观《宇宙的构造》I

本以为很催眠,没想到刷完四集后,很是提神醒脑,觉得有必要记录一下。

这是2011年出品的纪录片,共4集,每集时长在55分钟左右,主要讲述了空间,时间,量子力学理论以及多重宇宙论,这些新知识对于我这般高中物理都不及格的人来说,真的是很美很特别,五星推荐。

二刷的时候,记录下来的基本都是翻译的摘录,没想码完竟有上万字,为便于翻阅,计划分集呈现。「考虑到摘录难免顾此失彼,不能完整呈现这一视频系列的精彩,还是强烈建议看原视频 宇宙的构造。」

以下为《宇宙的构造》第一集 What is space? 的观片笔记。

What is Space? - 无限空间

总览

从牛顿对于空间的定义到爱因斯坦推翻牛顿的理论,再到Casimir的薄片推测,希格斯场和暗能量的存在,一步步深入向观众解释了什么是空间。

摘录片段:「感觉有些混乱,凑合着看吧:P」

space is something.

空间可以弯曲,扭曲,震荡,它构成了宇宙的基本构造。

牛顿对于空间的定义:space is an empty stage, a container, the framework for everything that happens in the cosmos.

牛顿定义中的空间具有 absolute,eternal and unchanging 的特性.

而对于光速的研究,让爱因斯坦推翻了牛顿的空间理论。

一个基本的事实:无论相对于何种事物,光速永远不变。

如何解释这一事实?

爱因斯坦提出了假设:时间和空间可以协同作用,以保证光速的绝对恒定

时间不是绝对不变的,空间也不是绝对不变的,空间影响着物体的运动,这种空间时间一体化的理论,震惊了科学界。

回到引力,为什么月球会围着地球转?

被困扰了数十年后,爱因斯坦提出了一个新的引力理论:引力的奥秘隐藏在空间的本质之中。

引力的真正原因:引力是物体扭曲时空而造成的,是时空的另一种表现形式。月球围绕着地球运转,不是由于某种神秘力量牵引,而是因为它沿着围着地球产生的时空凹陷转动。

空间不再是绝对的,而是有了自己的属性,好比一张橡胶毯一样可弯曲。

黑洞周围的引力无限大,按照爱因斯坦的推算,一个不断旋转的黑洞,可以撕扯它周围的空间。

那么,如何验证爱因斯坦提出的这一引力理论的正确性?

在1950年后期,一个名为伦纳德-希夫的物理学家,寻找到了一种更为简便的方法去验证爱因斯坦的理论。

这个方法的基本思路是这样的:

把一个类似陀螺的高精度陀螺仪送到外太空,通常情况下,陀螺仪的轴线指向固定的方向,但是如果地球使空间扭曲了,陀螺仪的轴线也会随之变化,而陀螺仪的偏转角度是可以被测量的。这里有一个问题,根据爱因斯坦的理论,地球对空间的影响极其微小,测量陀螺仪的偏转角度相当于从62英里之外测量一个硬币的直径。最后,研究小组经过两年的研究,解决了这个问题,将四个独立的陀螺仪装在一个卫星上,卫星的中轴指向一个恒星。如果空间发生扭曲,时间一久, 陀螺仪将不再指向这颗恒星。

想法随后变成了计划,Gravity Probe B 引力探测B计划开始了。

40多年后,这个曾9次被NASA撤掉的计划终于迎来了属于它的时刻。

从这次试验中得到的观察数据,最后证明了爱因斯坦理论的正确性。

「用40多年的时间去验证一个理论的正确性,敬佩不已」

在量子力学的世界里,空间充斥着各种运动,粒子从无到有,相互碰撞,一起陨灭,空间促使物体发生移动。「第3集详细介绍了量子力学理论」

1948年,科学家 Hendrik Casimir 推测,如果你有两个普通的金属薄片,使他们尽可能相互紧贴在一起,紧密地容不下任何事物,此时特定能量级的粒子会被挤出来。薄片内部几乎是真空,外部则充斥着杂乱无章的运动。Casimir 认为这两块薄片将会相互聚拢,被我们通常认为是近乎真空的空间所吸引。

几年后,科学家进行了实验,证明了Casimir 的理论是正确的。

当时的物理界尚没有人能够解答这样的问题:什么创造了质量?为什么不同的粒子拥有不同的质量?

