黑洞意志怎么画火柴人版

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本视频查阅十九本书，耗时十个月，制作共计一百八十五分钟，以当今最新科学理解，为你深度解答困扰人类数千年的十大终极问题，其中包括时间、空间、光黑洞、宇宙起源意识、自由意志以及世界的真实性等等。 看完此视频，你对这个世界及自我的认识都将变得更加深刻。 时间这个概念最初是起源于人们对事物发生的先后顺序、因果关系的直观感知，比如昼夜交替、四季变化。当文明发展到一定阶段时，人们就开始怀疑时间这个概念到底只是我们定义出来的一个假想物，还是某个真实存在的东西。 最早流行的时间观源自于古希腊的哲学家柏拉图的时间观比较抽象，他认为万事万物都是 虚幻的，是某个理念的投影。这个理念不属于物质，世界是唯一永恒的真实存在，而时间则是这个永恒之物的印象。他无始无终，循环流逝，世界上的一切都会重复出现。 柏拉图最优秀的学生亚里士多德则认为老师的这个想法有点扯淡，他认为只有万事万物才是真实存在的，而时间则只是物体运动的技术，如果所有物质都停止运动，那就没有时间了。不过既然天体运动是循环的，所以他也认为时间也是循环的。 事实上，整个古希腊学术界，从最早的哲学鼻祖泰勒斯开始，到必达格拉斯，再到柏拉图和亚里士多德，或多或少都认为时间是有循环属性的。古印度同样也是循环，时间观占主导地位，体现在佛教中就是轮回 为无始之始。不过影响中国古代的不仅仅是佛教，还有儒家的孔孟学说和道家的老庄哲学。子曰，逝者如私服，不舍昼夜。孔夫子认为，时间就像河流一样，是永恒的、均匀流逝的、不可逆的。 直到公元一世纪，基督教诞生，新的时间观才开始席卷开来。圣经认为，上帝不在时间之中，世间万物包括时间都是上帝创造的，因此时间有个开端。 并且神学家们还精确给出了上帝创造世界的精确时间，是在公元前四零零四年十月二十二日的下午八点。不过这些都是哲学和神学上的时空观，并不属于科学的范畴。众所周知，很多著名的物理学家都曾公开嘲讽哲学，最过分的应该是理查德 费曼，他曾在费曼物理学讲义中写道，哲学家通常是智商不够，无法成为物理学家的人，所以他们就去干那种事情。另外，迪拉克也曾说，在科研时我们有一个非常有用的习惯，那就是避免涉足任何哲学问题。 霍金则更直接，他在大设计这本书中直接说，哲学已死。不过我认为哲学也并非是一无是处，只是各自擅长的领域不同罢了。事实上，哲学有时候也能帮助人们更好的理解科学发现的背后含义。 但哲学的最大问题是过于抽象，他缺乏实证科学的严谨和客观性，主观成分较多，这就导致同一个问题下往往会出现不同的争议和分歧。所以接下来我们来看看科学家对于时间的理解。第二层，绝对时间与相对时 间牛顿认为，世界上存在着完全独立于物质世界的绝对时间和绝对空间。绝对时间真实存在，按其固有速度均匀流逝，与一切外界事物无关。 与之对应的还有一个相对时间。相对时间是对运动的度量，比如地球自转一圈为一天，月球绕地球转一圈是一个月，地球绕太阳转一圈则是一年。 但相对时间只是绝对时间的一个影子，因为任何运动都不可能完全精准的测量出绝对时间。 绝对时间就像是一条方向单一、无始无终、永远存在的河流。这和前面孔夫子的想法有点相似，在牛顿的绝对时空观中，即便是所有物质都消失殆尽，时间和空间都还会继续存在。牛顿的绝对时空观的确很好的描述了人们对于时间最 直观的感知，但即便是像牛顿这么牛的顶级科学家，面对时间这种抽象的存在，也仍然还是停留在主观层面，基本上就是开局一张嘴，后面全靠菜。天不生我李淳刚见到万古如长夜， 直到几百年后，一个二十六岁年轻小伙的出现，才正式打破了这一尴尬局面。第三层，时间并非绝对均匀，运动物体的时间会变慢， 这是爱因斯坦在一九零五年提出的狭义相对论中最重要的推论之一，意思是，我们每个人的时间流逝速度其实都不一样。 当有个高速运动的人从你面前经过时，你会看到他身上的时间流逝速度变慢了，他的一切动作都变成了慢放镜头。要理解这个现象也不难，你只需要知道一个基本的事实，那就是光速不变。我们知道速度 都是相对的，比如汽车在高速上开的很快，一百千米每小时，也就是二十八米每秒。但当你也上高速后，就会发现其他的车基本上都和你相对静止了，一点也不快，这很容易理解，对吧？ 但光速并不是这样，光速大概是每秒三十万公里。假设你有一辆跑车，这个车可以瞬间开到光速的百分之九十九点九九九九九。现在你开着它去追一束光。由于你跟光速差不多，按理说你会看到这束光几乎和你相对静止，你甚至应该可以抓到那些光子，对吧？但实际上并不会， 你会看到这束光仍然比你快三十万公里每秒。并且不管你是继续加速还是停车，你看到的光速都不会发生任何变化。这就是光速不变。这件事在一八八七年已经被迈克尔逊莫雷实验所证实。具体的实验原理咱们在之前的相 对论系列中已经介绍，这里就不再详述。面对这种极度反直觉的现象，在所有的物理学家都在试图用以太等学说来解释他时，只有爱因斯坦敏锐的察觉到这个光速不变的不凡之处，并很快接受了这个事实。而只要你接受了这个事实，稍加思考，你就会发现问题所在。 现在你正在开车追那束光，因为光速不变，你会看到这束光瞬间离你而去。但此时我在地面上看到的却是你俩几乎齐头并进，这束光花了好几个小时才跟你拉开一丁点距离。 问题就来了，我俩看的是同一个事件，你觉得只过了一瞬，而我却等了好几个小时。所以在我看来，你的一切都是慢动作。你仔细感受一下这个时间上的差异，只要光速不变，时间就必须变。第四层，时间和空间是一个 整体，密不可分。狭义相对论的出现，直接给牛顿的绝对时空观宣判了死刑。人们开始意识到，时间和空间并不是我们想象的那么简单，我们需要一套新的时空观。 就在狭义相对论提出两年后，一九零七年，爱因斯坦的数学老师赫尔曼名可夫司机首次提出了四维时空的概念。他将一维的时间和三维的空间结合在一起，创造出了一种全新的四维时空，叫做闽式时空。 通过该四维时空，敏可夫斯基从几何的角度完美解释了狭义相对论。在闽式时空中， 一个物体的运动被三维空间的 x、 y、 z 和时间 t 统一描述，他不再只是在三维空间里运动，而是在四维时空中运动。你可能听说过这样一句很唬人的话，一切物体在时空中都在以光速运动。 没错，在闽式时空的数学表述中，一个物体四维速度的摩的平方刚好等于光速 c 的平方，这是一个恒定的值。所以只要物体在空间的移动速度变快，他在时间上的分速度就会变慢。只有当你在空间上的速度达到最小时， 时间上的分速度才会达到最大，这就是你的固有时，也就是自己看自己的时间。从闽式几何的角度理解狭义相对论，那么一切都会变得非常简单，这揭示了时空本质上也许真的就是一种几何结构。爱因斯坦为此深受启发，广义相对论的雏形开始在这个年轻人的心中萌芽。 第五层，时空是可以弯曲的，弯曲的时空才是引力的本质。一九一五年，爱因斯坦发表了广义相对论。广义相对论的核心思想其实也很简单，就两句话，物质告诉时空 如何弯曲，时空告诉物质如何运动。在广义相对论中，时空不仅是一体的，他还能弯曲变形。任何有质量的物体都会弯曲他周围的时空，这会导致原本在时空中运动的物体，其时间上的流逝速度会有一部分转化为空间上的速度，这就是引力的本质。 质量越大的物体，其周围的时空弯曲的就越厉害，对应的时间流速就越慢。当你站在地球上时，你的上半身就要比你的下半身老的更快。高楼层的人也会比低楼层的人老的更快。但由于地球的质量很小，所以这个效应一般人也看不出来。 然而，对于宇宙中的极端天体黑洞，这个效应就很明显了。黑洞也叫洞心，他冻结的不是物质，而是时间。在黑洞外面看黑洞事件，世界处的时间流逝几乎完全停滞。如果你 你的朋友不小心落向黑洞，你会看到他的身影逐渐变慢，然后定格在黑洞的边缘无限洪仪，直至消失不见。但与此同时，你的朋友并不会这么觉得，他只是正常的穿过世界，世界，落入黑洞，迎接未知的命运。 广义相对论解释了万有引力定律无法解释的一些现象，比如水星进洞以及星光偏转，并预言了黑洞、引力波等神奇现象，一百多年来经受住了无数实验观测的考验。 所以我们暂且可以认为，在宏观尺度上，时间和空间本身就是一体的，它是一种可伸缩的四维几何结构。 第六层，时间穿越并非科幻。结合前面的理解，我们可以得出一个有意思的结论，时间是可以穿越的，但理论上我们只能穿越到未来，而无法回到过去。如果 你想穿越到一百年后的地球，目前来看有两种办法，一个是坐高速飞船出去溜达一圈再回来。当然这里涉及到加减速的问题，但根据双生子杨谬，等你遛完回来后，总的来说还是会比地球上的人更年轻， 甚至即便是你出去跑个步或者坐趟高铁，等回来时，就已经穿越到了未来，只不过穿越的时间太短，无法察觉。另一个办法是找一个黑洞，然后想办法去他附近待上一小会。当然，这个办法存在一定的风险， 万一出点叉子，回来后可能地球都已经不在了，或者一不小心掉黑洞里，那你这个号就废了。电影星际穿越的男主 cooper 就是因为去黑洞附近做任务，结果出了叉子， 回来后，飞船上的同事已经老了几十岁。第七层，时间有个开端根据目前主流的宇宙起源学说 大爆炸理论以及爆炸理论，不管宇宙到底有多大，是有限大还是无限大，在宇宙的一百三十八亿年前，所有的空间都是集中在一起的。宇宙的开端或许源自于高能真空的某次随机的量子掌落，而既然广义相对论认为时空一体， 那也就意味着一百三十八亿年前也是时间的起点，至少是我们这个宇宙的起点。第八层，时间的方向不止和商增有关，还有量子力学。 人们一提到时间的方向，往往就会想到那个著名的热力学第二定律，商增。商增说的是一个孤立系统的总混乱度不会减小，只会增大， 或者也可以表述为热量不能自发的从低温物体转移到高温物体，这是因为温度本质上只是一大堆分子的热运动，大量分子的碰撞 会将所有分子的动能区一个稳定的分布，这是统计学的要求，这确实也是造成各种宏观现象不可逆的根本原因。所以有的物理学家猜测，我们之所以感觉时间有个方向，就是因为时间的箭头永远和热量有关，时间永远指向商增的方向， 这对于宏观世界还说的过去，但对于单个分子而言，他只是不停的和别人碰撞而已，他并没有什么统计学规律可言。 即便商增确实是一个宏观上不可逆的事实，但这对于单个例子而言没有意义。那么在微观尺度下，时间的方向体现在哪里呢？ 还得是量子力学。牛顿力学的很多方程都是时间平移对称的，意思是系统在不同的时间点下遵循相同的物理规律。但薛定厄方程的波函数并不是这样，当我们对一个力 粒子进行观测前，他的叠加态由波函数描述，这是一个随时间变化的状态。但当我们对粒子进行观测时，他的波函数会探索到某一个确定的状态，这个过程是不可逆的，探索前和探索后是完全不同的物理规律。 这种微观尺度下的不可逆是我们日常生活中无法感知到的，但这或许比商增对于时间的意义要更加深刻。 第九层，普朗克时间并不是时间的最小单位说到量子力学中的时间，那就不得不说下普朗克时间。 很多人一听说普朗克长度普朗克时间，就觉得我们这个时空是像显示屏像素那样是离散的，是有最小单位的。其实并不是。普朗克这个单位最初确实是起源于普朗克在公式中凑出来的能量子，也就是能量的吸收和发 发射，并不是连续的，而是一份一份的。但普朗克时间并不意味着时间就是不连续的，他只不过是结合量子力学和引力理论，经过量钢分析计算得到的一个时间单位。在这个时间尺度下，量子效应和引力效应变得同样显著。 而我们目前的所有理论中，还没有一个能很好的描述这个尺度之下的物理现象。简单来说，就是普朗克时间和普朗克长度是现有理论能描述的极限，但他并不是宇宙时空本身的极限。 第十层，时间根本就不存在该观点出自于著名意大利物理学家卡洛罗伟力，他是圈量子引力理论的开创者之一，他在时间的秩序这本书中提出了一个惊人的论断，时间根本就不存在。当然，他说的这个不存在和你理解的不存在可能有点差异。在书中， 罗伟丽先是列举了我们日常对时间的感知，然后指出在相对论中，时空一体整个时空式的连续、光滑、可伸缩的几何结构，并且还会受到物体的运动速度以及物质分布的影响。 但在量子力学中，时间和空间又并没有什么联系。由于不确定性原理，他还和能量存在共恶关系。在极小的尺度下，能量开始变得不确定，甚至不再守恒，此时的时空也不再光滑。他存在着量子掌落， 就像飞行员在高空远看大海时一片平静，但近看时却充满着泡沫与浪花。并且，在人们试图统一广义相对论和量子力学时，竟然发现我们以前各个理论中所依赖的时间体变得不再重要， 物理系统的演化不再由一个独立绝对的时间参数来描述，这让物理学家们开始再次怀疑时间 真正意义。同时，在量子纠缠中，两个在空间上相隔很远的粒子可以瞬间互相影响，达成协调。虽然我们可以勉强用同一个波函数来解释这两个粒子之间的行为，但这还远远不够，我们需要一个更根本的解释。 综合上述各种现象，罗伟利认为，我们现有物理学体系中对于时间的定义离他的本质还相差甚远。真正时间的本质必然是更加深奥和复杂的。或许他是一个由微观粒子的运动和相互作用而涌现出来的复杂网络，而绝不是简单的线性流逝。 在这种意义上，他说时间不存在了，并不是说没有时间这个东西，而是说我们所感知到的，以及现有物理学体系中的时间，只是一种表象，是某个背后更深刻现象的冰山一角。简单说就是 革命尚未成功，同志仍需努力。大气层这一层，我们说说对时间的感知。 不同的物种、不同的人，甚至同一个人，在不同的时刻对时间的感知都不一样。前面实曾讨论的都是实际物理意义上的时间，但通常情况下，我们在乎的并非是客观事实，而是主观感受。你真正感知到的时间快慢和真实的时间快慢，其实是两回事。 二零一三年，都柏林大学的凯文犀利博士在动物行为学杂志上发表了一篇论文，他说，我们已经知道不同动物所感知的时间快慢是不同的。然后在二零二二年的新科学家周刊网站上又报道了最新进展。 为什么你很难徒手拍死一只苍蝇？是因为苍蝇感知到的时间比我们慢四倍。苍蝇眼中的世界是一个慢放了的世界， 同样，一龟年等于四人年。在棱皮龟眼中，世界就像是按下了四倍速快放。他所看到的时钟指针其实是在飞速转动。 这一切背后的科学原理，其实是和一个叫做 c f f 的指标有关，这是大脑视觉系统识别画面闪烁频率的上限。不同的 c f f 值代表了不同物种间大脑接受和处理图像的速度差异。这是一种动态场景的感知能力。 科学家认为，这在一定程度上也反映了大脑对于时间的感知力。一般来说，动作快、反应灵敏的动物，特别是体型小、能飞行的动物，对时间的感知力更强。 在研究的一百三十八种动物中，蜻蜓的 c f f 值最高，达到了三百，这也许和他发达的妇炎有关。狗是八十，人类是六十，极关，海星最低连一都不到。所以， 即便苍蝇的平均寿命只有一个月，但是他实际体验到的一生要比我们看到的长的多。别看海龟虽然客观寿命长，他实际体验到的龟生其实也没有那么长。 动物们不同的时间感知能力也许只是自然演化出来的一种适应。你想，既然乌龟有龟壳保护，就不需要有苍蝇那样的快速反应能力，也就没有必要把精力浪费到感知世界的多变细节中去。于是他选择快进播放， 更进一步。如果宇宙中存在着一种体型巨大的超级意识体，我们感知到的各种微小变化对他来说都没有意义，他只需要感知到宇宙尺度下的变化就行。那对他来说，星系的诞生与毁灭或许只不过是眨眼之间而已。 在我们看来，光速每秒只能走三十万公里，可对于这种超大时间尺度上的意识体来说，他的一眨眼 光或许已经跨越了几百亿光年。庄子说，既浮游于天地，渺沧海之一粟。宇宙是如此的浩渺无穷，而我们只是寄居在其中一个微不足道的小角落，人类这个物种也并不完美。 幸运的是，在追求真理的过程中，总是有着那么一批人，他们热衷于思考那些终极的问题，他们能将目光投向远处，去发现那些更复杂、更深刻、更美丽的理论，探寻世界的真相，思考我们自身。 从牛顿的绝对时空观，到狭义相对论的时间膨胀，再到广义相对论的时空弯曲，从宏观下的热力学第二定律到微观的薛定鄂方程， 最后到量子引力理论，人们一次又一次刷新着对时间的理解，或许时间的背后真的有着某种更加深刻的存在，在那里，我们可以俯视整个思维 时空，一切都没消失，一切都还在。既如此，我们又何必深陷过去，担忧未来？我们能抓住的只有现在，又或者说，只有现在才是我们唯一拥有永恒的时间。 在不少玄幻小说中，经常出现这样的场景，恐怖如斯，这一击竟撕裂了虚空，这一击竟撕裂了虚空。所以，虚空到底能不能被撕裂？在回答这个问题之前，我们需要先知道空间到底是什么。 第一层，早期的哲学空间观最早比较成熟的空间观仍然要追溯到古希腊，其中主要分为两大派，一是认为空间可以独立于物质存在，也就是所谓的虚空。虚空的概念最早出自于德摩颗粒 特的原子论，不过他说的这个原子跟我们现在课堂上讲的原子并不是一回事。德摩克利特认为，世间万物均由原子组成，原子完全实心且不可再分。原子之外就是虚空，虚空是原子运动的场所，整个宇宙只有原子和虚空构成。 而另外一派则认为空间不能独立于物质存在。该观点出自于亚里士多德的物理学，他在书中强调，什么物质都没有的空间并不存在，因为假如空间什么都没有，我们又如何去观察他，如何知道他存不存在呢？ 对此，近代哲学之父迪卡尔表示，这波我占亚里士多德迪卡尔虽然对时间的概念不屑一提，但他在方法论以及哲学原理中针对空间提出了大量论证，其核心思想就是空间本身就是一种物理实体，并会 受到物质运动的影响。他对虚空这个概念感到费解，因为哲学意义上的虚空其实就是无，也就是什么都没有，但空间至少还有长宽高的属性，他并不是真正的无。所以说，一无所有的空间的这种说法本身就是自相矛盾的。 并且迪卡尔还提出，我们所身处的这个世界本质上就是一个几何世界。除去物理学的表象，数学才是开启自然真理的唯一钥匙。这就是迪卡尔为什么那么重视数学的根本原因。 迪卡尔的这些思想对后世的学者们影响深远，甚至已经有点广义相对论的雏形，但他还是过于抽象，缺少严谨的理论支撑。 所以在迪卡尔之后，爱因斯坦之前，最有价值、影响力最大的还得是牛顿的绝对空间观。第二层，牛顿的绝对空间观牛顿认为世界上存在着完全 独立于物质世界的绝对时间和绝对空间，绝对空间真实存在，他与物质世界无关，且永远不变。 绝对空间就像是一个无限大但内部空无一物的房子，均匀且各项同性。并且牛顿还专门提出了著名的水桶实验来试图论证绝对空间的存在。 假设有一个水桶，水桶里装有半桶水，当水桶没有旋转时，水面是平的。但当水桶旋转起来一段时间后，因为桶壁和水之间的摩擦力，里面的水也会以相同的速度跟着一起旋转，同时水面会变成向下凹陷。 那么问题就来了，在水桶桶壁的视角看，水同样都是相对静止的，为什么第一个水面是平的，第二个却向下凹陷呢？牛顿认为，区别就在于水本身到底是不是在旋转。但两种情况下， 水和桶都处于相对静止，这说明我们不能根据周围事物的相对运动来判断一个物体的运动状态，而是要相对于某个绝对参考系。