物理学家

蜗牛指的是涡电流，是法国物理学家傅科发明的。傅科的一生对物理学有多方面的重要贡献，尤其在力学、光学、电学方面更为突出。他的研究工作偏重于仪器的制备、新实验方法的设计，以及对物理量的精确测量。

当大块导体放在变化着的磁场中或相对于磁场运动时，在这块导体中也会出现感应电流。由于导体内部处处可以构成回路，任意回路所包围面积的磁通量都在变化，因此，这种电流在导体内自行闭合，形成涡旋状，故称为涡电流。

傅科早年学习外科和显微医学，后转向照相术和物理学方面的实验研究。1853年由于光速的测定获物理学博士学位，并被拿破仑三世委任为巴黎天文台物理学教授。因为他博学多才，有多项发明创造，因此受各国科学界垂青，1864年当选为英国皇家学会会员，以及柏林科学院、圣彼得堡科学院院士。1868年被选为巴黎科学院院士。

物理学家收入并不完全相同，如果是初级的人员平均工资大约在10,540元左右。伴随着工作年限还有经验逐渐的增长，工资自然也会水涨船高，到后期每年的工资都能够在几百万元以上，但这类的人凤毛麟角。

物理学家是否比较辛苦？

物理学家是比较辛苦的，需要刻苦的钻研，废寝忘食。一开始在钻研时或许都没有较好的收入来源，甚至有无数人因无法满足日常的生活，接着就选择放弃钻研。

物理学家刚刚毕业有多少工资？

在刚刚毕业时，平均的工资就仅仅只是在1万左右，和其他的专业比较，已经有明显的提升。到后期伴随着工作经验，还有工作年限逐渐的增长，工资自然就会快速的提升，比如有一年到三年工作经验的平均工资还会快速的上升。这就意味着学习物理学专业，在毕业之后拥有着很不错的发展前景。物理学专业的毕业生，当前平均工资比较高的是在广东，上海还有北京，而如果是山西，甘肃辽宁，相对而言就比较低。

物理学专业有没有好的前景

当前想要成为一名物理学家，就应该拥有出色的经验，拥有比较好的理论功底，这才能够在当前技术领域逐渐成为专家。在这一个专业会有所交叉的，有工程物理专业，半导体专业，还有材料专业等。在人才需求方面，中国对应用物理专业人才的需求同样也会进入到供不应求的阶段。目前在物理研究的课题上还是会比较基础的，往往就需要大量的政策性投入，否则没有办法实现产业化，这对于即将毕业的博士生而言，就需要做好充足的思想准备。从这些年来可以看到科学发展的速度，已经逐渐的加快，很多的物理行业技术都已经得到应用，则意味着未来的前景是一片大好的。

股市赌博行为不仅会导致财务上的损失，而且还是违法行为，会对个人和家庭造成巨大的伤害，应该保持理性投资的态度，避免赌博行为的发生。也要加强对股市赌博行为的监管，保护投资者的利益，维护市场的稳定和健康发展。一位物理学家因在股市上赌博而输掉了大量资金，被起诉一事引起了广泛关注。

据了解，这位物理学家在股市上的赌博行为已经持续了好几年，他在股市上投入的资金也越来越多。最初他只是抱着试试看的心态，但是很快就被股市的巨大诱惑所吸引。他开始借钱买股票，甚至还抵押了自己的房子和车子，以便能够更多地投入到股市中。股市的波动性非常大，他的投资并没有取得预期的收益。相反他的亏损越来越多，最终导致了他的破产。他的家庭也已经遭受了巨大的打击，他的家人们都无法理解他的行为，甚至开始怀疑他的智商和人品。

面对这一切，当事人感到非常沮丧和绝望，他曾经是一名杰出的物理学家，但是现在却沦为了一个赌徒。他深深地意识到了自己的错误，但是已经太晚了。他的家庭已经破裂，他的事业也已经被毁掉了。更加令人意外的是，他并没有因此而停止，继续在股市上赌博，试图挽回自己的损失。最终他的行为引起了当局的注意，被起诉。

这样的行为不仅违法，而且非常不负责任，作为一名科学家，应该有更高的道德和职业操守。他的行为不仅伤害了自己，也伤害了他的家庭和社会。应该警惕这样的行为，不要被股市的表面诱惑所迷惑，要理性投资，避免赌博行为的发生。

今天，物理学的基本理论几乎停滞不前。我们仍然不知道暗物质是什么，我们仍然没有解决爱因斯坦引力理论和粒子物理标准模型之间的区别...

量子力学不是火箭科学，但它有可能取代火箭科学，成为一个不可理解的数学问题。众所周知，量子力学很难理解。它与直觉背道而驰，似乎毫无意义。科普报道总是把它描述为“奇怪”、“奇怪”、“不可思议”或所有上述特征。

然而，我们不这样认为。量子力学是完全可以理解的。半个世纪前，只有物理学家放弃了唯一的理解方式。今天，物理学的基本理论几乎停滞不前。当年未能解决的重大问题今天仍悬而未决。我们仍然不知道暗物质是什么，我们仍然没有解决爱因斯坦引力理论和粒子物理标准模型之间的区别，我们仍然不知道测量在量子力学中的意义。

我们如何克服这些困难？是时候重新审视一个早已被遗忘的解决方案了:超决定论，也就是说，宇宙中没有两个部分是真正相互独立的。这个方案让我们对量子测量有了物理上的了解，并且有望改进量子理论。修正量子理论将成为物理学家解决其他物理问题和发现量子技术新应用的动力。

量子力学无处不在

迄今为止，物理学家和哲学家都认为有缺点的不是量子力学，而是我们对它的理解。因此，对量子力学的理解可以集中在对其数学的重新解释上，希望这个问题能够最终取得突破。但是突破还没有发生，因为量子力学的每一种解释都有问题。它们并不完全一致。只有更好的理论才能解决这些问题。量子力学不可能是自然界运行的最基本的规则。我们必须超越它。

问题是没有人知道为什么当人们试图测量量子效应时，它们会消失。

公平地说，抱怨量子力学的缺点并因此要求完全取代它的其他理论是对这样一个成功而精确的理论的最大侮辱。我们必须强调，量子力学已经存在了100多年，不管它是否奇怪。它做了许多令人惊奇的工作，帮助相信它的物理学家赢得了许多奖项。

没有量子力学，我们就没有激光、半导体和晶体管、电脑、数码相机和触摸屏。我们没有自旋磁共振，电子隧道显微镜和原子钟。我们不会有任何基于所有这些技术的众多应用。没有无线网络、人工智能和发光二极管，现代医学将基本上不复存在，因为大多数成像工具和分析方法现在都依赖于量子力学。最后但同样重要的是，量子计算机不会出现。

