核，再加上核外的电子云就构成了原子的结构（图来自这里）

依据微观粒子统计性质的不同，物理学家们把微观粒子划分为两类：费米子和玻色子。费米子服从费米-狄拉克统计，玻色子则服从玻色-爱因斯坦统计 [1]，简单一点说，这两种统计的不同意味着在不同微观状态之间分布的时候，占据状态方法的不同。打个比方，如果同一种微观粒子聚众看电影，对于费米子来说，两个人不能同时坐在同一位置上，这就是有名的“泡利不相容”原理，而对于玻色子来说，则可以允许两个甚至更多个人同时坐于同一个位置——虽然位子足够多时，这种情况也很少发生。

不可分辨的同一种粒子

抱歉，说起来，前边这个“电影院比喻”其实还是有失准确——

因为，当我们面对电影院里的人，还是可以清晰分辨张三和李四的不同。但当我们面对微观的粒子，同一种微观粒子之间却是不能够分辨的，一个粒子与另外一个粒子并无任何不同，所有人都失去了个性。我们可以说“两个费米子不能坐在同一个位置上，两个玻色子可以坐在同一个位置上”，但是并不能分清楚到底是哪个微观粒子坐在这个位置上。这个就是一般统计物理里面说的“全同的量子粒子不可分辨”的概念。

1925年的玻色（来自维基百科相关页面）。萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose，1894年1月1日－1974年2月4日）是印度的一位物理学家，他最先提出了微观全同粒子不可分辨的概念。

这个概念的历史并不长。直到100年前，大家还认为微观粒子可以分辨的，在不同状态上的分布满足“麦克斯韦-玻尔兹曼分布”。这是一种经典统计学的分布规律，如果说不同状态对应的能量是相当于不同档次的电影票价的话，那么最后每种座位上微观粒子的数量只和微观粒子所拥有的平均财富（对应系统的温度）和每种座位的票价（每个状态的能量）有关系。但是对于费米子和玻色子来说，分布规律还要和粒子的总数有关系。仔细来说，和每个粒子进入系统都有的一个跟现有的粒子数目相关的额外入场费用或者是最低消费额度有关系（统计物理里面是体系的化学能）。在使用光子的概念来解释黑体辐射等实验的时候，人们逐渐发现经典的麦克斯韦-玻尔兹曼统计在研究微观粒子的时候并不准确。

玻色-爱因斯坦凝聚的提出

最先提出“微观全同粒子不可分辨”概念的人是印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色。1924年，年轻帅气的玻色写了一篇题为《普朗克定律和光量子假说（Planck's Law and the Hypothesis of Light Quanta）》的论文，提出可以通过这一概念来完美解释普朗克总结的黑体辐射的实验发现。但是，他这篇文章并没有得到欧洲一些学术期刊的重视。遭到挫折的玻色将他的论文寄给身在德国的爱因斯坦，爱因斯坦意识到了玻色这篇论文的重要性，亲自将它翻译成德语，然后以玻色的名义发表在德国著名的《德国物理学刊》上。通过爱因斯坦的帮助，玻色的研究成果得以发表并获得了人们的关注。

1923年的爱因斯坦，摄于巴塞罗那（来自这里）。

1925年，爱因斯坦将玻色关于“没有静止质量的光子”的统计方法推广到有质量的原子体系中，预言了一种新的物质状态的存在。根据爱因斯坦的预言，在极低的温度下，由服从玻色-爱因斯坦统计的原子构成的气体可能会发生神奇的转变，处于最低的能量状态上的原子数目会随着温度的降低逐渐增大，直到几乎所有的原子都处于这一个能量状态上，而整体呈现出一个量子状态。这种状态后来被称为“玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensation，BEC）”，是很多实验物理学家致力实现的预言。

空间中粒子的分布：左图，可分辨粒子可以看成一个个单独的波包；右图，不可分辨的同一种粒子互相叠加起来，我们不能区分单个的粒子，它们形成一个整体的分布。

根据量子力学的知识，微观粒子具有波粒二象性，原子是粒子也是波。一个原子在空间中的存在可以用波函数来表示，如上面左图显示的那样，每一个粒子的准确位置都难以判定，只是在某一个位置附近有一定的分布，分布的大小对应于原子的德布罗意波长。原子的温度越低，德布罗意波长越大。如果原子之间的距离远大于于德布罗意波长，那么就可以把原子看成是一个个的点；如果距离小于德布罗意波长，那么原子的分布就会互相重叠（左图）。对于不可分辨的同一种粒子来说，互相重叠的分布使得他们表现出一个整体的量子态，如果粒子是玻色子，它们之间倾向于处于同一个状态，整个系统就会形成“玻色-爱因斯坦凝聚”。

因此，对于给定的玻色原子体系，要形成这种凝聚需要一定体积里面含有的原子数比较大（这样原子间的距离比较小），以及，温度足够低（这样德布罗意波长比较大）。

低温和超流

20世纪30年代，前苏联物理学家彼得·卡皮查（Пётр Леонидович Капица，1894年7月9日－1984年4月8日）开始低温物理学的研究。1934年他开发了能制造大量液氦的装置。1937年的时候，他发现在将液氦的温度降低到2.17K（-270.98摄氏度）之下的时候，液氦会变成一种没有摩擦的神奇液体，称做超流体。1978年，由于他“在低温物理学领域基本的发明和发现”[3]，这位低温物理学的先驱和发现宇宙背景辐射的彭齐亚斯和威尔逊分享了诺贝尔物理奖。

超流体有着非常有趣的性质。超流动性使得悬挂容器内的超流体在重力作用下沿着容器的壁到容器外来[见文后注释]。

卡皮查实现的是氦4的超流（氦4即一个氦原子核里含有两个质子和两个中子），里面的氦原子是一种玻色子，因此，超流体的发现可以说在一定程度上验证了玻色-爱因斯坦凝聚的正确性。然而，因为氦本来就处于液体的状态，原子和原子之间有着比较大的相互作用力，超流并不单纯是由于玻色统计导致的。如果想要严格验证爱因斯坦的预测，我们需要在气体体系里面实现玻色-爱因斯坦凝聚才行。前面说过，这需要将系统的温度将到非常低，因此需要更先进的制冷技术；同时还需要有大量的有一定密度并处于气体状态的原子，原子数太少则很难形成凝聚，原子密度太大则有可能形成液体或者固体。

这一切，直到20世纪90年代才得以实现。

激光冷却-低于千分之一度的低温

1997年，美国斯坦福大学的朱棣文教授（现任美国能源部部长）、法国巴黎高等师范学院的Claude Cohen-Tannoudji教授和美国国家标准局的William D. Phillips教授因为他们利用激光冷却并束缚原子的工作分享了诺贝尔物理学奖。激光冷却使得我们能够获得更低温度的原子气体，从而制造更精确的冷原子钟。1985年的时候，朱棣文等人首先利用这个技术将钠的原子气体冷却到了240微开尔文的温度（仅比绝对零度高出一百万分之二百四十度）[4]。

我们一般用的温度标准是摄氏度，一个大气压下，水结冰的温度是0摄氏度，水沸腾的温度是100摄氏度。很多情况下，物理学里面用的是绝对温度，单位为开尔文（K），一个开尔文和一摄氏度的单位是一样的。绝对零度（0开尔文）是-273.15摄氏度，室温相当于大约300开尔文。对于空气里面的绝大多数成分来说（氧气、氮气、二氧化碳等等），温度的降低会使得它们变成液体，然后有的还会随着温度的继续降低变成固体，比如说，氧气在90.20开尔文（零下182.95摄氏度）的时候变成液体，在54.36开尔文（零下218.79摄氏度）的时候变成固体。空气里的气体分子是在不断地到处运动并且互相碰撞的，空气的温度和运动速度是联系起来的。我们周围的空气分子运动速度在数百米每秒的样子，如果降低空气的温度，分子的运动速度也会降低，而如果能够将一个个的空气分子速度减下来，空气的温度也就降低了。而激光冷却就是通过激光来减慢原子的运动速度，从而使得原子气体的温度变小。

激光器发出的光子在钠原子上“散射”，同时给钠原子一个反冲的作用。在这个作用下，原来向右运动的钠原子速度会变慢。

大家可以想象一个战争的场面。失控的战车冲向战壕，战壕里的战士向战车不断开枪，子弹打由战车弹向四面八方。如果仔细看战车的速度，我们会发现由于子弹的撞击，战车的速度会越来越小，利用激光冷却原子和这个过程相似。如上图显示的，激光器发出的光子就像子弹一样，如果光子在钠原子上发生“散射”，那么向右运动的钠原子在激光的作用下速度会越来越慢。仔细说来，光子在钠原子上发生的并不是散射，而是光子将钠原子的电子激发到激发态，然后电子跃迁回来的时候会放出一个方向不确定的光子。在一段时间内，钠原子吸收的光子有特定方向，而放出的却没有，所以原子会被光束减速。这样，原子的动能有个和光子的能量相关的不确定性，这也给出了激光冷却能够得到的最低温度。

高压钠灯的发射谱线（来自这里）。

为了利用这一点来冷却气体，我们它对不同的原子能有不同的效果。对于向着激光运动的原子来说，我们希望能减慢他们的速度，对于远离激光运动的原子来说，我们不希望把它们推的越来越快。并不是所有波长的激光都能够和原子相互作用，原子在内部的电子能级发生变化的时候，会放出或者吸收特定波长的光，这构成了原子的发射光谱或者吸收光谱。每一条谱线都是有一定的宽度，激光的波长越接近吸收谱线的中心位置，激光就越容易影响原子。

激光冷却原子的示意图，选择激光的波长在原子谱线偏红（波长偏长）的一侧，这样可以实现原子的减速。来自[5]里的动画截屏（强烈推荐大家去玩一玩这里面的一系列关于BEC的动画游戏）。

如果像上图右下角显示的那样，我们将激光的波长选择在原子谱线波长略微比中心位置长一些的一侧，那么由于多普勒效应，向着激光运动的原子感受到的波长会显得短一些（蓝移），因此作用强烈；而背离激光运动的原子感受到的波长会更长一些，因此作用很弱。这样，如果在前后左右上下六个方向都有一束激光的话，就可以保证把原子的速度降低下来。通过这种方法，可以将原子气体的温度降低到绝对零度之上大约千分之一摄氏度，这一温度要比自然条件下存在的最冷温度低成千上万倍。（在自然条件下，最冷温度是太空的温度，也就是宇宙背景辐射的温度，大约为3K）。

然而，这还不够……要产生产生玻色-爱因斯坦凝聚，我们还需要更低的温度。

20世纪90年代的Carl Wieman教授（左）和Eric Cornell教授（右）。Eric Cornell教授现在是JILA的主任（JILA是科罗拉多大学和美国国家标准局的一个合作研究单位）。

玻色-爱因斯坦凝聚的最终实现

1990年，从麻省理工学院（MIT）获得博士学位的Eric Cornell来到科罗拉多州位于洛基山脉山脚下的小镇博尔德（Boulder）做博士后，随Carl Wieman教授一起致力于研究如何实现玻色-爱因斯坦凝聚，两年后他成为助理教授。他们采用了激光冷却的方法将铷原子气体冷却到很低的温度，然后利用磁势阱蒸发冷却的方法得到了更低的温度。

磁势阱蒸发冷却示意图：磁势阱里面束缚的原子气体在势阱降低的时候，带有较高能量的原子会跑掉，留下温度较低的那些原子（来自这里）。

本身带有磁性的原子，这使得可以用磁场来束缚住原子，称为一个磁场的势阱。大家对蒸发冷却的原理都很熟悉：一杯开水放在桌子上，水里面速度较快的水分子会冲出水面，散发到空气中去，从而带走了较多的能量，剩下的水分子平均能量因此降低。同样，通过降低磁势阱的高度，我们可以让束缚在势阱里面的带有较高能量的原子跑掉，从而留下温度较低的原子，得到非常冷的原子气体。

利用这两种制冷方法，Cornell和Wieman在1995年6月成功地将含有大约2000个铷87原子（铷的一种同位素）的气体冷却到低于170nK的温度（仅比绝对零度高了百万分之零点一七度），这时，大量的原子聚集到了最低的能量状态，形成了玻色-爱因斯坦凝聚[6,7]。此时，距离玻色和爱因斯坦提出玻色-爱因斯坦凝聚的构想已过去70年。四个月之后，MIT的Wolfgang Ketterle教授等人成功地用钠23原子实现了玻色-爱因斯坦凝聚，他们实现的凝聚含有超过一百倍数量的原子，这使得他们可以观测一些重要的性质，比如观察两个凝聚之间的量子干涉现象[2,8]。这三位科学家分享了2001年的诺贝尔物理学奖。

Eric Cornell和Carl Wieman得到的玻色-爱因斯坦凝聚结果图。从左到右依次为400nK，200nK和50nK（参考这里）。

束缚在势阱里面的冷原子气体在关掉磁势阱之后，会向着周围的空间运动。如果没有实现凝聚，那么原子就有不同的向四面八方的速度，一段时间之后的原子在空间里分布就会很广；而凝聚的原子称为一个整体，基本没有向外扩散的速度，在一段时间之后仍然表现为一个很集中的分布。利用光学成像的方法，Cornell和Wieman得到了不同温度下关掉磁势阱之后得到的分布图像（如上图），200nK和50nK的结果里清晰地显示了玻色-爱因斯坦凝聚的存在。

Ketterle教授等人观测到的两个玻色-爱因斯坦凝聚之间的干涉现象[9]。

玻色-爱因斯坦凝聚是一个宏观的量子现象，实现的凝聚里面所有的原子可以用一个整体的波函数来描诉。因此，像两束激光一样，两个凝聚之间也可以发生干涉的现象。Ketterle教授等人利用两个玻色-爱因斯坦凝聚实现了这个干涉的现象。上图显示了两个凝聚之间的干涉现象，仔细看的话，水平方向有一系列的干涉细线。原子构成的凝聚清晰地体现了波的性质。

关于玻色-爱因斯坦凝聚有着非常多的有趣的实验可以介绍，而在某些条件下，费米子也可以像玻色子那样凝聚起来。（由于篇幅的问题，在这里就不再介绍，期待以后有机会再一一展开去讲。）

凝聚有什么用？

近百年前的理论预测，经过许多物理学家孜孜不倦的努力才得以实现，这个领域是现代物理里面光学、凝聚态等方向的尖端前沿，里面诞生了许许多多的激动人心的研究成果。然而对于实际应用来说，玻色-爱因斯坦凝聚还只是一个刚刚开始的方向，也许要等待数年才能有实际的应用出现。

对于物理学来说，玻色-爱因斯坦凝聚的实现提供了一个研究量子现象的工具。很多的量子现象都只能在原子的大小上实现，而我们缺乏合适的观测方法。利用玻色-爱因斯坦凝聚，我们可以把微小尺度上的量子现象放大到宏观的尺度，进而利用更方便的探测方式去研究其中的规律，去和物理的理论对比，从而可以得到更多的进展。举个例子来，固体物理学的研究对象是不同的固体系统，比如说半导体或者超导体，这些系统的性质是由原子不同的排布方式和电子在原子排布的格点里面运动的方式决定的。利用冷原子凝聚和激光构成的系统，我们可以模拟这些固体系统并且通过实验的手段去调节系统里面不同的参数，这样，我们可以获得更多的理解。

玻色-爱因斯坦凝聚之间的干涉现象可以提供给我们提供一个更精确测量速度和位置的工具，因此将来有可能实现玻色-爱因斯坦凝聚为基础的导航设备。此外，为了实现玻色-爱因斯坦凝聚而使用的冷却方式也是用处多多，比如提供更好地制造原子钟的技术，此处不再赘述。

感谢水龙吟、候戏、 Sheldon、游识猷和杨杨对本文提供的帮助。

参考阅读：

1. 更多细节可以参阅统计物理学教材，例如：高等教育出版社，汪志诚，《热力学·统计物理》。
2. 维基百科，Maxwell–Boltzmann distribution，Fermi–Dirac statistics，Bose–Einstein statistics，Satyendra Nath Bose，Superfluid，laser cooling，Bose-Einstein condensate等相关内容。
3. 诺贝尔奖网站， 1978年物理奖获奖者
4. Steven Chu et. al., Physical Review Letters 55, 48 (1985). 链接 http://prl.aps.org/abstract/PRL/v55/i1/p48_1
5. 美国科罗拉多大学“Physics-2000”项目关于BEC的内容。http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/，强烈推荐大家去玩一玩这里面的一系列关于BEC的动画游戏。
6. 美国科罗拉多大学和美国国家标准局，JILA，《The Wonderful World of Ultracold》.
7. M. H. Anderson, J. R. Ensher, M. R. Matthews, C. E. Wieman, E. A. Cornell, Science 269, 198 (1995). 链接 http://www.bec.nist.gov/PDF/bose-einst.pdf
8. K. B. Davis, M.-O. Mewes, M. R. Andrews, N. J. van Druten, D.S. Durfee, D. M. Kurn, and W. Ketterle, Physical Review letters 75, 3969 (1995). 链接 http://prl.aps.org/abstract/PRL/v75/i22/p3969_1
9. D. S. Durfee and W. Ketterle, Optics Express 2, No. 8, 299 (1998). 链接 http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-2-8-299

【返场注释】

（文/沐右）

超流体有着非常奇特的性质，它的粘滞系数为零，它的表面张力也为零。由于表面张力为零，超流体会倾向于于覆盖整个表面的状态。这样，如下图所示，一个容器里面如果有超流体的话，那么整个表面都会有一层超流体，放在容器内超流体表面的碗内外也都会有一层超流体薄膜，在重力的作用下，超流体会向碗内运动。而前面提到的悬挂起来装有超流体的容器，其内部的超流体就会通过这一层薄膜在重力的作用下运动到外面来。

图片来自维基百科“Superfluid”页面[2]。

2011諾貝爾化學獎得主Daniel Shechtman與新的物質型態「準晶體」！

Wed, 05 Oct 2011 23:54:01 CST

2011諾貝爾化學獎得獎者是以色列籍的Daniel Shechtman，他因為發現準晶體(quasicrystals)這種新的物質型態而得獎。

一直以來人們認為物質的原子排列可以分成有規則跟沒有規則，其中有規則的就叫做「晶體」。當用單色光，如X ray照射的時候，晶體就會因為原子周期性的排列而展現出漂亮的繞射圖形。但是一直以來科學家對晶體的認識，就是晶體只能用某些特定的對稱方式存在，像是不該有五邊形晶胞的晶體(五重對稱)，或是六重對稱以上的晶體不存在。

今年的諾貝爾化學獎得主的成就就是在1984年，於快速冷卻的鋁錳合金中發現了一種新的物質排列方式，其電子繞射斑具有明顯的五重對稱性，從而發現了「準晶體」這種新的物質型態。

現在知道準晶體具有完全有序的結構，然而又不具有晶體所應有的平移對稱性，所以在小範圍內原子的排列是規則（有序）的，但在大範圍下又像是是不規則（無序）的 (如下圖)。這樣特殊的結構讓這種物質型態有不同於晶體的性質；因為這種特殊原子排列造成的性質，讓物質的行為有更多可能存在的形態，很多相關的物理性質研究都從此陸續進行，才發現很多特殊的性質，例如：準晶體的材料可以變得非常硬，或是具有特殊的電熱或光電性質。