这就意味着宇宙中存在着一个绝对不动的背景空间。听起来好像没什么问题，也比较符合人们对于空间的直观感知。 但事实上，牛顿的问题在于，他所说的这个绝对参考系根本就无法正位，说来说去也还是有点行而上学的感觉。 一百年后，奥地利物理学家恩斯特马赫首次对牛顿的绝对空间提出质疑，马赫说，根本就不存在所谓的绝对空间。牛顿的水桶实验只能说明水受到了离心力的影响，而这个离心力是惯性带来的。 同时，马赫认为，物体的惯性是宇宙中所有天体作用的结果，因为运动都是相对的，加速运动也是， 如果宇宙中只剩一个物体，那我们无论如何也无法判断他是不是在旋转，因而他也就不再具有惯性。当然，现在我们知道马赫的结论是对的，所谓的绝对空间并不存在，但他的其他观点，比如加速运动是相对的，以及我们无法判断孤立物体的运动类型是错的。 事实上，马赫的一些观点对爱因斯坦思考广义相对论助攻不小，比如加速运动和引力的关系。 第三层，空间是相对的运动，物体的长度会变短。这是侠义相对论中和时间膨胀同等重要的推论之一。 意思是一个物体所占据的空间大小并非绝对不变。当有个高速运动的物体从你面前经过时，你会看到他在运动方向上的长度缩短了。速度越快，缩短的就越厉害，所以 这也叫齿缩效应。注意，这可不是什么视觉效应，而是真实的空间压缩。人们通常以为星际旅行最大的问题是距离太远而光速太慢。比如，如果你想去往一百光年外的某个星球，即便是加速到接近光速， 那也需要一百多年的时间。所以当你长途跋涉飞到那个星球时，人都已经达了。但实际上并非如此， 因为齿缩效应，当你加速到接近光速时，整个宇宙空间就是在相对你做高速运动。此时，在你速度方向上的宇宙空间将被压缩，一百光年的距离可能会被压缩成只有几光年甚至更短。 所以空间的大小是相对的，他取决于你的速度到底有多快。只要你速度够快，你就能在你的有生之年去到宇宙中的任意地方，而不用考虑光速的限制，这才是真正的缩地 成寸。另外，结合上一期我们讲过的时间膨胀效应，在你高速运动的过程中，地球上的人会看到你的时间变慢了。所以，虽然在地球人看来，你的飞船的确是花了一百多年才到达星球，但在你自己看来，你和你的飞船并没有飞这么久。 所以当你到达星球时，无论是地球上看，还是你自己看，你们所看到的结果并不冲突。时间膨胀和尺缩效应本质上其实是等价的。 第四层，时间和空间是一体的，密不可分。这一层我们在上一期的第四层已经讲过了，这里就不再重复介绍。 简单说就是爱因斯坦的数学老师赫尔曼名可夫司机将三维空间和一维时间结合在一起，创造出了一种全新的四维时空，叫做米式时空。通过该四维时空，名可夫司机从几何的角度完美 a 解释了狭义相对论，这揭示了时空本质上也许真的就是一种四维的几何结构。 第五层，空间是可以弯曲的。我们知道，一维空间是一条线，可以是直的，也可以是弯的。二维空间也就是一个面，可以是平直的平面，也可以是弯曲的曲面。其中球面和马鞍面分别对应正区率和负区率。 同理，三维空间也是可以弯曲的。一九一五年，爱因斯坦正式提出广义相对论。根据广义相对论，任何有质量的物体都会弯曲他周围的时空。注意，这里的弯曲包括时间和空间。 时间的弯曲体现为在不同的空间点上不同的时间流逝速度，空间的弯曲则体现为空间的区率。那我们要如何测量三维空间的区率？ 最简单的办法就是测量三角形内角之和。当然，和你平时在纸上画三角形不同三维空间的三角形不是用笔来画，而是光。取空间中的三个点，将光的路径连接成一个三角形。通过看这个三角形内角之和，就可以推断出空间的区域。 方法虽然简单，但可操作性太差，尺度小了，精度有限，测不出来，尺度大了你又飞不过去。事实上，很早之前，就已经有科学家将带有四个高精度陀螺仪的卫星送上太空，以验证地球附近的三维空间是否是弯曲的。 结果是，在陀螺仪绕地球旋转一周后，陀螺仪的指向确实发生了微小的变化。这个角度大约是六十二英里外测量一个硬币的直径，他与广义相对论的预测结果高度吻合，所以 地球附近的三维空间确实是弯曲的。现在我们再来回答视频开头的那个问题，空间到底能不能被撕裂？按照一般动漫的设定，空间撕裂后显露出来的通常是宇宙背景，如果操控得当，人还可以自由进出这个裂缝。 这和奇异博士的传送门其实本质上是一样的，都是连接了两个不同的宇宙空间。聪明的你应该已经想到了一个东西，没错，就是虫洞。 虫洞又叫爱因斯坦罗森桥，他其实也是爱因斯坦引力场方程的一个解。当某处的时空极度弯曲时，比如黑洞周围就有可能会产生一个连接不同时空区域的通道。 只不过，虫洞目前仍只存在于理论中，现实里尚未发现。第六层空间是可以膨胀的。随着对水星进洞的解释和新 光偏转的石锤广义相对论在学术圈掀起了轩然大波，爱因斯坦一夜之间成为了社会主流。但当爱因斯坦用广义相对论的引力场方程来求解整个宇宙时，却发现宇宙并非是稳态的，而是在膨胀。 但当时主流思想认为，宇宙是永恒不变的，没有起点也没有终点，即便是爱因斯坦也难逃这种思想的影响。 所以为了让宇宙重归稳态，爱因斯坦在场方程中加入了一个宇宙长数，来强行得到一个他想要的静态宇宙界。 一九二九年，哈博提出著名的哈博定律，他发现宇宙中所有的天体都在远离我们，并且距离我们越远，其退行速度就越快，并且还满足严格的线性比例关系。哈博对此感到非常震惊，因为唯一的解释是宇宙空间正在膨胀， 就像一个气球上的几粒灰尘。随着气球的不断膨胀，即便灰尘相对气球是静止不动，但灰尘之间的距离也会逐渐增大，相隔越远的灰尘，其远离的速度就越大。 这个气球就好比我们的宇宙，宇宙中的天体，就好比气球上的尘埃。爱因斯坦在听说这件事后，曾亲自去找哈博观看了宇宙天体的红衣现象，回来后懊恼不已，立即去掉了宇宙常数，并表示这是他一生中犯过的最大错误。 第七层真空并不空前面说了，我们已经知道宇宙空间正在膨胀，如果只是膨胀，那还好理解，他也许只是大爆炸后的惯性。由于引力的存在，宇宙的膨胀应该会逐渐减速，但后来人们发现这个膨胀竟然一直在加速。于是问题来了，是什么力量 让宇宙空间不断加速膨胀的呢？于是，物理学家们猜测真空中隐藏着一种我们尚未发现的能量，并将其命名为按能量，空间越大，按能量就越大。按能量越大，空间膨胀就越快。这是一个无限正反馈的过程。 并且，根据目前主流的宇宙起源学说爆炸理论，宇宙在诞生初期，不到十的负三十三次方秒的时间内，就膨胀了十的二十六次方倍。这个导致宇宙爆炸的罪魁祸首，也是来自于真空衰变所释放出来的真空能。 另外，因为海参宝不确定性原理，除了位置和动量外，能量和时间之间也存在共有关系。也就是说，当时间的不确定性非常小时，能量的不确定将变得非常大。这就意味着，即便是在真空中，能量也不会完全为零，他仍然存在着一个非常剧烈的量子掌握。 在量子场论中，这种掌握说明真空并非空无一物，而是存在着各种场。所谓粒子就是场的激发肽，而真空就是这些场处于积肽的状态，也就是能量的最低状态。但能量最低的肽并不意味着能量为零，这就是真空零点能。 事实上，早在一九四八年，荷兰物理学家亨德里克卡西米尔就提出了一种检验真空零点能存在的方法。 如果真空中真的存在各种不同波长的场，那么当真空中两个平行的不带电金属板靠的足够近时，缝隙中较长的波长就会被排挤出去， 于是金属板外的其他波就会产生一种使他们相互聚拢的力，金属板越靠近，两者之间的吸引力就越强。一九九六年，物理学家首次在实验中实锤了这个效应，所以真空 真的不空。第八层，普朗克长度并不是空间的最小单位。这一层我们在上一期也已经讲过，这里就不再重数， 简单说就是所谓的普朗克时间。普朗克长度并不是说我们这个时空是像显示屏像素那样是离散的，他只是现有理论能描述的极限，但他并不是宇宙时空本身的极限。 第九层，三维空间是宇宙空间最稳定的维度。看到这里，你可能会疑惑，为什么我们这个宇宙空间在宏观上恰好是三维的，而不是二维、四维或者其他更高维呢？ 有的说法认为，这只不过是人则原理，只不过是因为你恰好生在三维空间。但这个解释的言外之意，其实就是说，宇宙可能还有其他维度的生命存在。事实上，二零一六年有学者专门 讨论过这个问题。原文章链接我放在了视频简介中，感兴趣的同学可以去自行查看。总之，讨论的结果是，宇宙空间之所以是三维的，是因为三维是汉姆霍兹自由能，也就是平均能量密度最低的维度，所以在大爆炸后的冷却过程中，空间会逐渐收敛至三维。 该文章还指出，当宇宙的温度超过某个临界点时，空间的维度是可以连续变化的。但如果温度一旦低于某个临界点，封闭系统的伤增原理就会禁止空间维度的转换。于是从这一刻开始，空间的维度就被冻结在了三维，这是热力学定律的必然选择。 看到这里，你可能会问，那我们是不是可以通过加热宇宙来进入四维空间？很抱歉，文章中给出的这个临界温度的量级适时的三十四次方配。也就是说，即便是哪天有 有个老六突发奇想将整个银河系都献祭，也绝不可能达到这个能量水平。第十层时为时空 超显理论认为，尽管我们的宇宙在宏观尺度上已经收敛到了三维，但在我们的宇宙空间中，其实还存在着比三维更高的其他六个维度，只不过他们都蜷缩在了尺度极小的六维几何结构卡拉比丘流行之中，以至于宏观尺度下的我们无法感知到他们的存在。 就像一根很细的吸管，吸管表面有两个维度，沿着吸管长度方向和环绕吸管方向。但当我们拉的足够远时，我们就只能看到其中一个维度，另外一个维度因为尺度太大而根本无法观测。 也就是说，我们的宇宙其实一共是九位空间加一位时间，是十位时空。后来，更高级的 m 理论又提出了一个第 十一维的模空间。在这个十一维的时空中， m 理论将五种不同的弦理论以及超引力理论统一成了同一个理论。然而，不管是十维的超弦理论还是十一维的 m 理论，目前都只是数学上自洽的理论，缺乏实际验证。所以现阶段我们老百姓对此也只能作为脑洞看看了。 但如果你能像蚁人一样不断缩小自己的身体，进入亚原子世界，甚至是普朗克尺度下的世界，或许你会有所领悟，你也许也会说出电影中的那句话， 大气层。最后一层，我们来试图理解一下高维空间。既然是讲空间，那就必须得讲讲各大科幻小说中频繁出现网友们津津乐道的高维空间。 注意，这一层我们只讲空间，并不涉及到时间，大家千万不要弄混淆了。作为三维空间生物的我们，可以轻易的理解三维以下的维度，但四维的物体不曾在我们的脑海中存在，要如何才能直观的理解、感受它的样子呢？ 人类有一个很强大的能力，就是类推。通过总结零维到一维、一维到二维、二维到三维的规律，我们可以从三维类推到四维，从而窥探到四维物体的一些有趣性质。 这是零维的一个点，这是一维的一根线。可以看到，如果沿着这个维度去限制这根线，需要两个零维的点。对于二维的面，如果沿着这两个维度去限制一个面，需要四根一维的边线。 对于三维的体，如果沿着这三个维度去限制一个体，需要六个二维的表面。同理，我们不难得出，要限制出一个四维的超立方 体，需要八个三维的立方体作为表体。下面重点来了，二维正方形中的一条边，除了他对面的一条边以外，与其他两条边都相交。同样，三维正方体中的一个面除了无法接触到他对面的一个面以外，和其他四个表面也都相交。 于是我们不难推出四维的超立方体的。八个三维表体中，其中一个表体除了无法接触到他对面的那个表体外，和其他六个表体也都有一个面相交。于是就像我们可以在二维平面中画出三维立方体的投影一样，我们也可以在三维空间中画出四维立方体的投影，大概就是这个样子。 这也是你在很多科普中看到的四次方体的样子。但需要注意的是，这并不是四次方体真正的样子，他只是在我们三维空间的投影。所以尽管我们现在看到他的这些表面都不一样大，线也不一样长， 但在四维空间中，他的每条边长都相等，每个表面也都是正方形，正方形所构成的这些体都是正方体，并且这八个正方体在四维空间中都是一样大。 另外，就像三维空间可以看到二维空间的全貌一样，如果存在四维空间的生物，那他必定也能看到三维空间的全貌，他甚至能在不破坏三维物体表面的情况下拿走三维物体里面的东西，而这对于三维生物来说，就好像这个物体从他的世界中凭空消失了。 电影星际穿越的男主 cooper 在掉进黑洞后就进入了一个四维的超立方体，加上一个时间维度，就是五维时空。在那里， cooper 可以从上下前后左右各个角度看到地球上的女儿。电影中的画面呈现相对来说还是挺硬核的，感兴趣的同学可以去逐针研究一下。 从古希腊哲学到爱因斯坦的相对论，从普朗克尺度到整个宇宙的膨胀，从三维空间到十一维时空，人们一次又一次刷新着对于空间的理解。现在我们已经知道，空间并不只是一个抽象的概念， 而是一个实实在在具有物理属性的东西，它可以弯曲、变形、膨胀和收缩。它不是一个空房子，更像是一团 q 弹的果冻，而物体可以在这团果冻里畅游移动。 也许此时此刻，某个时空涟漪刚刚穿过你的身体，将你的身体拉伸变形，而你对此一无所知。也许在我们身处的这个空间果冻之外，还存在着另外一种真正的虚空，那才是一片无穷无尽的虚无。 然而我们的这些认知也是近百年才有。可以说，人类对于空间的理解仍然处于非常初级的阶段。 在很多方面，我们依然受困于自己的直觉。这种直觉在原始人狩猎觅食时非常有用，但如今却成为了我们理解世界的屏障。只有打破这道屏障，突破思维的极限，或许才能窥探到时空的本质。 幸运的是，我们比以往任何时候都更有能力来理解时空。我们已经可以模拟出宇宙中最极端的天体黑洞是如何弯曲时空，以及黑洞合并时是如何产生时空涟漪。 我们已经可以观察到在时空中穿行的引力波是如何让物体挤压变形，我们甚至已经看到了真实黑洞的照片。 也许在不久的将来，我们真的可以像星际穿越中那样，飞到黑洞附近，去感受一场来自时空的冲浪，窥探时空的奥秘。到那时，整个人类文明必将迎来一个全新的季。 again。 在远古神话中传说，一道亮光劈开混沌与黑暗，于是世界开始运转。翻开圣经，第一句话就是，起初神创造天地，神说要有光，于是便有了光。 由此可以看出光在人们心中独一无二的地位。 大自然将最隐私的秘密写于光中。 恒星发射光为地球上的生命体提供能量，植物吸收光，通过光合作用产生糖。人们以光年丈量宇宙的尺度，以光的无法逃逸定义了宇宙中最神秘的天体黑洞。 但是，光究竟是什么？自古以来，如果有谁能透过现象略微窥探到光的一点点秘密，那他就必定能名垂青史。但要论对光的痴迷程度，没人能比得上物理学家， 其中最疯狂的还得是艾萨克牛顿。一六六五年，二十二岁的牛顿已经获得了剑桥大学的学位。 由于当时英国正在爆发大规模瘟疫，牛顿不得不从学校回到家乡进行隔离。就在隔离期间，牛顿的灵感与智慧大爆发。一六六六年，牛顿一手创立了微积分，完成了光的色散实验，并写下了万有引力定律。 这是三个领域史诗级的开创，任何一位科学家只要一辈子能完成其中任何一项，放在现在都将是诺奖级。而 年仅二十三岁的牛顿，一年内就完成了这三项，因此后人们将这一年称为牛顿奇迹年。话说回来，在此之前，人们早就知道，我们之所以能看到光，不是因为眼睛会发光，而是因为光从物体上反射进眼睛的结果。 而牛顿通过光的色散实验，已经知道光是有颜色的，但他想要进一步弄清楚的是，他所看到的色彩到底是藏在光里，还是藏在眼睛里？ 为了一探究竟，牛顿不惜拿自己的眼睛来做了一系列危险的光学实验，比如直视太阳光压迫眼球，把黄铜板放在眼球里，甚至是用长针扎向自己的眼睛。 就是这些简单又粗暴的家庭实验， 使得牛顿成为了发现白光中隐藏着不同颜色的第一人。牛顿成就非凡，其实要归功于他穷追本质的精神万物。为什么这样？如果将光一直分解下去又会是什么？ 牛顿通过观察阳光、影子以及日全食，注意到光臂定式沿直线传播。 他认为光是由一束束微小的颗粒组成，就好比一连串的子弹打在视网膜上。光的威力说很好的解释了光的直径性以及光的反射现象， 但当时有一个人却极力反对威力说的观点，他就是克里斯蒂安会更斯，荷兰的天才物理学家、数学家以及天文学家。他和牛顿一样，有着永不满足的好奇心，虽然深受抑郁症影响，但他仍然在多个领域 做出了卓越的成就。在物理学方面，他建立了向心力定律，提出动量守恒定律，并根据自己的公式做出了世界上第一台精确的摆钟，还自己动手做出了一种原始的电影放映机，并命名为幻灯。 在天文学方面，他通过自制的天文望远镜发现了土星的卫星泰坦星。在数学方面，他和牛顿一样，也一手创立了一门新的科学分支概率论。 在光学方面，会更斯也有一套自己的理论。和牛顿理论不同的是，他不认为光是由一连串的威力组成，而是像声波一样向四面八方扩散。 他认为如果光是由微小颗粒组成，那么在两束光交叉时，就必然会有部分光阴发生碰撞而改变方向。可当时人们并没有发现这个现象， 并且光的波动说能完美解释光的折射现象，而这是威力说无法解释的。 所以光到底是粒子还是波呢？对此，科学家们分出了两个派别，威力派以及波动派。 在以牛顿为首的威力派这边，由于当时的牛顿是已经出版了数学原理以及光学的，牛顿是已经发明了微积分的，牛顿是提出了万有引力的。牛顿也是国会议员、造币局局长、皇家学会主席，是科学地位上神话般的人物， 而波动派则群龙无首。因此第一次波力之间的交锋以威力派完胜。直到大约一百年后，一位神童在英国的一个富裕的贵格会教徒家庭出生，并且凭一己之力将局势扭转。他的名字叫托马斯羊。 托马斯羊可以说是个不折不扣的全能天才，两岁认字，六岁通读拉丁与圣经，十四岁精通十种语言。 语言上的天赋使得他在二十六岁时就破译了人们长达一千五百年都未能破译的古埃及象形文字。 同时，作为医学生的他发现了眼睛在生理学上的一种畸形，并将其命名为散光。在研究眼睛的过程中，羊接触到了光学，而我们今天要说的就是他亲自设计的一个光学实验。这是一个曾轰动了整个物理学界，延续至今的实验， 他就是我们每个人在中学里都会学到的杨氏双凤干涉实验，整个实验非常简单，三个纸板，一根蜡烛，一个单色玻璃罩。根据会更斯的理论，当然 两个相同波长的波圆叠加时，会导致波风周期性叠加相消，形成所谓的干涉现象。于是托马斯阳江单色光通过两条分离的西风，看光在抵达后方的屏幕时会是什么图案。 如果光是微粒，那必然会是两条明亮的细线。但结果却令人出乎意料， 屏幕上出现了一排排整齐的明暗相间的条纹，这分明是两条波叠加彼此干涉时才会出现的现象。 杨氏双凤干涉实验强有力的证明了光就是一种波，沉寂了近百年的波动派开始了他们的反击。一八一八年，在法国科学院举办的一次悬赏征文竞赛中，一名叫做菲尼尔的年轻工程 师采用光的波动假设，完美解释了光的眼射现象，并预言出一个非常荒谬的结果，如果是圆盘眼射，那在圆盘阴影正中间将会出现一个亮斑。 当时的评委博松认为这显然不可能，但实验结果发现，真的有一个亮斑奇迹般的出现在了圆盘阴影的正中心，并且亮度和大小都和理论完美符合，这无疑给波动派又新添了一把强有力的武器。 紧接着三年后，菲尼尔再次提出光是一种横波，而不是之前人们认为的纵波，就像水波那样。