因此，毫无疑问，量子力学与社会密切相关。同样，毫无疑问，更好地理解它可以带来更多的成就和进步。

没有人理解量子力学。

那么，为什么连著名的物理学家都一再声明量子力学是不可理解的呢？

量子力学的核心概念是波函数。在量子力学中，一切都用波函数来描述。波函数用来描述基本粒子，基本粒子构成一切，所以一切都用波函数来描述。所以有电子波函数、原子波函数、猫波函数等等。严格地说，所有的事物都有量子行为，但是大多数量子行为在日常生活中是无法观察到的。

问题是没有人知道为什么当人们试图测量量子效应时，它们会消失。自从物理学家提出量子力学以来，这个“测量问题”一直困扰着他们。有些谜题已经解决了，但对这一部分的理解仍然不尽人意。

隐藏变量:掷骰子的结果是不可预测的，因为它对细节(比如手的运动)很敏感。因为这部分信息是未知的，为了实用目的，骰子是随机掷的。这就是如何理解量子力学。如果缺乏信息，量子测量的结果是可以得到的。

为了理解这个问题，假设你有一个粒子和两个探测器，一个在左边，一个在右边。如果粒子被发送到左侧，左侧检测器将发出咔嗒声。如果粒子被发送到右边，右边的检测器会发出咔嗒声。但是在量子力学中，你可以做更多的事情:你可以把一个粒子同时置于两种状态。例如，你可以通过分束器发射粒子，这样它就可以左右移动。物理学家说粒子是左右“堆叠”的。

但是你从来没有观察到叠加的粒子。对于这样的叠加状态，波函数不会告诉你将测量什么，你只能预测你的测量结果的概率。假设它预测50%的概率向左，50%的概率向右。这种预测对一组粒子或一系列重复测量是有意义的，但对单个粒子则没有意义。探测器要么发出咔嗒声，要么不发出咔嗒声。

从数学上来说，“点击与否”要求我们在测量时改变它的波函数，这样在测量后，粒子100%存在于实际测量它的探测器中。

量子力学不可能是自然界运行的最基本的规则。我们必须超越它。

这种变化(也称为波函数的“崩溃”)是瞬时的，并且在任何地方同时发生。这似乎与爱因斯坦的光速相冲突，光速是信息传输速度的极限。然而，观察者不能用它来比光更快地传递信息，因为观察者不能控制测量结果。

事实上，测量更新的同时性不是主要问题。主要问题是，如果量子力学是大多数物理学家认为的基础理论，那么测量更新应该是多余的。毕竟，探测器也是由基本粒子组成的，所以我们应该能够计算出测量中发生了什么。

不幸的是，我们不仅不知道如何计算探测器被粒子撞击时的行为，除非我们只是假设测量会导致波函数的突然变化，更糟糕的是，我们知道这是不可能的。

我们知道，没有波函数的崩溃，就不可能正确地描述量子测量，因为测量过程比没有观察到波函数时的行为更复杂。测量过程的主要功能是消除可测量结果的重叠。相反，未被测量的波函数将处于叠加态，这根本不是我们观察到的结果。我们从未见过同时发出和不发出咔嗒声的探测器。

这在形式上意味着，尽管量子力学是线性的(保持叠加)，但测量过程是“非线性的”，这属于比量子力学更复杂的理论。这是改进量子力学的重要线索，但几乎没有人注意到它。

相反，一些物理学家认为波函数不能描述单个粒子的行为，从而消除了量子测量的问题。他们认为波函数描述的不是粒子本身，而是观察者对粒子行为的理解。当我们进行测量时，这些知识应该更新。但是你不应该问这些知识是什么。

然而，这种解释不能消除这样一个问题:如果量子力学是基本的，那么我们应该能够计算出在测量过程中发生了什么。“观察者”获得的“知识”也应该适用于宏观对象，它们的行为至少在原则上应该可以从基本粒子的行为中推导出来。此外，我们知道这是不可能的，因为测量过程不是线性的。人们不能通过重新解释数学来解决这个矛盾，只能通过修正数学来解决。

一个可能的解决方案

解决这个难题只有两种方法。一是反对还原论，承认宏观对象的行为不能从其组成部分的行为中推导出来，即使在原则上也是如此。

拒绝还原论在哲学家中很流行，但在科学家中却很不受欢迎，这是有充分理由的。还原论取得了显著的成功，并被经验所证明。更重要的是，从来没有人提出过一致的、非还原论的自然理论。然而，如果没有更好的解释，放弃还原论不仅没有用，而且是反科学的。这无助于我们取得进展。

另一个合乎逻辑的解决方案是，量子力学不是一个基本理论，它只是更深层现实的一瞥。

如果量子力学不是一个基本理论，那么我们不能预测量子测量结果的唯一原因就是我们缺乏信息。因此，量子的随机性和骰子的随机性没有区别。

普遍相关性，这一概念的特征，并不出现在基本粒子的水平。

掷骰子的结果原则上是可以预测的。然而，它在实践中是不可预测的，因为它对最轻微的干扰非常敏感，例如你的手的精确运动，模具形状的缺陷，或其滚动表面的粗糙度。由于这是我们没有的信息(或者即使有，我们也无法计算)，骰子的滚动在所有实际应用中都是随机的。我们最好的预测是，当我们平均未知和精确的细节时，两边的概率都是1/6。

这是理解量子力学的一种方式。测量结果原则上可以预测，但我们缺乏信息。波函数本身不是单个粒子的描述，测量结果只是一个平均值。这解释了为什么量子力学只做概率预测。虽然潜在的新理论可以复制量子力学的预测，如果我们有这个理论，我们也可以区分在什么情况下我们应该看到量子力学的偏差。

这一观点得到了以下事实的支持:描述波函数行为的经验确定性的方程几乎与物理学家描述大量粒子而不是单个粒子的行为所用的方程相同。

历史上，这种理解量子力学的方法被称为“隐藏变量理论”，其中“隐藏变量”是所有未知信息的集合。如果我们有了它，量子测量的结果将会被准确地预测。

物理学走上了错误的道路吗？

应该强调的是，隐藏变量理论不是量子力学的解释。它们是不同的理论。它们能更准确地描述自然，确实能解决测量问题。

不用说，我们不是第一个指出量子力学就像平均理论的人。当面对随机测量结果时，这可能是每个人都会想到的。从量子力学的早期开始，物理学家就开始考虑隐藏的变量。但是后来他们错误地认为这个选择是不可行的，这个错误今天仍然存在。

几十年前物理学家犯的错误是从约翰.贝尔在1964年证明的数学定理中得出错误的结论。这个定理表明，在任何隐含变量允许我们预测测量结果的理论中，测量结果之间的相关性都是有限度的。从那以后，无数的实验表明这个极限是可以打破的。由此，我们可以看出贝尔定理应用的隐变量理论是证伪的。物理学家已经得出结论，量子理论是正确的，而隐式变量理论是不正确的。