1964年,年轻的英国物理学家 Peter Higgs, 提出了空间中存在一种绝对的基本粒子。

Peter Higgs 提出了一个全新的角度看待空间,将空间想象成大海,而粒子沉没其中,当它们在海里移动时,它们获得了质量,粒子越是努力向前推进,海洋对它们的阻力越大,它们获得的质量也越大。Higgs 的这个理论,可以解释什么创造了质量,不同的粒子为何拥有不同的质量。

如今,Higgs提出的这个理论被称为 Higgs field 希格斯场,即在空虚的空间中,存在一种赋予你质量的作用。

那么问题来了,如何证明希格斯场的存在,证明这个理论是正确的?

至少目前没有。

不过科学家们通过加速器让粒子猛烈地相互碰撞,试图将希格斯场的一小块敲松动,以此来产生一个希格斯粒子,从而来论证其理论的正确性。

但是最后的实验结果证明,空间中确实含有一种成分,一种更为神秘莫测的基本成分。

「要从宇宙大爆炸说起。」

宇宙起源于大约140亿年前的大爆炸,大爆炸后,空间向外无限地扩张,从此空间一直不停地膨胀,多年来,科学家们认为空间的膨胀速度会在引力作用下变慢,但事实是,通过观察收集超恒星的爆炸数据,科学家们发现宇宙一直在加速膨胀。

科学家们达成了一个共识,宇宙中存在着某种物质,抵消了普通物质的引力对于空间的影响,这种填充空间的神秘物质,被称为暗能量 dark energy. 也就是上诉粒子碰撞实验中,发现的基本成分。「多重宇宙里面也提到了dark enery」

爱因斯坦提出空间在竭力使星系相互分离,根据他提出的引力理论,宇宙应该既不膨胀,也不收缩。爱因斯坦的时代,科学家们普遍认为宇宙是不变的,而根据爱因斯坦的方程,宇宙是在不断膨胀或者收缩,而不是静止的,为了解释宇宙是稳定的,爱因斯坦修正了方程式,提出了一种反重力anti-gravity,这种反重力抵消了常规重力对宇宙的作用,两者相互制衡使得宇宙得以保持稳定。这个改正量被爱因斯坦称为宇宙常数 cosmological constant。这个被爱因斯坦认为是最大错误的宇宙常数,被认为是理解宇宙膨胀的关键。

「最后的一个惊喜。」

现实世界是二维的,而这个三维的,立体的世界,只不过是在空间的边缘地区存留的一种全息影像。

我们所知道的,所熟悉的一切,也许只是一些已有信息的投影,被投射在一个纤薄,遥不可及的二维平面上。

该理论的验证藏在黑洞的现代理论中。

设想将一个钱包扔进黑洞,会发生什么?

钱包掉进黑洞之后,它含有的所有信息的一个副本会被分解,然后存储在黑洞的表面,这个过程很像计算机存储信息,因此,钱包会存在两个地方,三维版本的那个在黑洞内已经永远丢失,而二维版本的依然作为信息保存在黑洞的表面。

通过对照黑洞外发生的事情,你可以描述黑洞内正在发生的一切。理论上,对于例子中的那个钱包,你可以在黑洞的外部,重造它。更意外的是,黑洞内的空间依然按照黑洞外的空间的法则和规律运作。

由上面的黑洞理论,可推出,对于宇宙中的一切,从星辰陨石到人类,甚至空间本身,只不过是一些存储在遥远的二维平面上的信息投射在我们面前。换句话说,三维世界是个幻象,绝对的真实存在于宇宙表面的二维世界中。