这完美解释了光的偏震现象。 不久后，麦克思维电动力学横空出世，他的这套电磁理论在数学上完美的令人难以置信，后来经过赫兹等人的整理，提炼出了一个极其 优美的核心，也就是著名的麦克思维方程组。他的简洁深刻使得每一个科学家都陶醉其中，惊为天物。对于那些具有美学追求的科学家来说，一个理论的简洁优美程度甚至要比实验数据的准确来的更为重要。 从此，人们便知道了，光其实就是电磁波，不同的颜色其实就是不同的波长和频率而已。所谓的什么无线电波、红外线、可见光、紫外线、轮擎射线以及伽马射线等等，通通都是同一种东西，唯一的区别就是频率不同而已。 至此，波动派的人气达到了顶峰，而威力派则早已销声匿迹，似乎永无翻身之日了。好景不长，人们很快发现，有一个实验似乎 并没有乖乖遵守麦克思维的理论。物理学家发现，如果你把一束光照射到金属板上，有时候会从他的表面打出电子来。 原本束缚在金属表面园子里的电子不知是什么原因，当暴露在一定光线之下的时候，就如同精工之鸟一般，纷纷往外逃窜。对于光与电之间存在的这种有趣的现象，人们给它取了一个名字，叫做光电效应。 根据麦克思维电磁理论，既然光是电磁波，电子吸收电磁波的能量后动能增加，所以就从园子里跑了出来。这看起来似乎并没有问题。 但奇怪的是，电子如何往外跑，和光的强度一点关系都没有，而只和他的颜色，也就是频率有关。比如红色的光，不管多亮，无论你照多久都照不出一个电子来。 但你如果用的是绿光，哪怕光线很弱，电子也能立即跑出来。而如果换成蓝光，电子不但能跑，而且跑出来后的速度还很快。于是科学家们又集体蒙了，这不对啊，在麦克思维的理论中，电磁波的能量只跟强度有关，和频率没关系。 而且根据麦克思维的理论，一个电子被击出，如果是建立在能量吸收上的话，他应该是一个连续的过程，这能量可以累积， 那电子为什么不能逐渐的从光波中积累，能量攒够了就跑呢？神圣完美的麦克思维理论因此而陷入了困境。 无巧不成书，一九零五年，瑞士博尔尼专利局的一位二十六岁的小公务员，三等技师职称，留着乱蓬蓬头发的年轻人。他的目光在光电效应的这个问题上停留了一下。 这个人的名字叫做阿尔伯特爱因斯坦。和前面的牛顿奇迹年一样，一九零五年也叫做爱因斯坦奇迹年。 那一年内，爱因斯坦共发表了六篇物理学论文，其中四篇引发了人类关于时间、空间、能量、光以及物质的三大革命。 其中一篇叫关于光的产生和转变的一个启发性观点，讲的就是光电效应。爱因斯坦从普朗克的量子假设出发。我们在第一期有讲到，普朗克提出，黑体在吸收和发射能量时不是连续的， 而是必须分成一小份。一小份这个基本单位被他称作量子，其大小则由普朗克常数来描述。但普朗克本人一直认为，这个量子化的假设太过于颠覆常识，他不可能具有实际物理意义， 仅仅是一种数学上的假设。爱因斯坦虽然只是简单看了一眼，但凭借着他敏锐的物理直觉，发现事情并没有这么简单。结合光电效应的诡异之处，为什么提高光的频率就能打出更高能量的电子？ 普朗克不是说了吗，黑体发出的光的一份能量是 e， 等于 h v， 提高频率不正是提高单个量子的能量吗？ 而更高能量的量子不正好能够打出更高能量的电子吗？而提高光的强度只是增加了量子的数量罢了。所以相应的结果自然是打出更多数量的电子。 忽然之间，一切现象都变得顺理成章起来。于是爱因斯坦在论文中写道，根据这种假设，光线在空间中传播时，他的能量不是连续分布的，而是由一些数目有限， 局限于空间中某个地点的能量子组成。这些能量子不可分割，他们只能整份的吸收和发射。爱因斯坦由此提出了光量子的概念，也就是我们现在所说的光子。每个光子的能量等于他的频率乘以普朗克长数。 和普朗克量子化假设不一样的是，爱因斯坦认为这些假想中的量子是真实存在的。他赋予了普朗克公式实际的物理意义，并完美解释了光电效应中的所有现象，这也让爱因斯坦获得了他一生中唯一的一个诺贝尔奖。 是宿命使然，还是因果轮回？历史在转了一个大圈后又回到了起点，威力派一夜之间再次死灰复燃。然而，威力派这一次的处境并不乐观，毕竟已经有太多的证据表明光就是一种电磁波了。 一方面，这和经典电磁理论格格不入，另一方面，虽然光量子的概念完美解释了光电效应，但依然还没有一个实验能非常明确的从正面直接证实光量子的正确性。 直到一九二三年，康普顿在研究 x 射线被自由电子散射规律时，发现了一个奇怪的现象，散射出来的一部分 x 射线的波长比原来的入射时的波长变得更长，并且这个波长大小和散射角度还存在着一定的函数关系。 如果是按照通常的波动理论，散射应该不会改变光的波长才对。对此，康普顿百思不得其解。终于有一天，康普顿心想，不如用光量子的假设试试，如果把光子想象成小球，那他不仅有能量，还具有栋量。众所 所周知，两个小球碰撞时必然发生能量交换，所以入射的光子会损失掉部分能量。根据一等于 hv， 能量下降则频率下降，所以波长也就变长了。康普顿根据动量守恒定律计算出来的波长变化和实验结果分毫不差。 于是他总结到毫不怀疑的是，轮琴射线是一种量子现象，他不仅具有能量，还具有一定方向的动量。 上帝造了光，爱因斯坦告诉了我们什么是光，而康普顿则是第一个真正意义上看到了这个光的男人。至此，关于波羽利的战争全面爆发。 一方面，卷土重来的威力军团装备了最先进的武器光电效应和康普顿效应。另一方面，波动派则拥有麦克思维理论 以及整个经典物理体系的强大后援，而双缝干涉现象以及勃松亮般的存在也依然是不争的事实。双方战局陷入僵持。光到底是粒子还是波？ 当物理学家们还在苦苦纠结这个问题的时候，一个来自法国贵族家庭的年轻人又冒出来了一个大胆的想法，既然光可以是粒子，那为什么电子就不能是波呢？ 十九世纪初，英国有个叫做托马斯羊的医生做了一个非常著名的实验，杨氏双凤干涉实验。 实验发现，一束经过两个狭缝的光，在到达后方屏幕时，会出现一条条整齐的明暗相间的条纹，这分明就是波的干涉现象。以水波为例，一个水波通过两个孔出来时，就会在 水面上形成两个振幅和频率完全相同的水波。波都有波风和波鼓，当两个波的波风或者波鼓叠加时，就会加强为双倍振幅，这就是香肠干涉。当波风和波鼓相遇时，就正好互相抵消为零，这就是香消干涉。光波也是如此， 屏幕上的亮纹就是两个波在叠加后加强了暗的地方，就是两个波互相抵消了。到这里，一切都非常完美。 结合光的波长以及屏幕到双缝的距离，用电磁波的波动方程算一下，实验中看到的条纹宽度、间距以及个数都和计算出来的结果完全一致。 所以，光怎么可能不是波呢？但是这个实验的背后却隐藏着一个惊天大扎雷。当我们减弱光源时，例如在 传播路径上加一片墨镜，后方屏幕上的条纹就会变暗。当然，这没什么好奇怪的，按照这个规律，随着光源逐渐减弱，我们期望的是屏幕上的条纹也应该逐渐变暗，直到完全消失。 这是由波的性质所决定，因为波的能量是弥散在空间中的，是连续分布的。然而，实验结果并非如此， 实验物理学家们有办法可以让光源变得非常非常暗。当光源暗到一定程度时，屏幕上的条纹并非是整个直接消失，而是变成了一个一个不连续的光点。 就好像此时的光源变成了一把特殊的冲锋枪。只不过，这把枪打出来的并不是一个一个的子弹，而是一个一个的光子。这显然不可能是波的性质，波总是分布在空间的一个连续场，怎么会是一 一个个的出现呢？这么看来，光的本质又不可能是波，而应该是例子。难道电词理论错了吗？ 先别急，我们继续拿实验说话。我们通过延长屏幕的曝光时间，依次记录每一个打在屏幕上的光点位置。如果光源发出的是一个一个像子弹一样的光泽，那屏幕上应该只会出现两条明亮的条纹，这个没错吧？但是诡异的现象出现了， 一开始这些光子的落点看似毫无规律，但随着光点的逐渐积累，最终屏幕上却形成了一排规律的明暗相间的条纹，这显然就是波的干涉条纹。 怎么会这样呢？光子在单独行动时，明明就像是子弹一样，是一粒一粒的，但是当大量的光子的路径积累起来，却能行 像波一样的干涉图样。所以，光到底是粒子还是波？如果光是波，那屏幕上为什么会出现一个一个的光点，而如果他是粒子，那干涉图样又是怎么一回事？会不会是因为光子与光子之间的相互干扰，导致了干涉条纹的产生？ 不对，因为实验中的光子是一个一个打过去的，不会同时有两个光子出现，那会不会是光子分裂成了更小的光子，然后各自从两个缝穿过去，再重组？也不对，因为实验中从来就没有观察到过所谓的光子碎片，他总是一整个的出现在某一个位置。 更何况，爱因斯坦早就说过，光子是能量吸收和发射的最小单位，不可再分。难道光子能同时穿过两个缝隙，然后自己与自己发生干涉？ 按照福尔摩斯的那句名言，排除一切不可能，剩下的就是答案。于是，我们现在被迫接受一个这样的事实，光子在传播过程中表现的就像是一个波，他可以同时穿过两条缝隙，然后自己跟自己叠加，从而发生干涉。 而当我们需要确认他在屏幕上的位置时，他又表现的像是一个例子，一个一个独立的出现在某一个特定的位置。 对于这种有时候像是一个波，有时候又像一个粒子的现象，在量子力学的早期被称为波力。二、象性。那光子到底是如何从两条缝穿过去的呢？为了验证这个问题，物理学家们做了进一步的干涉实验。 他们在两个双缝处各放置了一个探测器，已尝试直接将光子在空间中的实际路径给找出来。显然，可以 预料的是，对于任何一个光子来说，最后的结果只有可能是以下四种中的一种，一、我们看到光子从第一个缝隙经过。二、我们看到光子从第二个缝隙经过。三、我们看到光子同时从两个缝隙经过。四、我们在两个缝隙中都没有看到光子。 其中，如果我们看到了第四种情况，说明光子根本就没有穿过缝隙，他被墙壁挡住了，因此就不会在屏幕上留下光斑。 这种情况对我们的干涉实验毫无用处，因此我们不予考虑。对于剩下的三种结果， 实验中从来就没有看到过第三种情况。也就是说，光子要么走左边的缝，要么走右边的缝，而不会同时出现在两个缝。到这里，我们似乎摸清楚了光子的路径。然 然而，还没来得及庆祝，最令人迷惑的现象出现了。当我们架设好观测器，试图监控光子从哪个缝隙穿过时，干涉条纹却神秘的消失了。 甚至于，我们并不需要真的偷窥到光子的路径，只要我们的实验方法让光子的路径信息有一丁点泄露的可能，光子的干涉就会整个完全消失。人为观察竟然能决定客观的实验结果， 这个结论让物理学家们感到头皮发麻。但进一步细想，这个结果其实也并不奇怪。 要想得到干涉条纹，就必须要求光子能同时经过两条缝，然后自己与自己发生干涉。所以，当我们确知了他实际到底走了哪一条缝隙时，干涉就不可避免的会消失掉。也就是说，干涉条纹和路径 信息必然是一个互斥的关系。道理大家都懂，但是为什么我们的观察会改变实验结果？难道实际结果不应该是光子自己展现给我们看的吗？光子是如何知道我们在试图观察他的呢？ 到这里，物理科学似乎已经向着玄学的方向发展，直到薛定鄂方程的出现，人们发现这一切都可以由波函数所精确描述。光子其实并不知道我们在观察他，而是因为我们的测量导致了波函数瘫缩。 关于波函数的细节，咱们后面会讲到这里，只是先拿来简单解释下干涉实验。根据波函数的主流解释，双缝干涉中所涉及到的波其实并不是什么实际的物理上的波，而是一种抽象的概率波。而光子在屏幕上落点的概率 由概率波的干涉结果所决定。你可能会惊讶，这个概率波也能发生干涉？没错，科学家根据波动方程计算出了一个概率波的传播过程，这是一个光子的概率波的波包。图中的亮斑显示的并不是光子的实际形态，而是他在空间中的概率分布。 月亮的位置，光子出现的概率就越大，而黑暗的部分则代表光子不可能出现在哪。我们可以清楚的看到这个概率波是如何同时穿过两条缝隙，在不同的位置形成不同的概率分布的过程。那这个概率到底又是什么？ 按照经典概率论的诠释，概率描述了我们对于某个事件的无知度，也就是说，在某个时刻，光子应该存在着一个真实的位置，只不过拨函数只能告诉我们他的大概位置。 但是注意，如果光子真的存在一个确定位置的话，我们就不可能获得干涉结果，因为要么穿过一个缝隙，要么穿过另一个缝隙的说法本身就已经使得干涉成为不可能 干涉的条件，要求光子必须能够像波一样同时处于空间的各个位置。所以前面的这种经典概率诠释并不能用来解释光子的行为。 于是我们不得不得到这样的结论，在我们不观察光子时，他没有位置，他不存在于空间中的任何一个地方，但同时又必须处于空间中的任何一个地方。 只有在我们观察他时，他才随机的根据概率分布，从空间中选取一个位置出现。这种随机性是真正的随机，而不是经典概率中的那种确定的但是我们不知道的状态，这一点非常重要。 这个解释看起来是如此的荒谬，但却是最接近数学方程的解释。难怪当年爱因斯坦终其一生都反对这样的说法，因为他直接撼动了这个世界的客观实在性以及关于哲学决定论的根基。 事实上，令人匪夷所思的现象远不止这些，就比如这个干涉实验，后来还出现了很多更加精妙的升级版，比如延迟选择干涉实验、量子擦除实验等等。他揭示了波函数甚至存在跨越时空的感知，而且不只是光子构成我们世界的一切例子， 甚至是宏观物体，包括你和我，以及我们每个人，理论上都能拿来做一个干涉实验。量子力学让我们有幸窥探到了微观世界里的各种怪异现象。一些物理学家们虽然无法接受，但他们反对 的其实只是观点和思想，而从来都不是事实和逻辑。人类的大脑天生就没有义务用来理解微观世界，又或许微观世界里那些怪异的现象才是正常的，而我们在日常生活里的一切感知，才是大尺度下所带来的一种错觉。 光速与光有直接关系吗？为什么引力波和无禁止质量粒子的速度都是光速？ 光速到底有什么独特之处？宇宙为什么要协力确保？在所有观察者眼中，光总是以两亿九千九百七十九万两千四百五十八米每秒的速度运动，同时又禁止任何物质超过这个速度。 事实上，这个说法是本末倒置的，宇宙并没有什么协调机制来保持光速恒定，时空对光以什么速度运动也 毫不在意。宇宙速度的极限其实揭示了一个更深刻的内涵，这个宇宙长数 c 更准确的说应该是因果率的速度。 狭义相对论告诉我们，时间和空间都是相对的，不同速度下的观察者经历的时空过程是不同的，但在这个相对不同的过程中，有些东西是绝对不变的。比如有一天，零岁的你计划前往四光年外的比零星，当你将飞船加速到接近光速后， 宇宙空间相对你也在高速后退。因为齿缩效应，你将看到比零星和你的距离急剧缩短， 你实际到达比邻星时只花了一年。而在你地球上的爸妈看来，因为宇宙空间和地球几乎相对静止，所以你仍然要走四光年的距离。但因为时间膨胀，他们同时也会看到你飞船上的时钟变慢了，所以在他们 看来，你实际到达比零星时也只有一岁。在长度收缩和时间膨胀的共同作用下，你和你爸妈对于你到达比零星时是几岁的这个事实达成了一致。尽管时空是相对的，但事件是绝对的。 在闽式时空图中，一个事件可以用 x、 y、 c、 t 四个坐标精确表示，也就是时间、地点。 你在一岁时到达比零星的这个事件无论在哪个参考系下都是一样的。不可能你自己看到你一岁到达，而你爸妈却看到你三岁才到达，那世界就乱套了。由此便隐身出了狭义相对论中一个非常重要的概念，时空间隔。 时空间隔是两个事件在时空图上的距离。尽管不同观察者看到的时空过程 delta x 和 delta t 不同，但他们的时空间隔 delta s 都是一样的。时空间隔的一致性蕴含了 因果率，也就是所有观察者都一致认可的事件发生顺序。但因果率和光速又有什么关系呢？要理解这一点，我们需要先来看看物理学史上最关键的两大动件，以及光速这个宇宙长数的由来。 一六三二年，伽利略因为支持哥白尼的日新说正被宗教威胁，同时他还提出了一个当时并不怎么受关注的理念，相对性原理。相对性原理是一个非常深刻的思想， 他说的是，不仅是地球，任何速度也都不特殊。换个说法就是，你通过实验发现的任何物理规律都应与你所在的惯性系无关。所谓惯性系，其实就是匀速直线运动的参考系。这是一个很自然的想法，月亮绕着地球转，地球绕着太阳转，太阳又在银河系 中运动，银河系又在更大的尺度上运动。如果在不同星球上的物理学不相同，那物理学的存在就没有任何意义。所以，相对性原理是所有物理学家都基本达成共识的一个既简单又深刻的基本思想。 后来牛顿发扬拿来主义，将这个思想融汇到牛顿力学之中，通过极为简单的伽利略变换，就能使牛顿力学在各个惯性系下保持一致。 再后来，一八六五年，麦克斯伟提出了他的电磁学理论。被后人整理和改写后的麦克斯伟方程组以无比优雅的方式阐述了所有的电磁现象。 但是麦克斯伟方程面临着两个大问题，一个是电磁波的波速。在麦克斯伟推导出的电磁波波速的表达式中，诠释一些固有的物理常量并不依赖于某个参考系， 那这就奇怪了，这可是速度啊！按物理学家的基本认知，抛开参考系谈速度，完全就是在耍流氓。考虑到波的传播需要，戒指以及速度需要参考系，再加上牛顿绝对时空观的影响，人们自然就猜测宇宙中应该存在着一种绝对静止的戒指，也就是以太。 而麦克斯维解出来的这个速度就是相对于仪态而言。另外一个问题是，当把麦克斯维方程应用于伽利略变换时，变换前后的方程形式天差地别， 这意味着不同惯性系中的电磁学是不一样的，我们可以通过简单的电磁实验就能区分出不同的惯性系。也就是说，如果麦克斯伟方程和加利率变换都是对的， 那相对性原理就是错的。反过来说，如果你还认同相对性原理，那麦克斯伟方程和伽利略变换之间就必定有一个是错的。 到底是哪里出了问题呢？ 一八八七年，迈克尔逊和莫雷展开实验，目的是通过光速差值测量地球相对于以太的运动速度。然而结果却发现，无论是哪个方向，测出来的光速值都一样， 而且就是麦克斯伟方程计算出来的光速数值。为了解释这个现象，一九零四年，物理学大宗师洛伦兹提出了一个设想，说光速在不同方向上其实还是不一样的， 只不过因为以太的特殊性质，沿着以太风方向的干涉衣长度会收缩变短，这才导致实验测出来的光速值一样。 洛伦兹的确是解释了迈克尔逊、莫雷实验，而且还给出了精确的数学公式及著名的洛伦兹变幻。但洛伦兹格局还是小了，他所有的解释都只不过是为了完善以太学说，依然 是被困在了这个框架之中。一九零五年，爱因斯坦横空出世，他对洛伦兹的这个解释非常不满。首先，没有任何证据能证明以太存在，这一切的源头只不过是麦克斯伟解出了一个不依赖参考系的速度。大家为什么就如此坚信以太的存在？ 物理是一门实证科学，而不是空想科学。要是以太根本就不存在了，一道闪电划过爱因斯坦的大脑， 如果以太不存在，也就是没有所谓绝对禁止的参考系，惯性系之间也就没有哪个更特殊，那我们就仍然可以相信相对性原理。不同惯性系中的电磁学都一样，那解出来的电磁波波速自然也就是相同的。 但问题是，如果说惯性系之间彼此完全等价，那麦克斯伟方程组在伽利略变换前后不一致又该如何解释呢？毕竟这才是所有问题的根源。所。 如果完美的麦克思维方程没有错，而他的形式在不同惯性系也不应该发生改变，那么排除了所有的不可能之后，剩下的那一个无论再不可置信，也只能是真相。