然而，贝尔定理提出了一个本身没有证据支持的假设:隐藏变量(不管它们是什么)与探测器的设置无关。这种被称为“统计独立性”的假设是合理的，只要实验只涉及大的物体，如药片、老鼠或癌细胞。然而，没有人知道量子粒子是否成立。

违背统计独立性的隐藏变量理论导致了超决定论。令人震惊的是，他们从未被排除在外。他们甚至从未进行过实验测试，因为这需要一种不同于物理学家迄今所做的实验。为了检验超决定论，人们必须寻找证据来证明量子物理并不像我们想象的那样随机。

超决定论的核心思想是宇宙中的一切都与其他一切相关，因为自然法则禁止某些粒子的配置。如果你有一个空的宇宙，放一个粒子进去，那么你就不能任意放其他粒子进去。他们必须首先服从某些关系。

这种普遍的相关性尤其意味着，如果你想测量一个量子粒子的性质，这个粒子永远不会独立于测量装置。这不是因为设备和粒子之间有任何相互作用。两者之间的依赖只是一种自然属性。然而，如果只关注宏观设备，这种相关性将不会被注意到。如果是这样的话，量子测量将会有确定的结果，所以在解决测量问题时将会违反贝尔的定界。

很难解释为什么物理学家花了半个世纪研究一个不一致的理论，却从未认真考虑统计独立性可能会失败。如果在量子实验中违反了统计独立性，那么对其具体后果的分析就很少了。如上所述，任何解决测量问题的理论都必须是非线性的，因此混沌动力学很可能发生。小变化产生大结果的可能性是混乱的迹象之一，但在关于隐藏变量的辩论中，它被完全忽视了。

低风险、高回报

鉴于量子力学的技术相关性，超越它将是一个重大的科学突破。然而，由于历史遗留的问题，已经研究或正在研究超决定论的研究人员要么被忽视，要么被嘲笑。因此，仍然很少有人关注这个想法。

由于缺乏研究，我们仍然没有普遍适用的超决定论。我们确实有一些模型为理解违反贝尔不等式提供了基础，但是没有一个理论像现有的量子力学理论那样灵活。尽管超决定论所做的一些预测在很大程度上与模型无关，但测量结果的随机分布应该小于量子力学中的随机分布，但这些预测并不是基于成熟的理论，因此很容易受到批评。

实验主义者甚至不想测试这个想法。然而，我们不可能偶然发现超决定论的证据。普遍相关性并不出现在基本粒子的水平上。因此，我们不认为用越来越大的粒子加速器探测越来越小的距离有助于解决悬而未决的基本问题。

今天，大多数物理学家被错误地告知测量问题已经解决，或者错误地认为隐藏的变量已经被排除，这对物理学的进步毫无用处。

原标题:没有人真正理解量子力学，包括你

中微子在宇宙中无处不在，但我们看不见它们。它们隐藏在普通物质中。我们对中微子一无所知，甚至不知道它们的重量。但是我们知道中微子有潜力改变整个宇宙。因为中微子有自己的力量，我们可以用宇宙来测量中微子的重量。

在物理学中，这个最小粒子的状态将改变整个星系和其他大型天体结构的状态。如果我们想描述宇宙的行为，我们必须考虑宇宙中最小的成分。在最新一期《物理评论快报》上发表的一篇论文中，研究人员通过对宇宙的精确测量，推断出最轻的中微子质量(中微子有三种不同的质量)。

研究人员从重子振荡光谱测量中收集了大约110万颗恒星的自转，然后将相关数据与其他宇宙信息结合起来。接下来，研究人员在地球上进行了一次小规模的中微子实验，并将所有相关信息输入计算机。

该研究的合著者、伦敦大学学院天体物理学博士生安德烈·库苏说:“我们花了50万小时运行相关数据。这几乎相当于单个处理器花费60多年的结果。”这个项目促进了宇宙学大数据分析的发展。

实验结果没有提供最轻中微子的准确质量，但是缩小了质量范围。这种中微子的质量不超过0.086电子伏特。换句话说，单个电子的质量是中微子的600万倍。

该论文的作者说，这个数字设定了中微子质量的上限，而不是下限。因为最轻的中微子可能根本没有质量。

然而，物理学家可以肯定，三个中微子中至少有两个有一定的质量，两者的质量可能仍有一定的关系。同时，论文还为三个中微子的质量之和设定了上限，不超过0.26电子伏特。

令人困惑的是，这三种质量的中微子与三种口味的中微子并不一致:根据费曼的实验室数据，中微子有三种口味的电子、介子和τ。根据费曼的实验室，每一种中微子都是三种质量的混合物。因此，一个精确的τ中微子包含一些第一质量的中微子，以及第二质量的中微子和第三质量的中微子。一项获得1998年诺贝尔物理学奖的发现表明，中微子能够在不同的味道和电荷之间来回变化，正是因为它们具有不同的质量类型。

这篇论文的作者说，物理学家可能永远不会真正知道这三个中微子的确切质量，但是他们可以通过在地球上的实验和在太空中的测量缩小它们的质量范围。物理学家对宇宙中这些微小而普遍的存在的测量越精确，他们对宇宙的解释就越准确。

蝌蚪工作人员从太空编译，翻译员晴空燕，转载必须授权

斯坦福大学的物理学家发明了一种叫做“量子麦克风”的装置，这种装置足够灵敏，可以测量被称为声子的单个声音粒子。科学家表示，新设备将允许未来的量子机器使用新的量子传感器、传感器和存储设备。

声子是爱因斯坦在1907年首次提出的一种物质。这是振动原子发出的振动能量包的名称。这些振动能量根据它们的频率表现为声音或热量。声子的振动能量受到离散值的限制。机械系统的能量可以表示为0、1、2等。在不同的“fock”状态，取决于它产生的声子数。斯坦福大学的研究小组发明了世界上最灵敏的麦克风，它利用量子原理来拾取原子的低语。这是通过测量Fock态和声子数来实现的。

科学家们知道，1个福克态有一个声子，2个福克态有两个声子，依此类推。量子麦克风由一个超冷纳米机械谐振器组成，它非常小，只能通过电子显微镜才能看到。谐振器耦合到超导电路，该电路包含无电阻移动的电子对。该电路形成量子位，可以同时以两种状态存在，并具有自然频率。谐振器引入的缺陷形成周期性结构，其作用类似于声音的镜子，并在结构中间捕获声子。该团队表示，掌握准确产生和探测声子的能力，可以为新的机械设备铺平道路，这些设备可以存储和检索编码为声音粒子的信息。该系统还可以在光学和机械信号之间无缝切换。