但是在當時，幾乎所有的科學家都拒絕相信這樣的結果，主流意見認為晶體不可能存在如Shechtman說的那種排列，即便是他當時的好朋友，跟工作上的主管，都不能同意在自己的研究團隊中發現這樣的結果。這種新結果，只有他自己相信，相關研究發表也被拒絕，甚至當時最偉大的化學家與晶體學家鮑林也公開批評他說的東西是無稽之談。

不過因為他自己的堅持，加上漸漸有更多人觀察到同樣的現象，這種新的物質型態準晶體(Quasicrystals)才被科學界慢慢接受。

下面的影片就是今年得主對自己這個發現的表白，陳述他自己這一路研究的故事。因為他的經驗，影片最後他強調，如果你是一個愛好科學的人，請堅持自己的研究結果。研究者要聽別人的意見，可是自然真相的存在與否不是別人的意見能決定的。

轉載自科學影像 scimage

维度不同

Mon, 10 Oct 2011 09:12:08 CST

由于个人口味差异，我妈爱看的电视节目我一般不爱看，反之亦然。这就像一个逆向功能的豆瓣网，只要她老人家给某条目打了五星，我基本上可以偷偷将此条目标为“不用看”，最明显的例子是某地方台的电视相亲节目，我妈爱得赞不绝口，我看了两分钟就觉得看不太下去——不是节目不好，是各人所处维度不同，世界在脑中的反应也不同。

该相亲节目最近上了一些理工科男，其中某位同学的爱情宣言迅速在网络上传开：“有一天，你在我的参考系里静止，你透过我的瞳孔衍射在我的视网膜上留下一道艾里斑，于是我知道：我的生命经历了一个不可逆过程。你就像太阳一样对我发出辐射，虽然你很小心，把最热烈的心情放在高频次的波段。我恨自己眼睛不够大，遗失了太多高频的波段；又恨自己的眼睛不够小，在我的视网膜上出现了相差。在这个熵急剧增加的世界里，我的平均自由程越来越短。我的灵魂，在闵可夫斯基空间里飘来飘去，飘来飘去…”

看到这段话，我想起来我大学的一件事。你知道，不论哪个群体里都会有那么一小撮文艺青年时刻伺机小清新，我念的那种理科中的文科系更不例外，偏偏我们系又住在某条闻名遐迩的樱花大道旁，每到春季樱花就以狭路相逢勇者胜的气势开得云蒸霞蔚。那年有位学长连续几天都拖着吉他在女生宿舍窗下边弹边唱“樱花树下如何如何”，对面外语系的妞们都闪着星星眼觉得好牛逼啊好浪漫啊好白衣飘飘的此间少年啊，我们系的妞们，后来前仆后继地成了女博士的妞们，打开窗，羞涩而坚定地说“学长，你——你吵死了，我们还要准备考试呢。”

泼冷水效果就像节目上的女嘉宾说的“你研究的是啥粒子对撞？这么科幻，这么外星人的东西呀”一样。不是你不牛逼，是对象身处不同维度。而明知“自己眼睛不够大，遗失了太多高频的波段”，又何苦一定要寤寐思服，最后知道真相的你才眼泪掉下来？如果你是程序猿，就该知道得找猩猩才能相吸。如果执迷于某个波段，就会像那条最孤独的鲸鱼“52赫兹”。

“52赫兹”是某头鲸鱼用鼻孔哼出的声音频率，最初于1989年被发现记录，此后每年都被美军声纳探测到。因为只有唯一音源，所以推测这些声音都来自于同一头鲸鱼。该鲸鱼平均每天旅行47千米，边走边唱，有时候一天累计唱个22小时，但是没有回应。鲸歌是鲸鱼重要的通讯和交际手段，据推测不但可以表示“快走啦不然嘀你”和“鱼多且傻速来”，在交配季节更有“樱花树下如何如何”的作用。导致“52赫兹”万水千珊瑚礁独行的原因，是因为该品种鲸鱼的鲸歌大多在15至20赫兹，“52赫兹”唱的歌就算被同类听到，也不解其意，无法回应——在人类中，就好比将张靓颖的歌曲加速快放，不但难以理解，还会让海豚音爱好者都捂着流血的耳朵落荒而逃。于是“52赫兹”说的情话其他鲸鱼听起来都很科幻很外星人，它只能唱啊游啊独自变老，声音逐渐哑掉，一点点接近同类的频段，却在有生之年都难以达到。

造化弄人，这边努力发光发热，却发现对面的原来你什么都不想要。要想有妞，要先做市场调研。牛津大学人类遗传学教授Bryan Sykes在他的著作《亚当的诅咒》中说得很清楚：“在这场争夺消费者（雌性）的战役中，只有满足消费者需要的雄性方能得到回报，不受雌性欣赏的特性并不能带来好处：雄孔雀有漂亮的尾羽但不能歌唱，能唱得像夜莺一样好的雄孔雀只能浪费时间，因为雌孔雀并没有能聆听歌声的耳朵；同样的，雄夜莺也无法靠长出华丽青蓝尾羽去取悦到雌夜莺。达尔文意识到并不只是表现出的特性受到选择压力，而相对应的，能理解和接受这些特性的能力也受到选择。”

换言之，找准处在同一个维度的目标很重要。“52赫兹”如果想琴瑟和鸣，可以去唱给频率范围是二十到一万赫兹的座头鲸。面对着人生目标就是把家里装饰得像国际化大都市一样然后坐在宝马里哭的妹子们，理科男们趁早拾掇拾掇换地方吧。喜欢谢尔顿博士爱听冷浪漫情话的妹子们不在电视相亲节目，却大面积盛开在标榜科技和智趣的果壳网，她们看《三体》，有些还读了女博士，连爱情专栏的名字都叫做“银河系爱情指南”，够外星人，够科幻。

（已发表于《时尚先生》）

[2011诺贝尔物理奖]宇宙加速膨胀完整图文解读

Thu, 06 Oct 2011 05:45:56 CST

写在恒星之中

“有人说世界将终结于烈火，有人说将终结于寒冰……”

宇宙最终的命运是什么？或许它将终结于寒冰，如果我们打算相信今年的诺贝尔物理学奖的话。他们已经仔细研究了几十颗遥远星系之中被称为“超新星”（supernova）的爆炸恒星，得出了宇宙正在加速膨胀的结论。

即便是对这些获奖者而言，这项发现也完全出乎他们的意料。他们看到的现象，就好比是把一个小球抛向了空中，却没有看到它落回来，反倒看着它越来越快地上升，最终消失在了空中，仿佛引力无法逆转小球上升的轨迹一般。类似的事情似乎发生在整个宇宙当中。

[世界正在膨胀。宇宙的膨胀始于140亿年前的大爆炸，但在最初几十亿年里，宇宙膨胀的速度是越来越慢的。但最终，它开始加速膨胀。这种加速被认为是由暗能量驱动的，这种暗能量起初只占宇宙的一小部分。但随着物质在宇宙膨胀过程中逐渐稀释，暗能量变得越来越显著。]

宇宙膨胀的这种加速度暗示，在蕴藏于空间结构中的某种未知能量的推动下，宇宙正在分崩离析。这种所谓的“暗能量”（dark energy）占据了宇宙成分的绝大部分，含量超过70%。它的本质仍然是谜，或许是今天的物理学面临的最大谜题。所以难怪，当两个不同的研究团队在1998年公布相似的结果时，宇宙学的根基被撼动了。

索尔•佩尔穆特（Saul Perlmutter）领导着其中一个团队，即1988年启动的“超新星宇宙学项目”（Supernova Cosmology Project）。布莱恩•施密特（Brian Schmidt）领导着另一个团队，即1994年启动的“高红移超新星研究组”（High-z Supernova Search Team）展开竞争，亚当•里斯（Adam Riess）在其中起到了至关重要的作用。

两个研究团队通过寻找遥远空间中爆发的超新星，展开了绘制宇宙“地图”的竞赛。通过确定这些超新星的距离和它们离我们而去的速度，科学家希望能够揭开我们宇宙的最终命运。他们本来以为，自己会发现宇宙膨胀正在减速的迹象，这种减速将决定宇宙会终结于烈火还是寒冰。结果，他们发现了完全相反的事实——宇宙膨胀正在加速。

[一闪一闪亮晶晶，天上星星在哪里……]

宇宙在膨胀

天文学发现颠覆我们对于宇宙的观点，这已经不是第一次了。就在100年前，人们还认为宇宙是一个宁静的所在，比我们的银河系大不了多少。宇宙学时钟可靠而又稳定地滴答作响，记录着时间的平稳流逝，而宇宙本身则是永恒的，无始无终。但没过多久，一种颠覆性的红移就改变了人们的这种观点。

在20世纪初，美国天文学家汉丽埃塔•斯万•勒维特（Henrietta Swan Leavitt）发现了一种测量遥远恒星距离的方法。当时，女性天文学家没有接触大型望远镜的资格，但她们被天文台雇佣，来从事分析照相底板的繁重工作。汉丽埃塔•勒维特研究了上千颗被称为造父变星（Cepheid）的脉动变星，发现越明亮的造父变星，脉动的周期也越长。利用这样的信息，勒维特能够计算出造父变星自身的亮度。

只要有一颗造父变星的距离是已知的，其他造父变星的距离就可以推算出来——恒星的光显得越暗，它的距离就越远。一种可靠的标准烛光就这样诞生了，直到今天，它们仍是宇宙距离标尺上的第一个标记。利用这些造父变星，天文学家很快就得出结论——银河系只是宇宙中许多星系中普普通通的一个。到了20世纪20年代，美国加利福尼亚威尔逊山上当时世界上最大的望远镜投入了使用，这让天文学家能够证明，几乎所有星系都在远离我们而去。他们研究的是一种叫做“红移”（redshift）的现象，当光源远离我们而去时就会出现。光的波长会被拉长，而波长越长，它的颜色就越红。天文学家得出的结论是，星系不光在离我们而去，彼此之间也在相互远离，而且距离越远，逃离的速度就越快——这被称为哈勃定律（Hubble’s law）。宇宙正在膨胀。

[具有稳定亮度的标准烛光，是测量遥远恒星的距离所必需的。]

宇宙学常数的归去来兮

观测到的宇宙膨胀，在理论计算中其实已经被人提出过了。1915年，爱因斯坦发表了他的广义相对论，此后这一直是我们理解宇宙的基础。按照广义相对论，宇宙只能收缩或者膨胀，不可能稳定不变。

这个令人不安的结论，提出的时间比天文学家发现星系远离早了差不多10年。就连爱因斯坦都难以忍受宇宙不可能稳定不变这一事实。因此，为了消灭这种他不想要的宇宙膨胀，爱因斯坦在他的方程里加了一个常数，他称之为“宇宙学常数”（ cosmological constant）。后来，爱因斯坦认为，加上这个宇宙学常数是一个大错误。然而，有了那些完成于1997-1998年、并在今年获得诺贝尔物理学奖的宇宙学观测，我们可以得出这样的结论——爱因斯坦加上宇宙学常数的这一招实在是聪明绝顶，虽然他当年的理由是错的。

发现宇宙膨胀，让我们迈出了奠定基础的第一步，最终得出了今天的标准宇宙学观点，即宇宙诞生于大约140亿年前的一场大爆炸。时间和空间都起始于那一时刻。从那时起，宇宙就一直在膨胀；星系则像是烤箱中正在膨胀的蛋糕里夹杂的葡萄干，由于宇宙学膨胀而彼此远离。但未来的命运又将如何？

超新星——宇宙新标尺

当爱因斯坦放弃宇宙学常数，转而向非静态宇宙观点投诚时，他把宇宙的几何形状同宇宙的命运联系了起来。宇宙到底是开放的、闭合的，还是介于两者之间——是平坦的呢？

开放的宇宙，指的是物质引力不足以阻止宇宙膨胀。这样的话，所有物质都会在一个越来越大、越来越冷、越来越空旷的空间中不断稀释下去。闭合的宇宙则刚好相反，引力强大的足以停止甚至逆转宇宙的膨胀。这样的话，宇宙最终会停止膨胀，然后坍缩回来，在一场炽热而剧烈的大挤压（Big Crunch）中终结。然而，大多数宇宙学家都更喜欢生活在一个最简单、数学上也最优雅的宇宙之中——这就是平坦的宇宙，其中的宇宙膨胀会越来越慢。因此，宇宙最终不是会终结于烈火，就是会终结于寒冰。这是我们无法选择的事情。如果存在宇宙学常数，那么膨胀就将持续加速，哪怕宇宙是平坦的。

今年的诺贝尔物理学奖获得者当年认为，他们会测量到宇宙减速膨胀，测量出宇宙膨胀的速度是如何减慢的。他们采用的方法，从原理上讲，跟60多年前天文学家所用的方法是一样的——那就是给遥远的恒星定位，并测量它们如何运动。然而，说起来容易做起来难。自汉丽埃塔•勒维特发现造父变星的秘密以来，天文学家在越来越远的距离上找到了许多其他的造父变星。但在天文学家所要测量的距离上，即数十亿光年以外，造父变星已经无法看见。宇宙标尺必须延长才行。
超新星，也就是恒星的爆炸，成了新的标准烛光。地面和太空中越来越先进的望远镜，以及越来越强大的计算机，在20世纪90年代开启了全新的可能性，让天文学家有能力为宇宙学拼图填上更多空缺的内容。其中最关键的技术进步，则是光敏数码成像传感器CCD的发明——发明者威廉•波义耳（Willard Boyle）和乔治•史密斯（George Smith）因为这项发明获得了2009年诺贝尔物理学奖。

白矮星爆炸

天文学家工具箱中的最新工具，是一类特殊的恒星爆炸——Ia型超新星。在短短几星期之内，单单一颗这样的超新星发出的光足以与整个星系相抗衡。这类超新星是白矮星（white dwarf）爆炸的结果——这种超致密老年恒星像太阳一样重，却只有地球这么大。这种爆炸是白矮星生命循环中的最后一步。

白矮星是一颗恒星核心处无法提供更多能量时形成的，因为所有的氢和氦都已经在核反应中耗尽了，只剩下了碳和氧。通过同样的方式，在久远的未来，我们的太阳也会变成一颗白矮星，最终变得越来越暗，越来越冷。

如果一颗白矮星处在一个双星系统之中（这是相当常见的），那么就会有更令人激动的结局在等待着它。在这种情况下，白矮星强大的引力会从它的伴星身上抢夺气体。然而，一旦白矮星超过1.4倍太阳质量，它就再也无法维持下去了。此时，白矮星内部会变得足够炽热，启动一场失控的核聚变反应，整个恒星会在几秒钟内被炸得粉身碎骨。

[白矮星会通过引力，从它的伴星身上窃取气体]

[当白矮星超过1.4倍太阳质量，它就会爆炸，变成一颗Ia型超新星。]

这些核聚变产物会释放出强烈的辐射，在爆炸之后的最初几星期内迅速增亮，直到随后的几个月内才逐渐变暗。因此，发现这些超新星必须要快，因为它们剧烈的爆发相当短暂。在整个可观测宇宙之中，平均每分钟大约爆发10颗Ia型超新星。但宇宙实在太过巨大。一个典型的星系平均每1000年才会出现一到两颗超新星爆发。2011年9月，我们很幸运地在北斗七星附近的一个星系中观测到了这样一颗超新星爆发，通过一副普通的双筒望远镜就能够看到。但大多数超新星离我们要遥远得多，因而也暗淡得多。那么，面对这么大一片天空，我们究竟应该在什么时间往哪里看呢？

令人震惊的结论

两个相互竞争的研究团队都知道，他们必须彻查整个天空，来寻找遥远的超新星。诀窍就在于，比较同样的一小块天空拍摄于不同时间的两张照片。这一小块天空的大小，就相当于你伸直手臂时看到的指甲盖大小。第一张照片必须在新月之后拍摄，第二张照片则要在3个星期之后，抢在月光把星光淹没之前拍摄。接下来，两张照片就可以拿来比对，希望能够从中发现一个小小光点，即CCD图像中的一个像素——这有可能就是遥远星系中爆发了一颗超新星的标志。只有距离超过可观测宇宙半径1/3的超新星才是可用的，这样做是为了消除近距离星系自身运动而带来的干扰。

研究人员还有许多其他难题需要应对。Ia型超新星似乎并不像人们一开始认为的那样可靠——最明亮的超新星爆发亮度衰减的速度要更慢一些。此外，超新星的亮度还必须扣除它们所在星系的背景亮度。另一个重要任务是获得修正亮度。我们和那些恒星之间的星系际尘埃会改变星光。在计算超新星最大亮度时，这些因素对结果都会有影响。

追踪超新星挑战的不只是科学和技术的极限，更是统筹安排的极限。首先，正确类型的超新星必须要被找到。其次，它的红移和亮度必须要被测量出来。亮度随时间变化的光变曲线必须接受分析，以便能够将它与其他类型相同、距离已知的超新星作比较。这就要求科学家构成的工作网络能够迅速判断某一颗恒星是否值得列入候选进行观测。他们必须能够在不同的望远镜之间切换，毫无延迟地获得一台望远镜的观测时间，而申请观测时间的过程通常需要花上几个月时间。他们还必须迅速行动，因为超新星很快就会变暗。有时候，这两个相互竞争的研究团队还会悄悄“撞车”。

[超新星1995ar。间隔3个星期拍摄的同一小块天区的照片，放在一起加以比对。在第2张照片，出现了一个小小的光点！在对它的光变曲线进行进一步观测之后，它被认为是一颗Ia型超新星。典型的Ia型超新星能够发出与整个星系相当的光。所有的Ia型超新星光变曲线都是相同的。大多数光会在最初几星期内释放出来（见右下侧图表）。]

这条研究道路上存在太多潜在的陷阱，事实上令这些科学家能够放下心来的原因在于，他们得出了惊人但却相同的结果：总的来说，他们发现了大约50颗遥远的超新星，它们的星光似乎比预期的要暗。这一结果与科学家事先的预期完全相反。如果宇宙膨胀越来越慢的话，超新星应该显得更亮才对。然而，随着超新星被所在星系裹挟着，以越来越快的速度相互远离，它们的亮度也会越来越暗。他们得出的结论出人意料：宇宙膨胀非但没有越来越慢，反而恰恰相反——宇宙膨胀在加速。

从现在到永恒

那么，是什么在加速宇宙膨胀呢？这种神秘力量被称为暗能量，它向物理学提出了一大挑战，至今无人能够破解这一谜题。科学家已经提出了若干想法。最简单的办法，就是重新引入爱因斯坦一度放弃的宇宙学常数。当年爱因斯坦加入宇宙学常数的目的，是为了引入一种能够与物质之间的引力相抗衡的斥力，从而创造出一个静态的宇宙。如今，宇宙学常数却似乎在加速宇宙的膨胀。

宇宙学常数当然是个常数，是一个不随时间变化的参数。因此，随着物质在宇宙几十亿年来的膨胀过程中逐渐被稀释，物质的引力也会越来越弱，暗能量就会逐渐占据上风。按照科学家的说法，这可以解释为什么宇宙学常数直到宇宙历史中相当晚的一个时期，也就是五六十亿年前，才逐渐开始发挥作用。大约在那一时期，物质的引力减到了比宇宙学常数还弱的地步。而在那一时期之前，宇宙的膨胀确实是一直在减速。

