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    September 03

    宇宙中存在'无限'吗?

    今天去买我每周看的《经济观察报》的时候,发现报亭里有《科学世界》,标题就是宇宙中存在无限吗?一下子就骗走了我口袋里的银子

    回到寝室,迫不及待的读完了。真的写的很不错(ps这本杂志是我第二次买,比《科学美国人》贵,但每期都有一个专刊,会深入浅出的介绍一些题目,还附有很精美的插图,比如上期介绍的真空和这期的无限,所以我觉得比科学美国人好)。

    初看这个问题,似乎很简单,当然存在啦。我们老祖宗庄子就说过“一尺之棰,日取其半,万世不竭”的哲理。而现代科学的起源则毋庸置疑的归功于微积分的发明。微积分则是专门针对无限小这一概念的,也正因为有了极限这一思想,牛顿力学也才逐步发展起来。但除了人类所创造的数学工具(自然数,实数都是无限的例子),现实中存在无限吗?

    让我们先来看无限大:

    地球上的人 6x10^9   银河系中恒星的数目 2x10^11 18克水中的水分子数(阿佛加得罗常数) 6x10^23个 

    地球上的水分子个数 10^47个 即使是全宇宙的质子的数目也只有10^79个,离无限还远着呢

    而无限小呢,一根木棒真的是无限可分的吗?事实上当到了原子级别的时候,木棒就变的十分稀疏了,粒子与粒子之间的距离比粒子本身的大小差太多了。把原子再往下分,现代科学也只能再往下分2层,先分成质子和电子,再接下去就是夸克。

    所以我们所熟悉的无限大和无限小其实只是我们所创造出来的工具,就像几何意义上的直线和点在现实中并不存在一样。而且这些工具只能用来解决我们这一尺度上的问题,当遇到微观(指基本粒子)和宏观(指星系和宇宙)的时候,这些工具就无能为力了。

    就像和霍金齐名的物理学家彭罗斯所说,如果按照广义相对论,则必然存在黑洞这种密度无穷大的奇点,但他觉得宇宙中不存在无限,所以必然需要更进一部的理论来综合相对论以及量子力学,从而给物理学带来新的一场革命,但是那样的理论需要更先进的数学工具,需要人们对与无限的理解超越康托的阿列夫零和阿列夫一。

    事实上,我觉得这篇专题又一次让我感受到了科学的本质,科学理论更多地是人类的一种工具,一种发明,试图去解释整个宇宙,这个过程永远是无限逼近真理,但又永远达不到终点的长征。

    另外,文章中为了解释无限举了好多例子,虽然好多例子我早就知道了,不过看看那些pp的插图还是很有意思的(例如,开普勒第二定律,圆周率的计算等等)。

    估计,以后每个月的荷包又要少一点去买这本杂志了

    August 22

    2003UB_313--太阳系第十颗行星?

    2003UB_313是什么?
    是太阳系第十颗行星的候选
    这2天我换了MSN上的PIC,换成了太阳系九大行星的图片,mm说很喜欢,也说她对第十颗行星有兴趣,所以我就来扫盲
     
    其实对于人类来说,长久以来一直知道的是6大行星,分别是水星,金星,地球,火星,木星和土星。直到十八世纪人们才发现了天王星,然而天王星的轨道一直和物理定律不符合,所以十九世纪人们又在预期中发现了海王星,可惜的是海王星的轨道仍然不符合定律,于是又经过100年的努力,在1930年发现了冥王星。然而这次人类宣布发现第9大行星太早了一点,因为冥王星实在是太小了,甚至比月亮都小,直径只有2000公里(地球的半径就有6000多公里,月亮的直径是3500公里)。而且之后人类又在冥王星附近发现了很多类似大小的小行星。事实上在冥王星所在的地方,那里有一个小行星带叫柯伊伯带,就像火星和木星之间的小行星带一样,是盛产小行星的地方。因此,直到现在天文学家们仍然在争吵它算不算第9大行星,因为这个大字很有问题。然而由于新闻宣传的缘故,大家只要说到太阳系行星就会说九大行星,可能这就是公众和科学之间的距离。
     
    而最新所谓发现的行星的代号是2003UB_313,它的直径比冥王星要大,可能在2390-5000公里之间,距离太阳97个天文单位(1个天文单位指太阳到地球的距离,而冥王星大约是40多个天文单位, PS到现在为止人类的航天器最远只到过海王星,连冥王星都没到过)。其实所谓第十颗,那只是发现者为了拿到科研经费所用的一种伎俩而已,在国际天文学联合会(IAU)批准之前,这颗行星只能被称为2003UB_313。
     