时间的流逝只是一种幻觉吗？(照片来源:最大像素)

我们的感觉是时间在流逝:也就是说，过去是确定的，未来是不确定的，现实是现在。但是许多物理学家和哲学家有不同的观点。他们认为时间的流逝可能是一种幻觉，但时间根本不会流动。然而，意识可能涉及热力学或量子力学过程，这为我们提供了每时每刻的生活印象。

从确定的过去到有形的现在，再到不确定的未来，我们感觉时间在无情地流逝。时间的流逝可能是人类对世界感知的最基本的方面，因为我们感觉时间正在我们心中溜走，这种感觉甚至比我们对物质或空间的感知更真实。

然而，这些观点与一个深刻而令人震惊的悖论相冲突:在现有的物理学中，时间流的概念是找不到的。事实上，物理学家坚持认为时间根本不流动，它只是存在。一些哲学家甚至认为时间流逝的概念毫无意义，对时间流动的讨论是基于一种幻觉。在我们生活的物质世界中，时间是最基本的。我们怎么能在这样的问题上犯错误呢？或者有没有科学家尚未认识到的时间的关键特征？

时间并不重要。

在我们的日常生活中，我们把时间分成三部分:过去、现在和未来。虽然这似乎很明显，但它与现代物理学背道而驰。爱因斯坦曾在一封给朋友的信中表达了这一点:“过去、现在和未来都只是幻想，尽管它们非常顽固。”爱因斯坦令人惊讶的结论直接来自他的狭义相对论，它认为这个时刻没有任何绝对和普遍的意义。根据这个理论，“同时”是相对的。在一个参考框架下同时发生的两个事件，但是如果从另一个参考框架来看，它们可能在不同的时间发生。

“现在火星上发生了什么？”这个问题没有明确的答案。问题的关键是地球和火星相距很远，大约相隔20光年。因为信息不能比光传播得更快，所以地球上的观察者不能同时了解火星的情况。事件发生后，当光线有机会穿过两颗行星之间的空间时，他必须推断出答案。当推断过去的事件时，推断结果将根据观察者的速度而变化。

在接下来的场景中，两个人——一个坐在休斯顿的地球人和一个以80%光速穿越太阳系的“火箭乘客”——试图回答“现在火星上发生了什么？”这个问题。火星上的一个人同意在他的手表指向12点整的时候吃午饭，同时发出信号。

这种不和谐使得任何试图给予当下特殊地位的努力都是徒劳的。关键是，这个“礼物”是给谁的？如果你和我是相对运动的，我可能会判断一个事件仍在未决定的未来，而对你来说，这个事件可能已经存在于一个确定的过去。

最直接的结论是，过去和未来已经确定。由于这个原因，物理学家更喜欢把时间看作是一个已经被整体规划好的全景时间。所有过去和未来的事件都已经在一起了。这个想法有时被称为“阻塞时间”。有一个特殊时刻“现在”或者有一个过程可以系统地把未来变成现在的想法与上述全景时间的观点是不一致的。简而言之，时间在物理学家眼中不会消失或流动。

传统观点:只有现在才是真实的

封锁时间的观点:所有的时间都是一样真实的。

时间没有流逝？

我们所说的“时间的流逝”到底是什么意思？多年来，一些哲学家仔细研究了这个问题，他们得出了与物理学家相同的结论:“时间流逝”的概念是不一致的。毕竟，这个概念类似于物体的运动。人们通过测量物体位置随时间的变化来谈论物体的运动，例如箭头穿过空间。但是谈论时间运动本身意味着什么呢？当它移动时，是相对于什么的？其他类型的运动将一个物理过程与另一个联系起来，而“时间之流”将时间与自身联系起来。“时间过得有多快？”这些问题本身暴露了时间流逝的荒谬，而“每秒前进一秒”的答案相当于什么也不说。

虽然“时间在流逝”这个表达在日常生活中非常方便，但是没有必要用这个表达来表达清楚。考虑以下场景:爱丽丝希望有一个白色的圣诞节，但当它来临时，只下雨，她很失望。第二天下雪时，她非常高兴。虽然这种描述充满了时态，提到了时间的流逝，但只要爱丽丝的心情和日期一个接一个地列出来，它就能表达同样的信息，在这种表达中没有必要提到时间的流逝或世界的变化。以下无聊的清单就足够了:

12月24日:爱丽丝期待着一个白色的圣诞节。

12月25日:下雨了，爱丽丝很失望。

12月26日:下雪了，爱丽丝非常高兴。

在这个描述中，什么都没有发生或改变，只有不同日子的世界状态和那天爱丽丝的心情。

类似的争论可以追溯到古希腊哲学家，如巴门尼德和芝诺。一个世纪前，英国哲学家约翰·麦克塔格特试图找出这两种描述之间的区别。描述它的一种方法是记录事件的发生，他称之为系列A；另一种描述它的方式是列出当时世界的日期和状态，称为B系列。每一种观点似乎都是对现实的真实描述，但这两种观点似乎是矛盾的。例如，“爱丽丝失望”事件是在未来，然后是现在，最后变成了过去。然而，过去、现在和未来是不属于彼此的三个范畴，那么一个单一的事件怎么能同时被归入这三个范畴呢？麦克塔格特用A系列和B系列之间的这种冲突来证明时间的不真实性。这是一个有点极端的结论。大多数物理学家有一个更温和的观点:时间的流动不是真实的，但是时间本身和空间一样真实。

四维时空中的时间

在时间中前进，而不是时间

我们在讨论时间流逝时遇到的困惑主要源于时间流逝和所谓的时间箭头之间的关系。否认时间流动并不意味着过去和未来没有物理上的区别。不可否认，世界上的事件是单向的。例如，落在地板上的鸡蛋会破碎，但相反的过程，即破碎的鸡蛋自发形成完整的鸡蛋，将永远不会被看到。这是热力学第二定律的一个例子，它指出一个封闭系统的熵——可以理解为混乱的程度——将随着时间而上升。

因为自然界充满了不可逆的物理过程，热力学第二定律在这个世界上起着关键作用，导致时间轴上过去和未来方向的明显不对称。传统上，时间之箭指向未来。但这并不意味着时间之箭会“飞”向未来。就像指南针指向北方并不意味着指南针向北移动。两个箭头都表示不对称，而不是移动。可以用“过去”和“未来”来表示时间的方向，就像“向上”和“向下”可以用来表示空间的方向一样，但是像谈论向上和向下一样谈论过去或未来本身是没有意义的。