宇宙学常数可能源自于真空，按照量子物理学的观点，真空从来就没有真的空过。相反，真空是一锅不断翻滚的量子汤，正反物质的虚粒子不断产生又不断消失，从而产生出能量。然而，对暗能量数量最简单的估算，与空间中测量到的暗能量数量却完全不符，足足大了大约10^120倍（1后面跟120个零）。这成了横亘在理论与观测之间的一条至今无解的巨大鸿沟——要知道，地球上所有海滩上的沙粒加在一起，也不过只有10^20（1后面跟20个零）。

也许，暗能量根本就不是常数。或许它会随时间变化。或许一种未知的力场只是偶尔产生了暗能量。在物理学上，许多这样的力场被统称为“精质”（quintessence），得名于希腊文的“第五元素”。精质可以加速宇宙膨胀，但只是有时候如此。这样一来，预言宇宙最终命运就成了一件不可能完成的事情。

[宇宙加速膨胀在1998年12月被《科学》杂志评为“年度科学突破”。在那期《科学》杂志的封面上，爱因斯坦注视着他的宇宙学常数，这个参数又回到了宇宙学的研究前沿。]

不管暗能量是什么，它似乎都会继续长期存在下去。它与物理学家和天文学家研究了很长时间的宇宙学谜题符合得非常完美。按照现在公认的观点，宇宙大约有3/4由暗能量构成。剩余的是物质。但普通物质，也就是构成星系、恒星、人类和花花草草的东西，只占宇宙成分的5%。其他物质被称为暗物质，至今仍在跟我们“躲猫猫”。

暗物质是我们大都未知的宇宙中另一个迄今未解的谜题。与暗能量一样，暗物质也是不可见的。对于这两样东西，我们只知道它们发挥的作用—— 一个是推，另一个是拉。名字前面那个“暗”字，是它们唯一的共同点。

因此，2011年诺贝尔物理学奖的发现，向科学界揭露了一个95%的成分仍然未知的宇宙。现在，一切又皆有可能了。

[这项发现暗示，宇宙有3/4是一种未知的能量，被称为暗能量。与同样未知的暗物质一样，这些“暗势力”构成了宇宙的95%。只有余下的5%是普通物质，它们构成了星系、恒星、花花草草，以及我们人类。]

本文编译自诺贝尔官方网站发布的2011年诺贝尔物理学奖面向公众的新闻稿（PDF） ,已发表于果壳网趣科技小组《解读2011年诺贝尔奖】物理学奖：宇宙加速膨胀完整图文解读》

[2011诺贝尔物理奖]超新星与暗能量的发现

Wed, 05 Oct 2011 22:30:08 CST

作者：陈学雷（国家天文台研究员，从事宇宙学研究）

今年的诺贝尔物理奖授予了三位在发现宇宙加速膨胀的研究中做出杰出贡献的学者：Perlmutter, Schmidt和Riess. 应该说，由于这项工作无可争辩的巨大重要性，几年来他们一直是获奖的热门人选。但是，导致宇宙加速膨胀的暗能量是什么仍是一个未解决的问题，而相关的许多理论和观测还处在研究的前沿，存在许多疑问和争论，诺贝尔奖评委会素有稳重、保守的传统，所以我原以为他们还要再过若干年才会获奖。因此，作为一名宇宙学研究者，我为他们今年获得这项殊荣感到非常高兴。

Perlmutter, Schmidt 和 Riess 是因为对超新星的研究而获奖的。超新星的概念是1934年由茨维基和巴德提出的。他们猜测当一些恒星寿命结束时将会塌缩，然后发生爆炸，其亮度可达到十亿甚至百亿个太阳的亮度，巴德和茨维基也观测到了一些超新星。后来发现，其实有两种不同的超新星，一种是茨维基最早提出的核塌缩超新星，另一种其爆炸机理不同，现在一般认为是白矮星（质量比较低的恒星比如太阳在燃尽核燃料后就会变成白矮星）从其伴星中吸积物质，到一定程度后发生核爆炸。有趣的是，茨维基和巴德最早观测到的超新星都是后面这种他们所未曾想到过的类型，被称为Ia型超新星。

[图1：超新星遗迹Cas A.]

由于超新星很亮，可以在宇宙中很远的地方看到，因此可用来研究宇宙学。特别是，白矮星有一个质量上限，称为钱德拉塞卡质量，大约是1.4个太阳质量，白矮星发生超新星爆炸时大多都比较接近这个质量。既然这时白矮星的质量都差不多，就有理由认为，其爆炸时的亮度可能也差不多。这样，Ia型超新星就有可能作为“标准烛光”来使用：假定所有超新星的“绝对亮度”也就是本身的亮度相等，那么根据观测到的一颗Ia超新星的视亮度，就可以推测它到我们的距离。另一方面，我们还可以观测到这些超新星的光谱，从中测出超新星的“红移”。比如，一条原来在615纳米的谱线，经过红移后变为1230纳米，那么我们就说这个超新星的红移z=1,因为观测到的谱线长度是原来的(1+z)倍。如果我们把测到的超新星的红移和距离一一对应起来，我们就可以画出所谓哈勃图，不同的宇宙学模型的哈勃图是不一样的，因此用这种办法，可以测出宇宙到底是什么样的。

[图2：这是Perlmutter 等人1998年发表的超新星哈勃图，横坐标是红移，上面一图的纵坐标是星等（越暗星等越大），几条曲线是不同宇宙学理论的预言。下面图则是与理论的偏离。]

尽管上面叙述的这种办法原则上讲很简单，但实际做起来并不容易。首先是要发现超新星。尽管我们上面说超新星非常亮，但放在浩瀚的宇宙之中，也只是微弱的一点。下面的图演示了一个超新星的发现图像：你可以看到，它非常微弱而不起眼，经过两次放大之后也并不容易在图像上看出来。发现它的办法是，把两个同一天区但在不同时刻拍摄的照片叠放在一起，用后一张减去前一张，从二者之差发现可能变亮的候选目标。这样找到的候选者还不都是超新星，还有一些别的东西，比如星系中心的活动星系核有时会变亮，太阳系中的小行星有时会正好飞到这里，等等。在进一步观测排除这些其它东西后，才能找到超新星。这进一步的观测包括用多次不同时刻的观测得到超新星亮度随时间变化的曲线（光变曲线），以及拍摄超新星的光谱以测定红移。光谱观测比照相观测更难，往往需要更大的望远镜，而且需要在超新星最终变暗以前进行。

[图3：SCP组演示如何通过比较法找超新星的图]

1980年代中期，一些丹麦的天文学家开始试图寻找这些宇宙中的遥远超新星，经过长达2年的搜索，他们才找到了第1颗超新星，后来他们又发现了一颗，但终因发现的过少而放弃了。由于很难发现超新星，再加上对超新星是否真是“标准烛光”持怀疑态度，许多天文学家当时对这类研究抱悲观态度。

也是在这一时期，劳伦斯伯克利实验室(LBL)的一组物理学家开始对搜寻超新星产生了兴趣。这一小组的传奇的创始人Luis Alvarez兴趣广泛。他本人因为高能物理实验（气泡室）方面的工作获得诺贝尔奖，但他更为公众所知是因为提出小行星撞击地球导致恐龙灭绝的理论。这一小组中的Carl Pennypacker 和Rich Muller开始进行超新星研究，发展了一套在图像中自动搜索超新星候选者的软件。他们利用澳大利亚的3.9米望远镜进行了一段时间的搜寻，但是一开始他们失败了，并未找到任何超新星。后来，Pennypacker 转而从事科普，而Rich Muller 本人受Alvarez关于恐龙灭绝研究的影响，转向研究气候变化和全球变暖问题——其实他关于超新星搜寻的工作也是与寻找“复仇之星”（Nemesis)相结合的。古生物学家发现历史上的生物大规模灭绝存在周期性，Muller 认为可能是由于太阳有一颗红矮星或褐矮星伴星即复仇之星，当它沿周期轨道接近太阳时，其对小行星轨道的扰动就容易导致小行星撞击地球。 Muller 的弟子Perlmutter的研究一开始就是寻找这颗复仇之星。后来，Perlmutter接掌了超新星项目。有趣的是，尽管Rich Muller本人在宇宙学领域工作的时间不长就离开了，但他有两个弟子后来因为宇宙学研究得到了诺贝尔奖：研究CMB的George Smoot 2006年获奖，Perlmutter今年获奖。

Perlmutter 接掌这项工作正是在项目最困难的时期：他们未取得任何成果，连一颗超新星都没能发现，而与澳大利亚人的合作也到期结束了。这一项目是否还能进行下去？伯克利以及美国的资助机构在认真的评估后决定继续予以资助。Perlmutter工作专注，被认为是可以挽救这一项目的人选。他们还是得到了经费，造了一台CCD相机安放在西班牙加纳利群岛的一台望远镜上，作为交换他们可以使用这一望远镜进行超新星搜索。Perlmutter也很努力，为了对发现的候选超新星进行后续观测，Perlmutter 会给全世界各处天文台的望远镜打电话，恳求正在使用望远镜的人帮助他进行观测。

早期超新星研究的一大困难在于如何保证找到超新星并拍摄到其光谱。这里除了技术上的困难外，还有获得望远镜观测时间的困难。现代的天文望远镜都是由许多天文学家共用的。一位或一组天文学家要用望远镜，需要写一份建议书，说明自己的科学目标和观测方法，经过同行评议后，由望远镜时间分配委员会根据评议结果决定分配多少时间。这样，大型望远镜的观测时间表一般早就提前一年或半年定下来了。而在发现超新星之前，人们很难预先申请到这些观测时间，发现超新星后往往只好临时借用别人的观测时间进行后续观测，这很难保证获得大量数据。Perlmutter 发展了一套“批处理”的方法：他们每隔一个月，用观测条件最好的无月夜拍摄大片的星空，并立即与以往的观测进行比较，找出可能的超新星候选者，这样第2天他们就可以获得一批超新星候选者样本，然后再用Keck 10米望远镜等大望远镜进行后续光谱观测。恰好超新星的光变周期是几个月，因此这一方法非常有效。由于一次可以得到多个超新星候选者，也就可以申请到大望远镜的观测时间。用这种办法，Perlmutter领导的研究小组（称为超新星宇宙学计划Supernova Cosmology Project, SCP)开始发现大量的超新星。

伯克利的SCP小组由物理学家组成，他们一开始对于超新星天文学中的许多困难并不完全了解，“无知者无畏”可能是他们在大多数天文学家对超新星观测感到悲观时勇于进行这项研究的部分原因。然而，随着他们逐渐接近成功，天文学家们也开始看到希望并准备参加竞争。哈佛大学的Bob Kirshner （Adam Riess的导师）等人也想进行超新星观测，但问题是，SCP小组曾花费几年时间才研制出自动化超新星搜寻软件，别人能否在短期内研制出这样的软件呢？如果没有，要进行竞争是困难的。Brian Schmidt 只用了一个月就开发出了这样一套软件，他没有象SCP小组那样完全新写一套软件，而是通过组合一些现成的天文软件而实现了这一目标。这样，由Kirshner, Schmidt, Riess, Suntzeff, Filippenko 等人组成的High-z 小组以出人意料的高速加入了竞争的行列。

现在找超新星的问题解决了，但Ia型超新星是否真是标准烛光呢？遗憾的是，并非完全如此。渐渐地人们发现Ia型彼此并非完全相同，有的超新星光度的变化速度更快一些，有些则更慢一些。不过，Mark Philips 通过研究发现，那些绝对亮度更大的超新星，其变化速度也往往更慢。因此利用光变曲线可以修正超新星绝对亮度的变化。

此外，对于实际观测的超新星，还需要考虑好几个其它问题。星际空间存在着尘埃，这些尘埃会吸收光子，使超新星变暗。好在这一效应还是可以修正补偿的。尘埃吸收除了使目标变暗外，还会更多吸收蓝光而导致目标变红，因此根据其变红的程度进行修正。问题是，每颗超新星其本身的颜色其实也并不完全相同。最后，即使本身光谱完全相同的超新星，当它位于不同红移时，用给定波长的滤光片组进行观测时，得到的颜色也是不一样的，还需要对这一效应进行改正。好在这几个效应虽然复杂，但有规律可循。哈佛大学的研究生Adam Riess 发展了一套数学方法，他发现，利用多个滤光片拍摄的光变曲线数据，经过改正后，Ia型超新星还是可以作为近似的标准烛光的，因此用Ia型超新星进行宇宙学研究是有希望的。实际上，即使到了今天，人们也还是不完全理解为什么Ia型超新星经过修正后可以作为这么好的标准烛光。人们很容易想到各种因素，使得Ia型超新星偏离标准烛光，这也是一开始很多天文学家对超新星宇宙学感到悲观的原因。然而数据显示Ia型超新星经过修正后确实还是不错的标准烛光，这是大自然给我们的一个惊喜。当然，研究者们仍在探究这其中的原因。

SCP和High-z这两个小组的竞争非常激烈。到了1997年下半年，他们开始发现，高红移的超新星比他们原来预期的要暗。根据哈勃图，这表明宇宙的膨胀在加速而不是减速。这是否是由于观测或数据处理上的错误造成的呢？或者，尘埃吸收等因素考虑得不够周全？经过反复检查，1998年1月，两个小组几乎同时公布了自己的观测结果，SCP组有42颗超新星数据，High-z 组只有16颗超新星数据，但每颗的误差要小一些。总之，他们一致的结论是宇宙的膨胀在加速。这一结果轰动了世界。

按照广义相对论理论，如果宇宙由一般的“物质”（包括所谓“暗物质”）组成，其膨胀会逐渐减速，这是万有引力的作用。那么如何解释观测到的宇宙膨胀加速呢？目前主流的解释是引入“暗能量”的概念。暗能量(dark energy)一词是美国宇宙学家Mike Turner 引入的。它实际上也是物质的一种形式，但具有很奇特的性质。比如，它的有效“压强”小于0，这些压强项使时空的弯曲与一般物质造成的时空弯曲相反，因此可以理解成是与万有引力相对的“斥力”，可以导致宇宙加速膨胀。根据现在对宇宙微波背景辐射、超新星等实验数据的拟合表明，宇宙中大约百分之七十五左右是暗能量，此外还有百分之二十一左右是不发光的暗物质，而我们熟悉的普通物质仅占百分之四多一点。

[图4：宇宙的组分]

也有人认为不需要引入新的物质形式“暗能量”，而是万有引力的规律与我们一般所假定的广义相对论理论有所不同造成。不过，这种修改引力理论往往比暗能量理论更为复杂。广义地说，这也可以算暗能量模型。

还有少数学者怀疑超新星的观测或数据分析有错误，宇宙并未加速膨胀。但是，13年来人们又观测了许多超新星，目前总数有几百颗，对其分析也更加深入，虽然还存在很多疑点（比如Ia型超新星爆炸的机理到底是什么？），但数据本身经过许多不同的天文学家用不同方法的分析，迄今并未发现大问题。其次，有人曾提出Ia型超新星的光在传播中会由于与一种被称为“轴子”的假想粒子的相互作用而变暗，导致其被误认为是宇宙加速膨胀。但是，这种假设与观测的拟合并不好。特别是，有的高红移超新星测量结果表明，宇宙的膨胀并非一直加速，而是先减速再加速，这用上述假说不容易解释，而却正是暗能量理论的预言。

暗能量的存在也有一些其它方面的证据。例如，早在SCP和High-z 小组公布他们的超新星观测之前，有一些科学家（例如Turner & Krauss, Ostriker & Steinhardt等）根据宇宙年龄、物质密度和功率谱等因素考虑，就认为宇宙可能含有暗能量。此后，宇宙微波背景辐射、重子声波振荡等其它观测也支持宇宙中存在暗能量的理论。目前，也有少部分观测，例如强引力透镜的数量，与根据暗能量理论做出的预言符合得不好，但这些观测目前其可靠性本身是比较低的，因此暗能量是为大多数人所接收的模型。

宇宙的加速膨胀是一个惊人的重大发现，因此其发现者获得诺贝尔奖也是意料之中的。但是，暗能量的本质仍是一个还未解决的问题。对这一问题的研究，也很可能是未来基础物理学发展的突破口。国外有许多计划中的实验项目，而我国目前除了提出多种暗能量的理论模型外，一些天文学家也结合我国实际，提出了一些未来的暗能量实验观测计划。例如，在南极冰穹A(那里的观测条件好）建造大型光学望远镜，在我国天宫空间站上装设光学望远镜，在南美建造大型的光谱巡天望远镜等，以及参与一些国外重大实验项目的合作。笔者本人目前也正在推动开展“天籁计划”研究，这是一项在国内地面进行的实验，研制专用射电望远镜阵列进行巡天观测，利用宇宙大尺度结构中的重子声波振荡特征精密研究暗能量的性质。希望未来我国在这一方面的研究中也能做出重大的发现。

从今年获诺贝尔物理奖的研究工作中，我们能受到什么启发呢？我觉得，Schmidt 和 Riess 等人能够凭借自己的研究积累，抓住战机，在激烈的竞争中一举冲入研究的最前沿，其能力和敏锐令人钦佩。但更值得思索和借鉴的是Perlmutter等人的顽强坚持。作为研究者，要有信心和勇气在困难时坚持下去，正是这种信心和勇气，使Perlmutter等人在人们大多对超新星宇宙学感到悲观时能够坚持下去。而美国的资助机构能够宽容失败，看出这一项目的科学价值和团队人员的能力，保持对这一项目的资助，也是非常有眼光的。有重大创新的科研常常有很大的风险，很难保证完全实现计划的成果。这时应该怎么办？我国现在口头上也常常说支持探索、宽容失败，但实际上有风险的研究计划很难得到支持，更不用提对失败的理解和宽容了。这恐怕是我们所应该深思的。

本文授权转载自陈老师博文。如有意再转载，请征得原作者许可。

[小红猪]知识之界：有些事我们永远不会懂

Thu, 06 Oct 2011 10:00:01 CST

译者：kfdear

校对：Sheldon

小红花等级：3朵

原文地址：The limits of knowledge: Things we'll never understand

从生命的机理到宇宙的命运，有什么是科学不能解释的？

你恐怕不能指望英国的皇家天文学家（英国授予皇家格林尼治天文台台长的头衔——译者注）讲太多黑猩猩在想什么，不过这正是马林·里斯(Marin Rees)钟意的课题之一。里斯认为，我们可以从黑猩猩对世界的了解——或者不了解中，学到一些东西，里斯说，“黑猩猩无法理解量子力学”。

这听起来是很理所当然的，毕竟就像理查德·费曼的那句名言说的，没有人懂量子力学。不过重点在于，黑猩猩甚至不知道它们不知道什么。“黑猩猩并没有试着去理解量子力学”，里斯说道，“而是根本没有意识到量子力学的存在。”困扰里斯的问题是，是否宇宙也存在许多像这样被人类遗忘了的层面？“没有理由相信，我们的大脑可以理解现实的每一层面。”

在我们生活的时代，科学取得了巨大的成功。我们已经绘制出物理世界从夸克到银河星团、生物世界从细胞的分子结构到生物圈的宏大图景。这中间当然还有空白地带，但很多空白都正在被填补。科学的努力取得了丰硕的成果，特别是考虑到我们的大脑是经过进化来适应在非洲大草原上生存的，而本不是用来思考生命、宇宙及万物的。说了这么多，在我们求知的道路上，是否有什么艰难险阻呢？

答案是肯定的：科学是有界限的。由于物理世界的基本限制，有些事物是我们肯定永远无法了解的。受制于我们大脑的运行方式，有些问题是永远都无法解决的。这和里斯对黑猩猩与量子力学的观察是一样的——有些概念会永远在我们的眼界之外。