伽利略变幻错了。爱因斯坦坚信自己的逻辑推理和物理直觉， 他将相对性原理和光速不变作为两大理论基石，稍微做了一点简单的代数运算，也推导出了和洛伦兹一样的变换。和洛伦兹不同的是，他赋予了这个变换更加深刻的含义。 这个变换揭示的并不是什么以太压缩，而是时间和空间本身与速度之间的关系，也是唯一一个能确保麦克斯伟方程在变换前后保持一致的坐标变换。 可以看到，在洛伦兹变换中，光速 c 至关重要，但为什么说这个 光速 c 就是宇宙的速度极限？对于宇宙而言，一个有限的速度上限又意味着什么？我给大家再重新梳理下这个逻辑。 首先，光就是电磁波，电磁波波速是由麦克思维方程解出，这是电磁学理论的内在要求。而为了确保在所有惯性系下的电磁学一致，我们就必须抛弃伽利略变换，选择洛伦兹变换。 因为洛伦兹变换的目的之一就是为了确保光速在所有坐标系下保持不变，所以也就必然与这个长数息息相关。 而根据洛伦兹变换，稍加推倒就能得到狭义相对论的速度叠加公式以及更进一步的智能方程。于是我们发现，任何有静止质量的物体都无法超过这个速度，否则他需要无穷大的能量。另一方面，任何没有静止质量的物体都必须以这个速度运动，否则 他将不复存在。无质量的光子、引力波、焦子都以这个最大速度传播，这也就是时空中任意两点之间发生相互作用的速度极限，也是信息传递的速度上限， 所以他也就是因果关系的传播速度。只要你相信相对性原理，就必须接受洛伦兹变换。只要你接受洛伦兹变换，就必须接受一个存在速度上限的宇宙。但如果宇宙没有速度上限，会发生什么？换句话说，一个光速无穷大的世界会是什么样的？ 首先，所有物质将不复存在，因为根据智能方程，要创造出任何质量都需要无穷大的能量，宇宙中将只有像光子、娇子这样的无静止质量的粒子存在，并且他们都以无穷大的速度传播。其次，对于这些以无穷大速度运动的粒子来说，时间 膨胀和空间收缩效应都将达到无限大，这会导致任何时间、任何地点都相互联通，瞬间影响。没有时间与空间，也没有因果率，这样的宇宙模型必然是自相矛盾的。所以有限的速度上限对于因果率甚至是宇宙的稳定存在都至关重要。 最后，我来为大家总结下今天的内容。从人类意识到地球并不是宇宙的中心开始，伽利略提出了著名的相对性原理。任何速度下的惯性系都不特殊，这个思想极其深刻，但在麦克思维方程解除无需参考系的波速时，却遭遇了危机。 即便如此，爱因斯坦凭借着惊人的物理直觉，毅然放弃以太学说，一手建立起侠义相对论的大厦，光速也因此从一个原本平平无奇的运动速， 一夜之间摇身变为了时间与空间的主宰。事实上，现在回过头来看，光速不变也并非完全没有缘由。根据量子场论，光速并不仅仅只是一个简单的我们日常看到的物体运动速度，它是电磁相互作用的传递速度， 而电磁相互作用的速度决定了世间万物演变的速度。如果在不同惯性戏下看到的世界演变速度都不一样，那还谈什么相对性原理，谈什么参考系等价？ 所以，光速并不只是光的速度，他是任何信息和因果关系传递的最快速度。一个稳定自洽的宇宙，必须要有一个这样的速度上线。 当然，科学并不是宇宙的真相，科学只是研究世界运行规律的工具，它是一个不断迭代完善的过程，即便是最成功的理论，也可能存在一定的局限性。相对 论具有深刻的内在一致性和强大的预言能力，如果你试图推翻相对论，那必定需要很高的要求。但考虑到和量子力学的冲突，相对论显然也并非是终极理论， 所以让我们继续保持质疑，或许宇宙的速度极限，甚至是因果率真的能被我们尚未所知的某种机制所打破，那样的世界或许也挺有意思呢。 宇宙到底有多大？他是有限大还是无限大？ 如果你的回答是有限大，那你应该具有一定的科学认知。而如果你的回答是无限大，那应该有两种可能，要么你对现代宇宙学一无所知，要么你已经具有很好的天文学基础， 并且对现代宇宙学的前沿进展有过比较深入的了解。一开始，人们大都认为宇宙应该是空间上无边无际，时间上无始无终。对此，我国古代先贤们其实已经有过比较深入的思考。 最早在战国时期的著作狮子眷下中就有提到，四方上下曰雨，古往今来曰咒语，代表了东西南北所有的空间，是无边无际的。咒，代表了过去、现在与未来的所有时间是无始无终的。 宇宙一词代表了具有时空属性的客观实在，这也是如今宇宙一词的来源。这个想法虽然现在看上去略显草率，但他确实非常符合常理。毕竟对于一个有边界有开端的宇宙，我们如 仅凭感觉是不太好理解的。比如，如果你跟你的朋友说宇宙是有边界的，他肯定会立刻问你那边界的外面是什么。而如果你跟他说宇宙在时间上有个起点，那他下一句肯定就是，那在这个起点之前又是什么呢？ 所以我希望能通过今天这个视频，让在座的每个小朋友都能对我们所身处的这个宇宙理解的更深刻一点， 记得在我小的时候，曾经很喜欢和爸妈一起在夜晚数星星， 当亿万年前的星光映入我眼帘的那一瞬间，我也曾想过这个宇宙应该是无穷无尽，永远都不会变的。长大后却发现所有现代天文观测的证据都表明宇宙正在膨胀，而且是正在 在加速膨胀，并且在时间上，宇宙曾经有个开始，将来也会有个终结，这非常的违反直觉。我们可以理解一场电影的开始与结束，一个人的生老病死，一个国家的建立与灭亡，甚至一个星球星系的诞生与毁灭。 但他是宇宙啊，宇宙是世界上一切的一切，所有事物的总和，他的开始与结束又该如何理解呢？理解不了也没有关系， 毕竟当时就连我服爱因斯坦都无法理解，并强行给他的引力场方程里加上了一个宇宙常数，以确保他解出来的宇宙是静态的。 后来爱因斯坦也因此亲口承认，这是他一生中所犯过的最大的错误。不过好在世界上总有那么一批比我们稍微要聪明一点点的人，他们在 很早以前其实就已经给出了非常高级的答案。物理学家们现在已经确切的知道，宇宙的开端就是源自于一百三十八亿年前的那场大爆炸，大爆炸产生了时间与空间，而如果你要问在大爆炸之前是什么？ 对不起，这个问题没有任何意义，因为时空一体，那时候的时间并不存在。那在空间上，宇宙到底有没有边界呢？对于物理学家们来说，相比一个无限大的宇宙，他们其实更容易理解一个空间上是有限大但是没有边界的宇宙。 这也就是爱因斯坦在一九一七年最早提出的有限无界宇宙模型。 想象一下，地球的表面，球的表面积是有限的，但它是没有边界的。 如果你一直沿着你认为的直线走，那你最终会循环回到原点。而这一切特性都是因为地球的表面是个弯曲的二维空间，而我们所在的三维空间也是可以弯曲的。 同学们是否还记得在前面的广义相对论第二期我们有提到过，任何有质量的物体都会弯曲他周围的时空。很早之前就已经有科学家将带有四个高精度陀螺仪的卫星送上太空，以验证地球附近的三维空间是否是弯曲的。 结果是，在陀螺仪绕地球旋转一周后，陀螺仪的指向确实发生了微小的变化，这个角度大约是六十二英里外测量一个硬币的直径，他与广义相对论的预测结果高度吻合，所以地球附近的三维空间确实是弯曲的，而我们的这 宇宙恰好就是三维的。需要注意的是，这并不是因为观测限制，而是他在数学上已经被证实就是三维的。 同时，这也是热力学定律的必然选择，因为从热力学上看，三维是亥姆或兹自由能，也就是平均能量密度最低的一个空间维度。 在这一点上，希望大家不要被科幻小说所误导。有了解过超显理论的同学可能会说不对。超显理论说，我们的宇宙中还存在着更高维度的空间，比如十维，这里也需要给大家澄清一下， 首先，这个理论目前尚未得到任何实验观测数据的支持。其次，即使他是正确的，但这些高维空间也都是在非常小的尺度上蜷缩起来的，他和我们现在所讨论的 宇宙大尺度空间维度并不是一回事。 既然我们讨论的是超大尺度上的问题，那这里有个概念就不得不稍微提一下，他就是宇宙学原理。他是现代宇宙学家们研究宇宙的一个基本前提， 也就是在大尺度上，宇宙空间处处均匀，各项同性。假如我们的宇宙学原理是正确的，在这种学说下的宇宙不会存在边界和中断点，整个宇宙必然是一个连续的几何体，因为边界处的几何结构必然会和其他地方不一致，从而违反宇宙学原理。 所以，宇宙空间的几何情况就只有三种可能，处处均匀、正向弯曲、处处均匀、反向弯曲，或者处处平坦。如果你理解了前面提到的这些， 对于宇宙是不是无限大的这个问题，其实就等同于另外一个问题，宇宙在大尺度上的区率是多少？如果区率为零，那么宇宙就是处处平坦，他在各个方向上就会无限延伸，宇宙就会无限大。 如果曲律为正，三维空间就会往内收敛，形成一个有限无界的宇宙，类似于一个四维球面。 霍金曾在时间简史中描述过类似的模型，而如果区率为负，宇宙则类似于一个四维空间中的马鞍形，他也会无限延伸。所以这种情况下的宇宙也是无限的。那我们有什么办法可以在大尺度上测量宇宙空间的区率呢？ 最简单的方法就是测量三角形内角之和区，宇宙中距离极远的三个点分别测量这三点之间的 夹角之和，看他是不是等于一百八十度。相传高斯曾经就自己尝试过这个方法，他采用的方法是在三座高山的山顶测量，山顶连线三角形内角之和。 遗憾的是，因为实验精度的原因，他甚至连地球周围空间的弯曲都未能测出。更何况我们现在要测的是整个宇宙尺度的区域，我们不可能在巨大的天文尺度下履行到三个不同的顶点上去。那还有什么其他的办法呢？ 二零一三年，根据种子震动分光镜的勘测结果，科学家们发现在大尺度上，宇宙空间是超乎寻常的平直，用当时的原话来说就是 extraordinarily flat。 这个观测的原理其实很简单，如果宇宙是弯曲的，那么光线就会发生弯曲。如果 区率大于零，宇宙空间就是闭合的光源向任意两个方向上发出的光线最终都会相交，所以我们所看到的遥远星系所发出的光就会是这样。 但这会有一个问题，当区率较大时，我们会发现星系离我们越远，他看上去反而越大，这与我们的天文观测结果显然不符。而如果区率小于零，我们所看到的光就会是这样。这也会有一个严重的问题， 当区域显著较小时，我们会发现我们的可观测宇宙范围会被大大减小，因为远处星系的尺寸必须要非常大才有可能被我们看到，而现实是，哈博望远镜通过长时间曝光看到了最远三百亿光年处的星系，所以区率也不会是显著的 小于零。另外，我们对于宇宙微波背景辐射的观测结果也是类似的情况，如果空间是弯曲的，这个图就会有些弯曲。但是实际上科学家并未观察到任何弯曲。根据现在观测的数据，在误差小于百分之一的精度范围内， 我们可以认为我们所身处的这个宇宙是完全平坦的。除此之外，我们还有另外一个更加靠谱一点的方法， 广义相对论认为，质量和能量可以让空间发生弯曲，所以空间弯曲的测量就可以转化为宇宙智能密度的测量。 科学家通过将所有已知的智能加在一起，包括所有可见物质，按物质按能量在与广义相对论中的临界智能密度相比，结果是，我们宇宙的智能密度非常接近零 迎接密度。根据最新的观测数据，在不超过千分之四的误差内，两者恰好相等。然而，因为测量误差的存在，我们永远也无法严格证明宇宙就是平坦的。但即便如此，这也意味着实际的宇宙要比我们目前的四百六十亿光年的可观测宇宙， 甚至比我们能想象到的宇宙都要大出太多。按照目前的爆炸宇宙模型，宇宙在大爆炸初期能在极短的时间内从一个原子尺寸转变为宇宙学尺寸。 理论上说，宇宙在诞生的数十亿年里已经增长到至少可观测宇宙的十的二十四次方倍。换句话说，整个宇宙的尺度与可观测宇宙相比，就像可观测宇宙对于一个原子一样，而这仍然不是极限宇宙，要么就 是真正的无限大，要么就是差点就无限大。宇宙的智能密度恰好等于广义相对论中的临界智能密度。为什么会如此之巧？物理学家们可不喜欢巧合，但很多时候他们也不得不接受 这样的巧合现象。在宇宙学领域被称为精细调节问题，而宇宙的平坦性问题就是一个典型的精细调节问题。 类似的还有很多，比如标准模型中的十九个自由参数，因为无法从理论上推导他们看起来就像是被特意调成那样的数值，以便于让我们的宇宙恰好能适合生命存在。 不过好在在现代的宇宙学模型中，因为爆炸理论，宇宙的平坦性问题变得不再是一个巧合，他可能是宇宙演化的必然结果。因为宇宙足够大，所以在 可观测宇宙范围内，宇宙表现为局部平坦，就好比在地球上我们所看到的大地是平直的一样。事实上，爆炸理论目前处在可实证宇宙学的边缘， 根据爆账理论所推导出的理论版图，很多都尚未得到观测验证。这里面最有意思的莫过于对于平行宇宙的思考。 对于一个有限的宇宙，物理学家们尚可理解，一个无限大的宇宙又该如何理解呢？明明在大爆炸之前什么都没有，怎么现在一下子就变成无限大了呢？ 根据量子力学，我们不可能无限精度的确定一个粒子的位置，也就是说，对于给定一个局部空间范围，里面所有粒子的排列组合都是有。 这也就是说，一堆混乱的粒子随机组合成我们身体或者我们的地球的概率并不是无穷小，而同时宇宙又是无限大的，这意味着什么？这意味着在无限大的宇宙中，每一种你能想到的可能性都存在着，并且都存在着无数个。 这意味着在这个宇宙中某个非常遥远的地方，必然存在着一个一模一样的星球，星球上存在着一个一模一样的，你也正在看着一模一样的视频。 当然，你们下一刻的动作可能会不太一样，比如你点了关注加收藏，而他只是点了个赞。但是在宇宙的其他地方也必然存在着无数个一模一样的你，他们也选择了关注加收藏。而由于你们的距离相 格太远，使用常规的旅行方式，你们将永远都不可能有交集。本质上，这种平行宇宙其实只是现有宇宙的切片，在无限空间里的不断重复，没有什么复杂的物理含义。而我们前面提到的爆炸理论，实际上还提供了另外一种平行宇宙的可能性。 简单来说，就是，如果把现在的宇宙当做是一个在迅速膨胀的泡泡，那这样的泡泡应该不止一个，这就是泡泡宇宙假说。 不要觉得这种假说有点天方夜谭，理论上他可以通过观测得到进一步证实。 如果泡泡宇宙假说是对的，那我们的宇宙就有可能会与别的宇宙发生碰撞，而在两个宇宙的连接处，他的空间区率将发生变化。这意味着什么？这意味着他会在宇宙微 微波背景辐射中留下盘形压痕，他就如同一块圆形的暗沉淤痕，叠压在宇宙微波背景之上。因此，我们可以从宇宙微波背景辐射中去寻找。 虽然我们目前还没有足够的证据，但随着下一代卫星的进步，或许会有新的发现。 虽然狭义相对论禁止我们穿越到过去，但一个无限大的宇宙又为我们提供了无限的可能性。 如果将来虫洞真的可行，那我们完全可以前往那些一模一样的地球副本。我们甚至可以选择不同的朝代，甚至可以去到未来。到那时，你可以尽情的体验穿越，而不用担心祖父被论的因果限制。在浩瀚 的宇宙面前，作为渺小人类的我们又该如何自处呢？曾经有网友问我，宇宙虽大，但我们终其一生却都被困在这一个个狭小的空间里，过着陀螺一样的生活，不敢有丝毫松懈。 我们逼迫自己杀死了所有的兴趣，忘记了自己的初心，忘记了最初的感动，天天做着不喜欢的事，忙碌一生，感觉自己的生命已经变得毫无意义。这让我想到了一句话，已是乾坤大，犹怜草木青。 著名天文学家卡尔萨根曾经说过，天文学是一门让人更加谦卑的学科。在遇到困难时，宏大的宇宙观让我们可以忘记自己，忘记那些自以为是，忘记一些所谓重要的或者不重要的事，忘记那些无关的评价，忘记那些计较与得失， 更加亲切和富有同情心的去对待身边的每一个人，同时也更加珍惜我们所在的这颗暗淡蓝点，保护好这个我们目前所知唯一的家。因为宇宙无限大，一个再小的概率乘以无穷大也可以大于一， 所以一切你认为有可能发生的事情都必然发生过，而且都发生过无数次。 我们所有人一生中所有曾经发生过，以及未来可能会发生的一切的悲欢离合、喜怒哀乐与爱恨情仇，在这个浩瀚宇宙中的某片星辰深处都自有着回响。 所以下次当你失落不开心时，不如抬头看看这片星空，想想宇宙之大，你所期待的一切美好的可能性，在宇宙的某个角落都可能真实发生过，这或许 能给你带来些许安慰。 如果你喜欢思变，哪怕你不懂任何现代科学，也能得出一些有意思的结论，宇宙的万事万物从何而来？ 对于这个问题，古人给出过很多答案，其中最接近现代科学的答案是来自东汉末年的一个年轻天才曹操的女婿、著名玄学家何燕。 荷叶的推理很简单，世间万物都有形状、颜色等特征，但从概念分类的角度，往往越抽象就越高级，越有普遍意义。反之，越具体就越低级，囊括范围就越小。 比如猫和狗，你一听就知道是什么样子，但要说动物是什么形象就不具体了。在网上，生命是什么，没有任何具体的形状可以描述他。以此类推，追溯到最高 高级的万物起源，那必定是一个没有形状，也没有颜色，没有任何具体特征的东西，那只能是无何。燕说，有之为有事，无以生事而为事由无以成。 另外，在道德经的第四十章，老子也说，天下万物，生于有，有生于无，并将这个无描述为一种虚道体。正所谓道生一，一生二，二生三，三生万物，也是一种从无到有的过程。 你看这是不是比希腊神话说的混沌？希腊哲学家泰勒斯说的水是万物之源，听着要高级多了。如果万物起源于水，那水又是从哪来的呢？ 事实上，现代科学认为宇宙的确是有一个开端，并且这个开端就是无。但问题是，无是怎么生出有来的呢？这个问题就算让哲学家们 想破脑袋也不可能得到答案。遇事不决，还得是量子力学。 在所有科学理论中，量子力学是唯一一个允许事情能无缘无故发生的理论。你女朋友突然说不爱你了，这背后总能找到一些原因，但这个原则一直都好好的，怎么突然就摔遍了？没有任何原因，他是纯随机的。 你能想到最接近无的状态可能就是真空，但量子力学认为真空并不空。不确定性原理要求能量无论如何都不可能绝对为零，哪怕在真空中，也会有一个小小的能量掌落，他随时随地都会冒出一对虚拟粒子，然后互相湮灭掉。 物理学家据此提出了卡西米尔效应，并在一九九七年被实验所证实。在量子力学中，无 无中生有就是一个常规操作。既然如此，从无中生出一个宇宙来，似乎也不是不可能。现代物理学描述宇宙起源的理论模型有很多，但大都是证据不足。接下来咱们挑两个最著名的来说，他们的理论基础都包括量子力学。 一个是上期我们提到过的爆炸理论，爆炸理论在目前的学术界比较受欢迎，它是目前为止对大爆炸理论最有力的补充。爆炸理论的创始人阿兰古斯早在一九八一年就提出了一种宇宙从无到有的可能性，只要有一小块真空，就有可能爆出一整个宇宙。 前面说了，即使是处于绝对零度的真空，也会有一个能量波动，物理学家们称之为真空零点能，这个零点能就是空间的最低能量。古斯提出，出于量子力学效应，某处 空间偶然间得到了一个比零点能略高一点的能量，相当于原子跳到了第二个能机的激发态，这就形成了一个假真空。本来假真空也是一个局部最低点，也比较稳定，但由于量子碎穿效应，或者说能量掌落，突然某一刻，假真空摔变到了真真空，于是我们的宇宙诞生了。 简单说下具体过程，真空衰变使得这一小块真空获得了一点多余的真空能。真空能有两个特点，一个是会导致空间膨胀，比如暗能量，其实也是一种真空能。 真空能的另外一个特点是他的能量密度几乎不会被宇宙膨胀所稀释，空间越大，这个能量就越大，相当于在空间的各个点上都会以固定的速度发生膨胀。这是一种指数级的爆炸，爆炸的过程快的令人发指。