想象一段录像记录了鸡蛋掉落在地板上并分解的过程。我们可以用这个例子生动地说明过去和未来的概念与“过去本身”和“未来本身”的概念之间的区别。如果电影是用放映机回放的，每个人都可以看到顺序是不正确的。现在想象一下，如果你把胶片切成碎片并随机重新排列，将这些碎片重新排列成正确的顺序将是一件简单的工作:把碎鸡蛋的图片放在顶部，整个鸡蛋放在底部。这样，一个空间中的序列可以被安排，保持时间箭头带来的不对称性，证明时间的不对称性是世界的属性，而不是时间本身的属性。没有必要再次放映电影来显示时间箭头。

鉴于物理学和哲学中对时间的大多数分析都没有发现任何时间流动的迹象，留给我们的是一些谜团。世界在不断流动——这种根深蒂固的印象从何而来？一些研究人员，特别是诺贝尔奖获得者和化学家伊利亚·普里高津，主张物理学的不可逆过程使时间流动成为世界的一个客观属性。但是其他人和我认为这仍然是一种幻觉。

毕竟，我们没有真正观察到时间的流逝。我们真正观察到的是，后来的世界状态不同于我们记忆中的先前状态。我们记得过去，但不记得未来，未来反映的不是时间的流逝，而是时间的不对称。用时钟测量不同事件之间的持续时间很像用卷尺测量不同地点之间的距离。这不是衡量从一个时刻到另一个时刻的“速率”。因此，时间的流动似乎是主观的，而不是客观的。

活在当下

这种幻觉迫切需要解释，可以是心理的、神经生物学的、语言的或文化的。现代科学还没有开始考虑我们对时间流逝的感觉。我们只能猜测答案。这可能与大脑的某些功能有关。如果你的身体旋转几次突然停止，你会感到头晕。主观上，世界似乎围绕着你转，但眼睛清楚地告诉你，事实并非如此。你周围的物体似乎在移动，这实际上是内耳中液体旋转造成的幻觉。也许时间流动是相似的。

时间的不对称有两个方面会让我们产生时间流动的错觉。

首先是过去和未来的热力学差异。正如物理学家在过去几十年中所认识到的，熵的概念与系统的信息内容密切相关。因此，记忆的形成是一个单向的过程——新的记忆增加了信息，增加了大脑的熵。我们可以把这种单向性解释为时间的流逝。

第二种可能性是，我们对时间流逝的理解与量子力学有关。不同于空间，时间以一种独特的方式进入量子理论，这在量子力学建立的早期就已经注意到了。时间的独特作用是量子力学和广义相对论难以融合的原因之一。根据海森堡的不确定性原理，自然本质上是不确定的，这意味着未来是开放的(也意味着过去是开放的)。这种不确定的行为在原子尺度上最为明显。描述一个物理系统的可观测测量值通常从一个时刻到下一个时刻都是不确定的。

例如，一个电子轰击一个原子有许多可能的散射方向，在任何情况下事先预测结果通常是不可能的。量子不确定性意味着一个特定的量子态有许多(可能是无限的)可供选择的未来。量子力学可以给出每一个观察结果的概率，尽管不可能断言哪个潜在的未来是注定的现实。

然而，当人类观察者测量时，他们得到唯一的结果。例如，观察者会发现反弹的电子朝某个方向移动。在测量过程中，一个特定的现实从一系列的可能性中显现出来。在观察者的眼中，可能性变成现实，开放的未来变成确定的过去——这就是我们所说的时间流动。

有多少潜在的未来会成为唯一的现实？物理学家在这一点上没有达成一致。许多物理学家认为，这与观察者的意识有关，观察者的意识是基于观察行为的，这种行为允许自然做出决定。一些研究人员，如牛津大学的罗杰·彭罗斯，认为意识，包括时间流动的感觉，可能与大脑中发生的量子过程有关。

尽管研究人员还没有发现像大脑中视觉皮层这样的“时间器官”，但未来的研究可能会确定负责感受时间流逝的大脑过程。我们可以想象，时间流逝的主观印象被某种药物抑制了。有些人还声称，这种精神状态可以通过冥想自然达到。

如果科学家能找到一种解释，说明时间的流逝只是一种幻觉，那该怎么办？也许我们将不再担心未来或哀悼过去。担心死亡变得和担心出生一样无害。“期待”和“怀旧”可能会从人类词汇中消失。最重要的是，伴随人类活动的紧迫感可能会消失。“过去”、“现在”和“未来”的概念都可能成为过去。

当地时间12月1日，美国华裔物理学家、斯坦福大学终身教授、美国科学院院士、中国科学院外籍院士、2017年中华人民共和国国际科技合作奖获得者张首晟教授逝世，享年55岁。

张首晟的主要贡献包括拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应、自旋电子学、高温超导等领域的研究。2007年，他发现的“量子自旋霍尔效应”被《科学》杂志评为当年“世界十大科学突破”之一。

张也是丹华资本的创始人，该公司在一封电子邮件中称，教授于2018年12月1日突然去世。丹华资本仍在正常运营。张教授的家人和丹华资本的员工都非常悲痛。张首晟的家人没有透露他的死因。丹华资本内部人士也表达了他们的无知。

张首晟是斯坦福大学的物理学教授、美国国家科学院院士、美国艺术科学院院士和中国科学院外国院士。他于1983年获得柏林自由大学的学士学位，1987年获得纽约州立大学石溪分校的博士学位，1987年至1989年获得美国圣巴巴拉理论物理研究所的博士后研究员，1989年至1993年获得IBM阿拉木图研究中心的高级研究员，1993年被斯坦福大学物理系聘用。主要研究领域是凝聚态物理，重点是拓扑绝缘体。在高温超导、量子霍尔效应、自旋电子学、强关联电子系统等研究方向上，取得了大量国际一流的原创性创新。

由于在量子自旋霍尔效应和拓扑绝缘体方面的开创性研究，他获得了2010年欧洲物理学奖、2012年美国物理学会奥利弗·巴克利奖、2012年联合国教育、科学及文化组织国际理论物理中心狄拉克·梅德兰奖、2013年物理学前沿奖，并与著名物理学家霍金一同登台领奖。2014年，他获得了富兰克林奖。

由张首晟天使投资的斯坦福大学初创企业VMWare是云计算行业的领导者，市值480亿美元。多年来，张首晟教授为促进中美科技交流做出了巨大努力。2013年，他创立了丹华资本，专注于投资斯坦福大学和硅谷的创新公司，包括人工智能、大数据、增强/虚拟现实、基因治疗和其他行业。