不过，能认识到知识的界限本身可以说就是件值得庆幸的事，这些界限圈画出了我们探索的沃土；科学工作者们正学习如何创造性地将障碍转化为机遇。我们可能无法什么都知道，但发现我们无法了解什么往往会让我们知道得更多。

知识最基本的限制或许就是宇宙视界了，我们永远看不到宇宙视界之外的情形。这源于一个牢不可破的自然法则：没有任何物体的速度可以超越光速。1929年，埃德温·哈勃发现宇宙在膨胀，一切都在远离我们而去，而且在宇宙最远处膨胀速度最快，任何460亿光年(4×1023千米)外的物体的退行速度都超过了光速。（尽管没有任何物体能在空间中超越光速，但宇宙的时空结构本身可以超越光速。）

一旦一个物体划过宇宙视界，它发出的光线就永远无法达到地球——其他的信息也是如此。我们仅有的数据是在宇宙终结前还来得及到达地球的信息，而剩下的部分——可能是无穷多的——则永远丢失了。

宇宙视界之外是什么？我们不知道，不过一般假设宇宙无法观测的部分和可以观测的部分基本相同。但是这一假设最近受到了挑战，天文观测发现，超过1000个遥远的星系团在涌向天空中的同一点(New Scientist, 23 January 2009, p 50)。这一“暗流”说明宇宙视界之外可能存在一个超级巨无霸，和我们已经观测到的任何天体都不同。

今日之未知

光速所施加的限制导致我们永远无法获悉这种巨无霸结构是否存在，不过这朵乌云还是带着一线曙光，发现光速有限为爱因斯坦的理论铺平了道路，他认为宇宙万物都要受到这个速度的限制——这一想法最终形成了狭义相对论，随之彻底颠覆了物理学。

知识的另一个基本限制是量子力学的一个特点，即海森堡不确定性原理。这是由于我们发现自然界的特定事物，比如能量，被包裹在了基本的、不可见的单元内，称为量子。20世纪20年代，维尔纳·海森堡发现，量子物体，比如电子，它的可测量属性没有一个确定值，而是许多对应一定概率的数值。确定一个值需要大量的单独测量，但这样做就会干扰到对另外一个属性。最为人熟知的推论就是，我们永远无法同时测量一个粒子的精确位置与动量。

尽管海森堡是从量子理论的数学推导中发掘出这一原理的，但是这一原理也具有物理学上的解释。让一个光子撞击一个粒子，被粒子反弹以后就能获取其位置，然而这次撞击会改变粒子的动量，于是位置与动量的同时精确测量就不可能实现了。

这从理论上为我们的知识设置了一个障碍，但不确定性原理的发现在其他方面引发了众多突破。“粗看起来，不确定性应该是‘坏’的，因为它限制了我们本来希望了解的东西”，新加坡国立大学量子技术中心的斯蒂芬妮·维纳(Stephanie Wehner)说，“但是，这一原理实际上并不是路障，而更像是个台阶，它提供了探索量子世界的工具。”

对你我而言至关重要的是，如果没有不确定性原理，我们都不会存在：它为整个宇宙如何产生提供了解释。这是因为不确定性粉碎了任何物质能量都精确为零的观念，所以宇宙才能在能量状态偶然偏离零的时候自发产生。海森堡指出，时间测量的不确定性打破了因果论的惯常观念——这会让宇宙是“无中生有”的概念更容易接受一些。

类似的推理使得史蒂芬·霍金提出，黑洞会一定以形式向外辐射——而且我们有充分的证据证明确实如此。产生霍金辐射的原因是，真空中积累了不确定性原理预言的能量。真空的能量涨落会转化为一对短暂存在的粒子——一个是物质，另一个是反物质——它们通常都会在产生之后很快湮灭。然而在黑洞视界附近，会有一个粒子跑出来而另一个被黑洞吞噬，这些粒子带走的能量会造成黑洞能量的逐渐流失，最终会导致黑洞完全蒸发。用激光照射玻璃可以模拟黑洞的这一现象(New Scientist, 2 October 2010, p 10)，为宇宙来自 “无中生有”的观点提供了论据。

与此相似，数学上的一个基本限制也为研究输送了丰富的养料。1931年，库尔特·哥德尔(Kurt Gödel)用公式表述了他的不完备定理，这一定理表明特定的数学系统不能证明其自身。比如算术，是建立在公理（本质上只是假设）的基础之上，而这些公理不能用算术本身证明。这使得算术理论的大厦与“这句话是伪命题”在数学上等价，数学的其他分支也面临着相似的问题。

哥德尔的发现，对于为描述现实世界建立无懈可击的数学基础这一梦想而言是一个沉重的打击——而这或许也为物理学家们在多大程度上可以信任他们自己创造的理论设置了界限。不过，这个界限同样也成了新想法的来源。

以英国数学家阿兰·图灵为例，他利用哥德尔的理论揭示了计算机的一个基本特性：对任何程序来说，都无法设计一个方法预测该程序会不会完成任务并停机，有时你只能运行程序并等待。这一“停机问题”看起来有些晦涩，但确实在数学和计算机科学中扮演着主要角色，停机问题在纯数学中演变为很多相同的问题，比如判断“丢番图方程”，一种只有整数的代数表达式，是否有解。“它能告诉你什么时候不要去尝试那些不可能的。”位于纽约州约克镇高地IBM沃生研究中心的数学家格雷戈里·蔡廷(Gregory Chaitin)如此说道。

就如同永动机的不可能实现导致了热力学定律的发现，数学与计算的界限告诉了我们数学世界的基本规则是如何运行的。“我曾因不完备定理感到悲观，不过现在不了”，蔡廷说，“你可以说，‘哦天，这有堵墙’，但是你也可以说，‘看，墙上有道门’。”

蔡廷目前将不完全性定理应用于进化论上——他称之为“超生物学(metabiology)”。这个主意是从他对图灵的工作的思考中得来的。停机问题让蔡廷设立了一个数字Ω，这个数字以0和1组成的字符串形式定义了一个随机选择的程序的停机概率。Ω的长度无限，并且具有不可约化的复杂度，蔡廷将其描述为数学的DNA，而现在他正在将Ω用于检验真正的DNA。

如果你把DNA看作是建造与运行生物组织的程序，那么你会发现DNA信息运行的数学原理。这表明进化与Ω是类似的：无穷复杂，因而有无穷的创造性，“可以认为，哥德尔与图灵的理论打开了一扇纯数学通向生物学的大门。”蔡廷说。

说到生物学，根据芝加哥大学的进化生物学家杰里·科因(Jerry Coyne)的说法，则只有一个确定的界限。生命的起源永远在我们的视野之外——即生物学的宇宙视界。这是因为参与起源的分子没有形成化石，即使我们能在实验室中创造“第二次生命起源”，也无法确切知道38亿年以前究竟发生过什么。科因说，“生命的发生有太多种情景，涉及的分子都没有形成化石，这是很明显的界限”。

生物学另外一个领域存在于科学的界限之外的就是意识，英国公开大学物理学名誉教授，《发现的终结》(The End of Discovery)的作者拉塞尔·斯坦纳德(Russell Stannard)如是说，几十年间没有任何实质性进展，这可能意味着意识超脱于我们之上，他总结道，“意识是我们倾尽全力也无法作出完美的描述的。”

位于马萨诸塞州梅德福的塔夫斯大学的哲学家丹尼尔·丹尼特(Daniel Dennett)则并不认同这种观点，“科学是有一些界限，但意识并不在这个界限之外，”他说，“我不认为有理由相信大脑无法理解它本身的运作方式。”丹尼特认为有大量的进展，“我无法跟上这些进展”，他说，很难确认，但怀疑论者是从错误的角度在看待这一问题。大脑很复杂，拥有数以亿计的细胞和数以亿亿亿（10的24次方——译者注）计的突触连接，但并不意味着我们无法弄清其中在发生什么。

丹尼特也指出，尽管大脑是复杂的，但是我们完全有能力提高它的能力以理解它自身。过去我们用谈话，书籍和信件、现在使用计算机来存储、访问及处理海量信息。我们同样在共享数据上取得了极大成功，由此可以将无数头脑联系起来解决最为困难的问题。我们就是这样理解并预测星体和电子的运动，没有理由认为意识不能用相同的方式来了解，丹尼特说。

科学与技术不仅使我们能提高大脑的功能和思维的能力，这样可以看得更远，同时打开了一扇大门，通向永远无法直接体验的世界。关于宇宙早期历史的信息已经丢失，这是因为10万年之后光才和物质退耦，并将当时的信息充满整个宇宙。但这并不能阻止我们拼凑出之前的具体情形。

不要低估科学

创新思考与小心求证相结合已被证明是极为有效的研究手段。我们永远无法确定大爆炸理论是否正确，但我们有很多理由认为它是对的。例如宇宙中氢、氦、锂元素的含量精确符合大爆炸理论的预测。

我们同样可以用经过完备检验的理论看到我们无法直接感知的内容，比如我们从未能在黑洞中进行实验，也许以后也永远不能，但是我们还是有信心相信我们知道黑洞中发生着什么，“爱因斯坦关于引力的理论已经过数种方式的检验，因此我们认真对待这一理论所描述的黑洞之内的情形。”里斯说。

也许最广大的领域在于“万有理论”的寻找，最有希望的是弦理论。弦理论认为自然界基本的力与粒子都是由极微小的能量束振动产生的。不幸的是，弦理论存在的前提是空间中存在额外的维度，而弦理论学家们称这些维度是“紧化的”——卷曲得太小以至于我们无法与之产生相互作用。

尽管我们无法接触这些维度，但是我们已经有了它们存在的间接证据。例如1999年，哈佛大学的莉萨·兰德尔(Lisa Randall)与拉曼·桑壮(Raman Sundrum)解释了万有引力为何比其他基本力弱很多。他们计算了在五维宇宙中基本力的作用，发现电磁力、强相互作用力、弱相互作用力在所有维度中都是最大强度，但引力牢牢绑在隐藏的第五维中，只是有一小部分“泄露”到了我们生存的四维中，那么引力的孱弱是否是隐藏的高维度造成的呢？

弦理论的证明还面临着更大的障碍，就算高维空间是存在的，获得检验弦理论所需的能量仍是个问题。如此小的探针需要极高的能量来运行——将探针修整得越小，需要的能量就越高。这也就是为什么要探索自然物质的更深层面就需要更为强大的粒子加速器。“要检验弦理论，你需要一个银河系大小的对撞机。”斯坦纳德说，而建造这样一部机器的可能性微乎其微。

不过希望仍然存在，很多描述高能物理的公式被证明和描述电子及其他在物体中环绕的粒子的公式是一样的。这说明在实验室桌面上对小小晶体所做的实验就能帮助我们找到一些想要的答案。

当然仍有怀疑者，一些人认为终极理论会复杂到人类无法理解，甚至复杂到人类无法发现它。但牛津大学的数学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)并不这么想，“我不认为它有理由这么复杂。”

新罕布什尔州达特茅斯学院的哲学家兼物理学家马塞洛·戈里瑟(Marcelo Gleiser)持相反观点，他声称万有理论是建立在一个未证明的假设之上，即宇宙是内在简洁与对称的。但宇宙包含能量与物质这样一个事实本身就违反了对称性，他说，虚空比物质存在更简洁，所以宇宙充满物质的事实本身就说明宇宙本质上是杂乱的。

不过最后可以达成共识的是，这值得投入精力进行研究。感谢不完备定理，我们永远无法确知万有理论在数学上是否为真，但这并不应当太过困扰我们。这就没有困扰过哥德尔，他认为直觉比正式的证明更重要，同时代的数学家也这么认为，蔡廷说，他们一直都在各自的学科中不断丢出未经证明的公理。

100多年以前，没有人对于量子世界的存在有哪怕一丁点概念，但现在量子是我们对于宇宙理解的核心。今天的未知在明天会成为重要理论，以后100年，谁又知道我们将会知道些什么呢？

不过里斯仍然很谨慎，我们可以梦想存在一个终极理论，即使仍未看到科学的终极界限，但是我们仍要记得那些黑猩猩，他说，“界限并不一定是我们试图要解决的问题”，他说，“真正的界限并不是万有理论，而恰恰是那些我们根本没有意识到的问题。”

迈克尔·布鲁克斯(Michael Brooks) 是《新科学家》杂志的顾问，《13件没道理的事》(13 Things that Don't Make Sense (Profile, 2008))及《大问题：物理学》(The Big Questions: Physics (Quercus, 2010))的作者。

声明：我可不喜欢“光速不变”了

Thu, 29 Sep 2011 12:44:48 CST

这世界有光，本是天经地义，可以用“上帝之旨意”来解释的一件事。但这世界有光速C（299,792,458米/秒），却颇有些蹊跷，说来说去，是一名叫爱因斯坦的蓬头老头子出面，自说自话为地球人拍板认下的一个所谓事实。话说当年，躲在专利局里埋头摆弄公式时，此公突然来了兴致，整出一个震古烁今的狭义相对论，自此名扬天下。这条被n多后生小辈奉行不渝并拿来混饭碗的理论写着：真空中的光速对于所有观察者均不变。

相信绝大多数人在接受“光速不变”时，都痛苦了好一阵子，因为这确实是日常中无法体验并违反直觉的现象。倘若你到今天还为此痛苦的话，千万不要懊恼，可以告诉你，没办法或者不愿意接受这一点的其实大有人在，包括不少绝顶聪明的脑袋。剑桥出身的宇宙物理学家、葡萄牙人乔奥•马古悠（Joao Magueijo）在《比光速还快——爱因斯坦错了？》（有中文版）一书里提出了VSL（光速可变）理论，认为宇宙早期光速是大于C的，用来取代目前被广为接受的暴胀理论。马古悠还称自己经历了无数不眠之夜后，痛苦得抓耳挠腮简直要把头皮都揭掉，突然有日被幸运女神眷顾，想到了早期光速是怎样大于C的：设想我们今天看到的光其实并非真正沿着直线传播的，而是螺旋式前进——就像一条麻花那样绕啊绕啊地往前去，那么，把这条麻花扯平以后，不就是更大的速度了嘛！

第二个假设从何而来？

洛克菲勒大学的米切尔•费根鲍姆(Mitchell Feigenbaum，混沌理论的创始人之一)是最著名的一个坚持其实狭义相对论只是描述时空、和光速没有多大关系的人——且不管那些教科书怎么说，用他的原话来讲：“不仅仅是不需要这样，而且在该理论中几乎没有它（光速）的容身之地。”

费根鲍姆2008年6月在物理网站arXiv.org发表了一篇《相对论：伽利略的孩子》（The Theory of Relativity - Galileo's Child）引起不小轰动，他相信如果17世纪的伽利略只要知道一点点的现代数学知识，就有可能走得和爱因斯坦一样远，“伽利略的思想已经有400年历史了，但仍然非常有效，它可以自己得出爱因斯坦的相对论，而不需要借助额外知识。”

文章讨论的焦点集中在1905爱因斯坦在阐述他的狭义相对论时作的两个假设。第一个假设是无可辩驳的：物理定律对于静止的人或者恒速运动的人来说都是一样的。这个原理来自伽利略，他在写成于1632年的论文《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》里面借一个虚构人物“萨尔维蒂”之口表明：在一条匀速行驶的船上，旅客无法意识到自己是在动还是保持静止，只要船身不乱晃。在当时这条原理对哥白尼“日心说”是一个重要而有力的支持，因为反对者们驳斥哥白尼的理由就是你说地球在动，为啥我感觉不到？伽利略让他们哑口无言。

相对论原理好好地工作了250年，直到19世纪苏格兰物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出了电磁场理论之时，遇到了一个难以逾越的障碍。在麦克斯韦方程中，明确指明光是一种以恒速运行的波，然而奇怪是，它并没有指明到底谁是这个速度的测量者。想要适用于伽利略的原理，那么麦克斯韦就将面临一个很棘手的问题：如果无法知道谁测量了光速，那么如何修正它以应用到其它坐标系？爱因斯坦告诉我们，没关系，他有办法——在第一条假设上加一句话不就行了嘛：相对于任何一个观察者，光速始终不变。

这句加上去的话，最终成为那许多让普通人不得要领、被科幻作家视若珍宝的奇怪事件的源头：什么扭曲的时空啦、走得乱糟糟的钟啦。在此基础上，爱因斯坦继续动了动他那不可思议的大脑，整出了伟大的广义相对论。

其实，尽管狭义相对论的结论确实得到过实验验证，但只要它的两个逻辑前提——相对性原理和光速不变原理——未有确凿的实验证据，它们就仍然带有假设成分和“先验”性质。爱因斯坦本人也并非没有意识到这一点，1922年他就光速不变写了以下一段话：“相对论常遭到指责，说它未加论证就把光的传播放在中心理论的地位，以光的传播定律作为时间概念的基础。然而（导致作出这条假设的）情形大致如下：如欲赋予时间概念以物理意义，就需某种能建立不同地点之间关系的过程。为这样的时间定义，究竟选择哪一种过程是无关重要的。可为了理论只选用那种已有某些确定解的过程是有好处的。拜麦克斯韦与洛伦兹的研究所赐，和任何其他可考虑选用的过程相比，我们对于光在真空中的传播了解得更清楚。”

《相对论：伽利略的孩子》一文通过数学逻辑计算，还真从伽利略相对论原理导出了一个不变的光速，结论部分费根鲍姆写道：很重要的一点是，必须明白我们目前的运动学不是依赖光的性质建立起来的。他认为光获得如此特殊地位，完全属于一个历史事件，但说实话这是个很讨厌的东西。它被确立以后，物理学家们就不得不忙活很多事情：要证明不同频率的光的速度是否都为C；要证明同一个惯性系不同方向上的光速是否一样；要证明不同惯性系之间的光速是否一样……另外，光子有没有质量呢？理论预言它是没有静止质量的，可没有静止质量的粒子上哪里找？诸如此类。由此可见，“光速不变”不讨人喜欢的可说是理由一大把。

还不如直接找出跑得比光快的东西把它推翻算了！没错，很多人都在这么做。

一负到底的粒子

快子（tachyon）也叫做超光速子，是一种质量平方为负的粒子，该思想最早由德国理论物理学家、量子力学的奠基人之一阿诺•索莫菲（Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld）提出。此人据说前无古人地获得过81次诺贝尔奖提名，不过最终没有得到过评委青睐。关于这个81且不去追究真伪，但需知道他是哪两个大名鼎鼎的人物的博士导师，任谁都要肃然起敬了，他们是“测不准原理”的海森堡和“不相容原理”的泡利！

1962年，O.M.比拉纽克（Olexa-Myron Bilaniuk）和乔治•苏达杉（George Sudarshan）在《美国物理杂志》上首次发表关于这种粒子的论文《逾越光速的粒子》（Particles beyond the light barrier），5年后，哥伦比亚大学的杰拉尔德•范伯格（Gerald Feinberg）正式对它进行了命名，从而确定了它在学科领域中的地位。具体而言，这种粒子和其他已知物质的最大不同之处在于具有负引力特征，所以，“万有引力”定律在它身上要改成“万有斥力”才行。此外其他性质倒无甚稀奇，比如也可以有自旋，有自己的反粒子。量子场论和后来的弦论，都对其进行了很独特的描述。