我们以前说过，在十的负三十三次方秒的时间内， 宇宙空间的尺度就膨胀了十的二十六次方倍，这意味着宇宙中任意两点之间的距离都在以光速的一千亿亿亿亿亿亿倍的速度远离， 而能量密度等于总能量除以体积，体积等于尺度的三次方，所以宇宙的体积增加了十的七十八次方倍，所以总的真空能也增加了这么多倍。 而由于真空能是一种负能量，根据能量守恒，空间各处就衰变出了正的能量。根据爱因斯坦的智能方程，能量和物质等价，这就是物质的起源。 最早期的物质主要是光子，后来才有了夸克电子，然后是质子中子，一直到今天的宇宙。而这一切都起源于一次随机的量子掌落，就好像是真空中冒的一个泡。那问题又来了，我们宇宙中这么多真空，万一哪 个地方再冒个这样的泡，那岂不是完犊子了？倒也不用担心，一方面，我们如今宇宙中的真空已经是处于零点能的真真空，另一方面，真空衰变的概率是极低的，据计算，他平均发生一次的时间间隔比我们这个宇宙的年龄都要大很多很多倍。但这个理论的问题是， 如果我们如今的宇宙只是起源于早期宇宙中的某一小块真空区域，那早期宇宙又是怎么起源的呢？这又产生了一个无限套娃的问题。 于是霍金在一九八三年和詹姆斯哈特尔共同提出了一种无边界宇宙模型，该模型也是建立在量子力学和广义相对论之上。 霍金认为宇宙或许并不需要一个起源，他本身就是自洽自足的，其要点是将时间和空间统一为一个四维时空，他没有明确的起点或边界。 霍金说，在宇宙开始之前只有空间，没有时间。既然没有时间，那就没有所谓的宇宙诞生之前这种问题了。就像你非要问南极的南边是什么一样，没有意义，这才是真正的无。 这个理论的优点是，他去除了起源的问题，他自洽自足，他就是存在本身，并且也提供了一种无中生有的机制。 那到底是霍金队还是古斯队呢？现在都还没有足够的证据。但不管宇宙是怎么起源的，他总要留下一些痕迹。随着观测精度的提升，或许我们能从这些痕迹中找到一些蛛丝马迹。其中最关键的一个痕迹就是宇宙微波背景辐射。 现在你的周围就有大量的宇宙微波背景辐射，每立方米的空间里大概有四亿个宇宙微波背景辐射的光子，这些光 公子是宇宙中最古老的光，他们穿越了一百三十八亿年来到了你身边，向你静静的诉说着宇宙大爆炸的故事。微波背景辐射有个特点，就是非常的均匀。根据 nasa 的威尔金森微波各项异性探测卫星和欧洲空间局的普朗克宇宙微波背景探测器的最新探测结果， 整个温差不超过正负千分之一度，相当于如果宇宙背景辐射中最热的地方是一千零一度，那最冷的地方也有九百九十九度。宇宙起源学说，特别是暴涨理论，能很好的解释这种均匀性， 但反过来想，宇宙要是太均匀了也不行。如果宇宙起源于无，那按理说他的初始状态应该是绝对均匀的，因为没有任何一个地方比别的地方更特殊，宇宙中的所有物质都应该均匀的分布在空间各处才对，也就无法 形成如今的恒星和星系了。所以问题又变成了，为什么如今的宇宙不是绝对均匀的？答案依然是量子力学。因为量子力学的不确定性，早期宇宙中所有的场都会有一些小小的量子掌落，正是那些微小的掌落造成了如今宇宙大尺度上的不均匀。 如果掌握再小一点，宇宙中的物质也许就无法聚集在一起，就不会有日月星辰。如果掌握再大一点，物质也许会过于聚集，从而影响宇宙的演化。 量子力学真的很神奇，它既让宇宙起源于无，又让这个无能生出。有既让宇宙能起源，又让宇宙不轻易起源。既让宇宙非常均匀，又让宇宙不绝对均匀。 除了量子力学，真不知道还有什么别的机制能拥有如此绝妙的摄影。 如果有一天你闯入了一个平行宇宙，发现这个宇宙中的自己生活的比你更好，你会怎么做？女主选择杀死另一个自己，取而代之。这是二零一三年的一部有关平行宇宙的科幻烧脑电影，现在越来越多的科幻电影开始引入平行宇宙的概念，但问题是，平行宇宙真的存在吗？ 多年前，平行宇宙还只是一个脑洞大开的概念，但现在的学术界已经开始严肃对待这个话题。 mit 物理系终身教授，被誉为最接近理查德费曼的男人麦克斯泰戈马克认为，平行宇宙并不是一个理论假设，而是理论推导出来的必然结果，并且还不止一种。 本期视频我们就根据各个理论的抽象程度，将平行宇宙分为四层来逐层介绍，这里面会涉及到一些宇宙学、量子力学等前沿物理学，但不会用到超过小学水平的数学知 知识。如果有不懂的地方，欢迎小朋友们打在弹幕上或者评论区留言，我会和大家做进一步探讨。 第一层，平行宇宙最容易理解我们以前在宇宙到底有多大。那一期中说过，如果宇宙学原理是对的，及宇宙空间处处均匀，各项同性，那宇宙的大小就取决于宇宙三维空间的区律。 而现如今的所有观测结果似乎都只像一个事实，那就是宇宙是无比平坦的，这就说明宇宙要么是接近于无限大，要么就是真正无限大的。 同时，根据量子力学，我们不可能无限精度的确定一个粒子的位置，也就是说对于给定一个局部空间范围，里面所有粒子的排列组合是有限的。这也就是说，一堆混乱粒子随机组合成我们身体或者我们地球的概率并不是无穷小。如果宇宙真 真的是无限大，再小的概率乘以无穷大也会大于一。这意味着每一种你能想到的可能性都存在着，并且都存在着无数个。这意味着在这个宇宙中某个非常遥远的地方，必然存在着一个一模一样的星球，星球上存在着一个一模一样的，你 也正在看着一模一样的视频，但由于你们的距离相隔太远，考虑到宇宙的膨胀，如果没有冲动，这种跨空间的旅行方式，你们将永远都不可能有交集。本质上，这种平行宇宙其实只是现有宇宙的切片在无限空间里的不断重复，他们遵守同一套物理定律，并没有什么复杂的物理含义。 第二层，平行宇宙是爆炸理论的产物。什么是爆炸理论？这还得从大爆炸理论说起。一九二九年，美国天文学家哈伯发现，我们周围所有的星系都在离我们远去，而且 且退行速度和距离成正比。如果地球不是宇宙的中心，那真相就只有一个，宇宙正在膨胀。根据宇宙膨胀的速度往前回速，那就必定存在一个时间点，那时候的所有物质都集中在一起。 一九四六年，物理学家加莫夫正式提出大爆炸理论，并通过计算给出了大爆炸的时间为一百三十八亿年前。 大爆炸理论完美解释了哈伯的观测结果，宇宙微波背景辐射的存在以及氢元素风度等，这是其他宇宙模型做不到的。所以大爆炸仍然是目前宇宙学的主导理论。 但是大爆炸理论还不够完美，他有很多东西还无法解释。比如世界问题。从地球上各个方向看出去，三 k 的宇宙背景辐射非常的均匀，也就是说宇宙的整体温度几乎处处一致。宇宙是如此之， 按理说两端的物质不可能有任何的热传递，但他们的温度却几乎是一样的。另外，还有一些问题也无法解释，比如前面提到的宇宙区域为何如此平坦，以及一些磁单级问题，正反物质数量不对称问题，以及最关键的，大爆炸之前到底是什么？等等 于是，爆炸理论闪亮登场。一九八零年，麻省理工学院的物理学家阿兰古斯根据爱因斯坦的广义相对论计算得出，宇宙在诞生后不到十的负三十五次方秒之间就膨胀了十的二十六次方倍。这相当于宇宙在瞬息之间就从一颗威力膨胀到了可观测宇宙那么大。 这已经不能称之为膨胀了，说是报账或许才更贴切一点。关于报账理论，我们后面再单独做一期细说。现在只需要知道报账理论很好的解释了前面提到的各种问， 为什么宇宙微波背景温度在整个宇宙尺度上都是如此均匀？那是因为整个宇宙是从一个非常小的热平衡区域被瞬间拉开，才造成了今天看似分离的两个区域却有着相同的温度。 为什么可观测宇宙的区域这么平坦？那是因为爆炸使得宇宙变得足够大，所以在可观测宇宙范围内，宇宙表现为局部平坦。就好比地球虽然是个球，但我们所看到的大地是平直的一样。那爆炸跟平行宇宙又有啥关系呢？ 我们这个宇宙的爆炸显然已经结束了，不然也不会演化出今天的宇宙万物。但有的宇宙学家在对爆炸理论进一步研究后，认为，爆炸其实并没有停止，我们所身处的这个宇宙仅仅只是整个爆炸区域中的一小块因为真空相变而停止爆炸的部分。我们宇宙外的其他区域仍在一直发生 的爆炸，也叫永恒爆炸。当然，在整个永恒爆炸区域中，也有着无数个与我们的宇宙类似，已经停止爆炸的区域，而这些已经停止爆炸的区域就是我们要说的第二层平行宇宙。 前面的第一层平行宇宙与我们还处于同一个爆炸宇宙当中，尽管相隔甚远，但理论上还是可以通过取速引擎或者穿越虫洞等折叠空间的方式抵达。 而第二种平行宇宙之间由于隔着外面的永恒爆炸区域，相当于史无穷大的空间，目前没有任何理论支持我们可以跨越这样的区域。 并且还有更重要的一点，第二层平行宇宙由于经历了不同的物理相变，他们的各种物理长数可能与我们完全不同，比如按能量的占比、四大基本力的强度、基本粒子的质量等等，这些长数哪怕只是微调了一点点， 都会导致整个宇宙的样貌天翻地覆。据 m 理论的推测，这些用同一个统一理论爆炸出来的宇宙们的物理参数，有时的五百次方种可能性，其中大部分子宇宙都会因为爆的不够好而惨遭淘汰，根本无法形成稳定的空间和物质， 所以就算你去了那里，也会因为物理定律的差异而立刻灰飞烟灭。 我们知道量子力学是一门无比精确的科学，但至今无人能说真正理解他，光是对他的各种解释具有一定影响力的就不下于十种， 其中最主流的所谓的哥本哈根解释，与其说是一套解释，不如说是一套方法论观测结果为什么是随机的？鬼魅般的超具作用到底是如何完成的？探索到底又是怎么一回事？哥本哈根解释说，别管， 接受他就完事了。这等于是回避了这些问题，所以他应该叫哥本哈根不解释。但尽管如此，我们仍然想知道一个真相。所以接下来我们要说的就是另外一种多世界解释。 薛定乐的猫大家应该不陌生，猫在盒子里处于一种既死又活的量子叠加态，当我们打开盒子的那一刻，才会随机探索成一个确定的状态。这个随机要怎么解释？是谁决定的？这个随机，多世界解释认为根本就没有所谓的随机，在打开箱子的那一刻，世界发生了分叉。 按照这个思想，薛定鄂的猫是死是活其实都发生了，发生在分叉的平行宇宙之中。每一次拨函数瘫缩，这个世界就分裂成了两个平行宇宙。每个平行宇宙里都有一个一模一样的你和一只一模一样的猫。多世界解释很好的解释了量子力学 学中的随机性。从宇宙诞生的那一刻起，世界就无时无刻不在分叉，所有物理定律允许发生的事情，都在这些平行宇宙里发生了。无数个你生活在无数个分叉的世界之中，经历着因为波函数瘫缩而不一样的命运。 你可能觉得这个解释太极端、太麻烦了，为了一个电子重新搞出来一整个宇宙，这不符合奥卡姆剃刀原则。但其实多世界解释是一个非常严肃的数学理论。二零一四年，物理学家法兰克迪普勒成功证明，多世界解释可以避免超距作用。 如此一来，爱因斯坦曾坚持的那些东西，包括上帝不治头子，世界上没有超光速协调就都没问题了。并且还有一点，数学其实并不能产生真正的随机数，我们日常用到的所有随机都是假随机，只有引入量子平行宇宙才能不违背数学。所以只要 你相信世界可以分叉，那量子力学就不再神秘。前三层平行宇宙都是学术界讨论已久的假说，而第四层平行宇宙则是泰格马克本人提出的一个终极脑洞，源自于他的数学宇宙假说。 这不仅是泰戈马克在专业领域最大的突破之一，也是四层平行宇宙中最大的、最抽象的一个。关于这个数学宇宙，甲说，我们在之前的量子力学片里有提到过，为什么基本粒子都是全铜的，无法区分的是因为他们都是数学结构，是抽象的存在， 因为具体的事物总能找到一些差一点，只有抽象的概念才能做到完全相同。比如你写出来的数字一与我写出来的数字一，不管写成什么样，他们所代表的抽象意义都是完全相同的，一就是一，无法区分。所以泰德玛克认为，数学并 不只是用来描述宇宙的工具，数学本身就是宇宙组成，我们的一切基本粒子都是数学结构，整个世界都是由底层的抽象数学结构排列组合而成的幻觉。包括你我在内， 前三层平行宇宙尚可用同一个大统一的数学公式所描述，最多也只是参数略不相同。试想，如果有一天人们终于找到了所谓的大统一理论，那个公式是如此的精妙绝伦，简洁深刻。从这个公式我们可以推导出现有的所有理论，无数学者为之欢呼。 但此时仍然还有一个问题，为什么这个大统一理论是这个样子的，而不是其他公式？此时泰戈马克会说，其他的公式当然也是有的，但它会演化出其他的平行宇宙，与我们无关。最后，我来为大家总结下今天的内容，对于平行宇宙这个科 换的话题，从最简单的重复宇宙切片，到爆炸理论下的泡泡宇宙，再到量子力学的多世界解释，最后到泰格马克的数学宇宙假说，我们一共看到了四种不同类型的平行宇宙，他不只是人们的脑洞，而是在多种理论背景下严格推导出来的科学猜想。 无论我们所身处的这个宇宙最终命运如何，是大撕裂，是热计还是回归起点，如果无法逃离这个宇宙，那人类文明就总有灭绝的一天，这也就是平行宇宙最大的意义。 当然，你可能觉得这一切为时尚早，但这并不妨碍思考终极问题时给我们所带来的乐趣。美国物理学家温伯格曾经说过，人生是场道具，只有为数不多的几件事可以让人生变得略有意义，努力认识宇宙便是其中之一。苏轼也说，既浮游于天地， 表沧海之一粟，所以让我们微不足道的人生变得更加深刻与丰厚，这可能就是我们要认识宇宙的最根本原因。如果能让你在每日的琐碎生活之余，有那么一刻停下来看看星辰大海，想想宇宙的浩瀚无穷，这或许就是我这个视频的最大意义。 我先问大家一个最基本的问题，构成我们身体的无非是一大堆原子等客观存在的东西。相比同样是原子构成的石头，我们怎么就产生了主观的意识？这就是意识研究领域的一个著名难题。 现在学术界对意识的研究分为好几个派别，有哲学、心理学、物理学、脑神经科学等等。其中有的是已经自成体系的理论，有的还只是不靠谱的假说。第一派学说叫做范心理主义，他的主要思想是 万物皆有意识。比如我们知道电子具有质量和电核，但电子到底是个啥还是没人知道。既然连电子是什么都不知道，那凭什么说电子就一定没有意识？这个理论非常有趣，但问题是你没法通过任何实验去检验他？ 第二派学说叫做整体信息论，由意大利著名神经学教授朱莉奥托诺尼提出。这个理论的可检验性很强，具体思想是，只有当一个系统的各模块之间的信息交流达到一定程度，才有可能产生意识。 该理论的高明之处在于，他将意识的问题数学化了，甚至已经有了实际应用，比如判断昏迷病人当前是否有意识。但他仍存在比较大的争议，比如信息交流程度似乎只是有意识的一个必要条件，而非充分条件。第三派学说出自著名的诺贝尔物理学 奖得主罗杰彭罗斯，他认为大脑之所以有意识，是因为其中有某种神秘的量子力学过程，但这个说法目前没有任何实验结果支撑，大家全当是脑洞就好。 还有一些比如计算机科学家侯士达先生曾提出一个假说，说一个系统要想产生意识，需要复杂到产生一个自己指向自己的逻辑怪圈才行。 前面所有这些学派对意识的讨论可谓是风马牛不相及，并且都还很出浅。意识和我们的大脑密不可分，所谓术业有专攻。接下来我们将重点为大家讲讲当今的脑神经科学家对于意识的理解。虽然不一定完全对，但这都是经过大量实验检验的理论， 也是目前为止我认为对意识最硬核、最深刻的解读。在讨论意识之前，我们需要先统一一下意识这个词的定义。 虽然目前各路学派对于意识的定义并没有一个统一的标准，但相比于无意识或者意识模糊的状态，我们又明确知道我们都是有意识的。 对此，麻省理工学院物理系终身教授麦克斯泰格马克在生命三点零这本书中提出，意识就是人的所有主观体验。比如当你看到这样一张绿色的图，你感受到的肯定不只是某个特定频率的电磁波，你可能会感到清爽，联想到夏天或者是出轨等等。 无论是喜欢还是不喜欢，你总会有一种感觉，一种无法用文字精确描述的感觉。这种感觉每个人都不一样，是一种纯主观的东西。 子非鱼，安知鱼之乐，就好像你永远也无法体会到做一只会发电的电蛮，或者做一只会打鸣的鸡是什么感觉一样。除了这些细微的情绪和感官体验外，还存在一种更高级的意识， 那就是自我意识。人们口中常说的这个我到底是什么？ 两千多年前，柏拉图仅通过哲学思辨就论证说，除了我们肉体所在的物质世界外，必定还存在一个精神世界，也就是身心二元论，其核心思想是人的肉体和思想是分开的。 他说，数学并不存在于物质世界，因为真实世界并不存在数字一，也不存在完美的圆。但你知道数学是确实存在的，所以他们只可能存在于某个精神世界之中，也就是柏拉图世界。 而既然有精神世界，那人的灵魂也许就来自于此。当然，你可能也发现了，柏拉图的论证是有漏洞的，也许数学本身就只是一种抽象思维，他只是人们的想象。但是，两千年后，著名数学家以及哲学家迪卡尔 站了出来，对二元论提出了一个更有力的论证。迪卡尔认为，我们所认为的那些确定无疑的知识，其实都是不确定的，因为这些知识都是基于人的感官经验推理而来，而人的感官是不确定的， 比如正常人眼中的红色就是红色，然而红绿色盲眼中的红色却是绿色，这说明人的眼睛并不可靠。更进一步，如果世间存在一个全职全能的神，他能够混淆我们所有的感官，那我们所感知到的一切就都是假的， 包括你拿着的手机，看到的视频，你的身体等等，都是假的，都是这个神故意编造出来的幻想而已。 这样看来，万事万物都将是可疑的。但迪卡尔宣称有一个东西是确定的，那就是我在怀疑的这件事本身。而如果我在怀疑的这件事情本身是确定无疑的，那这句话中的这个我就是确定存在的， 因为如果我不存在，那么我就不可能怀疑。这就是著名的我思故。我在。迪卡尔的思想在于，一切物质都可能是假的，只有我在怀疑中的这个我是必定存在的。 身心二元论自提出之日起，后世的学者们就提出了诸多质疑，具体我们不准备展开戏说。事实是， 无论是现代脑神经科学还是现代物理学，都不支持这样的看法。虽然对于意识的本质尚不明确，但就某些方面其实已经达成了一定的共识，那就是暂且不管物质世界是不是真实存在的，但所谓的自我却很可能是个幻想。 首先，越来越多的证据表明，人的身体强烈参与了自我意识，无论是你的主观喜好、你的情绪，还是你的行为决策，在很大程度上都受到了一些身体信号的影响， 比如你的心跳。尼克茶特在思维视频的这本书中有个研究说，假如你刚刚走过一个摇摇晃晃的吊桥，并导致了心跳加速，此时恰好有一位美女让你填一张表，虽然你俩也就相处了几分钟，但你会强烈感觉到自己好像爱上了他。 与此同时，对赵祖的受试者走过一个街市部摇晃没让心跳加速的桥，同样是之前的那位美女，发生爱情反应的比例就大幅降低。 不是爱情导致心跳，而是心跳导致爱情。所以古人形容爱情是心动的确是有道理，只不过古人并非是通过对照实验发现，而是通过强大的内感力或者叫内观窥探到了这其中的一点因果关系。 脑神经科学中还有个概念，叫做心跳诱发电位。心跳诱发电位是大脑对心跳的实时自动的反应， 是一种周期性但不规则的波动。二零一四年，一位非常擅长使用心跳诱发电位做实验的法国神经科学家凯瑟琳塔伦鲍德里，他通过实验发现，人的意识强弱会随着心跳诱发电位的波动而发生周期性变化。 也就是说，当电位信号最强的那一刹那，就是你的自我意识最强之时。类似的研究还有很多，都共同指向了一个结论，心跳强烈影响了人的自我意识。 二零二零年，瑞士洛桑联邦理工学院的神经科学家朴晓东所在的研究组发现，人的呼吸也与自我意识有关。 