中国教授张首晟的领导团队提出了一个新的理论研究“量子自旋霍尔效应”，它被列入2007年科学杂志的重大科学发现之一。

2017年7月，张首晟和其他几位中国科学家宣布了“天使粒子”的发现，这是继“上帝”粒子、中微子和引力子之后量子物理学的又一个里程碑。

人脑包含80多亿个神经元，每个神经元都与其他细胞相连，产生数万亿个被称为突触的神经结构。

这些数字大得令人难以置信，但是单个神经细胞如何运作的问题还没有最终解决。最新的研究推翻了一个有100年历史的神经学假说，并为一些神经疾病提供了新的解释。

以色列巴尔-伊兰大学的一组物理学家对实验室老鼠的神经元进行了实验，以确定神经元对其他细胞传递的电化学信号的反应。

为了理解这个实验的重要性，我们需要回到1907年，当时法国神经学家路易斯·拉皮克提出了一个物理机制模型来解释神经细胞膜上的电压随着通过电流的增加而增加的现象。

一旦达到某个阈值，神经元将产生动作电位，然后细胞膜电压将重置到较低的水平。

换句话说，除非积累足够的电压，否则神经元不会立即发送信息。

拉普拉斯方程可能不是这一领域中最容易接受的工具，但也不是完全一样。他应用物理机制建立的模型，使学者能够进行定量计算和分析，现在已经成为大多数神经元分析领域的理论基础。

据研究人员称，悠久的历史意味着很少有人怀疑它的准确性。

首席研究员伊多·坎特说:“我们使用了最新的实验设备来得出这个结论，但原则上，这些结果可以通过使用20世纪80年代存在的技术来简单实现。在过去的100年里，我们接受了前人的观点，并使这种有缺陷的模式流传至今。”

实验从两个角度进行讨论，一个是根据施加在神经元上的电流的位置来探索施加电压阈值时触发的活动尖峰的物理本质，另一个是研究多个输入信号对神经元信息传递的影响。

他们的研究结果表明，信号传递的方向对神经元的活动有一定的影响。

来自左侧的微弱信号和来自右侧的微弱信号相加并不能产生足够的电压来激活神经元电位峰值。然而，从特定方向传输的单一高强度信号可以引起神经元活动并传输信号。

这一发现导致了一种新的方法来辨别神经元的活动，就像矢量求和一样。在新的等式中，信号的方向和强度都应该考虑。

更好的是，新模型甚至可以解释一些神经疾病。

科学研究不是找出古人的漏洞然后嘲笑他们。事实上，现代研究人员也承认他们只研究了一种叫做锥体神经元的神经细胞，为将来的实验留下了足够的空间。

然而，随着我们一点一点地调整和修正我们现有的知识，这是一个逐渐接近真理的过程。随着人工智能领域的神经网络在当代科学技术的前沿大放异彩，脑细胞中的任何新发现都可能引发一系列相当有趣的应用。

发达国家的居民越来越胖。在过去的25年里，英国的肥胖率几乎翻了两番。然而，在经济合作与发展组织(经合组织)的大多数富裕成员国中，超重和肥胖的人占人口的大多数。大规模肥胖有许多原因。久坐不动的生活方式和高热量即食食品显然是重要因素，但事实并非如此。

当我们吃东西时，身体会经历一个极其复杂的荷尔蒙调节过程，这不仅涉及到我们那天吃的食物，还涉及到我们以前吃过的食物的种类和数量。不幸的是，在这个过程中，我们的身体会有变胖的趋势，要扭转这种趋势使我们的身体再次变瘦是不容易的。

例如，让我们想一想身体是如何意识到它是满的。饱腹感(感觉饱)和饱腹感(不想再吃东西)来自外部环境和身体因素，如盘子的大小、食物的数量、胃的饱腹感以及我们新陈代谢的反馈。当肠道检测到脂肪酸、糖和氨基酸的存在时，它会释放几种已知的“饱腹激素”。这些激素让我们感觉“饱了”，但是人体释放这些激素的方式和大脑调节它们的方式非常复杂，我们仍然不完全清楚。我们的胃肠道是一个非常复杂的器官群:例如，口腔中有味觉感受器，使我们能够感觉到食物的甜、咸、苦和新鲜的味道，这些感受器也存在于胃、小肠和大肠中。因此，不仅嘴能“品尝”食物。

无论一个人是超重还是瘦，接受任何一种“饱腹激素”注射都会降低他的热量摄入水平。不幸的是，这些荷尔蒙很快就会恢复到原来的水平，它们的影响甚至不会持续到下一餐。此外，重复给药不能达到减肥的效果，因为相互联系的激素反应可以逐渐适应这些额外的激素。因此，饱腹激素可能不是减肥的好选择。那么，还有其他有效的干预计划吗？

一个解决方案需要利用能增加饱腹感的外部因素，比如减少包装食品的单一成分:正如预期的那样，我们会吃得更少。我们也可以让食物更稠、更耐嚼，所以我们需要咀嚼更多次，吃得更慢，以达到少吃的目的。然而，现代生活的快节奏和快餐的广泛流行使得这个计划不切实际。在考虑实用性的同时，我们也应该意识到加工食品不会在短时间内消失。

另一个计划是重新设计食物。这听起来很极端，但从某种意义上来说，它们已经出现在我们的生活中:许多现代加工食品已经变得更加精致、厚重和独特，以迎合消费者的喜好。该计划的主要挑战是有效地将食物中添加的饱腹感激素释放到人体组织中，在人体组织中它们最有效，同时创造出美味的食物。开发这些所谓的“功能性食品”需要软物质物理学。

不仅是营养

除了具有“正常”的营养价值和味道，功能性食品还能带来一些额外的生理效应。例如，富含维生素的面包、牛奶和橙汁、含有“益生菌”的酸奶、含有高ω-3脂肪酸的鸡蛋以及添加了纤维以降低脂肪含量的肉制品。功能性食品对有过敏症或其他健康问题的人来说也很方便:无乳糖和无麸质食品越来越多地出现在超市货架上。

然而，要用更健康的成分代替原始成分或者在现有的食品配方中添加新的成分(如饱腹感激素)并不容易。食物配方往往是长期实践和研究的复杂结果。添加或删除任何部分都会产生不可预测的后果。

理解食物结构和食物配方的任务属于软物质物理学领域:软物质物理学研究包含分散的气泡、胶体、乳液或聚合物的复杂流体。这些分散物质的尺度可以从纳米到微米不等——后者是你咀嚼时嘴唇可以感知的尺度。

以冰淇淋为例，它含有像气泡、乳液、冰晶和蛋白质这样的胶体颗粒作为聚合物和两亲分子(同时含有亲水和疏水基团的分子)。在巧克力中，可可颗粒、糖晶体和蛋白质聚合物在可可脂连续相中混合。啤酒泡沫依靠生物分子降解产生的聚合物来保持稳定性。在软物质物理学家的眼里，意大利面条是玻璃相中的一种无定形碳水化合物。所有这些食物成分都充满了生物复杂性，但它们可以被改变，并提供了将功能性成分输送到身体相应部位的可能性。