理论提出，按照静止质量的平方来区分粒子，大于零的是慢子，等于零的是光子，小于零的就是快子了。快子的提出带来了一系列激动人心的想法：慢子构成的是我们现在熟知的这个宇宙，称作“慢宇宙”，而由快子构成的宇宙，则是“快宇宙”。“快宇宙”里的种种动力学行为和“慢宇宙”的行为是恰恰相反的：在“慢宇宙”中静止的物体能量为零，一旦它获得能量，便会运动得越来越快，能量无限大时就能以光速运动。但在“快宇宙”中，如果物体的能量为零，它是以无限大速度运动的，一旦被赋予能量就会慢下来，能量无限大的时候将降低到光速。这实在是相当匪夷所思：光速竟然成了它的速度下限！跟随快子运动的话，有可能出现一种因果悖论（事实上这是所有超光速系统都将面临的麻烦：时间倒流），就像一首诗里面写的那样：

名叫布赖特的年轻女子

她能走得比光还快

那日出了个远门

回来却是在前天夜里

快子理论的另一个问题是它的存在会使得真空不稳定。由于负能量出现，将意味着任何一个物理系统，可以通过无限地释放快子而处于不稳定状态，能量越来越多，聚集其中……能想象得出接下去会发生什么吗？在我看来，那一定一定很可怕。

尽管如此，科学家们还是在想法设法觅其踪影，欲一睹方颜。翘首以盼的这群人无非寄望于两大途径：对撞机和宇宙射线。1973年，据说有几个人从高能宇宙射线中发现过某种小么子具有超过C的运行速度，不过就昙花一现，此后再也没有幸运者看到过。它是不是快子更无从考究了。

量子世界你靠边站

熟悉量子力学发展史的人都知道，1927年布鲁塞尔的索尔维会议上，相对论掌门爱因斯坦和量子论老大玻尔之间旷日持久的论战即已拉开序幕，两人你来我往、拉锯多年。事态愈演愈升级，1935年更达到白热化，老爱联合波里斯•波多尔斯基（Boris Podolsky）和内森•罗森（Nathan Rosen）两人在《物理评论》上发表了《可以认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》（Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?），提出一个著名的思想实验——以三人姓氏头字母命名为EPR佯谬，目的是为了证明量子力学无法自圆其说。这个影响深远的命题可以描述如下：假设有一对粒子，总自旋为零，想办法让它们在空间上尽可能远远分开，比如一个在地球上，一个在月球上（甚至更远）。按照量子力学原理推测，若单独测量地球上粒子的自旋，向上或向下的概率各为1/2，一旦真实状态在某个时刻被确定，那么月球上粒子就不用测了，必然该是另一个状态。这听上去有些荒谬，想想看，隔着遥不可及的距离，未经测定的那个粒子怎么可能即刻知晓已测定粒子的自旋、并且采取与它相反的方式呢？

所以老爱开始得意洋洋，老玻啊，知道自己错了吧。

老玻一如既往地固执，毫不迟疑发文章回敬，说不管相隔多么远，对其中一个粒子实行局域操作，一定会瞬间引致另一个粒子状态骤变，简言之，两个粒子处在一种“量子纠缠态”（quantum entanglement）上。这说法被老爱嗤之以鼻，讽刺为真不愧“幽灵般的远距作用”。结果还是谁也说服不了谁，反正他们吵啊吵的那些年里，没人能用实验证明到底有没有这样的粒子对。

恐怖的是，近年来，量子纠缠却被真实地观察到了。1997年，瑞士日内瓦大学的物理学家尼古拉斯•吉森（Nicolas Gisin）等人将一对纠缠态光子分开、通过两根光纤发送到相距18公里的两个村庄，沿途它们会经过特殊的探测器分别测定其“颜色”。实验证实：两个光子正如量子理论预测的那样，一个变红，另一个也将一起变红，而且，改变的时刻测不出时间差。考虑到实验精确程度，这当中需要有一种至少比光速快1万倍的“传递”在发生作用才行！次年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和奥地利因斯布鲁克大学的两个研究小组也传出了支持量子力学观点的消息。

不仅如此，这里出现的还未见得是量子世界对光速极限的唯一突破，有一种“量子隧穿效应”（Quantum tunneling，指粒子逃出高于其自身能量的势垒，这在经典物理体系内绝对无从立足）中的诡异超光速现象也被许多人所津津乐道。1962年，就有一群物理学家声称做到了以 4.7c的速度穿过11.4厘米宽势垒传输莫扎特第40交响曲。尽管关于其中很多细节都有颇多争议，但这个实验方向却被一些科学家坚持下来并不断改进。2007年，来自德国科布伦茨大学的君特•尼姆兹（Günter　Nimtz）和阿冯斯•斯达霍芬（Alfons Stahlhofen）又完成了一次量子隧穿实验，得出结论认为亚原子粒子在一定条件下可达到某个目前甚至无法作出测量的速度。他们将两块相同的长40厘米的玻璃棱镜拼放在一起，让一束波长为33厘米的微波光量子依次通过，在行进的过程当中，骤然分开棱镜，第一块棱镜不出意料将反射掉部分光量子，但仍然有一部分光量子会设法隧穿过两者之间的缝隙进入第二块棱镜。然而，无论是反射的光量子还是隧穿的光量子，到达探测器竟然都是同时的！由于隧穿的光量子显然经过了更长一段距离，这意味着它们的速度超过了反射的那部分光量子。

曲相推进任我游

派拉蒙公司推出的大型科幻系列电影《星际旅行》(Star Trek)的剧情中构建了一个以“曲相推进”（Warp Drive）为基础的空间运输系统，它的第一代飞船由NASA于21世纪中期设计完成，在接下来几个世纪里经过多重改进，日臻完善，成就了人类舰队的一番霸业。

据说，该剧编剧还煞有其事地设定了一套Warp Drive标准，“其中Warp 1等于光速，之后每提高一个级别，速度都以指数的形式增加：Warp 2等于10.079c……Warp 5是213.75c……Warp 9是1516.4c；而Warp 9.9999则是199516c，也就是59,813,392,050.3公里/秒。以Warp 9的速度穿越太阳系只要26秒，到比邻星需要1.2天；倘若达到Warp 9.9999，那么用0.2秒就可以穿越太阳系，12.8分钟到达比邻星，6个月可以穿越整个银河系，到仙女座星系只要10年。”这个大胆妄为的设想，完全得益于爱因斯坦当年一举突破牛顿体系对空间进行的全新解读，他认为空间的形状会受到物质的影响而改变，事实上，重力就源于空间的曲率。

1994年，墨西哥数学家米古尔•阿库别瑞（Miguel Alcubierre）对空间弯曲的可能性进行了数学建模，创造出了一个如同波浪般起伏的时空几何结构。这项工作独到在于规避了相对论原先所描述的“以接近光速运动的物体会遭遇质量增加及时间延长效应”的问题，因为在这种状态下移动的船，其相对于局域平坦空间来说甚至相当于静止。当中真正起作用造成推进的是飞船邻近处的空间变形——后方的空间扩张，前方的空间压缩，飞船沿着这个“曲速泡”前进。在外面的观察者看来，船质量不变，却能以超光速运动，并且始终保持在一条类时世界线上。

阿库别瑞的奇思妙想看似高招，却带来了一个大麻烦：按照他的模型计算，要产生时空扭曲，所需能量超过了整个宇宙能够提供的能量总和。1999年，罗马尼亚天主大学的布卢克（Chris Van Den Broeck）对这一理论的可行性做了些补充改进，他把曲速泡表面积缩小了，同时扩大其内部3维体积，由此算起来，只需要原先能量的1/10⁶²就行了。这样运输几颗小原子好像还可以试试，只需要3个太阳那么多的质量就差不多啦。显然，变革者自己对这结果还比较满意：“距离第一架曲速引擎的日子还远得很，但比起不可能来说，我们算是走近了点。”

可以看到，问题的关键落在了用什么办法获得那看似不可能得到的巨大能量，来自德州贝勒大学的两名物理学家理查德•奥伯塞(Richard Obousy)和杰拉德•克里夫（Gerald Cleaver），在2008年2月发表于arXiv.org上的一篇文章《曲相推进：一种新手段》（Warp Drive: A New Approach）中指出，绝对不可以忘了那被认为是促使宇宙加速膨胀的暗能量！至于怎么利用嘛，可以考虑的方法之一，是去操纵弦论（目前最有希望统一相对论和量子力学的理论之一，它认为我们的世界有11个维度）所预言的除了长、宽、高和时间之外的6个隐藏维度。

[对话科学松鼠会]中微子，今天你超光速了吗？

Thu, 29 Sep 2011 20:05:41 CST

9月22日，意大利格兰萨索国家实验室下属的OPERA实验室，接收了来自欧洲核子研究中心中微子，经测算，中微子在跑过这段730公里的距离所用的时间，比光速快了60纳秒，该实验室称通过反复试验依然得出相同的结果，同时在实验论文中公布了“系统误差”的估算，请全球的物理学家帮助检查。爱因斯坦相对论基本公设是真空中的光速在任何参考系下是恒定不变，由此推出物质速度不可能超过光速。那么，这“OPERA”实验室得出的结论，真的推翻了相对论的理论基石吗？

9月29日下午，在对话科学松鼠会的微访谈中，来自中国科学院理论物理研究所的李淼老师，以及松鼠会成员Sheldon与Steed回答了关于中微子的许多问题，以下就是这次微访谈的文字整理。

【中微子是什么？】

米兰的小踢匠：请问中微子是什么东西？它超光速和不超光速对我们又有什么影响呢？
Steed的围脖：这个问题是个好问题。中微子是一种亚原子粒子，基本上不跟普通物质发生相互作用。实际上，我们每个人可以说都浸泡在中微子当中，每时每刻都数不清的中微子从我们身体里穿进穿出，但它对我们实际上没有任何影响。当然，科学这种事情，不能因为没有什么影响就不去研究嘛。

梁智钊：请问光是什么物质成份?中微子是物质吧。光和时间是何种物质?唯
松鼠会Sheldon：光是电磁场的振荡，用量子化的观点来看，光是由光子组成的。中微子本身只存在于量子理论当中。二者当然都是可以被定量描述的物质。每个活人都会发射中微子哦！人体内的放射性同位素每天都会发出约3.4亿个中微子。

随机法师-abelxing ：如果这个实验是正确的。光速c和中微子速度v如此接近，是否暗示着他们有密切的关系？是否有人开始建立这方面的模型了？
松鼠会Sheldon：普遍认为中微子的质量非常小，因此，只要给它一点儿能量，它的速度就会非常快。本次实验中的中微子能量非常高，跟光速接近是理所当然的

雪之瑷：李教授，按照一分为二的观点来看，中微子还会不会分成其他的粒子呢？
李淼在微博：一分为二观点不是科学理论。

【这个实验是怎么做的？】

又老又丑的：中微子的速度怎么测定？
李淼在微博：测量距离和时间，距离除以时间，就这么简单的原理。

单扬文：中微子是如何被观测到的啊？能否简单介绍一下原理啊？
松鼠会Sheldon：总的思想是，让它穿过海量原子核，跟其中的核子发生反应，产生一种容易被探测的物质。例如中微子会被氯37原子核内的中子吸收，使后者变成一个质子，并释放出一个电子。然后，氯37就变成了氩37。物理学家想办法数一数产生了多少氩37，就会知道这个装置吸收了多少中微子。http://songshuhui.net/archives/39784

单扬文：中微子是如何被观测到的啊？能否简单介绍一下吗？
Steed的围脖：简单说，中微子与普通物质发生相互作用的可能性很小，所以实验物理学家会准备大量的物质，等中微子与其中的粒子发生作用。基本上是一种守株待兔啦。

单扬文：中微子不是很难测，那从瑞士发射的中微子，意大利怎么测的到呢？
李淼在微博：用1千多吨的探测器，也只能探测到所有中微子中的少数。

一只特立独行滴枫林带：李老师，能简单直观地介绍一下中微子探测器是个什么样子，另外，中微子探测的原理是什么？
李淼在微博：我不是实验专家。但探测器是利用弱相互作用中的中微子产生反冲，具体见文献和http://en.wikipedia.org/wiki/OPERA_experiment

China天天心晴：这次的实验，是在人造真空中测试的吗？中微子与光束子的快慢结果和大小有关吗？
Steed的围脖：不是在人造真空环境中测试的，中微子源是在瑞士日内瓦附近的CERN，而接收装置是在意大利的格朗萨索国家实验室。这些中微子实际上是从地下穿过来的，不过对中微子来说，对穿整个地球也不是什么难事…… 这次实验应该没有测量中微子和光束子（咦，这是什么东西？）的大小……

七竹公子：请教一下李教授，意大利的这套设备从安装到实验实施至目前，大体的成本有多高？
李淼在微博：具体成本我不知道，相信不会太高，探测器是1300吨乳胶和铅块。技术很高，不是简单的实验。

姑且记住那根葱：这个中微子是定向由瑞士跑到意大利的么？怎么控制它的行动路线？
Steed的围脖：中微子束是定向发射的，这些中微子束实际上是在CERN的科学家控制下产生的。OPERA实验装置的设计建造，就是为了接收CERN发出的这些中微子。

邱化桥：费米实验室有可能接收日内瓦发送的中微子吗？
李淼在微博：没有可能，费米实验室本身没有大型中微子探测器，但在明尼苏达有。

ierukah_lavod ：中微子源是什么原理？目前检测中微子用什么方法？我国现在有能力进行这方面的实验吗？
Steed的围脖：这次实验中用到的中微子，是通过高能质子打靶产生的。实际上太阳内部的核反应也在源源不断产生中微子，当一个电子与一个质子合并产生一个中子的时候，就会同时释放出一个中微子。当然严格来说，这两种中微子不是同一类。

新华社周舟：所谓“接收”了中微子是什么实验机制，怎么确定730公里外发射的中微子就是意大利接收到的那个？
Steed的围脖：中微子本身是一种非常不容易被探测到的粒子，来自其他来源的中微子被检测到的机率其实相当之低。并且，为了排除其他粒子的干扰，实验装置被安置在大山深处的一个山洞之中。中微子以外的粒子，很难能够钻透大山，进入实验装置。

李淼在微博：CERN质子打在石墨上产生的中微子能量在14Gev和43Gev左右，意大利地下实验接受的中微子能量也在这个范围，由此可以确定这些中微子来自CERN，另外，中微子是脉冲式的，也可用来确定。

伪克劳斯好困：是不是接收器本来接收中微子在一定水平，那边发出后接收器这边的水平突然升高了才测出的？
Steed的围脖：不是，实际上这项实验的原理很简单：测定中微子束的出发点和接收点的距离，然后再测定出发和接收的时间。这样有了距离和时间，就可以求出它们的速度。当然，实际的实验操作过程中，由于这些测量都必须非常精确，所以仍然困难重重。

诃诺：请问中微子是如何分离，以保证其它粒子不干扰实验的？
李淼在微博：通过Gran Sasso的岩石。

goldengrape ：怎么知道目的地探测到的中微子就是起点发出的哪些呢？可能会被干扰么？
松鼠会Sheldon：就像你的耳朵能分辨出噪音和远处有人喊你名字一样，二者有明显的区别。科学家会扣除噪音的影响。

伪克劳斯好困：我看了之前的回答发现说太阳包括人体都在放射出中微子，中微子和中微子之间有没有相互作用？大概实验器材也会产生中微子，会对实验的结果产生影响么？中微子会不会因为路过的中微子源强度不同改变路径？
松鼠会Sheldon：实验器材产生的中微子数量远远少于中微子源，而且，二者能量不同，对探测仪器的影响也不同。最后，科学家当然会考虑扣除自然本底。

goldengrape ：是否有类似迈克尔逊干涉仪那样精巧的实验对比光速和中微子的速度呢？现在的看起来干扰好多。
李淼在微博：很难，中微子作用太弱。

Steed的围脖：这个恐怕很难，中微子不像光子那样很容易探测，所以类似麦克尔逊干涉仪的实验可能难以实现。如果有另外的实验验证了中微子的超光速，那类似原理的实验，也就是测量中微子在不同方向上的速度是否不同，应该会有人去做的，当然会非常复杂。

木遥：很显然这不是那种无意间做出的发现，那么请问他们一开始为什么要设计这个实验？既然谁都认为中微子不可能超光速，为什么要克服这么多麻烦去设计一个精密的实验来测量这件事呢？
松鼠会Sheldon：据我所知，该实验的目的本来是为了测量中微子振荡的性质，也就是一种中微子发射出来，在途中转化为另一种中微子的比率。目前已知三种不同的中微子，他们之间会相互转化，叫做中微子振荡。

成都晴耕雨读：发现中微子超光速，是不是从侧面说明中微子没有静止质量？
李淼在微博：不能说明，比如我和王焘的模型中，低能中微子的质量是正常的，只是稍高能的质量变虚了，更高能的质量又正常了。

小说宅胡正庭：能测出运动时中微子的动质量吗？
李淼在微博：暂时还不能。

【会不会是实验出了错？】

奔奔哦：我对这次实验的发现持怀疑态度，会不会是其测量方式或者结果处理存在不妥之处呢？
Steed的围脖：确实，这也是许多科学家目前的态度。正因为事关重大，所以大多数科学家的观点都是，需要有独立的实验来验证这一结果。相关的研究论文已经公布在网站上，也有许多科学家在认真审阅论文，看意大利的实验小组会不会有什么疏漏之处。总之，还需要再等更多实验来检验才行。

Placebo_Effect ：我问个傻问题...有没有可能是光速变慢了... 所以中微子并没有超光速....
李淼在微博：光速变慢了？应该考虑过这个因素了，实际测量用了原子钟和测距，并没有直接用光来对比。

ZwY_717 ：是不是光在大气层中受到影响？而中微子没有？
李淼在微博：这个OPERA应该考虑了。

Steed的围脖：这项实验并没有同时发一束光出来跟中微子束比快慢，而是直接用距离/时间求出了中微子束的速度（当然距离和时间的测量都非常非常复杂）。并且，中微子是从地下穿过来的，所以与大气层没有关系。

Placebo_Effect ：是这样的。我们说超光速，因为这次中微子的速度299798454米/秒超过了光的理论速度299792458米/秒。会不会因为测量的时刻光本身的速度已经达到了299798454米/秒（本次中微子的实验速度）以上，超过了一直认为299792458米/秒，所以中微子实际上还是没有能够超光速？
李淼在微博：光速的测量很准确了，不会有问题。更准确的回答是：299,792,458m/s这个值反过来通过国际标准时来确定米的标准。也就是说，现在是当着一个假定来定义米，因为收藏在计量局的长度标准本身会变化。这个新的米的定义是1983年做出的，所以光速后面没有小数点。

单扬文：探测中微子的原理和方法感觉笨拙，那怎么得出60纳秒精度这么高的数据的啊？
李淼在微博：原子钟非常精确。

松鼠会Sheldon：大部分高能物理实验最后的最后当然是要转化成电信号，测量电信号达到这么高的精度不是难事吧

骑个破车看夕阳： 60纳秒是个很短的时间，科学家是通过什么仪器/手段测量保证测量精度的呢？
Steed的围脖：通过很复杂的一系列对时装置啦，用到了GPS的对时，还有原子钟什么的……

陈承CC ：实验发现中微子速度比光速快60纳秒的论文，我看了，但对于该实验中基于 GPS 的校时系统不是很懂，请您详细解释一下，这个实验是如何确保距离70多公里的两地在计时过程中的时间一致性和准确性？
李淼在微博：730公里，我不是测距专家，但大亚湾实验中的曹俊说，GPS测距应该问题不大，但只有GPS专家才知道，没准有一些没有预料到的问题。

