Charm猫姬 · 2018-06-30

5个最高深科学理论的简单解释,你能理解几个?

 人类之所以无法掌握自己的命运,一个根本的原因就在于基础科学很难。很多人不懂,他们就假装这些东西并不重要。但是,事实并非如此,基础科学的任何小突破都能对人类的社会生活产生翻天覆地的影响,这些影响不仅是对自然认知的影响,也是对切切实实生活的影响。也许你会说,“量子力学管我什么事?”,我不懂世界还不是照常运行?事实上,它能让你现在觉得理所当然的“照常”变成你现在无法理解的“未来照常”。现在就让我们用最简单通俗的语言来对一些复杂的科学理论进行解释,也许看完之后你会觉得,科学并没有那么难。

1、薛定谔猫

薛定谔是量子力学发展中的重要人物,著名的薛定谔方程描述了微观世界粒子的运行规律。我们习以为常的宏观世界的物体运动,在微观的粒子世界变得截然不同。薛定谔猫实验其实不是一个真正的实验,而是一个思维实验,但是它对理解量子力学具有非常重要的帮助。这个实验是这样的,你把一只猫放进一个盒子当中,而这个盒子有50%的概率杀死这只猫。你等待一段时间之后,打开盒子你会发现猫死了或者活着,但是当你打开盒子之前猫既不是活着的,也不是死的,而是同时处于死和活的状态。而只有当盒子打开的瞬间,两种状态才会分开。

薛定谔猫想要描述的基本原理是一个粒子可能同时处于多种状态中,但是只有当你观测这个粒子时,才会坍塌到具体的状态。

2、粒子行为的观察者效应

对微观粒子的观测会导致微观粒子行为的不同。量子世界中的观察者效应可以通过下面的几个实验来证明。如果你让一些粒子通过两个缝隙,那么这些粒子将会在缝隙后面形成两堆粒子(两个粒子条带)。如果你把这些粒子换成光子(光波),那么你会在双缝的后面观测到干涉条带(很多相间的条带,即著名的双缝干涉实验)。如果你用电子来做实验,你会得到跟光子相同的结果。这表明电子通过双缝的时候也会发生相互干涉。

那么,问题来了,科学家想通过一个设备来观测一个电子到底通过了那个缝隙,但是一旦他们这么做了,那么电子不再产生光子那样的干涉条带,而是变得像经典粒子一样产生两个条带。也就是说,当被观测时,电子的行为改变了,问题是,电子同学,你到底在怕什么?

3、量子纠缠

量子纠缠理论是说,两个粒子不管分离有多远,它们都会影响相互的状态。这个理论是很多超时空通讯科幻实现的理论基础。因为这个远可以非常远,远到跨跃整个宇宙的距离。当一个粒子的状态变化时,一种未知的力会让另外一个粒子的状态立即发生相应的变化,不管这两个粒子有多远。

这两个粒子通过某种未知的属性纠缠关联,因此当信息传递的时候,根本不需要信息的移动。这种纠缠似乎超越了时空的限制,但是尽管很难以置信,科学家们仍然在尝试利用这种量子纠缠来创造新的电脑或者通讯装置。

4、弦论

广义相对论解释了大的天体之间的引力作用,而量子力学则解释了超微观世界的粒子之间的相互作用。二者之间本没有联系,而弦论则希望能将二者统一起来,从而解释自然界四种基本力之间的关系:电磁作用力,强作用力,弱作用力以及引力。在量子力学领域粒子之间是可以在单点时空接触的,也就是零距离接触,而在相对论理论下,引力子是无法在零距离接触的,因此它们看起来是无法统一和兼容的。

但是弦论却能很好地让它们统一起来,弦论不把时空看成连续体,而是很小的,一维震动的弦。每个弦的震动频率和方式决定了这个微观粒子的行为。弦中粒子之间不再是点和点的接触,而是弦的融合和扩展,从而形成平滑的时空。这就让引力和量子粒子能相互作用了。但是弦论本身也有问题,它需要11维时空的存在,比我们现在的时空整整多了7维。无论如何,这都是一个不错的探索方向。

5、膜宇宙

宇宙大爆炸理论是目前宇宙起源最广为接受的理论之一。但是这个理论还有很多问题,其中之一就是大爆炸到底是如何开始的。而一些科学家认为,宇宙大爆炸可能起源于膜之间的相互碰撞。

膜是弦论中的事物,我们知道弦是一维的物体,而高维度的弦则形成片(二维)或者膜(三维)。热宇宙理论认为两个三维的膜之间的碰撞创造了所有的物质,并辐射到我们的宇宙当中。在这个理论当中,两个膜因为引力等原因碰撞在一起,碰撞的力让它们相互分离,但是碰撞点的能量散发出来又让两个膜重新发生碰撞,如此两个膜之间的循环碰撞,便是宇宙循环地形成和灭亡的过程。

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