实验结论是，当你在呼气时，要比你吸气时更可能启动一个自愿行动。这也许就是为什么狙击手往往在频繁呼气时射击命中率更高的原因。诸如此类的研究还有很多，比如 脸上故意做出微笑的动作，你的心情真的会更好。手捧一杯热饮，手上的温暖会映射到你的情感上，你会觉得身边的人更友善。反之，寒冷则会让人感到孤独。有些人在做题时用手笔画做手势能提高解题速度， 左右转动眼球能促进横向思考，憋尿或者单腿站立能提高意志力与专注力，从而真的提升效率等等。 所以，塔伦报德里认为，人的心跳、呼吸，再加上一些人体别的器官，比如肠道，所有这些器官的信号共同构成了人体自我意识的基础。 这样看来，自我意识并不仅仅是大脑的活动，还包括身体各部分的感知，这是一种巨深智能。这在一定程度上其实也否定了所谓的身心二元论，因为身心一体无法单独讨论，所谓的意识上传，刚 中之脑，也就无法构建出你真正的意识。我记得很多年以前看过一部电视剧，讲的是主角做完换头手术后，性格变得越来越像新身体原本的主人，当时觉得很离谱，但现在看来，这一切也似乎变得合理。 还有以前人们认为像是抑郁症、焦虑症等精神类疾病，大都是大脑出了问题，但最新的研究提出，这些病很可能都是身体出问题在先，然后反馈给大脑的信号发生紊乱才导致的脑回路异常，据此还提出了一些全新的疗法。 现在我们知道了人体是一种巨深智能，意识在很大程度上受到了身体各个部位的影响。但这还远远不够，我们还是不知道意识到底是什么，他具体又是怎么产生的。接下来我们来看看另一个新理论。出自英国脑神经科学家阿尼尔塞斯 赛斯，是苏塞克大学的认知和计算神经科学教授。他是一名资深的意识领域研究者。他在二零二一年出了本书，叫做成为你意识的新科学， 书中介绍了他的主要思想，你的所有意识，包括对外的感知，以及对内的自我意识，都是幻觉。首先是对外的感知。咱们先来看一个几年前引起过网友热议的例子， 照片中有一条裙子，你觉得他看起来是什么颜色？有些人看到的是黄白色，而有些人看到的却是蓝黑色。 这个例子非常奇特，每个人都非常坚信自己所看到的，比如我看到的是黄白色，我无法想象为什么有人能看成蓝黑色，但事实是，我老婆看到的就是蓝黑色。赛斯的解释是，这个例子的关键在于你的 潜意识默认这张照片是室内拍摄的还是室外拍摄的。大脑在处理颜色信号时，经常会自动做一些补偿。比如在室内时，大脑会自动将黄光去除， 而在户外时则会自动去除蓝光。例子中的裙子背景很小，有些人脑海里默认他是在室内，大脑自动去除了黄光，于是就看到了蓝黑。另一部分人默认他是在室外，大脑自动去除了蓝光，于是看见的就是黄白。我们换个图，也许能让你看的更清楚一点。 前面这个例子的要点在于，你在分辨颜色时，根本就没有想过这到底是室内还是室外。你对颜色的感知是完全自动生成的，和你的主观意识无关。诸如此类的例子还有很多，比如这个图，你乍一看 会看到中间有个红色的可乐瓶，但当我们将图片放大后，就会发现图中根本就没有红色。这种视觉错觉的图很有意思。再来一个特别著名的，这张图上的小方格中，你是否认为 a 处比 b 处的灰度更深？ 然而事实是， a 处和 b 处的灰度完全一样，这都是你的错觉。甚至即便我告诉了你这个事实，无论你怎么看，你还是会觉得 a 处比 b 处颜色更深。 前面所有这些例子的要点在于，外部进入大脑的信息完全没变，变得只是大脑对外界的猜测。 你对颜色的感知并不是真实进入你眼睛的光信号。你在解读这些信号的同时，还加了一些大脑给你现编的信息。除此之外，你的听觉、嗅觉、触觉等其他感知都是如此。甚至还有人认为，当今物理学的三大基石包括统领宏观的 广义相对论、掌控微观的量子力学以及描述大量粒子运动的统计力学，都是幻觉。这可不是什么名科，该理论的提出者是一位天才数学家、物理学家以及计算机科学家，并且被万威刚称作是当今世上最聪明的人之一的史蒂芬沃尔夫勒姆。 他认为，由于我们所身处的这个世界小到原子，大到宇宙，都是不可约化的复杂，所以我们感知到的所谓时间和空间，都是因为我们人类算力不够时所产生的一种人类特有的幻觉，而并非宇宙本身的客观实在。 而时间和空间是一切物理定律的基石，所以物理学本身其实就是一种幻觉。对此，著名德国哲学家康德其实很早就意识到了这一点，他将所有客观真实存在的物体称为物字体，而因为我们的感知能 能力有限，我们永远也无法感知到物字体本身的样子。更进一步，赛斯据此提出了他的重要理论预测处理机制。一方面，我们在不断的预测幻想的这个世界，比如前面大脑预设定的室内还是室外环境， 这是一个由内向外的信号流。另一方面，外部信息传入大脑，不断印证着我们的预测，这是一个由外向内的信号流。通过这两个连续不断的信号流，大脑一边预测一边反馈校准，形成了我们对于这个世界的整体认知，于是我们称之为现实。 对于意识的另一层自我意识。赛斯说，自我也是一种幻觉，视觉错觉确实可能会欺骗我们的意识，但自我的感觉怎么会是假的呢？赛斯认为，其实有很多方式可以体验自我的感觉，比如著名的橡胶手幻觉实验， 首先将你的一只真手遮盖起来，取而代之的是你面前的这只橡胶手，然后同时轻触两只手的同一部位。对大多数人来说，只需很短的时间，你就会感到假手成为了你身体的一部分。此时突然用一个锤子用力敲击这只假手，你会瞬间感到一种近乎真实的痛感。 类似的身体错位实验还有很多，前面这个实验的要点在于，兽师对象一开始是明确知道这只是一只假手，但随着视觉触摸和感知触摸的持续结合，这足以让大脑做出他的最佳预测，认为假手就是身体的一部分。 更进一步，我们并非只是单纯的通过外部感知来认识身体，身体内部时时刻刻都在产生着大量信号，比如心跳、血压、呼吸以及一些我们无法察觉的微妙信号。脑神经科学家 将这种来自身体内部的感知称之为内感，虽然常常被我们忽视，但他们却异常重要。你所有的内感知加起来，让你强烈感觉到拥有一个完整的身体。这是我们最基本的自我体验，深深扎根于我们数百万年进化出来的生物体之中。 符合预测，形成幻觉。无论是对外部的体验，还是对自我的感知，你的自由意志、你的社会身份认同，都只不过是你自己给自己编的故事而已。 持续的幻觉形成了你的意识，然后这个意识又反过来帮助我们更好的预测和判断，更好的指引生活，同时避免身体受到伤害。 可以说，赛斯的这一套理论是目前看起来对意识最完整自洽的解释，并且已经在很多精神类疾病的治疗中有了不少的实际应用。迪卡尔以为外部世界都是幻觉，只有他自己在思考这件事是真的， 而殊不知，外部世界都可以是真的，只有他在思考的这件事才是最大的幻觉。 看到这里，我们知道了所谓的意识，包括你对身体的感知、你的情感、你的身份认同、你的信念，所有这些都是幻觉。 这些幻觉对我们的生存和日常形式非常重要。但同时，这些幻觉也构成了我们的各种执念，比如我过得不快乐，一定是钱赚的还不够，大家都不喜欢我，一定是我还不够优秀等等。我们既然费这么大功夫认识到了这一层，那就应该尝试学着如何去破除这些执念。 首先，你要知道，大脑中的这种自我感其实不止一个，左脑和右脑就是不同的两个自我。你可能很早就听说过，我们的左右脑对身体的控制和感知是交叉分布的，左脑控制右侧身体， 右脑控制左侧身体。左眼看见的传给右脑，右眼看见的传给左脑。左右脑之间通过一团叫做片肢体的纤维连接在一起，互相通讯，这才使得你感觉到自己是个整体。但如果连接中断，神奇的事情就发生了。 早在上个世纪就已经有人做过类似的实验，研究者为了治疗癫痫病，将连接左右脑的偏肢体给切除了，然后病人接下来的表现令人震惊。研究者先遮住病人的右眼，给病人的左眼看一个指令，请他站起来走路。病人很听话的站起来就走， 然后研究者问他，你为什么站起来走路？结果他的回答却是，因为我想进屋去拿个东西。这是因为人的语言区在左脑，而左脑之前并没有看到那个指令，所以左脑其实并不知道自己的身体怎么就突然站起来走路了。但同时 他又需要给自己的行为找个解释，然后病人就会对这个解释深信不疑。诸如此类的实验，还有很多都指向了一点，人的左脑非常善于凭空编造理由，并且你并不知道自己是在编造。 人的大脑是个非常复杂的多元正体，无时无刻都在冒出着各种声音，但那都不是真正的你，谁才是真正的你呢？事实是，并没有所谓真正的你，自我是个幻觉，无我才是真相。 最后，我来为大家总结下今天的内容。对于意识这个神秘的话题，从哲学家柏拉图和迪卡尔的身心二原论到脑神经科学家的巨深认知， 从视觉错觉实验和自我感知实验到阿尼尔塞斯的意识是个幻觉，人们一次又一次刷新着对于自我的理解，但这还远没有结束。真实世界过于复杂， 于是我们演化出了各种听觉、视觉来代替声光信号，用生成各种情感来代替复杂局面下神经网络的计算结果，用自我感来更好的管控组成身体的所有原则。他们就像是一种快捷方式，是对真实世界的一种抽象与简化。而既然是简化，就一定有偏差。 所以金当金说，凡有所向，皆是虚妄。但如果说这一切都只是个受控的幻觉，那我们从中又能获得什么样的启发呢？一个比较好的说法是，既然身体能影响意识，并且意识又源自于我们主观的体验， 这意味着你可以主动选择你的体验。疼痛的信号确实无法避免，但所谓的苦只是你主观上创造出来的一种意识，是一种受控的幻觉，而这个幻觉你是可以掌控的。弱者抱怨环境，而强者在最困难的环境下也能 保持精神上的开放自由。看完本期视频，希望在你下次冲动亦或是深陷于强烈的执念而无法自拔时，能时不时提醒自己一句，这一切都只是个受控的幻觉。 前面我们讲过一期关于自我意识的问题，所谓的我也许并不存在。今天我们再接着讲一个更重要的问题，自由意志。 自由意志不等于意识，意识是我们对外界的所有主观体验和认知，是那个自我的感觉，而自由意志的意思是我们的一切行为是否都已被外界所决定。 我先问大家一个很简单的问题，假设现在有人做了一件坏事，在下面三个选项中，你会选择哪一个？一、不论这个人自身是什么情况，他都应该被惩罚。二、得看这个人的主观因素有多大。如果他 的主观因素小，不能控制自己，就应该减轻甚至是免除惩罚。三、不论这个人自身是什么情况，他都不应该被惩罚。 首先，排除选项一，我们知道精神病以及神经系统类疾病能作为辩护理由，在法律界已经基本达成共识，如果一个人只是身体有病，而主观上并没有恶意，那我们就不能惩罚他。 对于剩下的两个选项，我相信大部分人都会选选项二。但问题是，我们如何判断一个人的行为有多大成分是主观的，是他自己控制的呢？换句话说，他的行为在多大程度上是出自于他的自由意志。 通常人们认为，人的属性可以简单划分为基本生物属性和精神属性。生物属性是天生的，是我们不得不接受的，但精神属性是可以主动选择 的，是自由意志。比如有个人患有侏儒症，天生就长不高，你会因此嘲笑他吗？一百年前的人可能会，但现代人应该不会，因为你知道长不高并不是他的错。 再比如，有个人唱跳 rap 都不错，但一打篮球就不行，你会因此指责他吗？你大概也不会，因为你知道每个人的天赋点都不一样，没有篮球天赋也不是他的错。 在现代社会的普遍认知中，身高、相貌、天赋、智商性取向以及一些典型的性格特征，都属于基本的生物属性，是你生来如此不得不接受的。但天赋不够， 努力来凑，像努力、勇气、自控力这些品质则都是精神属性，是你可以主动选择的，是自由意志。但事实是，这个普遍认知是错的。只要你稍微懂一 点脑神经科学，你就知道，所谓的精神属性，所谓的那些备受尊敬的崇高品质，归根到底其实也都是生物属性。一九八零年代，神经生理学家本杰明理贝特做了一个被传送至今的经典实验，实验中让受试者做一个简单的选择动作，比如打开还是关上一个开关， 然后科学家使用核磁共振，同时观察受试者的大脑活动。实验结果有两个重要发现，一，在受试者意识到自己做出选择的几百毫秒甚至是几秒之前，大脑其实已经提前做出了选择。二， 当你意识到大脑的选择之后，到你实际做出动作的两百毫秒之前，你还可以决定不执行这个动作。第一个结论似乎证明了人没有自由意志，你的大多数决策并非来自于你的意识，你的意识只是大脑的嘴替，而大脑 非常善于编造故事，让你无比相信这就是你自己的选择。第二个结论似乎是给自由意志留下了一点发挥空间。但这个否决权又来自于哪里呢？答案是前额叶皮质。 前额叶皮质是我们大脑中一个非常重要的脑区，它位于大脑的前额，他是哺乳动物演化史中最晚出现的脑区是灵长类动物相对于其他动物最特别的脑区，也是个人成长过程中最晚成熟的脑区。 前额叶皮质最最重要的作用就是帮你控制冲动、调节情绪延迟，满足长远规划，让你在面对冲动和诱惑时，能做出你认为正确的事。 每个人都会有一些很私密的想法，比如开会时想骂领导和美女，坐在一起时想入非非，看见讨厌的人想打他一顿等等。但你想归想，你不会真的做出来， 而前额叶皮质受损的人是真的会做出来。研究表明，那些因为暴力犯罪入狱的人中，有相当大比例的人头部受到过创伤，同年受到家暴或校园霸凌，也会让人的整个前脑功能区都容易比别人小，从而影响前额叶皮质的发育。 为什么青少年总是意气用事，容易冲动？因为他们的前额叶皮质还没掌权，他们控制不住自己。 所以从脑神经科学的角度看，意志力薄弱、自控力差和身高长相并没有什么本质的区别。正如你的大腿不会有肌肉能力之外的力量，意志力也只不过是一种基本生物属性而已。 现在我们知道，不仅是身高、长相，连意志力、自控力这些所谓的精神品质，其实都是人的基本生物属性，都不算是你的自由意志。但你 可能还是会有所疑惑，我们脑海中时时刻刻都在冒出来的各种随机的念头，难道不是自由意志吗？比如此时我如果想吐个舌头，你们谁也拦不住我。 著名斯坦福大学神经生物学家罗伯特萨伯斯基在二零二三年新出了一本书，叫做注定没有自由意志的生命科学。书中萨伯斯基的观点非常强硬，他认为不论是在任何层面，你都没有自由意志。 不仅你此刻的行为是注定的，你的所有起心动念在此时此刻也都是注定的。萨波斯基把所有影响你此时此刻想法的因素按时间顺序从近到远逐个罗列，来论证你是如何被一步步注定的。 首先，前几秒到前几分钟的情形决定了你此刻的身体感觉，而人体是个巨深智能，身体感觉会影响你的意识。当你闻到恶心的气味 或看到恶心的东西时，你更有可能认为同性恋不道德。这是因为大脑中用于辨别食物变质的区域和对不道德的事情感到厌恶的区域是同一个地方。脑岛，当脑岛感到恶心的时候，同时也会影响你对事情的看法。 反过来也是一样，当你做了一些不道德的事情时，你会感到自己不干净了，你会变得更想去漱口、洗手，甚至是洗澡。你此刻身体的所有状态都在影响你此刻的决策。 其次，前几分钟到前几天的情形决定了你的激素水平，而激素水平会显著影响你的行为。比如有个激素叫做高酮，他能提高你的攻击性，增强你的自信心。 随着年龄增长，你的整体高筒水平会逐渐下降，但和人打一架或者发生性行为都能短暂提升你的高筒水平。还一个有意思的激素叫后夜加压素，就像催 产素能让雌性更爱自己的配偶一样，后夜加压素能让雄性动物更忠于妻子，更想好好抚养自己的孩子。一次美好的性行为能让雌性感受到更多的催产素，也能让雄性感受到更多的后夜加压素，从而强化彼此的忠诚。 实验证明，如果通过药物提高雄性大脑的后叶加压素受体水平，就能把原本是一夫多妻制的聂齿类动物给强行改成一夫一妻制。 你以为你不羁放纵爱自由，其实只是你的激素水平不太够。前几周到前几年的经历，决定了你大脑神经网络的结构，这其实就是神经网络的学习作用，学习会改变大脑。 比如同学们在看我视频时常说头好痒，要长脑子了，其实是真的在长脑子。一个人如果失明后学习阅读盲文，他的手指就会逐渐变得非常敏锐，能快速的摸出文字来。 这是因为大脑把他指尖的触觉给映射到了视觉皮层的神经元上。人心都是肉长的，大脑也是，此刻的所有外部输入经过大脑中各个模块的神经网络后，就决定了你此时此刻的输出。 青春期发生的事情决定了你的前额页皮质。社会经验，单纯的人做事更容易一根筋，而复杂的社会经验会让你的前额页皮质也更加强大，这能帮助你在面对复杂局面时更容易做出正确的决策。 再往前，童年发生的事情则主要决定一些更基本的倾向，比如抵制诱惑的能力。如果一个人小时候受到过身体或情感上的虐待，或者家庭不完整，被家长忽视等等， 这些不利因素每增加一项，这个人成年以后出现反社会行为的可能性就会增加很多，他会更容易抑郁和焦虑， 更可能从事危险行为，比如暴力倾向、滥用药物性滥交等等。甚至当你还在母亲子宫里的时候，血液循环中的各种成分就已经在影响大脑功能了。再往前，遗传基因、家族文化、社会文化等等都在影响着此刻的你， 所以你之前所经历过的所有事情，完成了你此刻的生物性塑造。再加上你此刻所处的环境，包括网络算法对你的精准推送，商场里听到的音乐，路人穿的什么颜色的衣服等等，所有这些因素叠加起来，造就了你此刻一个不可更改的决定。 如果你相信因果率，也就是世上既没有无因之果，也没有无果之因，那整个因果链就一定是牢牢所死的。你自以为的自由选择，只不过是你既意识不到也数不清的很多原因导致了相应的结果而已。当然，你可能会说，量子力学就是不确定的呀。原子核 衰变似乎没有任何理由，是纯粹的真随机，但随机也并不是你的自由意志，我们生而不自由，无往不在枷锁之中。罗翔老师很喜欢拿这句话来形容法治社会中的我们， 但其实他原本是出自于二零一二年的一本叫做自由意志的书，作者是脑神经科学家山姆哈里斯。所以萨波斯基也说，抛开一切的生物因素，你没有一根神经元是真正自由的。 世界是如此的精妙和复杂，以至于直到一百多年前，西方几乎所有人都还坚定不移的相信上帝的存在。直到有一天，达尔文发表了进化论， 人们才知道，所有生物都是自然演化出来的，不是上帝创造的，这对当时人们的思想造成了巨大的冲击。相信上帝的好处是世间的一切善恶因果，上帝自有安排， 我们不用操心。但如果没有上帝，我们是自己的主人，我们就得对自己的行为负责。于是，人们发展出了一套道德标准，我们赞美做好事的人，谴责做坏事的人。 但这一切都有个基本前提，那就是人都有自由意志。如果人没有了自由意志，那一切的道德审判似乎就没有了意义。比如一个人长得好看，你会羡慕，但不会过分称赞，因为那都是基因决定的，跟他自己主观上没关系。 董宇辉虽出身寒门，但通过读书改变命运，成为全民女婿，你会称赞他吗？理论上讲，那也不是他的主观能动性。生物学认为，归根结底，董宇辉也没有自由意志。 除此之外，我们还需要重新审视惩罚机制。过去的两百年间，人类文明的一大进步，正是把一些原本认为是精神属性的表现，也 规定成了生物属性，比如癫痫。癫痫是一种中枢神经系统疾病，发作时人可能会肢体不受控制，会倒下，口吐白沫，甚至失去意识。 在古代，欧洲人对癫痫最普遍的看法是鬼附身，人们认为癫痫发作者的灵魂被污染了，于是对他们进行迫害、折磨，甚至是杀害。 后来人们才逐渐意识到，癫痫其实就跟感冒一样，只是一种生理疾病。