阿杰要hold住啊：注意到本实验的730公里的距离是通过GPS精确测量的，而GPS定位用到了相对论的理论，请问这对实验得出的中微子超光速的结果有影响吗？
Steed的围脖：这次实验得出的结果是，中微子比光速抵达提前了60纳秒，乘以光速的话，中微子比光提前了18米左右。GPS在精确定位时确实针对相对论效应进行了修正，但测量距离已经是一种相当成熟的技术，出现18米这样的偏差，应该可能性不大。

自旋的长笙：据我所知，宇宙学的观测并不支持超光速中微子的存在，那么，就算OPERA的实验被重复，光这一个孤立的实验，能否就动摇相对论之基础呢？
Steed的围脖：这是个非常好的问题。天文学观测，主要是超新星1987A爆发时，地球接收到的中微子，与光抵达的时间只间隔了几个小时。按照这个观测事实，中微子的速度与光速的差异应该在亿分之几的量级。而此次意大利测出的差异达到了十万分之几，明显存在矛盾之处。因此，意大利的实验结果还需要被其他实验重复才行。

松鼠会Sheldon：孤立的实验当然不能说明问题。况且，超新星爆发产生的中微子的能量和本次实验相差很大，如果两个实验结果都正确，也有可能并不矛盾。

李淼在微博：你指的是超新星？超新星测到的中微子能量比OPERA实验中的能量小很多，小一千多倍。

qqoT ：关于1987A，中微子观测的确比光学更早观测到中微子。虽然时间差与这次试验的结果差距不在一个量级，但是，是不是正如前面所说，不同能量的中微子，速度不同，但是都超过光速了呢？
Steed的围脖：1987A的中微子，确实比光抵达地球早了几个小时，但这一点是可以得到解释的。超新星在爆发过程中，最初一瞬间就在恒星的核心处释放出了大量中微子，这些中微子可以轻易穿透整颗恒星向外传播，但光却不行。光会在恒星内部反复散射，因此会延迟几小时才突破出来开始传向地球。所以，中微子不需要超光速。

陈虹84 ：这个实验是否说明了对超新星SN1987A的中微子超光速现象的解释也需要修改？
李淼在微博：SN1987A中微子没有明显的超光速，中微子比光早3小时到，可以用超新星对光的不透明等理由解释。

【假如这是真的？】

轻烟络：相对论的基础是光速不变吧，就算有超光速的粒子也不会动摇相对论吧？
李淼在微博：不会动摇相对论中的光速不变假设，但会改变很多动力学细节，例如自由粒子的质量为何与能量有关？

小演草：如果这次实验结果准确的话，会推翻现代物理学吗，因为爱因斯坦的理论建立在光速最大和不变的基础上。还是说就像牛顿力学，只是在某种特殊条件下不适用了？
Steed的围脖：可以肯定，现代物理学不会整个被推翻，因为爱因斯坦的相对论已经经受住了许多次检验，而且已经深入到我们日常生活之中。举例来说，你手机里的GPS，就针对相对论进行过修正，才能准确定位。如果实验结果得到进一步验证，相对论在日常生活中仍然会适用，就像牛顿力学在日常生活中仍然适用一样。

任晓雯：如果真的超光速，时间和空间的概念会不会改变？
李淼在微博：肯定会改变，但不会偏离爱因斯坦理论太大。

姚奶奶：请问超光速的中微子是不是就意味着超光速的信息传递速度？如果真的超光速了，对整个量子力学这个将会有多大的影响？再请问下，实现超光速的是哪种中微子还是全部中微子？有什么特殊性么？
李淼在微博：对，意味着信息传递速度可以变大，不会涉及量子力学的修改。测量涉及了mu中微子和电子中微子。

恢复正常的猫叔：如果此实验结果被证实为真，那么以下哪种论断更靠谱： 1光速这个限制不存在；2光速本身是可变的.
李淼在微博：光速可变本身还没有实验，中微子速度可能是可变的。

爱在天涯mvp__ing ：对于这样一个置疑的结论！随着科学的不断发展！我们能否得到真正的结论呢？可是，现在我们应该怎样理解呢？
Steed的围脖：这次实验的结果还需要其他实验的验证。很可能最初会在实验中发现疏漏之处，即中微子的速度实际上并没有超过光速。当然也有可能，实验得到的独立验证，那么这种现象就会得到关注，会有理论学家来研究为什么他们可以超过光速。实际上，现在已经有许多理论学家在提出各种理论来解释它了……

伪克劳斯好困：那么可不可以通过探测中微子探测到目前137亿光年边界之外的宇宙？
李淼在微博：可能，但细节有待研究。

Steed的围脖：宇宙并没有一个137亿光年的边界呀？如果你是说，光在宇宙诞生137亿年来能够走过的距离，那么如果中微子真的能够超光速的话，它确实会比光多走一点点。但从1987A超新星爆发的中微子来看，那些中微子的速度跟光速其实是相符的。

松鼠会Sheldon：所谓宇宙的膨胀速度“超光速”是指可见宇宙的体积在暴胀时期变大了很多倍，远远超过当时光所能传播的距离。严格的说，前者并不属于速度的范畴，是空间本身的变化

arthurhawk ：您好，根据大爆炸暴胀理论，似乎在宇宙形成初期的暴胀阶段，宇宙的扩张速度是超光速的，这个超光速又该如何解释呢？还有现在宇宙的膨胀速度（这么说专业吗？）有多快呢？
Steed的围脖：宇宙膨胀实际上是空间本身在膨胀，而不是物体在空间中移动。空间的膨胀是不受狭义相对论约束的，所以宇宙膨胀可以导致相距很远的两个星系之间的相对速度超过光速。这是完全没有问题的。目前宇宙的膨胀速度用哈勃常数来表示，不过具体数字需要查一下……

曹小操：如果中微子的速度真的超过光速了，那么这颗中微子飞行时的质量应该有多大？
李淼在微博：按照相对论的质量定义，质量将随能量变化。

姚奶奶：对于超光速的中子，它的能量（质量）应该如何计算？？
李淼在微博：中微子，不是中子。能量是通过能量守恒得出来的，质量和解释超光速模型有关。

wyty2010_xxg ：请问如果实验正确的话，会对粒子螺旋度这样的概念有何影响？
李淼在微博：自旋？不会。

伪克劳斯好困：超光速之后中微子还受相对论约束么
Steed的围脖：如果中微子真的能够超光速，现有的相对论应该是没有办法解释它的运行，或许经过修正之后，可以约束中微子的行为。不过具体如何修正，这是理论学家的事情了……

很有粪量的猫：请问如果中微子超光速，是否可以脱离黑洞？
李淼在微博：要重新考虑这个问题。

Steed的围脖：如果它真的超过光速，那理论上是可以从黑洞的事件视界里跑出来的。不过具体要取决于它能够超过光速多少……

张德甡：假设一个中微子是以超光速从太阳到地球，光以光速需要8分钟，而中微子因为超光速所以所用时间更少。但对于中微子来说，时间本身是倒流的。也就是到达地球的时候比出发时时间靠后。基于位置来说，中微子不是矛盾了？
李淼在微博：时间倒流是根据相对论变换得到的，如果Lorentz对称性破坏了，时间倒流要重新考虑。

木下小叶：如果保持Lorentz变换的形式不变的话，超光速后，中微子的质量是虚数。虚数质量正好给出斥力，是否超光速与暗物质暗能量有关？
李淼在微博：在弄清理论基础之前，一切皆有可能。

Metaverse ：如果中微子超光速现象是真实的，最可能的解释是什么？高维捷径？
松鼠会Sheldon：不清楚。理论物理学家会公说公有理，婆说婆有理，这需要反复地论证和检验，才会知道哪个机制最可能。

PeytonCai ：如果超光速真的存在，相对论出错了，那么对现在的物理学有什么影响，对我们现实生活的又有什么影响？
李淼在微博：相对论没有错，需要修改而已，就像相对论本身在极端情况下修改牛顿理论。目前很难说会对现实生活有什么影响。

陈虹84 ：请问李老师，如果实验是准确的，那现代物理学将从哪些方面做出解释？
李淼在微博：已经有20篇左右的理论文章了，多数是修改中微子的色散关系（即速度与能量之间的关系），这些都不是理论，是模型。理论还需要时间来构造。如果实验是准确的，我们肯定要彻底改变理论。

周明军玩微博：爱因斯坦的光速不变理论要是被推翻了，我的天啦，我到底该相信谁啊。
松鼠会Sheldon：常有人说，“今天的真理也许就是明天的谬误”，这是不对的。任何物理理论都有其适用范围，与理论相悖的实验结果只不过为理论找到了适用范围的边界。今天的真理只在其适用范围内是真理，无论今天明天，超过了这个范围当然就是谬误。

Fisherrr会飞的鱼：牛顿经典力学适用于慢速宏观物体，爱因斯坦相对论适用于高速微观粒子，有不同的适用范围，但两者都是正确的。此次中微子速度超过光速是否也是某种特殊条件下的个案，又或者由此产生的新理论有有限的适用范围？另外中微子超过光速可否用弦理论来解释？
Steed的围脖：是的，如果中微子超光速现象得到证实，那就等于为目前的相对论划出了一个它不适用的范围。在这个不适用范围之外，正如你所说的，相对论仍和低速宏观物体的牛顿力学一样仍然适用。至于弦论，这个要问李淼老师啦！

陌路僧：如果这个实验结果最后证明是真实的，那对超弦论有什么重大的意义?
李淼在微博：现在很难说，关键是，如果超光速是真的，真正的物理机制是什么。一种可能是额外维，这和弦论有关，另一种是不同粒子感受到不同几何，弦论中也有类似效应。

一毛不拔大师：请问这个实验和其它证据是显示弦论越来越靠谱了吗？
李淼在微博：肯定有新物理，弦论是找新物理的重要地方。

自旋的长笙：似乎现在的物理也有些遇到瓶颈的感觉了，如果这次实验导致了20世纪初那样的颠覆性效果，那么请问研究哪个方向最有可能“淘到金矿”，是弦么？
李淼在微博：如果这个实验是对的，要像爱因斯坦一样，从基本概念想起，不是从某个具体理论如弦论，但弦论的一些想法会有帮助。

JJ-陈杰枫：李老师您好！请问如果超光速现象被证实了，对M理论有什么影响吗？
李淼在微博：M理论会受到重视，但不见得会成为新的热门。

平泳佳：中微子速度超过光速，是否存在多维空间的影响？一旦相对论被推翻，哪些物理理论要重新改写？对现代科学有什么影响？
李淼在微博：目前很难说，各种模型都有，以后还会有更多模型。

随机法师-abelxing ：按说理论家应该早就储备了一批“如果超光速了，就会XXXX”的论文，伺机发出，但现在看火力不是太猛。是否从中微子这个角度出现“超光速”确实出乎预料？理论家设想过其他超光速的方案吗？
李淼在微博：理论家已经写出20篇论文了，按照我的观点，只是模型，不是理论。

无巢氏的乡愁：李老师，假如OPERA实验室的结果无误，确实存在比光速快的速度，那么这个发现对目前的天体物理学界会有什么样的影响呢？
李淼在微博：会有，早期宇宙学，中子星理论，等等。

arthurhawk ：您好，如果费米实验室最后也验证了中微子“超”光速这一现象的话，那么在现有的理论基础上有没有什么理论可以解释这一现象呢，比如说中微子实际上是通过走了某种捷径而达到了看似超光速的效果呢？谢了。
李淼在微博：据我所知，有很多模型，但还没有一个自洽的理论。

刀魂剑魄：如果这个实验结果最后证明是真实的，那对大爆炸理论有什么重大影响?
李淼在微博：肯定有，需要后续研究。

windy_kai ：其實快過了光速在我們的生活中又意味着什麼？對我們日常生活又會構成什麼具體的影響
李淼在微博：将来会有影响，现在不会。

Steed的围脖：目前看来是没有什么影响啦~~ 不过未来的话，谁知道呢~~ 说不定真由此发现一些新的物理规律，可以像相对论和量子论这样大幅度改变我们的生活，也不一定喔~~

circledan ：如果这个实验最终被证实，将会影响哪些领域？会有多大影响呢？谢谢！
松鼠会Sheldon：将影响研究人员申请经费、毕业生找工作和博士生选导师

【时间旅行及其它】

吃泡泡糖的熊：如果能超光速是不是让时间倒流成为可能，但是不是平行宇宙的形式，而是回到的时间点后面的一切还是随机发生。
李淼在微博：我不相信时间倒流是可能的。但在弄清理论之前，一切皆有可能。

楚云帆：实现了超光速的话，那么《Back to the Future》里那种穿越时空的幻想是否能够实现...咳咳
李淼在微博：我不信。

iGREENEE ：如果超光速中微子是存在的话，确实有可能在时空中穿梭吗？
李淼在微博：我个人不相信这个实验，最多20%相信。如果实验是对的，我也不相信我们可以借助中微子回到过去。

王思璟：你们觉得未来可能实现时间旅行吗？
松鼠会Sheldon：个人观点：向未来旅行是可能的，向过去旅行是不可能的。退一万步讲，即使我们所熟知的物理规律被新的大统一理论所取代，在我们生活的宏观世界中，违反相对论的事情也不可能发生。（本次实验中的高能中微子当然属于微观领域）

Steed的围脖：霍金在一部片子里做过一个实验，邀请能够从未来回到过去的人类在某年某月某时某刻到某地与他会面。结果时间到了，没有人应邀。我比较倾向于认为，回去过去的那种穿越不太可能实验。当然，去到未来的时间旅行还是有可能的，我们每个人都在向未来进发。

自旋的长笙：请问，此中微子可否用来传递信息，如果可以，那么就意味着因果律被打破？
松鼠会Sheldon：中微子当然可以用于传递信息

李淼在微博：探测到中微子就相当于探测到信息了。因果律不会被打破。

Metaverse ：量子纠缠算可以传递信号吧？其中一个粒子被观测，波函数坍缩，那另一个粒子的状态也就确定了，这个过程不能视为有能量的传递吗？
李淼在微博：不算传递信息，因为对方测到的结果需要用通常的办法告诉另一位。

法拉第笼中的感冒：在科幻迷看来，这超光速就如同家常便饭，没什么特别，作为物理迷，量子纠缠早已所知，我想问的是，即使经过确认，超光速的确发生，这又能说明什么？高维宇宙？
李淼在微博：量子纠缠不能传递能量，不算真正的超光速。

Steed的围脖：现在说它能够说明什么，还为时过早。可能说明光速并非速度极限，也可能说明中微子超了额外空间维度的近路。总之，理论学家会准备一大堆理论来解释它，然后再设计更多的实验去检验这些理论。

JJ-陈杰枫：李老师您好！相对论的速度极限不能适用于空间本身的膨胀，而暴胀早期宇宙的速度就比光速快，那中微子的这种超光速，跟宇宙的暴胀会有联系吗？
李淼在微博：没有关系。

风叶泠泠：最近流行的幽灵粒子和它有什么关系呢？
李淼在微博：Ghost? 这些是负能的，与中微子不同，也没有任何实验证据。

幾jkodf ：我有一个想法，中微子的质量是虚数，其物理意义在于中微子的质量表现在其他维度而不在四维时空，这样，它就能通过在其他维度里抄光子的近路，来实现在四维时空里的超光速，请问可以这样认为吗。
李淼在微博：额外维的解释有自身困难。

qqoT ：是不是如果超光速这个东西被证实了，找引力波那帮哥们就失业了？
Steed的围脖：引力波已经间接得到过观测证实了，只是还没有直接找到而已……

中国航天工程：航天工程会因此而受影响吗？
Steed的围脖：航天工程不会受到影响，毕竟中微子对普通物质几乎不发生作用。今天晚上的天宫一号发射不会受影响啦！

1mg中南海：现实中，有没有意念速度，就是一念即到，穿梭宇宙中？
李淼在微博：这是物理吗？

人生如戏独角戏V ：小鹿纯子的速度与光速相比哪个更快呢？晴空霹雳和幻影旋风这两招哪一个更快？
李淼在微博：小鹿纯子是谁啊？

k0ngjkia ： Science和Nature有没有刊登过“不靠谱”的文章？
Steed的围脖：确实刊登过一些后来被证明是做过手脚的文章，不过查实之后都明确表示收回了。

芯片真的很爱小鬼：我是个中学生，刚接触物理，不过对这门学科很感兴趣，我想问问怎么学好物理呢？
松鼠会Sheldon：首先要爱物理，其次要花时间琢磨，利用睁眼和闭眼之间的一切时间来琢磨，最后要多看书多做练习多反思结果

李淼在微博：用功。

Steed的围脖：对物理保持深厚的兴趣，就可以学好物理啦~~ 兴趣是最好的老师。

李淼在微博：谢谢大家的提问，今天微访谈到此结束，十一长假结束后松鼠会将举办一个关于中微子的活动，敬请期待！

是微中子比光還快？還是媒體錯誤報導傳播更快？

Sat, 24 Sep 2011 23:43:37 CST

閃電俠：比光還快很簡單啊！

最近最大的科學焦點議題除了墜落的衛星，當然就是「比光還快的微中子」了。然而此消息一出，許多媒體開始扯時空旅行可能實現之類的。科學社群其實很審慎看待這件事，就連發現這現象的科學家也認為自己大概是出錯，而要求其他科學家協助驗證，該研究論文已經公佈，歡迎下載閱讀。以下整理數篇相關網摘，若有興趣的伙伴可以自行閱讀全文。

首先，ScientificAmerican的Basic Space部落格作者Kelly Oakes用簡明易懂的方式先將這次CERN公佈的，來自OPERA experiment的實驗結果陳述一遍(因為有很多媒體詳細刊登了實驗結果，我在此就不重複了)，然後指出兩個關鍵問題：第1是這個結果違反了因果定律，有因才有果這件事將被打破。好吧，或許這對許多人來說是個好消息；第2個問題則是這樣的觀測結果與最近超新星SN1987A爆發時觀測並完整紀錄的結果不一致。當時爆發後傳到地球的微中子以光速前進，卻比光提前了3小時到達地球。這是因為光子被超新星爆發後的殘餘遮擋了（這個說法其實並不夠正確，因為可見光在衝擊波到達恆星表面時才發生，因此比微中子晚出發）。因為微中子幾乎不會跟任何物質起作用，直接穿透，所以準時到達。如果照這次OPERA計劃觀測到的「比光快60奈秒」的數據來推算，那麼SN1987A爆發後的微中子應該比光提早4.14年就到達地球才對，然而事實上並非如此。

當然，科學永遠可以推翻，Oakes也認為如果微中子真的比光子快，那會「很有趣」，但就目前的情況來說，她選擇把賭注壓在愛因斯坦這邊。說到愛因斯坦，很多媒體除了鬼扯「時光旅行即將到來」之外，更常見的用語則是「推翻愛因斯坦」或「推翻相對論」…Discover magazine部落格Cosmic Variance作者Sean認為假使這研究結論是正確的，那當然是超級有意思，但非常非常非常可能是研究有誤。他並非要批評研究者，畢竟這些科學家都是最頂尖的高手，而是這研究實在太困難了，魔鬼藏在細節中，就算出錯也不奇怪，系統性的錯誤的確可能存在。如果研究結果能被其他獨立實驗重複驗證，到時候再跳上桌子大叫也不遲。