    事实上在太阳系这个广阔的空间中飘荡着无数的物体,其中稍微大一点的就会被人类标上号,其中的某一些还会被用来纪念某些科学家、政治家。而在现在有互联网的情况下,甚至在家里就可以寻找彗星,例如SOHO(Solar and Heliospheric Observatory http://sohowww.nascom.nasa.gov/data/realtime-images.html就是NASA发射的一颗近太阳的探测器,NASA把探测到的照片,发布到网上,天文爱好者就可以分析图片,从而发现新的彗星,到目前为止天文爱好者们已经发现了近1000颗彗星,比之前发现的近太阳彗星多16倍。
     
    所以,所谓的第十完全依赖于人们的主观标准,而冥王星只能算是运气贼好而已
    August 12

    人造低温反氢原子

    昨晚又看了一篇《科学美国人》的文章,关于反物质的研究。(所谓反物质,即由拥有正电荷电子和负电荷质子组成的原子,它与正物质即正常的由负电荷电子和正电荷质子组成的原子相碰后,就会殒灭,放出大量的能量)
     
    当人们在上世纪发现反物质的存在之后,就一直对反物质的研究十分热衷,因为它有可能由于它存储能量的高效性而成为太空飞行的燃料(一克反物质和一克正物质碰撞后大约能放出相当于40,000吨TNT炸药的能量)。然而,如果这个要成为现实,则必须有大量的反物质能够被发现,而这在现在还不可能。
     
    但人们对反物质的研究仍然能够对物理学的基本理论进行扩展,原因是它牵涉到了一个物理学的基本架设,所谓的CPT平衡。C平衡是指电荷的正负不会影响粒子的物理性质,这已经被宇宙中反物质的稀少而证明是不存在的。P平衡是指镜面平衡,但生物学中众多左旋蛋白质和右旋蛋白质的区别也证明了P平衡是破缺的。T平衡是指时间平衡,即若时间逆转,物理性质仍然不变。所以,科学家们希望通过对反物质粒子的进一部研究而发现到底哪些性质是正物质所特有的,哪些则不是,从而更好地理解整个世界。
     
    这篇文章主要是讲欧洲的CERN(Web的发源地:D)的研究小组怎样人工制造反氢原子的故事。那些物理学家也真够可怜的,由于粒子加速器都是极其庞大和昂贵的仪器,所以为了节省经费,每年只开放几个月,而今年甚至因为经费问题不开放,于是那些科学家只能等到明年才能继续他们的实验。
     
    这种条件如果落到IT行业上,真是不可想象的,那些博士怎么办啊,要延期了:)
    August 07

    科学美国人

    刚刚写完Blog,就准备回家,在路上很偶然的买了一本《科学美国人》的中文版,翻翻觉得蛮有意思,就小资了一下,一个人跑到仙踪林,点了杯奶茶开始看杂志。第一次知道《 科学美国人》是在加入实验室的时候,因为那篇介绍语义万维网(也就是我实验室当时的大方向)的科普文章就刊登在2001年的该杂志上,而今天去买他,仅仅是因为看到了一张很漂亮的招贴画,带着一个对于我来说很诱人的题目《变化的物理常数》
     
    在茶坊里面马上就看掉了这篇最吸引我的文章,它讨论的是物理学上的常数例如光速,电子的带电量,万有引力常数是不是在宇宙的时空中是恒定的。因为,如果答案是否定的,那么很有可能根据最新的弦理论,宇宙则可能有10^500个平行宇宙,每个平行宇宙中的常数都不相同。科学家们挑选衡量的是一个叫做精细结构常数的冬冬。衡量方法是比较从几十亿光年外类星体射来的光线的光谱和在地球上同样条件下的光谱之间进行比对。最后的结果是几十亿年中,这个常数确实变化了0.005%,但这些科学家仍然在寻找可能造成误差的原因,以增加该结果的可信度。科学家们还认为由于在银河系内的质量密度要比银河系间的空间大100万倍,所以在不同的地方这些物理常数有可能也是不一样的。
    有人可能要问,这个常数的变化那么小,对我们的生活有什么影响呢?确实在人能够感知的范围内是没有任何影响,但是对于精密的仪器就布是这样了。科学家们推出结论,如果真的那个精细结构常数在变化,那么不同质量的物体在由于重力下落时,加速度就是不一样地,虽然这个量的差别仅仅在10^14分之一的量级。
     
    这让我想起了年初所看的关于科学哲学的一些观点,他们认为科学理论仅仅只是对真理的无限近似,它的过程就是
    1.观察现象,
    2.提出理论解释旧现象并预测新现象,
    3.新现象得到验证,理论被认可
    4.违反已有理论的新现象被观测到,对老理论进行修改或者提出新理论
    然后2-4步不断重复。
     
    从亚里士多德的形而上学到牛顿的传统力学,再到爱因斯坦的相对论,人类对物体的质量,运动,以及时间的理解越来越深刻,然而现在所谓的物理学常数的颠覆是不是意味着不久的将来,还能有更进一步革命性的理论被提出来呢?到那时说不定人就可以时间旅行或者超光速旅行了:D