一八零八年，一个在癫痫病发作时杀了人的罪犯被无罪释放，那是第一次有人说，那不是他的问题，那只是他的病，那是现代文明的曙光。 同理，有肥胖体质的人并不是生性懒惰、有阅读障碍的孩子，并非是天生讨厌学习兴趣相不一样的人，也不是怪物。接受他人的生理属性而不 附加任何道德评判，是人类社会的进步更进一步。如果人没有自由意志，那犯罪分子跟癫痫又有什么本质区别？不都是生理上有问题吗？我们为什么非得惩罚杀人犯和小偷呢？死刑的意义又在哪里呢？ 这里涉及到的问题就有点敏感和复杂了，以后有机会单独再做一期和大家聊聊。当然，实在感兴趣的朋友可以先自己去了解下挪威对待犯人的做法，可能会让你思路打开。 最后，如果人没有自由意志，你的一切选择都是注定的，那努力还有什么意义呢？我们岂不是都应该佛系躺平？ 注意，我们这里说的注定，并不是说你注定会在三十岁前暴富，也不是说你注定就会一事无成。注定的不是结果，而是选择。结合你的所有过往、经历、基因以及历 是枷锁。在某个具体情况下，你注定会做出这样的选择，而不是其他选择。比如，有些悟性较高的人，一旦看到我的视频，注定就会点进来，然后点个关注，然后变得聪明了一点点，成为更好的自己。 有些人看到后注定会视若不见，默默划走，而还有些人看到后注定会受到一些刺激，然后在评论区口吐芬芳。 不过话说回来，也正是只有反直觉到有可能遭受嘲笑的道理，才值得我认真的去讲给大家听。因为你知道躺平的后果，所以你注定不会选择躺平， 你还是会继续过正常日子。但你如果真的理解了人没有自由意志，你就注定被我改变了一点点，你可能会变得更加宽容。比如你可能不再会去责怪那些看起来不太努力的人。对于所谓的笑贫不笑娼，生来贫穷不是你的错，死时贫穷才是你的错之类的话，你也许 能有更深的见解。也许有些人压根就不在意贫穷，也许有些人因为条件有限，确实没那个能力，也许有些人的运气确实是不太好，也许人家所处的大环境是真不行，所有这些都是被一步步注定的，没有任何可指责之处。 你看人家收入低，就让人反思这么多年有没有努力工作，工资涨没涨。这是典型的站着说话不腰疼。所以认识到别人都没有自由意志，会让你的心胸更加开阔。而认识到自己也没有自由意志，或许能让你对自己的人生境遇更加释怀。 第一层黑洞最早其实是叫暗星一七八三年，也就是牛顿提出万有引力的百余年后，身为天文学家、地理学家的英国哲学家约翰米歇尔首次意识到 宇宙中可能存在着一种天体，连光也无法逃逸。根据牛顿的光威力说，光粒子的速度有限并具有动量，那么他就一定也会受到万有引力的影响。 而根据牛顿力学，天体的逃逸速度和天体质量，除以半径的平方根成正比，如果天体密度不变，那逃逸速度就直接和半径成正比。 所以，如果宇宙中某个天体的密度或尺寸足够大，大到他的逃逸速度超过了光速时，那么他就不可能被我们看到。 米歇尔将这种无法被看见的天体命名为暗星，这个暗星的确是和我们现在说的黑洞很像，但他俩还是有着本质的区别。米歇尔说的暗星只是一种密度大一点、半径大一点的正常天体，仍然可以由牛顿力学所描述，并不具有黑洞的各种奇异性质，并且 且他的两大理论基础，万有引力和光威力说其实都是不准确的。很快，一七九九年，牛顿的光威力说就被惠更斯的光波动说取代，而如果光是一种波，那显然就不会与引力场发生相互作用，那暗心就不可能存在。 于是这个暗心的概念很快就被人们遗忘了。第二层黑洞来自于广义相对论的第一个精确节。 一九一五年十二月二十二日，爱因斯坦收到了一封来自驿站战壕的信。破旧褶皱的信封上覆满尘土，计件人的姓名也已经被一大块血迹浸透。打开后他才看到这个天才的名字，卡尔施瓦西。 爱因斯坦被这封刚到手的信深深震撼，因为信中包含了他广义相对论引力场方程的第一个精确解。而他自己作为理论的提出者，面对这个复杂 且高度飞线性的偏微分方程，也仅仅只能给出找到近似解的数学技巧而已。史瓦西能在充斥着毒气和爆炸的战场中在短短一个月内给出精确解，简直就是一个奇迹。 施瓦西通过采用球坐标系得到了一个禁止不带电且球对称物体外部的时空弯曲情况，简单说就是引力场的分布， 其中二是球外任意一点离球心的距离。 rg 是引力半径，也叫施瓦西半径。可以看到这里面有两个非常特殊的位置，当 r 等于 rg 以及 r 等于零时，都会出现无穷大 式子中的 d s 是世界线源， d t 是无穷远处及外部观察者看到的时间变化。经过简单线源变换，就可以得出外部视角和冒险者本身的时间对应关系。其中地涛 就是冒险者感受到的时间极固。有时，当 r 大于 r g 时，随着物体越来越接近石瓦西半径，在外部视角看，其时间流失速度将变得越来越慢，直到完全静止。 而一旦二小于 rg 代表时间和空间度归的符号对调，此时空间表现出时间的不可逆行。也就是说，无论你如何运动，你的未来已经指向了这个引力中心。于是所有物质包括光都将不可避免的被压缩成一个临危的点。 你可能还是不太明白，这个所谓的时空对调和不可避免到底要如何理解。我在广义相对论的第二期视频中曾讲过， science take 做过一个非常形象的描述时空弯曲的动画。所谓时空弯曲，其实就是空间随着时间的流逝不断被拉向引力中心，这个其实也叫河流模型， 他比所谓的床单模型要更好理解，而在十瓦西半径内，空间流的速度将超过光速，这就使得物体在空间中的运动获得了意为时间的单向属性。注意，虽然根据狭义相对论，任何物体在空间中都无法超过光速，但空间本身可以， 所以在施瓦西半径下，任何事物和信息都无法再逃离出去，都会随着空间流的陷入而被挤压到球星处，形成一个奇异的点，也叫起点，而这个边界也被称之为世界世界。 由于在施瓦西半径内连光也无法逃离，所以他看起来就像是一个黑乎乎的洞。于是后来脑洞很大的约翰惠勒就将这种当时还只是数学上存在的神秘物体命名为黑洞第三层。任何物体都有可能 被压缩成黑洞。当施瓦西从数学上预测出黑洞后，直到一九三九年，奥本海默才从物理意义上证明了宇宙中的确可能产生黑洞。 如果一个恒星的质量足够大，超出奥本海默极限，当他的核聚变燃料耗尽，连炮力不相容原理加持下的各种碱并压力都无法抗衡时，世上就再也没有任何一种力量能顶得住如此强大的引力，物质就会无限向内瘫缩，最终形成黑洞。 事实上，这只是黑洞形成方式的其中一种。根据前面的石瓦西半径计算公式，任何有质量的物体都对应着一个石瓦西半径， 比如太阳的施瓦西半径是三公里，地球的施瓦西半径是九毫米。也就是说，如果你能将整个地球压缩到一个弹珠大小的体积内，那么地球就会变成一个黑洞，像这种 小黑洞虽然无法通过恒星的自然瘫缩形成，但在早期宇宙的致密高温高压环境中，确实有可能。这类在宇宙早期就诞生的黑洞被称之为原初黑洞。根据早期宇宙模型的计算，他们的质量通常较小，最小的不到一克，最大的也就只有十亿吨。 这种圆出黑洞由于质量小，其石瓦西半径也就很小，而宇宙又是无比的空旷，所以他们很有可能从诞生起就一直无法进食，从而无法形成吸机盘，孤零零的飘荡在宇宙空间中，很难被观测到。 甚至曾有科学家提出所谓的神秘暗物质，搞不好就是这些隐藏的原出黑洞，但前提是原出黑洞的数量要极其庞大才行。但如此庞大数量的黑洞，讲道理很难不撞上某个天体而被发现，所以目前还不能成为解释暗物质的主流学说。 另外，在大型强子对撞机建立的初期，曾经就有反对声音提出对撞机有可能会撞出黑洞，从而毁灭地球。事实上，目前的大型强子对撞机所聚集的能量尚不足以产生黑洞，同时高能宇宙射线一直在以比对撞机更高的能量不停轰击着大气和月球， 而我们的地球好像也并没有因此毁灭。即便在实验室真的撞出来了一个微型黑洞，根据后面即将要讲的霍金辐射，他也会立即蒸发掉，无法产生显著影响。 第四层黑洞无毛对于物理学家来说，哪怕是一块糖、一粒沙子，在微观层面上都是极其复杂的物体，相比之下，黑洞反而简单的多。二十世纪六十年代，约翰惠乐和他的学生贝肯斯坦共同提出了著名的黑洞无毛猜， 意思是只需三个手衡量质量、脚动量和电荷，就能唯一确定一个黑洞的性质。不过惠乐提出黑洞无毛石也只是拍脑袋的猜想，并没有给出严格的证明。 直到一九七三年，霍金和卡特尔等人才从数学上严格证明了黑洞无毛定理。只要两个黑洞的这三个物理量相同，那他们就具有完全相同的时空几何。 所以一个黑洞其实就和一个基本粒子一样简单，区别就在于基本粒子处于微观，而黑洞具有宏观效应。不过近几年，有部分学者开始研究所谓的带毛黑洞，一种全新的黑洞长毛机制。 不过这些都是建立在黑洞的角动量或电荷达到极值时对世界世界产生的不稳定影响，并且即便是有矛，其存在时间也非常 短暂，所以我们目前仍然可以认为黑洞就是无毛的第五层。黑洞无毛但有伤有一天，惠乐和学生贝肯斯坦正在悠闲的喝下午茶，惠乐又开了下脑洞，问贝肯斯坦说，如果你倒一杯热茶到黑洞中会如何？ 会乐的意思是说，热茶既有热量又有伤，但黑洞无毛，一切物质被黑洞吞下后就消失不见了，这就使得总体的伤值减少了，这显然违背了伤增定律啊。 事实上，在完成黑洞无毛的证明后，霍金就发现，如果黑洞真的是如此简单，那就一定会导致伤的丢失。所以霍金认为黑洞无毛也无伤，这在当时还得到了许多科学家的认同。 但事情真是这样吗？贝肯斯坦坚信伤增定律不会被打破。当你扔进黑洞一杯热茶后，茶是 消失了，但为了保持整体的伤值不变，黑洞的伤应该增加一点点来抵消查失去的伤才对。考虑到在这个过程中，黑洞获得了质量，质量增大世界，世界的半径就会增大，于是贝肯斯坦断言，整个黑洞的伤应该正比于世界，世界的表面积。 霍金听说后表示，这绝对不可能，因为要有伤就得有温度，有温度就会存在热辐射。 而广义相对论描述的经典黑洞连光都逃脱不了，怎么可能还有热辐射？直到后来霍金在黑洞中引入量子力学后才发现黑洞的确是会有一个辐射，才不得不接受了黑洞商的想法，并给出了黑洞商和世界面积的精确比例系数。 后来这个黑洞商的表达是被人们称为贝肯斯坦霍金商，并在此基础上衍生出了一个全新的热 物理学分支。黑洞热力学著名的全息原理就是在此基础上提出全息理论，认为被吸入物体的总信息量与黑洞世界的表面积相关，信息可以在黑洞的世界中编码。 随着物体穿过事件世界，黑洞世界会形成一个全稀图。而这一切都是建立在弦理论中一种叫做反德西特共行场论的队友关系之上。 简单来说就是一个高维的量子引力理论，可以由低维的不含引力的共行场论来等价描述 该队友关系，允许量子纠缠将信息刻在霍金辐射上，于是我们就可以通过捕获黑洞在整个生命周期中辐射的每一个粒子来恢复这些信息，也就解决了所谓的信息悖论问题。所以即便是强如黑洞，也无法逃脱商增的命运。第六层黑洞不黑， 他能散发辐射。众所周知，真空并不空，他时时刻刻都在产生正反虚粒子队。所谓虚粒子，就是说他们不能稳定存在，会在极短的时间内互相湮灭掉。这个正反虚粒子队是否有可能转化成实粒子呢？ 事实上，虚粒子转化成实粒子的现象已经被观察到，这个现象被称为动态卡西尼尔效应。 静态的卡西米尔效应相信大家应该都比较熟了，指的是两个静止平面之间的相互吸引。而动态的卡西米尔效应则是两面镜子在做快速震荡。这个不断加速移动的镜面可以将虚光子变成真实的光子， 其过程可以简单解释为加速度破坏了虚粒子的正常时间关系，使其存在时间变长，长到虚粒子成为实粒子而被发射出来。如果将这种 来回震动的变化推广到云加速坐标系，其实也会得到一种辐射，也就是安鲁辐射。安鲁效应说的是，如果一个人在完全没有实力，子温度等于绝对零度的真空中做云加速运动，那么他就可以感受到一个与其加速度大小成正比且不为零的温度。 在他看来，他的周围环境不再是只有虚粒子的真空。具体原理稍微有点复杂，感兴趣的话，咱后面单独再讲一期。安鲁效应说明真空的状态并不绝对，而是与观测者所在的参考系有关。惯性参考系与非惯性参考系看到的真空其实是不一样的。 再进一步，根据等效原理，加速度和引力场等效，也就是说，在强大的引力场附近，也有可能发生虚粒子转化成实粒子现象。事实上，这就是霍金辐射产生 的根本原因。而我们通常看到的关于霍金辐射的解释是霍金给出的科普版本，更容易理解，一般是这么说的，假如有一对正反蓄力子在黑洞的世界世界边缘产生一个在世界内，一个在世界外。 世界内的粒子由于黑洞强大的引力掉入黑洞，根据洞量守恒，世界外的粒子则会朝着相反的方向逃离黑洞。从外界看，这个过程就像黑洞向外发出了辐射。 但问题是，本来正反粒子是要把能量还给真空的，现在世界外的粒子却独自带着一半的能量跑路了，那这个能量谁来还呢？只能是由黑洞这个大冤种来帮忙还了。 因此，霍金辐射将会使黑洞损失能量，导致世界面积逐渐减小，最终彻底消失。越小的黑洞，霍金辐射就越 越剧烈，表现出来的温度就越高，其寿命也就越短。越大的黑洞，反而霍金辐射越弱，寿命就越长。 一个质量为十千克的黑洞，温度可以达到一百二十万亿亿摄氏度，寿命大概只有八十四飞秒。太阳质量大小的黑洞，其辐射温度的数量级在十的负八次方 k， 寿命更是高达十的六十七次方年，几乎是永恒的存在。 对于绝大部分黑洞来说，由于他们的温度远低于宇宙背景辐射的温度，可以直接从宇宙背景辐射中吸收能量，所以这些黑洞的质量只会增加而不会降低。 而对于那些本就很小的黑洞，霍金辐射只会越来越强，质量越来越小，然后最终在一片无比剧烈的闪光中蒸发殆尽。第七层，即使是在外面看，掉入黑洞的物体也能在有限的时 间内穿过世界世界。在惠乐提出黑洞这个词之前，奥本海默曾管他叫冰冻星，只不过他冻结的不是物质，而是时间。从石瓦西界，我们知道世界世界处的时间流逝速度等于零， 所以一般的科普会这样说，如果你的朋友不小心掉入黑洞，在你的视角看，他并不会直接掉进去，而是变得越来越迟缓，无限接近世界世界，但永远也无法穿过他。而在他自己看来，他自己的固有是不会变，所以他会径直穿过世界世界，落入黑洞。 但如果你进一步细想，这里面其实有个大问题，如果所有物体都只能无限接近于世界，世界，黑洞就永远也无法在有限的时间内将物体吞掉。那如今宇宙中的这些大黑洞都是怎么来的？黑洞合并又是怎么发生的？这个问题被物理学家称为冰冻星 被论。对此，二零一零年的一篇论文给出了相应的解释。前面一般科普的说法忽略了一点，那就是掉入黑洞的物体都是有质量的。 对于质量不为零的物体，在接近世界世界时，黑洞和物体整体的质量就增大了一点点。如果将这个整体看作为一个新的黑洞，那新黑洞的世界半径就会扩大一点，从而把即将进入的物质给慢慢吞掉。 据计算，这个世界面扩大覆盖物体的过程可以在有限的时间内发生，具体取决于物体的质量大小。 当然实际过程要更加复杂，感兴趣的同学可以去看看。论文原文我放在视频简介处，总之，这其中的要点是世界。世界并不是一个固定不动的边界，他会因为外部质量的到来而逐渐扩大。第八层真实 的黑洞比施瓦西描述的更加神奇。既然黑洞只需要质量、电荷以及绞动量这三个物理量就能完全确定其性质，那根据有无电荷和绞动量，我们可以将所有的黑洞分为这四种。 黑洞一般不带电，就算带电也会因为同性相斥、异性相吸而很快中和。但现实中基本上所有黑洞都是旋转的，这种旋转黑洞的情况就比较复杂了。 在施瓦西黑洞精确解问世之后，又过了将近半个世纪，直到一九六三年，新西兰物理学家罗伊克尔才终于得到了旋转黑洞的解。从这个解可以看到，在二等于这四个位置时，也会出现无穷大。这四个位置将克尔黑洞划分成了五个区域。 首先是能层，广义相对论和牛顿的引力理论有一个非常大的区别，就是任何旋转的物体 都会对其周围的空间产生一个拖拽效应，也称参考系拖拽。零四年，美国宇航局发射的引力探测器壁，在测量地球附近时空区域的同时，也测出了参考系拖拽效应，完美符合爱因斯坦的广义相对论。 只不过对于地球来说，参考系拖拽的影响非常小，但对于黑洞来说，这个效应就非常惊人了。因为参考系拖拽科尔黑洞的事件世界外产生了一圈叫做能层的怪异区域， 在这个区域内，空间本身以超光速绕着黑洞旋转，这意味着在这里的所有物质，包括光都被迫沿着黑洞旋转的方向运动。 这其实和史瓦西黑洞事件事件内的空间以超光速流入黑洞中心类似。在数学上，这种空间本身的超光速运动也叫时空互换，其本质上就是空间 以超光速运动时，物体的运动方向将变得和以为的时间一样不可逆转，而在能层中切向方向也变得具有时间的性质。另外，之所以叫做能层，是因为彭罗斯发现，理论上我们可以从这里获得大量能量，具体原理咱们以后再单独细说。 能层下就是世界世界旋转黑洞的世界，世界不再是球形，他在两极处更扁，而能层的形状也和世界世界差不多，但在两极处会向下凹陷，与世界世界相切，有点像一个南瓜。 和施瓦西黑洞不同的是，科尔黑洞还多了一个内饰界面，这是因为黑洞的旋转会产生巨大的离心力来抵消重力，随着逐渐靠近黑洞中心，这个向外的离心力就越强，这会导致最终的空间流逐渐又减缓到小于光速，所以就产生了第二个世界面。 在第二个世界面内，时空变回正常顺序，此时你不再是不可避免的坠落，你可以在这里自由探索黑洞内部，再往下就是黑洞的中心。和施瓦西黑洞不一样的是，这里不再是一个点，而是因为旋转被甩成了一个密度同样是无限大的环，称为奇环。 七环被第二个能层所环绕，在第二能层内，空间的旋转流速再次超过光速。在这个区域内，你有两个选择， 要么掉头原路返回，要么跳进七环。但不论选择哪条路，要想理解在这之后发生的事情就稍微有点复杂了，会涉及到时空图、光锥、侧地线、彭罗斯图白洞、虫洞等。 掉进施瓦西黑洞基本上是十死无生，但掉进科尔黑洞或许还能有一丝生还的可能，甚至数学上还允许你穿越平行宇宙或者 回到过去。如果本期视频能点赞过万，那我就单独再做一期，给大家仔细讲讲。 第九层起点或起环有可能不在世界世界内，而是裸露在空间之中。我们已经知道，科尔黑洞比施瓦西黑洞多了个内饰界面，而这一切都是因为黑洞的旋转。黑洞旋转的越快，对空间的拖拽越厉害，形成的内饰界面就越大，两个世界面之间的单向区域就越小。 一般情况下，黑洞的搅动量不会很大，因为只要吸入的物质足够多，搅动量的方向随机分布，会自动互相抵消。但如果运气足够好，连续在同一个方向上吸入了非常多的大质量天体， 使得黑洞的旋转速度足够快，快到内外世界面完全重合，单向区域消失，此时黑洞中心的奇环就会暴露出来，理论上我们就可以 近距离观察奇环这个宇宙级的五 a 景区了。当然，除了旋转会产生内饰界面外，电鹤也会产生同样的效果。但前面也说了，现实中的黑洞一般带电量不会很大，这里就不做过多讨论。那奇环或起点的暴露会有什么后果呢？ 事实上，所谓的起点和奇环，其实就是数学上崩溃的地方，这里的时空弯曲程度达到了无穷大，所有物理定律都无法适用，甚至可能会破坏时空的因果结构，产生无法想象的严重后果。 所以物理学家们非常希望他永远藏在世界世界之内，不要暴露在我们可触及的时空之中。对此，彭罗斯曾提出过一个宇宙监察假说，就是说总有那么一条规则，使得自然界产生一个起点时，就必定会同时产生一个世界面把它包起来。