事實上，就連研究者OPERA計劃的發言人 Antonio Ereditato都立即否認所謂「推翻愛因斯坦」或「推翻相對論」的說法，他在Science的採訪中表示研究團隊必須誠實面對實驗結果，不能把這個發現掃進地毯下，公開的目的是希望其他研究單位協助驗證。Sean也提到這研究結論與SN 1987A觀測結果有違的事情，不過他強調，1987A紀錄到的微中子是微中子三種類型中的「電子微中子」，其能量比這次OPERA觀測到的「渺子微中子」低，因此能量有可能是關鍵。另外一個可能的解釋是「違反勞侖茲協變性」，也就是打破質能守恆定律，不過我是外行人，這個有待高手近一步解釋。DiscoverMagazine的另外一位部落客，Bad Astronomy的Phil Plait則在他的文章中解釋了這研究觀測的複雜性跟困難程度。DiscoveryNews的Jennifer Ouellette 用大篇幅分析了這則發現，其中很大一部份跟本文的主旨一樣，希望大家不要相信過度渲染的報導（還不到那時候）。

Starts with a Bang部落格作者Ethan Siegel也同樣持高度質疑態度，並圖文並茂地在文章中解釋如何製造微中子束、如何捕捉微中子，還有1987A超新星爆發時科學家是如何紀錄事件的。如果你之前幾篇沒時間看，這篇一定要看，更要看看下頭的迴響。

最後，即使大多科學家都還審慎看待，並認為極有可能是OPERA出錯，但這世界上是否真的有比光更快的東西呢？Dr.Kaku在他的部落格中列舉了四種可能（很可惜不包括閃電俠），其中他認為最有可能的是利用反物質折疊空間然後透過蟲洞…然而既然弦理論專家的Dr. Kaku也說他還沒有想通，那我也不亂講了。如果你也對於「比光還快」的訊息有興趣，可以先看看維基百科上詳細的條目，並請先不要隨著媒體亂報起舞，我們靜觀幾個月吧！

（P.S. 我好期待閃電俠的電影喔，怎麼不趕快開拍！）

update(09250107): 根據臉書上Ic Shen的意見，將「中微子」改為更恰當的「微中子」

延伸閱讀：
比光速還快的粒子略過愛因斯坦？

Interview with CERN neutrino study authors

水嘛，当然还不知道答案

Tue, 27 Sep 2011 13:20:22 CST

日本摄影艺术Shinichi Maruyama生于1968年，长野人。他的作品以冰、液体、斑点和运动为创作元素，借助高速成像相机来拍下物质在移动中不可预期的形态，浑然偶成，独一无二的美感为许多大广告公司所倾心，竞相选用。

一组以水墨交融前瞬间为主题的作品Kusho（见下图），表现的正是黑色墨水和透明清水在空中相撞的画面，快门于1/7500秒内捕捉到了目力无法抓取的物理和化学过程，呈现在相纸上的造型则充满了东方书法之神韵，其中一张曾被2010年2月3号出版的《新科学家》杂志选为封面。在那篇封面文章中，介绍了对水分子结构的一些新认识。

不同水分子之间的氧原子和氢原子会产生互相作用形成氢键，如此便利于每个水分子都被其他4个所包围，进而形成一种三角金字塔结构。这是固体水，也就是冰块中的水分子严格遵循的排布方式，传统观点认为，液态水中水分子排布方式基本相同。但斯坦福大学物理学家Anders Nilsson和斯德哥尔摩大学的Lars Pettersson两位教授却提出不同见解，他们在斯坦福同步辐射光源上做的分析显示，实际上四面体结构却如同点缀一般散落在大量非四面体结构中，每个四面体结构大小在纳米级别，仅仅包括50~100个水分子而已，而它的周围有无数“散兵”。尽管该研究还有待更多同行确认，但对于水这种奇怪的化合物来说，这些足以颠覆教科书的发现却可能正是现代科学揭开它种种反常特性的序篇。

以下列举水的怪异不合群之处若干

1 水的热容在35 °C为最小，此时无论升高或降低温度都会使得其热容增大，这和一般液体的热容随温度升高而变大是不同的；

2 水在4 °C密度最大，一般液体都是随温度升高而变小；

3 声音在水中的传播速率随温度升高而变大，但在74 °C达到一个峰值，之后开始下降；

4 水分子在高压下更容易扩散；

5 与其他液体恰恰相反，压力越高，水的黏度越低；

6 而所有关于黏度、沸点和熔点的性质，在重水身上都迥异于普通水，重水指的是氢原子被同位素氘或氚取代后得到的水。

OK，再来欣赏一组Maruyama作品《水的塑像》：

本文已发表于果壳网文艺科学主题站《水嘛，当然还不知道答案》

[小红猪]导向光束：特内里费岛观测站的跟踪激光

Thu, 22 Sep 2011 10:46:09 CST

宇宙真如量子理论所说的那般古怪吗？富于创造性的实验让我们离最终答案又近了一大步。

鲁珀特·厄辛身处加那利群岛之中的拉帕尔马岛。他站在岛内制高点，沉浸在黑暗之中。他感到害怕。“非常害怕，”他说。目之所及一片漆黑，一直延伸到15公里开外的大西洋。但最令他恐惧的倒不是黑暗。他担心的是即将到来的纯技术挑战——可能还有点儿害怕那些他试图令之安息的灵魂。

厄辛和他的同事们来自奥地利维也纳量子光学和量子信息研究院。那一夜，他们在这座岛上进行实验——发送单个光子，使之越过144公里的距离，落入特内里费岛上一座望远镜宽仅一米的口径内。即使在拉帕尔马晴朗的白天，能清楚看见特内里费岛上的泰德火山的时候，这个实验也需要不可想象的精准度，如若成功，将是了不起的成就；想将此实验移至夜晚进行，那简直是荒唐。“到了晚上，你连那座岛在哪里都不知道，”厄辛说。“你完全不知所措，根本不知道该干些什么。”

可是，在日光下进行这个实验是不可能的，因为有亿万光子在身边嗖嗖穿梭。因此，研究者们选择了一个无月的夜晚，关掉实验室的灯，悄悄来到仅有银河照亮的夜空下。

来干嘛？来尝试解决现代物理学持续时间最长的争论之一，来澄清我们对自然运行机制的基本理解中又一个模糊不清之处，来回答最根本的问题之一：量子现实真实的吗？

上世纪20年代中叶，现代物理学的两大巨头——尼尔斯·玻尔和阿尔伯特·爱因斯坦首次为这个问题相互顶牛。（参见《量子决斗者》）那时，一连串事实清楚表明，经典物理学无法解释小尺度的现象。例如光与物质如何相互作用，为何围绕原子核运行的电子不会做螺旋运动接近、并最终一头撞进原子核。

量子力学的新理论可以解释这些现象，可这种新理论就像一剂苦药，令人难以接受。经典的牛顿式宇宙如钟表一般规律，因果之间的联系直截了当，清晰而必然。但是这个宇宙已然远去，取而代之的是一个模棱两可的世界。在这里，粒子同时也是波，似乎毫无理由地互相影响，而且，只要避开观察者留心的眼睛，它们显然可以同时以多种状态存在。

对玻尔来说，要是我们转不过弯来，那是我们脑子有问题而不是量子力学有问题。我们这些习惯了经典力学的脑袋也许觉得量子力学理论难以下咽，但它是对世界运行机制完备而根本的描述。

爱因斯坦持不同观点。他认为量子力学的古怪即表明这种理论还有不足之处。他深信量子力学古怪的表面下埋藏着更深层次的现实。这种现实受尚未被发现的“隐变量”所制约。这种“隐变量”则根据与经典力学类似的规律运作。（参见《爱因斯坦的隐藏世界》）

玻尔和爱因斯坦的争论一直持续了几十年——双方都坚持己见，彬彬有礼，却没有得出最终结论。直到1964年，两位物理学家都去世之后，才出现解决问题的一线曙光。多亏欧洲核研究组织（粒子物理实验室，位于瑞士日内瓦）36岁的研究员约翰·贝尔，他发现玻尔和爱因斯坦之间近乎哲学的争论可以用数学的方式重新表述。

首先，贝尔认为粒子之间相互关联，即测量出其中一个粒子的特性就能知道另一个粒子的特性。这种关联性的存在本身并不令人惊讶：假如能量守恒定律或动量守恒定律成立，那么同一时间、同一来源射出的粒子在特性（如位置和速度）上自然应该有所关联。但是贝尔想出了一个数学表达式—— 一个不等式，来描述假如“实在性”和“定域性”二者均成立，粒子之间的相关度可能达到的最大值。实在性和定域性是两个符合我们经典力学直觉，但是似乎被量子力学破坏的条件：实在性指的是一个物体可被测量的特性永久存在，并且这些特性不会因为观察者的变化而变化；定域性则意指这些特性只会受附近物体的影响，而不会受任何远处物体的影响。

接着，物理学家们就得好好动动脑筋了。他们需要设计出一个实验来测量两个同源粒子的相互关联度究竟有多大。如果它们的相关度与贝尔不等式设定的数值有很大的差距，则实在性、定域性两者之一不成立，或者两者均不成立，量子力学的古怪性得到证实：粒子以某种神秘方式相互“纠缠”。另一方面，假如实验结果满足贝尔不等式，那就意味着某种现实的、局域的、类似经典力学的东西在起作用——比如，爱因斯坦的隐变数。

理所当然，实际操作要复杂得多。实现测试贝尔不等式的理想条件十分困难。没有任何实验得到决定性的结果。

到了70年代早期，一个名叫阿兰·阿斯裴的年轻法国学生登上了舞台。他刚刚服完强制兵役，从喀麦隆当老师回来，正四处寻找博士阶段的研究课题。一个偶然的机会，他读到了贝尔的论文，并了解到玻尔和爱因斯坦的争论始末。他被彻底迷住了。“一个实验就能测试出谁对谁错，这实在是太刺激了。”阿斯裴说。他现在是法国帕莱索光学院的成员。

阿斯裴拜访了贝尔，希望得到他的祝福。贝尔警告他，研究量子现实的根本问题被很多人视为“空想物理”，并问他是否有稳定的工作。“我有。尽管是个不起眼的职位，却是终身制的，”阿斯裴说。“他们不能解雇我。”有了这份保障，阿斯裴开始了长达七年的研究工作——他要找出究竟谁是正确的：是玻尔？还是爱因斯坦？

阿斯裴的实验大体上沿用了之前那些贝尔不等式测试实验的模式。首先激发原子得到一对偏正态相关联的光子。这两个偏振态光子被两个探测器分别测量。依照传统，监控这两个探测器的角色被称为爱丽丝和鲍勃。（参见图表）

必须测量大量的光子对才能得到有统计学意义的结果。就在阿斯裴和他的学生菲利普·格朗日及让·达利巴完成了准备工作，着手进行他们最后决定性的实验之际，激光技术的进步给他们帮了大忙。“到了1980年，我有了世界上最好的纠缠光子源，”阿斯裴说。从前得花上几小时甚至几天才能造出必需的光子数目，现在只要一分钟就够了。

就算这样，实验的过程仍然十分艰苦。终于，1982年，研究者们掌握了自量子现实争论开始最令人信服的证据。实验结果无可置疑。玻尔是对的。贝尔不等式被破坏了。（《物理评论快报》第49卷，91页）世界正如量子理论所说的那般古怪。“这真是激动人心的发现，”阿斯裴说。

爱因斯坦的隐藏世界

爱因斯坦对量子理论持怀疑态度。1935年，他和两个年轻的物理学家——鲍里斯·波多斯基和内森·罗森——联名发表了一篇论文，题为《量子力学对物理现实的描述完备吗？》（《物理评论A》，第47卷，777页）

在这篇论文中，他们提出了后来被称为EPR悖论的观点。这三位物理学家认为，一个完备的理论必须能描述物理现实中的所有要素。

例如，一个移动中的物体，如果既有位置又有动量，那么这个理论就应该同时包括这两个有具体数值的要素，或者说“变数”。

这一点在描述汽车之类的东西时很容易做到。但是一旦进入微观量子世界，就不那么简单了。根据维尔纳·海森堡在1927年提出的著名的不确定原理，一个粒子的精确位置和动量不能同时被确定，测定位置便不能测定动量，反之亦然。爱因斯坦认为，从这个原理可以推导出两个结论：一，位置和动量不会同时存在；二，量子力学在描述现实方面是不完备的。

更糟糕的是，例如一次爆炸后产生了两块弹片，这两块弹片朝相反的方向各自弹射开去，这一事件用经典力学很容易解释。根据动量守恒定律，这两块弹片的速度、方向和质量之间有简单确定的联系，而且这种联系在爆炸发生之时便已经确定。

另一方面，如果相似的情况发生在量子力学世界，问题就复杂多了。假设一个静止的粒子衰变成两个朝不同方向运动的粒子。根据对量子物理的诠释——这一诠释为尼尔斯·玻尔和其他量子理论先行者们所支持——粒子的特性在被测量之前是无法被清楚定义的。但是，如果测量其中一个粒子的位置或动量，那么，相隔遥遥空间的另一个粒子的位置和动量也会在这一刻被设定，尽管这一刻之前，它的位置和动量还都无法被定义。这种状况的变化，隔着空间，是如何从一个粒子立刻传到另一个粒子的？

"反正不是通过量子力学暗示的某种‘幽灵般的远距离动作’达成的”，爱因斯坦说。他认为一定有某种潜在的理论——一个“隐变数”——事先就把测量结果设定好了，就像那个经典力学的例子里，动量守恒定律事先就把弹片的测量结果设定好了一样。所以，他总结说，现在的量子力学一定是对现实的不完备描述。

挥之不去的怀疑

就这么结束了？当然没有。本来就很少有所谓“完全决定性”的实验，加之爱因斯坦的盛名，公众对阿斯裴实验的疑虑仍然存在。怀疑者认为，也许自然欺骗了实验者，让他们误以为量子理论是正确答案。虽然实验测得的相关度超过贝尔不等式的最大值，但实验本身也存在很多漏洞。这些漏洞意味着也许量子力学以外的其他东西才是出现高相关度的真正原因。

维也纳团队的理论物理学家约翰尼斯·考夫勒说：“自然是否具有定域性、实在性，是否符合量子力学的描述，这个问题极为深奥，也极为重要。我们应该尽可能干净利落、无懈可击地完成这些实验。一切努力都是为了识破大自然对我们耍的诡计。”

阿斯裴的实验已经很好地填补了贝尔指出的定域性漏洞。贝尔指出：爱丽丝和鲍勃各自监控的探测器之间的距离必须远到两人无法以光速或亚光速交流。否则，某种隐藏现实就会对爱丽丝的探测器施加影响，比如，在她进行测量之前就告知鲍勃探测器的测量结果，甚至在她的探测器设置上做手脚，改变测量结果。“如果你允许这样的交流，那么想要在定域实在性上破坏贝尔不等式是很容易的。”

阿斯裴团队的高效纠缠光子源和先进光学仪器使他们可以令爱丽丝和鲍勃拉开6米的距离。在光子对离开光子源后，这6米的距离形成的时间差刚刚够改变探测器设置。实验者们希望这样可以挫败某种隐蔽交流渠道破坏实验的企图。（《物理评论快报》，第49卷，1804页）

这种做法很聪明，但是还不够。实验团队只有几毫微秒的时间来改变探测器的设置，这点时间不够实现探测器设置的无规律随机改变，只能通过可预测、有规律的模式进行。假如某种隐蔽渠道真的存在，那么一段时间之后，爱丽丝和鲍勃的探测器就会掌握这种改变模式的规律，从而继续误导实验。

为了把这种情况扼杀在萌芽状态，1998年，奥地利因斯布鲁克的格雷格·魏斯，安东·塞林格和同事们在他们的大学校园里把爱丽丝和鲍勃之间的距离拉长到了400米。他们用光纤将两端的探测器与居中的光子制造器相连。这样的安排给了实验者们1.3微秒的时间在光子发出后实现探测器设置的随机改变。实验者们甚至用原子钟测定，爱丽丝和鲍勃各自的测量是在相隔5毫微秒之内完成的——这么短的时间是不可能实现隐藏信息的传递的。于是，定域性漏洞被填补得更加密实。

但是这仍然不是最后的答案。定域性漏洞被填补之后，公众的注意力转向了其他漏洞。其中之一便是公平取样漏洞，或称探测漏洞。因为上述所有实验中用的光子探测器效率不高，只能取样测量所发出的光子中的一小部分。如果只有一小部分光子高度相关，破坏了贝尔不等式，而探测器取样到的正好是这一部分呢？可能性很小，但不是不可能。

2001年，大卫·瓦恩兰和他科罗拉多州波尔得市的国家标准与技术研究院团队首次填补了这一漏洞。这一次，研究者们用钹离子对代替光子对。每个钹离子都能在两种能态的量子力学叠加中存在。随着钹离子所处的能态的不同，它可以放出极多或极少的光子。通过用激光探测钹离子，测量它放出的光子数的变化，探测钹离子对状态的效率几乎可以达到100%。（《自然》，第409卷，791页）。

和之前的实验一样，这次实验测得的钹离子对状态也高度相关，这么高的相关度只能用量子力学来解释。但是这个实验本身还是存在漏洞：被测量之时，离子之间的距离只有3微米。所以，尽管探测漏洞被填补了，定域性漏洞却又出现了。

实在性的坍缩

即便量子力学实验的主要漏洞都得到了填补（见正文），其他的漏洞又出现了。其中之一就是剑桥大学的艾德里安·肯特提出的“坍缩定域性”漏洞。

根据众多对量子理论的诠释，一对纠缠的光子一直是处于量子叠加状态中，直到测量的这一刻方才坍缩成某个具体状态。目前为止的实验都假定坍缩是瞬间完成的。其实不是。在需要人脑确认坍缩发生的解释中，状态的坍缩所需时间长达0.1秒。

这就意味着在第二个量子状态的坍缩被人脑确认之前，第一个量子状态就可以把自己的坍缩传到遥远的地方（并告知第二个量子状态）。为了填补这个漏洞，测量者必须将坍缩这一事件记录下来，而自己则要呆在0.1光秒——约30000公里之外。（《物理评论A》，第72卷，012107页）

"这看起来遥不可及，”伊利诺伊大学香槟分校的诺贝尔获奖者安东尼·莱格特说，“但是换个角度，如果你在1985年告诉我，到了2010年人们就能在100公里外完成这种实验，我也会说你一定在开玩笑。

自由选择

此外，还有一个细微的漏洞需要考虑。针对贝尔不等式的实验基本上都假定研究者们能自由选择，来决定探测器的设置。可是，他们真的有这个自由吗？要是粒子源（光子制造器）同样通过某种隐藏现实，用某种方法对爱丽丝和鲍勃探测器的设置施加了影响呢？粒子源可以利用这个“自由选择”漏洞，发射出伪装成量子力学纠缠态的光子对。

所以我们就需要文章开头加那利群岛上的实验了。这次从拉帕尔马岛发射光子到特内里费岛的实验吸收了厄辛、考夫勒、塞林格等先行者的经验和技术。他们要填补自由选择漏洞，同时也不能让定域性漏洞再次出现。纠缠光子中的一个越过大西洋，用时479微秒到达鲍勃探测器；另一个沿着光纤飞速到达6公里外的爱丽丝探测器，用时29.6微秒。一旦光子发射，随机数发生器就会触发，为爱丽丝和鲍勃进行设置。（参见图表）