乳剂(悬浮在连续相液体中的分散相液滴的混合物)可以将饱腹感激素输送到肠道。许多加工食品含有乳状液，其中沙拉酱是油滴悬浮在富油相中的乳状液，而黄油和人造黄油是水滴悬浮在富油相中的乳状液。在这种乳液中，充当“乳化剂”的两亲分子可以稳定其中的悬浮液滴，并避免液滴之间的聚集；“乳化助剂”可以使连续的相变变稠或凝胶化，从而避免乳滴之间的碰撞。这种乳液同时含有水相、油相和两亲相，可以含有各种功能性成分来提高饱腹感。乳液的合理组合和加工可以使它们形成各种各样的结构，从糊状到凝胶状再到可以自由流动的液体，甚至在干燥后成为粉状添加剂。重要的是，许多食品级材料可以通过相对简单和节能的方法加工成乳液。

然而，乳液确实有局限性，其中一些会在食品加工阶段遇到。高温蒸煮、低温冷藏或冷冻、强烈搅拌和酸碱度变化都会使液滴不稳定，这给功能性食品的研究和开发带来困难。如果油相分散在水相中的乳状液的稳定性被破坏，分散的液滴将聚集在一起，在食物内部或表面形成富油相——也就是说，发生“油分离”，这是我们不想看到的。

乳液的稳定性可以通过在液滴外部包裹一层由带电聚合物电解质形成的固体膜来提高。我们可以选择薄膜的成分，使其在特定的酸碱度或盐浓度条件下能够溶解或产生空腔，从而在肠道的特定位置释放饱腹感因子。

薄膜不必很薄或由聚合物制成:例如纤维素颗粒或更小的液滴，其表面本身被一层蛋白质覆盖，形成所谓的“皮克林乳液”。如何使用这种乳液取决于食物:口腔可以感觉到这种大小的液滴，而在酸奶等半液体食物中，它们会带来一种砂砾和令人不快的味道。

另一种乳化技术使用乳化液来捕获乳滴，形成一种称为“复合乳化液”的层状结构。这种结构可以是“水包油”:在油的连续相中悬浮着“乳滴，油分散在水中”；它也可以是“水包油包水”:一个“分散在油中的水滴”悬浮在水的连续相中。复合乳液在“捕获”挥发性成分方面非常有效，挥发性成分被包裹在不能通过的外部介质中，从而防止它们扩散到外部。这种结构还可以防止一些苦味成分在口腔中释放。此外，复合乳液可以保护食品中的一些不稳定成分免受与外界物质的不良化学反应，从而使食品变质。

虽然乳液可以提供一种很好的方式来封装和传递功能性成分，但是不幸的是，选择合适的乳液和开发功能性食品并不像探索胶囊和服用物质那么简单。我们的身体对不同大小和成分的乳胶粒子反应不同。研究表明，较小的奶滴可以提供热量和饱腹感，而较大的奶滴可以在提供热量的同时降低饱腹感。乳液在人体中分解的位置也很重要:如果油性乳液在酸性胃中分解，胃壁将被一层脂肪覆盖，从而降低饱腹感，但是脂肪降解的产物将增强饱腹感。

乳液在食品领域的应用涉及到非常复杂的相互作用，如乳滴的大小、食物的味道和质地、肠道的消化过程和最终释放的饱腹感激素。在我们理解这些功能之前，我们似乎想击中一个移动的目标，这是非常难以成功的。

蛋白质效率

蛋白质也是一种有吸引力的食物成分。与脂肪相比，它们有两个重要的优势:低卡路里密度和更强的饱腹感。简单地改变温度或酸碱度就能把蛋白质变成纤维状(透明的)或颗粒状(不透明的)胶体，使食物产生不同的质地。如前所述，这些调节食物质地的树胶可以使乳滴周围的介质变稠，防止它们结块。同样，通过简单地改变温度或酸碱度，我们也可以控制蛋白质聚集的方式，使蛋白质颗粒显示出乳液的特性。像乳液一样，这些蛋白质可以用来包裹和缓慢释放控制饱腹感的成分。同时，即使没有脂肪和油，它们也能给食物一种“奶油”般的细腻口感。

淀粉、纤维素、壳聚糖、海藻酸和树胶等碳水化合物聚合物也有类似的效果。这些材料中的许多被用来包裹益生菌。然而，我们必须仔细设计这些包装材料，以抵御胃中的酸性环境，并防止益生菌在到达小肠之前被破坏。许多多糖也被用作增稠剂，其中许多不能被人体消化，所以它们不能直接提供热量。一些“膳食纤维”也能引起饱腹感，这可能是由于它们增加了食物量或含水量，从而改善了饱腹感的身体感觉，但也可能是由于它们在小肠中发酵后释放了饱腹感激素。

未来的食物

理论上，复原的加工食品具有较低的热量密度:高热量的食物材料(如脂肪)被低热量的替代品(如膳食纤维)所取代。然而，这样做很可能会影响食物的味道和质地，从而影响消费者的满意度。对于这个难题，食品物理学家提供了一个可能的解决方案:开发能够模仿热卖产品的味道和口感的新产品，同时添加能够在特定位置发布内容的新产品。智能食品加工也可以减少糖和盐的使用，特别是当糖和盐的使用不是为了调味或营养考虑时。

在一个人们很少或不吃加工食品的理想世界中，上述解决方案都是不必要的。然而，在现实世界中，90%的美国人会购买方便食品，英国人50%以上的热量摄入来自深加工和高热量食品:食品改良是非常必要的。或许聪明的物理学家可以帮助我们预防肥胖危机。

英国苏塞克斯大学的物理学家成功地“驯服”了现代科学中最违反直觉的现象之一，从而在新一代计算机的发展中迈出了关键的一步，这将彻底改变我们解决许多现代科学问题的方式。

物理学家经常用一个意识形态实验的例子向人们展示量子力学神秘而奇特的本质，这就是薛定谔的猫。理论上，薛定谔的猫可能是既死又活的。

根据本周发表在《物理公报A》上的一篇论文，苏塞克斯大学的物理学家利用新技术，基于离子捕获和微波辐射，成功构建了一种特殊类型的“薛定谔猫”。

像猫一样，研究人员通过构建“纠缠态”将这些离子同时置于两种状态。这种效应挑战现实本身。

这些被捕获的离子将引导科学家们开发一种新型的机器，这种机器将能够吸收量子物理理论的强大力量，并帮助我们高效率地解决一些问题。

传统上，科学家使用激光作为这个量子过程的驱动工具。但是你必须小心地操纵数百万束稳定的激光束来与同样多的离子进行协调，以建立有价值的数据。

然而，如果用微博辐射代替激光，建造量子计算机会容易得多。这就像厨房里使用的微波炉。凭借成熟可靠的技术，它发出的辐射可以很容易地传播到更广阔的空间。

苏塞克斯大学的研究人员用微波辐射代替激光来构建“薛定谔猫”态离子，这是实现量子计算机前景的重要一步。

苏塞克斯研究小组的首席科学家温弗里德·阿辛格博士说:“建造一台大型量子计算机仍然是一个巨大的挑战，但这项成就表明，我们正在从基础科学转向突破性技术，这可能会改变我们的生活。”