当然，这并未得到数学上的严格证明， 不然你猜他为什么只能叫假说？第十层，我们的这个宇宙或许就在一个更大的黑洞内。众所周知，目前主流的宇宙学模型是大爆炸理论，但除此之外，还有许多非主流的宇宙学模型同样不可忽视，比如全息宇宙、黑洞宇宙模型等等。 其中，黑洞宇宙模型认为，宇宙中的一些较大的黑洞内部可以存在紫宇宙，而我们这个宇宙则在一个更大的母宇宙中，母宇宙外面是更大的祖母宇宙。无限套娃在黑洞宇宙膨胀的过程中，可能和姐妹宇宙相遇，从而合并成更大的宇宙 黑洞。如此极端，他怎么可能是一个宇宙呢？事实上，虽然小黑洞世界处的时空区域很大，会将物质撕碎，但大质量黑洞世界处的区域通常都比较小，比较温和，物质 能完好无损的穿过世界世界进入黑洞内部。并且，如果你仔细对比就会发现，宇宙学和黑洞理论的确存在着许多惊人的相似性。首先是大爆炸时的起点， 这个宇宙学的起点实际上和黑洞内部的起点一样，都只能用趋近于普朗克能标上的物理学，也就是量子引力来描述。另外，可观测宇宙的边界和黑洞的世界世界也存在着高度的相似性。 一九九八年，通过超新星的观测数据，我们发现宇宙正在加速膨胀。由于我们的宇宙时空近乎平坦，所以可以用德西特度归来描述。经过简单的积分运算就能得出加速膨胀的宇宙同样也具有一个世界世界， 这和黑洞的事件世界的数学结构完全相同。只不过黑洞的世界是空间以光速向内收缩， 而宇宙的世界是空间以光速向外膨胀，在宇宙学世界之外的光永远也无法到达我们这里，这就是我们的可观测宇宙。同时，霍金和剑桥大学物理学教授 debence 也有研究表明，这种宇宙学世界同样也存在温度伤这些东西。 看到这里，聪明的宝宝可能就要问了，黑洞的密度那么大，但我们宇宙的密度这么小，怎么会是一样的呢？ 事实上，黑洞的密度的确可以很小，我们常说的黑洞的密度指的是它的质量，除以十瓦西半径内包含的体积，十瓦西半径是和黑洞的质量直接成正比的， 这意味着当黑洞的质量不断增大时，其密度将快速减小。比如太阳的施瓦西半径只有三公里。但如果是整个可观测宇宙呢？根据弗里德曼方程，我们可以计算出宇宙的密度， 从而得知可观测宇宙的整体质量。带入石瓦西的公式就能计算出可观测宇宙的石瓦西半径，结果发现这和他自身的半径惊人的接近。这意味着我们所身处的可观测宇宙，其本身就足以成为一个黑洞了。 黑洞强大的引力能产生一个与外面隔离的封闭时空。也许广义相对论并不能准确描述黑洞内部的状态，也许黑洞的确可以有一个稳定的内部结构，而不是坍塌成一个起点。也许所谓的宇宙膨胀就是黑洞宇宙在吸入外部物质时的体积扩张。 随着黑洞宇宙的膨胀，黑洞内部物质温度也随之下降，形成所谓的微波背景辐射。 在近一百年的时间里，物理学已经发展到足以描述我们身边几乎所有的一切。然而，黑洞的发现意味着我们或许还知之甚少， 但黑洞并不仅仅是一个问题，他是物理学的一次极好的机遇，是通往下一步的钥匙，也是理解宇宙终极法则的关键突破口。因为还有一个地方也是如今的物理理论所无法描述的，那就是宇宙的起源。 如果我们能够得到一个完美描述黑洞的理论，我们或许就能解答宇宙的终极奥秘，或许我们还需要一个有着如爱因斯坦般智慧的人，一个能够突然将一切解释清楚的新想法。 有些人认为这绝不可能发生，认为我们人类永远也不可能理解宇宙。但我还是相信初中时曾写下的那句爱因斯坦的名言，宇宙中最不可让人理解的事情是他是可以理解的， 又或者真。就像卡尔萨根最出色的学生尼尔泰森说的那样，黑洞虽然只是我们这个宇宙的一小部分，但却可能容下一整个宇宙，因为其惊人的引力能将其内部整 个宇宙的时空扭曲。当恒星摊缩成黑洞，其中心的密度和压力会无限接近于最初的大爆炸，大爆炸形成了我们的宇宙，而黑洞内也许也存在着自己的一方天地，这就是我们宇宙的由来。如果你想知道黑洞里的样子，不妨抬起头看看我们的四周。 有神论者相信神一定存在，而无神论者相信世上无神。但依我看，这两个所谓的相信都是缺乏充分依据的，我根本不知道神到底存不存在，所以我应该是属于不可知论者。 我认为不可知论并非是虚无主义或是消极主义，而是一种谦虚谨慎的看待世界的态度，是一种在没有充足证据前不轻易站队的思维方式。本期视频我们将用非常严肃的 的态度来讨论一个看起来不太严肃的问题，我们所身处的这个世界到底是真实的还是虚拟的？ 你可能早就想过这个问题。舒本华说过，整个宇宙都可能是陀螺纳神施展幻术制造的一个假象是摩耶之墓。 王阳明也曾说，你未看此花时，此花与汝心同归于寂。你来看此花时，则此花颜色一时明白起来，这也有很强的虚拟感。 迪卡尔也曾怀疑，当我没在思考或者睡着的时候，我可能就不存在。但这些思想家最大的问题是，他们的这些说法都是不可正伪的，你信也行，不信也罢，终归是没有证据。 但科学是可正伪的。所以我们现在就尝试从科学的角度来分析下这个问题。首先，什么是真实？如果世界是真实的，那就是说 他是客观独立存在的，不需要任何外部系统支持，自己就能慢慢演化。反之，如果世界是虚拟的，像刚中之脑或上帝操控那样，只模拟人的感知，那种情形是万能的，完全无法正伪，没有讨论的必要。 所以，我们单论我们是否有可能生活在一个计算机的模拟之中。比如，当你看到一匹马在奔跑，是真的有一堆组成马的原子在运动，还是只是某个外部程序根据算法一帧一帧模拟出来的结果？整个世界会不会因为外部主机的突然断电而顷刻间覆灭？ 乍一看，只要模拟程序永远不出 bug， 那世界式模拟的似乎也只是一个猜想，而无法被正位。其实不然，虽然从逻辑上确实很难直接证明世界是不是模拟的，但我们可以先从侧面来估算一下这件事的概率。在二零 六年的一次访谈中，埃隆马斯克说，我们所身处的世界是真实的，可能性只有不到几十亿分之一。此话一出，立即引爆各方媒体，直到今天，偶尔还能刷到一些故弄玄虚的视频 啊。马斯克作为一名成功的企业家，他之所以这么说，一方面可能只是为了当时的虚拟现实造势，而另一方面，这里面其实蕴含着一个非常有意思的科学推理。二零零三年， 牛津大学哲学家尼克波斯特罗姆发表了一篇论文，很多人看完后立即就相信我们这个世界就是模拟的。波斯特罗姆说，以下这三个论段中，至少有一个是真的。一、 人类在达到能用计算机模拟世界的技术水平之前就会消亡。二、即便人类达到了能模拟世界的技术水平，人们也不愿意去 模拟世界。三、我们几乎肯定是生活在一个计算机模拟之中。简单说就是如果世界能够被模拟，那世界就是模拟的。 这个道理其实很简单，就好比游戏开发，人类一旦有了开发游戏的技术和意愿，那必定会开发出很多各种各样的游戏，所以虚拟世界的数量必定要比真实世界多的多的多。而此时你出现在了一个世界里，你觉得你碰巧遇到的是一个真实世界的概率有多大？ 这就是波斯特罗姆和马斯克的逻辑。所以，世界是不是模拟的这个问题就变成了，世界到底能不能被模拟。 除去算力限制，大部分宏观场景还是比较好模拟的，只要根据预设的物理定律计算，然后场景的颗粒度做的精细一些，肉眼就很难 分辨，比如早已发布的使用虚幻引擎。五、模拟的黑客帝国觉醒，况且随着技术的迭代，未来只会更加真实。在我看来，关键的难点主要在于以下三个方面，复杂系统、人的意识以及微观世界。 首先是复杂系统，像天气、股市、川流等复杂系统之所以复杂，主要是因为存在着大量的局部信息。就目前的算例而言，你不可能照顾到整个演化过程中的每一处细节， 就像天气预报，你不可能精确追踪每一个空气分子的运动情况。通常的做法是把大气划分成一个个方形的三维格子，然后给每个格子赋予各种初值，然后根据模型进行计算。 我们不得不假定，小尺度的扰动对全局不会有太大影响，但事实并非如此，小尺度的威 小变化真的会剧烈的影响到大尺度，但理论上只要算力允许，要模拟复杂系统也不是不行。其次是意识。我们现在连自我意识到底是什么，是纯算法的，还是神经网络涌现出来的都还没搞清楚，也许就是存在着一个什么技术屏障，导致计算机永远也无法产生意识。 不过好在今年 gpt 四等大语言模型的出现，给我们指出来一条明路， gpt 四只是通过对神经网络的暴力训练，就掌握了人类的语言和基于经验的常识，甚至还产生了无法解释清楚的思维链。 同样是神经网络，大语言模型的成功在一定程度上反过来破除了人脑的神秘感。既然思维链可以涌现，那意识或许也可以。最后是微观世界，如果宏观只是一种统计意义下的幻觉，那微观才更加接近 世界的本质。为了确保玩家在不断深入研究微观世界时不发现破绽，就必须老老实实的把微观世界也模拟出来。但就现代物理学而言，微观世界的模拟非常消耗算力。 物理学家将世上所有力归为四种，其中有一种叫做强力，准确说叫强相互作用，他负责把夸克绑成质子和中子，把质子和中子绑成原子核。 强相互作用的计算无比复杂，虽然我们已经知道强相互作用的方程，但连完整的模拟出一个原子核都做不到，我们必须引入一些近似，比如设定一个较大的时空颗粒度。 但即便如此，以人类现有计算机的算力，也只能勉强模拟出一个害原子核。二零一七年，牛津大学的两个理论物理学家发表了一篇论文，他们用算力论证的方式否定了计算机模拟宇宙的 可能性。由于计算复杂度会随着粒子数目成指数增长，如果要模拟出两百个电子的信息，所需的计算机内存实际需要的原子数甚至会超过整个宇宙的原子数。要这么搞的话，那还不如直接在大爆炸一个。 所以我们基本可以认为，就现代物理学体系以及人类目前的算力，要想模拟出一个宇宙在理论上就已经是不可能的。但其实这个论证也不一定靠谱，也许是因为我们现在的物理定律或者计算机架构还是太落后，也许先进文明能有别的办法。 既然从理论上无法进一步论证，还有没有其他的方法可以判断世界的真实性呢？或许我们可以从世界本身的性质出发，来寻找一些蛛丝马迹。做过游戏开发的小朋友也许知道，虚拟世界和真实世界的一个关键场 差别就是真实世界是客观的存在，而虚拟世界是为了你而存在。任何游戏，只有当玩家需要看到时，才临时将地图渲染出来给他看，而在其他时候或者玩家视野之外的代码其实并没有被运行。 相对于宏观世界，微观世界更隐秘且更加消耗算力，所以如果要偷懒，那大概率也会从微观世界下手。 比如一个微观粒子，只要玩家不去观测他，那就没必要老老实实模拟出他的每一种状态。但问题是，我们的这个世界就是这样的，比如说电子， 电子在被观测前，其各种状态都是处于一种模糊的量子叠加态之中，只有在被观测时才不得不表现出一个具体的状态，这给人一种非常强烈的虚拟感。所以爱因斯坦不信邪，他坚信世上 并不存在所谓模糊的状态，这一切都只是因为存在一种尚未被观测到的已变量导致。后来英国物理学家约翰贝尔将这个问题极为巧妙的转化成了一个数学问题及著名的贝尔不等式。如果贝尔不等式成立，那么爱因斯坦就是对的。 再后来，约翰克劳泽等物理学家通过实验证明了贝尔不等式并不成立，也就是并不存在所谓的已变量，这就是去年的诺贝尔物理学奖。所以在我们没去观测微观世界时，他确实就是模糊的。 当然，实用派物理学家们并不会把这个现象认定为是世界出了问题，他们只会将其写进量子力学的基本假设之中。 曾经还有个流行的说法是，我们这个世界之所以 无法超光速，是地球 online 程序员有益的设定，因为高速运动不好模拟。这个说法显然有问题。狭义相对论的关键并非是不能超光速，而是光速不变。 光速不变的设定使得这个宇宙的时空必须是可伸缩的。这样的设定明显使得宇宙变得更加复杂，更加不好模拟。 以我之见，光速不变的好处在于，不管宇宙有多大，由于任何有效信息的传递都无法超光速，于是任何事件发生后的影响力边界只能以一个个光锥的形式向外界传播。 再加上宇宙空间的整体膨胀，离我们越远的物体，其退行速度就越快。这意味着当距离足够远时，星系的退行速度将超过光速。这就导致我们对于宇宙的观测范围其实是有限的，也就是所谓的可观测宇宙。对于可观测 宇宙之外的事物，在没有掌握虫洞或者曲律引擎等技术之前，人类的所有信息都将被封锁在这片区域内。如果宇宙真的只是模拟的，这必定会大大减小算力，那这对地球 online 的程序员来说无疑是一个绝妙的设定。 又或者，干过程序员的应该知道，越是复杂的软件系统就越容易产生 bug。 那么问题就来了，如果世界是模拟的，那他运行时就难免会出 bug， 系统维护管理员就需要定期进行版本升级。那为什么我们从未有过这种体验呢？ 也许是人类出现的时间还太短，没能赶上维护，也可能是维护经常发生，但系统设定我们无法感知而已。这不禁让我想到了曼德拉效应，这是一种大规模集体记忆错乱的现象。曼德拉是一名南非人，当时很 很多人明明记得他在二十世纪八十年代就已经死于监狱中，但后来人们突然发现曼德拉菲但没有死，而且还在被释放后当上了南非总统，直到二零一三年才去世。类似的案例非常之多，遍布于世界各国， 比如八零后、九零后。或许还记得在八六版西游记中有一集车之国斗法降三幺，剧中有比赛求雨、比赛隔板猜物、比赛砍头，还有比赛滚油锅的画面。 包括我在内都清楚的记得杨幂大仙有一段跳进油锅的剧情，因为他有冷龙的保护，所以滚油锅根本不在话下。然而孙悟空识破了他的伎俩，调走了冷龙， 于是阳历大仙就被煮成了羊骨架。但当我们现在再去翻看八六版西游记的原视频后，却并没有找到比赛滚油锅的画面。有人问该剧的摄影师王重秋，结果回复是当年他 他们根本就没有拍摄滚油锅的情节。后来有人解释说这是混淆了动画片和真人版导致的记忆错乱，但在我印象中，这个场景好像确实就是真人版的。 再比如歌曲爱我中华中五十六个民族、五十六枝花被篡改成五十六个星座，五十六枝花、蒙娜丽莎的微笑变化， 真和这两个字里横线数量变化等等。如此多的集体记忆偏差，让很多人开始怀疑平行宇宙或者世界的真实性。 但我仍然持保守态度，毕竟人脑的记忆一直都是不可靠的，再加上网络信息的互相搬运转发，一般人很少有精力去刨根问底的调查真相，所以造成这种现象也不是不可能。 还有一个论点是，我们知道现代物理学有一个非常厉害的理， 叫做标准模型，他能够把除了引力之外的所有力以及基本粒子都描写清楚，而且非常精确。上帝粒子也叫西格斯波色子，就先是由标准模型预言，然后发现真的存在。 标准模型有十九个自由参数，但是这些参数都不是理论推导出来的，而是被实验测出来的。也就是说物理学家并不知道为什么这些参数恰好是这样的数值，但如果他们不是这样的数值，那我们可能就麻烦大了。 还有引力长数，恒星之所以能发光，是因为引力把它压缩在一起，核心处巨大压力之下所产生的源源不断的核反应。如果把引力调高，那么恒星核聚变的燃料会迅速耗尽。 如果把引力调低，那么恒星的内部压力就不够，无法持续发光。是谁规定引力长束正好 这么大？还有宇宙的膨胀速度，一方面引力使得宇宙中的物质聚集在一起，另一方面按能量的赤力又使得宇宙空间不断膨胀。 如果按能量稍微强一点，或者宇宙总物质少一点，宇宙就会膨胀的非常快，大爆炸后的物质压根就没有机会聚集在一起，形成星系和星球。如果按能量弱一点，那么宇宙可能就炸不开，或者刚一膨胀就迅速收缩了。 为什么宇宙中的物质正好有这么多，为什么按能量又正好是这么强？诸如此类的例子还有很多，篇幅有限，这里就不再一一列举。 对此，物理学家有一个专门的词来描述这个现象，叫做 finding。 于是有神论者猜测，这是上帝设定的。但如果是上帝，那上帝又是谁创造的呢？还有人说，我们都是高级文， 用计算机模拟的。但问题又来了，外星人的宇宙又是谁微调了呢？又或者是目前的物理定律还不够深刻，也许存在着某个终极理论，所有目前已知的参数都能从中计算出来，也就没有所谓的微调了。 当然，你可能还会想到人存原理，就像地球为什么恰好适合生命存在，只不过是因为只有他适合我们才存在。但是请注意，这样的话，就默认还有无数个不适合生存的宇宙存在。其实这也就是 m 理论的解释。 m 理论你可以理解为就是融合了多种弦理论的超弦理论之母。他的解释是，物理定律允许很多种不同参数的宇宙，大概是十的五百次方，其中绝大多数都不适合生存，而人类只不过恰好生活在其中一个适合人类生存的宇宙里。这也是霍金在大设计这本书中所赞同 的观点。这个理论也很好的解释了为什么我们这个宇宙的参数虽然适合，但其实并非是最适合的状态，他还可以进一步优化。不过前面这几个论点都还不够过硬，他们只能从侧面猜测，比较过硬的还得是量子力学。 我们知道，我们用的计算机本质上都是数字设备，它完全由数学驱动，而数学方程无法产生真正的随机数。我们日常用的各种随机算法，其实都不是真正的随机。 如果量子力学中的随机被证明是真随机，那就说明我们这个世界并不是纯粹用数学就能描述的，也就无法用我们现有的这种计算机模拟。 同时，计算机还有一个特点，就是他只能模拟有理数，对于根号二这种无限不循环小数，计算机只能尽可能提高精度，而无法完全准确。但如果我们这个 世界的时空是可以无限细分是实数的，比如当我们随便一挥手时，就会经历无数个无理数，计算机就无法真正模拟出这样的时空，至少人类现有的计算机不可以。说到这里，可能有的同学忍不住会问了， 量子力学不是有个普朗克时间和普朗克长度吗？这不就是说我们的时空其实就是像显示屏的像素点那样是离散的吗？ 并不是。普朗克长度确实是目前理论上所能探测的最短距离，但这可不是说空间本身就是由一个个普朗克长度组成的，至少现在不能这么说， 基本粒子拆分到一定程度就已经是全铜粒子，是纯粹的数学模型，没有再分的必要。但是时空本质上还可不可以分，这只能留在视频前的各位进一步探索了。如果到时候你们有谁拿了诺奖，请记得回来帮我点个赞！ 最后我来为大家总结下今天的内容，对于世界是不是虚拟的这个问题，我们先从简单的概率估算到关键难点分析，再到对世界本性的探讨。从量子叠加态到光速不变到曼德拉效应，再到宇宙的精细调节问题， 最后到量子力学真随机和时空颗粒度的硬核论点。总而言之，世界如果是可模拟的，那我们可就麻烦了。 如果将来某一天，我们终于有能力创造出一个虚拟的世界，里面的场景和真实世界一模一样，连物理学家都测不出毛病来。并且在这个小世界里，每个 npc 都拥有自己的意识， 我们看着里面的小人和我们一样，也经历着生老病死，他们会哭会笑，也会害怕，会思考，会见义勇为，甚至会想到自己是不是真实存在的。而那时的我们则坐在电脑前， 刻意的喝着咖啡，欣赏着里面的一切，略微震惊但又带着一丝不屑。但随后所有人都会猛然意识到，我们自己其实也生活在虚拟世界之中， 那将是人类历史上一个非常有意思的时刻。好在我们这个宇宙无论从宏观还是到微观都足够复杂，也许根本就不能用投机取巧的方式进行模拟，唯一的办法就是老老实实重新演化一遍。 但话说回来，在这个互联网和大数据时代，在这个营销信息满天飞的时代，在这个甚至连评论区都要区分男女的时代，你所看到的相信的世界，也只不过是别人想要你看到的世界。如果你缺乏足够的思考辨别能力和认知水平，经常轻易就被各种网络言论所左右， 那这和生活在别人所创造的虚拟世界之中，本质上又有多大的区别呢？ 你干嘛？