为了确保爱丽丝的自由选择，她的随机数发生器被放在距离光子源1.2公里的远处，并且随机数的产生与光子的发射都被计时，以避免两者互相影响。在特内里费岛上，随机数发生器则在拉帕尔马岛光子到来之前就为鲍勃的探测器选择好了设置，以确保鲍勃的选择不受光子源的影响——假设没有超光速的影响方式存在。

实验结果如何？结果再次显著破坏了贝尔不等式。（《国家科学院学报》，第107卷，19708页）

随着这次实验的成功，三个主要漏洞——定域性漏洞，公平取样漏洞和自由选择漏洞——似乎都被填补完成。那么，爱因斯坦和玻尔的争论就这么结束了？玻尔取胜？

也许是这样。不过还是有人不安于平静，又挑出更细微的漏洞来。（参见《实在性的坍缩》吹毛求疵者们指出，到目前为止，尚未有实验能同时填补以上三个漏洞。保罗·奎艾特和诺贝尔获奖者安东尼·莱格特——两位伊利诺伊大学香槟分校的科学家正带领团队向这个目标前进。在强大的光子源、极快的随机数发生器和高效的探测器的帮助下，他们希望能成功进行一次毫无漏洞的实验。

莱格特认为不会有什么意外发生。他说：“要是填补三个漏洞的实验结果与填补两个漏洞的实验结果完全相反，这才真是大自然耍的诡计。”

更具煽动性的问题是我们是否真的可以凭自由意志填补自由选择漏洞。如果我们所处的是一个完全决定论的世界，在这里，就连量子随机数发生器的结果都是预先注定的，那又如何呢？那样的话，我们就都不过是一盘更大的棋局里的小卒子罢了。“如果宇宙是决定论的，作为实验者，你只得是无能为力了。”考夫勒说。

不过这一点并不是绝大多数物理学家考虑的首要问题，莱格特说。关键在于爱因斯坦喜欢的定域实在性隐变数理论在描述自然方面并不可行。尽管量子力学可能不是最终答案，但它确实是我们现在所能找到的对现实的最佳描述。

那么，爱因斯坦确实错了？这不是重点，塞林格说。“是的，爱因斯坦关于现实的看法是错了，”他说，“并且我巴不得能听听他对现在的情况有何评论。”但是他逼我们严格检验了量子力学的基础，塞林格继续说道，爱因斯坦的疑虑让我们进一步掌握了量子力学理论，并坚信不管怎么古怪，它对现实的认识比之前的任何理论都要深入。

现在你明白为什么他们会心甘情愿，不辞辛劳，在无月的夜晚登上拉帕尔马岛顶，于一片漆黑中寻找远处地平线上的光子目标了。如果玻尔和爱因斯坦的灵魂一直注视着这些星光下的守夜人，那么他们两人都有理由感到内心的满足：玻尔看到，研究者们又一次证明他的世界观是正确的；爱因斯坦看到，正是他促使后辈学者登上了通向顶峰的道路。

量子决斗者

阿尔伯特·爱因斯坦

1879年3月14日生于德国乌尔姆市/1955年4月18日逝于新泽西州普林斯顿市

1905年是爱因斯坦丰收的一年。这一年里，他提出了狭义相对论，质能等价方程E=mc2 ，并成为将物理现实引入量子世界的第一人。“量子”这个概念是马克斯·普朗克在1900年提出的。

爱因斯坦将受到光辐照的金属表面有电子逸出这一现象——即光电效应——归结于具有光能的离散粒子（即光子）的运动。这一发现让他获得了1921年诺贝尔物理学奖。

尼尔斯·玻尔

1885年10月7日生于丹麦哥本哈根/1962年11月18日逝于丹麦哥本哈根

1913年，波尔引入量子化原理并推断，原子中的电子只能在一系列离散的能量状态中存在，以此解释了氢原子的光谱。这一成就让他在爱因斯坦之后获得了1922年的诺贝尔物理学奖。

玻尔继而提出了“互补原理”。互补原理成为了主流量子理论的诠释——“哥本哈根诠释”的基础。互补原理指出，量子世界既有粒子的特性也有波的特性；是测量这个动作令它显示出粒子的一面或者波的一面。

作者阿尼尔·阿南萨斯沃米是《新科学家》杂志的顾问。

破解手机辐射危害健康的流言

Mon, 19 Sep 2011 05:43:41 CST

2011年7月，瑞士热带与公共卫生研究所的研究人员在美国最新一期《全国癌症研究所杂志》上报告说，他们最新完成的一项有关研究没有发现手机会导致儿童患脑瘤的证据。他们收集了丹麦、挪威、瑞典和瑞士等国352名7岁到19岁的脑瘤患者使用手机的情况，并把有关数据与646名同样年龄段健康孩子的情况进行了对比。结果显示，患有脑瘤的儿童并不比没有患脑瘤的儿童更多地使用手机。研究人员据此认为，使用手机可能并不是引发儿童脑瘤的主要原因。

手机辐射对人体健康是否有危害，多年前就是全球学术界研究的热点问题了。现在，多项科学研究结果表明，使用手机与脑瘤等癌症的发病率无关。联合国国际卫生组织早在2002年1月4日称，使用手机与患脑瘤没有关系。2011年5月31日，世界卫生组织下辖的国际癌症研究机构（IARC）在对关于使用手机与脑瘤的科学文献做了历时一周的集中梳理之后，宣布将手机辐射的致癌风险归为2B等级。这个等级指的是证据的强度，2B的含意是指“对人类致癌性证据有限，对动物致癌性证据不充分”。同属2B等级的还有咖啡和泡菜。致力于研究射频能量对健康的影响长达40年之久的美国宾夕法尼亚大学的生物工程学家、美国电气和电子工程师协会会员肯尼思•福斯特表示，IARC给出的结果离真正确定手机会致癌还很遥远，公众不必为此担心。

手机辐射对人体健康没有危害已是国际学术界的主流观点，但也有个别专家持不同意见。2005年3月，美国马里兰州联邦法庭上，有人就发起了对手机界的控告，理由是他们没有保证消费者免于不安全的辐射。控方引用了美国华盛顿大学一位生物工程学教授的观点，称手机辐射会伤害人的DNA并可能导致良性肿瘤。但是，包括这位教授在内的，所有声称手机辐射对人体健康有危害的说法，都没有科学理论的根据，也没有实验结果的证实，而只是一种假说。

普通公众虽然对电磁学和生物学并不了解，但还是普遍认为手机辐射有害，其中一个重要的依据是核辐射和X射线会伤害人体健康，大剂量和长时间照射有引发癌症的危险。但是，这种辐射与手机辐射有着本质的不同，前者是电离性辐射，辐射能量能被人体组织大量吸收而导致化学键断裂。而手机辐射属于非电离辐射，其频率远远低于电离辐射，产生的热效应微乎其微，根本没有产生使化学键断裂的危险。

2006年，网络上疯传一个俄罗斯人做的实验：在两部手机中间放置一枚生鸡蛋，通话65分钟后就把蛋煮熟了。甚至有的国外网站称，3分钟就可以煮熟，令不少人非常担心自己的脑瓜儿也像鸡蛋一样被煮熟。稍具一点电磁学知识的人都知道，手机的功率远低于微波炉，根本不可能产生类似微波炉这样强烈的热效应，国内有人重复了这个实验，证明了生鸡蛋不仅煮不熟，甚至温度根本就没有什么变化，俄罗斯人的实验只是一个搞笑的骗局。

手机辐射对人体健康潜在的危害，主要是人体组织吸收辐射能量所产生的有害热效应。检验手机对人体健康危害的国际标准是SAR，即用户头部对手机辐射能量的吸收率，美国的标准是1.6瓦/千克，欧洲的标准是2.0瓦/千克。事实上，即使长年接收更大功率的非电离低频率电波辐射，也不会对健康造成损害，国内外的军队都有不少大功率电台和雷达，其频率覆盖了手机频段，辐射功率比手机大了成千上万倍，大型天线就架设在楼顶上。工作人员长年在这种高强度辐射环境下工作，也未见健康受损的可靠科学报道。而受辐射人员更易生女孩的说法也是从未得到过科学证实的谣言。

国内媒体自2006年以来热炒SAR标准问题，舆论倾向于制定更加严格的国内标准。公众对这种辐射也很担心，对手机基站进入小区非常排斥，逼得通信公司把小区内的基站伪装成大树的样子，以缓解公众的恐惧感。基站的辐射功率的确比单部手机要大几十倍，而且一天24小时工作，但这种辐射作用于单位面积上的强度，大体上与“辐射源与受辐射面的距离的平方”成反比，即随着距离的增加，辐射强度会加速衰减，基站辐射的功率达几十瓦，在距基站10米距离的球面面积达上千平米，球面上单位面积的辐射强度就大大衰减了。

我国的《电磁辐射防护标准》（GB8702-88）中规定了公众电磁辐射照射限值，手机频段的辐射照射限值为一天24小时任意连续6分钟的平均功率密度为40微瓦/平方厘米。有测试表明发射功率为20瓦的基站，其天线前10米的功率密度是0.6微瓦/平方厘米。而手机与头部的距离比基站要近得多，虽然绝对功率要小，但作用于身体的辐射却比10米之外的基站大得多，而且手机还有个特点，基站离手机越远信号越弱，手机会被迫加大辐射强度。若您在意辐射，反而应将基站请进小区，从而减少手机的辐射强度。

现在的手机普及率非常高，即使发现一些手机用户长了脑瘤，也不能表明就是因为手机辐射引起的，例如美国每年的脑瘤发病率约为6/100000，在美国每10万例手机用户中有6例脑瘤病例是正常的，即使明显超过6例后，也不能贸然得出手机辐射会增加脑瘤发病率的结论。频繁使用手机的人员与不使用手机的人相比，往往工作和人际关系压力大、生活节奏快、情绪更加紧张，有可能是这些因素导致的发病而与使用手机本身无关。欧洲、美国、日本等已经进行了上百项统计研究，发现手机用户的发病率与非手机用户相比，根本就没有异常，说明“手机辐射会增加脑瘤发病率”连成立的可能性都不存在。

根据目前的科学研究，科学界的主流观点认为，没有任何可靠的证据证明手机辐射与脑瘤等疾病的发病率有关。一些人会质疑，虽然没有证明有关，但也没有证明无关啊？万一有关怎么办？这种质疑是对科学语言的误解，科学结论通常很少对未来可能性做出决断性的否定回答，对“无关”的证明是通过对“有关”的证据的否定得来的，这么多证明手机辐射与脑瘤癌症病等疾病的发病率没有相关性的科学实验，足以令公众们相信，手机辐射对人身健康没有显著危害。

补充信息：

近年来，各国研究人员针对手机辐射对人体健康是否有危害进行研究。

2006年1月，英国伦敦癌症研究学会联合3所英国大学对966名脑瘤患者和1716名健康人进行了长达4年的跟踪研究后，发表研究报告，结论是使用手机与脑瘤的发病率无关。

2006年4月，瑞典的国家职业病研究学会通过对905名成年手机用户的研究，在职业与环境健康的国际文献上发表研究结果，称使用手机并不会增加脑瘤的发病率。

2006年12月，丹麦科学家对42万名手机用户进行了长达21年的跟踪研究后，公布了他们的研究结果，称手机辐射与癌症发病率无关。

2008年12月，日本东京女子医科大学对比了322名使用手机的脑癌患者和683名健康人，发现使用手机与脑癌发病率无关。

（注：此文已发表于《科学画报》2011年第9期）

[流体力学趣事]表面张力是什么？

Tue, 20 Sep 2011 05:39:07 CST

我们知道，水是由水分子构成的，一个水分子由一个氧原子和两个氢原子构成。每个原子都是由原子核和核外电子构成的，电子围绕着原子核运动，形成电子云。因此，水分子里的原子之间的连接实际上不是火柴棍那样的，而应该是像下面图里那种憨厚浑圆的样子，而且边缘也不应该那么清晰。水分子里面，氢原子和氧原子的距离大约为1埃，或者说是百亿分之一米。两个氢原子和氧原子形成的角度，大概是100多度的样子，在气态、液态水或不同的固态水里面，这个数字略有变化。

水分子的示意图^[1]

如果我们能放大去看日常放在桌子上的一杯水的话，可以看到这些水分子挨在一起，作着杂乱无章的运动。这种运动的强度由水的温度决定，温度越高，水分子运动的越快。而当我们把目光转向水和空气的界面上，事情就变得壮观起来：大量的空气分子不停地撞击界面附近的水分子，而这些水分子并不像在内部那样紧密地联系起来，不时有速度很快的水分子脱离开去，进入到空气里面，也不时有空气里面的水分子呼啸而来，又溶入到水面之中。如果杯子是敞开的，那么水会慢慢地散发到空气中，同时带走热量，这个热量叫做水的汽化热；而如果盖上盖子，那么水杯里面的水和空气就能够达到平衡，以空气里面含有一定的水蒸气，而水面维持一个动态的平衡。

空气和水的表面处，水的蒸发（来自这里）

所以，液体表面的分子含有的能量要比等量的内部分子高。大家知道，物理体系倾向于能量小的状态，因此，如果其他的因素可以忽略，液体会倾向于最小的表面积。失重状态下的液体可以形成球形的形状就是这个原因。这个倾向使得液体的表面像橡皮膜一样充满弹性，如果在水面上画一条线，那么线的一边对另外一边实际上有一个拉力，这个力被称作表面张力。在我们日常生活中来看，这个力是很小的，水面上一米长的距离上，这个力在室温下只有不到0.1牛顿（随着温度的升高，这个数值会变得更小一些）^[2]，比较起来举起两个鸡蛋需要的力大概是1牛顿。然而，当我们观察比较小长度的物理现象的时候，表面张力可以起到主要作用。

表面张力的概念并不是太好理解，然而，通过下面的两个视频大家就可以明白，为什么说液体的表面和橡皮膜类似了。在高速摄像机的拍摄下，我们能看到装满水的气球和平面碰撞时候的样子，注意看碰撞的那一瞬间水的表面一层层的波纹。

视频：

装满水的气球和平面撞击时候的样子

而当一个小水珠和荷叶相撞的时候，我们能够看到类似的现象：水珠的表面像橡皮膜一样，把水紧紧包住。看一看，这两个视频是不是很像？

视频：

小水珠和荷叶表面碰撞的过程^[3]

我们知道，如果把一杯水装满，然后用一张硬纸盖住，当我们把杯子和硬纸翻过来，口朝下的时候，硬纸并不会掉下来。这是因为大气压要比硬纸上面杯子里水产生的压强大的多，完全可以支撑住硬纸。然而，如果我们用一个充满网眼的盖子盖住杯子，用硬纸盖住后反过来，然后拿开硬纸，杯子里面的水并不会通过网眼漏出来，这是因为网眼里面水面像绷紧的橡皮膜那样，支撑住了上面的水。这个魔术，是不是可以尝试一下？

视频：

第一个实验演示了空气压强，第二个实验演示了水的表面张力。水不会从有网眼的盖子里流出来，那是因为水的表面张力支撑住了杯子里的水。

手画一个简单的草图来解释一下（如下），黑色是杯子，黄色是网眼，蓝色是水。在网眼的地方，液面变形产生的力兜住了上面的水。所以即使像我画的那样上边漏风或者像视频里面那样水上面还有空气，水也不会掉下来。

表面张力的存在，还使得一些不可思议的事情得以实现，比如说，把硬币浮在水面上。

大家去旅游的时候，在一些寺庙名胜，往往会见到一个许愿池，旁边往往会有一些吉祥的话语，比如“沉下去是寿，飘起来是福”之类，这样鼓励大家往里面放硬币。偶尔有人能把硬币浮在水面上，大家都会觉得他运气好。大家都知道，硬币要比同体积的水重，因而把一个硬币放在水面上，如果考虑重力和浮力的话，它应该沉下去而不是浮起来。这是怎么回事呢？

我们先来做一个小实验：漂浮的针和硬币

需要：

一盆水（温度低一些会更好，表面张力大）；
针、硬币（轻薄一些的比较好）、曲别针等等；塑料叉子（或者镊子、纸巾用来辅助）；
肥皂水（洗洁精调出来的就好）；

步骤：

将干燥的针或硬币等水平地放在叉子上，将叉子缓慢地沉入水中，针/硬币等就会漂浮在水面上，从旁边慢慢地将叉子移开；
可以多放几个进去观察，看什么样的物体可以伏在水面上；
最后，可以倒入一些肥皂水，观察表面张力改变之后漂浮的小物体怎么沉下去的。

演示视频：

（请忽略背景的杂音）

把针放在水面上稍微有点困难，并不是每一次都能成功。针比水重，可是为什么针可以浮在水面上呢？从视频上大家应该可以看到，针两边的水面发生了弯折，从侧面看上去，水面应该是下面这样子的：

通过水面的弯折，表面张力提供了一个向上的力，使得针或者硬币可以浮在水面上。这一点大家如果自己做实验的话应该可以看的更清晰，而且大家应该能拍出比下图更漂亮的照片。

杯子里漂浮的曲别针

这些漂浮在水面上的物体之间有着相互作用。从视频里面我们可以看到，当硬币之间的距离比较远的时候，它们之间没有什么影响，当它们互相靠近的时候，就会互相吸引在一起。而在视频和上面的照片里面，漂浮的物体都不会粘在盆边或者杯子边上。这些相互作用和水面的形状有着密切的关系。

让我们以硬币为例分析下这里的物理原因。当两个硬币离的比较远的时候，每个硬币周围的水面都是平的，只有在硬币的周围水面才会有向下的弯曲。当两个硬币距离比较近的时候，它们互相靠近就能减小之间的水面的表面积，而这样就可以减少表面势能（表面张力），因此它们之间会有相互吸引的力。

而在水面和盆或者杯子接触的地方，如果我们仔细去看，水面是向上弯折的。不同的材料和水接触的时候，它们倾向于形成的接触角度是不同的，这一点我们将会在以后仔细来说。这样，硬币和盆边水面向不同的方向弯折，把他们靠在一起将会增大水面的面积，这样会增加表面势能而不利于系统能量的最小化。所以，曲别针会喜欢呆在杯子的中央。

其实，我们在日常生活中看到过很多这样子的例子。比如说，汤碗里面漂浮的油滴喜欢互相靠在一起，但是油滴并不喜欢靠在碗边上（这和油很多的时候碗边形成一圈油的情况要分开），这是因为油滴附近的水面被油滴压着向下弯折的（当然在汤里面除了油滴和水，还有蛋白质等胶体颗粒，它们渗透压也可以导致油滴靠近）。同样的，汤或者饮料表面的气泡也会互相靠在一起，而不是互相分离开来，而且碗里面的气泡会喜欢挨着碗边，这是因为气泡那的水面是向上弯折的（并且盖住整个气泡）。

从瓶口看到的鲜橙多，感谢@Neil10分享图片。

最后，当我们把肥皂水倒入盆中的时候，大家可以看到，针和较重的一角硬币落了下来，而且仍然漂浮的一分硬币也变得没有之前稳定了。这是因为肥皂水改变了水的表面张力，使得水面能够提供的弹力变小了。

看了本文冗长拖沓的分析，你是否也想自己动手试试呢？

参考资料：
1.维基百科，《水》。
2. 维基百科，《surface tension》。
3. Longquan Chen et. al., J. Micromech. Microeng. 20 105001 (2010). 链接

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