海森格的研究团队包括两名博士后研究员和三名博士生。他们一起工作，花了两年时间开发这种基于微波辐射的技术，从而大大简化了量子计算的途径。

该研究小组的博士后研究员之一塞布·维特博士说:“这项成就为实现新的量子技术开辟了一个全新的前景。”

观察天体可以用肉眼或天文望远镜。大型天文望远镜无法满足普通人的观测需要。因此，一些小型天文望远镜已经成为爱好者的工具，但也有人可以自己动手制作天文望远镜。目前，另一种自助模式也在互联网上流行。用3D打印机制作天文望远镜是个好主意。这台望远镜名叫皮康，是由物理学家马克·瑞格利和其他人创造的。他相信这项发明将会改变游戏规则，让更多的人拥有天文望远镜，用它们来观察夜空。

Pikon计划要求公众在互联网上下载打印模块，费用为100英镑。这是一种牛反望远镜。如果你有一台3D打印机，你需要大约400英镑，大约650美元，来制造这样一台望远镜。在观测条件良好的夜晚，你可以看到星系、星团，甚至太阳系的行星和其他天体。根据设计者的介绍，这种望远镜的成像质量相当于成本是望远镜10倍的望远镜，性价比相对较高。从图中可以看出，望远镜的外部设备都是由3D打印制成的。尺寸很小，像镜子这样的零件还需要购买。放大倍数为160倍，可以满足一些爱好者对宇宙物体的观察要求。

不久前，太空探索技术公司的货船向国际空间站发送了一台3d打印机。宇航员可以在空间站上打印物体。如果他们有合适的材料，他们可以制造自己的望远镜。美国宇航局认为这是一次技术演示。有一天，我们将通过3D打印机生产更多的零件，不再需要货船的补给。物理学家开始进一步扩展这项技术来制造望远镜，所以这是一项“颠覆性”的技术创新。

物理学家马克·瑞格利是谢菲尔德大学物理研究所的成员。研究小组希望有一天更多的先进望远镜将使用3D打印组件。业余爱好者也可以观察宇宙深处的空间，价格会被公众接受。目前，皮康计划的DIY望远镜还需要一些成熟的电子元件，比如一个40美元的相机模块。

汤姆森出生在英格兰曼彻斯特郊区。他父亲经营一家书店。从他还是个孩子的时候，他就接触了许多拜访他家的学者。学者们积极的科学思想和广博的知识对他的成长产生了深远的影响。他从小就喜欢思考。当他上小学的时候，他仔细地看着挂在卧室里的秋千，写下了他的第一篇小论文。

当他在珀西中学学习的时候，他用他父亲给他的工具制作了各种各样的船模。最让他高兴的是，在他稍长一点的密友法伦的帮助下，他制作了一个潜艇模型，并成功地操纵它在拜伦池塘潜行了一英里。船舶模型制作训练了他的手工技能，展示了他的创造能力，学习了使他受益终生的工程和机械知识，享受了发明和创造的乐趣，并增加了他对科学研究和航海的兴趣。14岁时，他因论文《蒸汽取代风帆对海战的影响》获得了美国海军协会的年度大奖正是在这一年，他父亲的朋友建议他去欧文斯学院学习。不幸的是，他的父亲在他上学的第二年去世了。由于家里经济困难，他不得不停止深造。但是他仍然坚持努力学习，自学成才。

19岁时，他被英国剑桥大学三一学院录取，以优异的成绩学习数学。他凭借优异的成绩不断获得奖学金，直到大学毕业。23岁时，他参加了剑桥大学的学位考试，并以优异的成绩获得了数学和自然科学学士学位。毕业后，他在卡文迪什实验室研究了由放电管中的正射线产生的原子自由基，还研究了飞机绕行时的隐身问题。他25岁时被提升为讲师。汤姆森的科学研究能够得到当时著名物理学家卡文迪什实验室主任瑞利的发现和赞赏。英国的“伯乐”让每个人都感到惊讶，并让27岁的数学家汤姆森接替他担任物理实验教授和卡文迪什实验室主任。尽管当时许多科学家持怀疑态度，但实践证明汤姆森完全胜任这项工作。

自19世纪70年代以来，物理学界对阴极射线的性质形成了两种截然相反的观点。以英国科学家克鲁克斯和法国物理学家佩林为代表的一个小组认为阴极射线是一种带负电的粒子流。另一组以德国著名物理学家赫兹和戈尔茨坦为代表，认为阴极射线是电磁辐射。这两种观点激烈地争论了20多年，但没有一种观点反驳另一种观点。

1897年，汤姆森在卡文迪什实验室用实验方法测量了阴极射线粒子流的速度和它的电荷质量比(现在称为电子的电荷质量比e/m)作为一个常数值。还发现这些值与真空管中包含的气体和制造阴极的材料无关。这个实验结果是一个伟大的发现，证实了电子的存在。当时，他称这种粒子流为“阴极粒子”汤姆森证明了阴极粒子(现在称为电子)是带有一定电荷和质量的粒子。

汤姆森比他同时代的人更早发现电子。一方面，他能够突破旧的传统物理概念，大胆宣布世界上有比原子小的粒子——电子。另一方面，这也离不开他扎实的理论物理和实验物理知识。他的丰功伟绩被称为“电子之父”。

在过去的20年里，汤姆森花费了大量的精力研究电子通过真空管时的绿光问题。根据其他科学家的实验结果和他自己的实验，阴极射线以直线传播，阴极射线在磁场中弯曲，所以它们不是光。就这样，汤姆森开始在他的脑海中形成这不是一条射线，而是一个“粒子流”。为了证明这些“粒子流”是带电的，他做了一个实验。真空管中装有一个带有两块金属板的电容器。电容器的两个电极连接到DC高压电源。当这些粒子通过电容器中的静电场时，粒子流也会弯曲。这个实验证明这些粒子是带电的，并进一步证实它们是带负电的粒子。为了找出阴极射线的本质是什么？必须确定阴极射线的一些基本物理量。

汤姆森在卡文迪许实验室设计了一个实验仪器来进行实验。他将测得的粒子流的荷质比与已知的氢离子荷质比进行了比较，发现粒子流的荷质比大约是氢离子荷质比的2000倍，而汤姆逊通过实验测得的这些粒子的荷质比大约等于氢离子的荷质比。因此，他证明了这些“粒子”的质量约为氢原子质量的1/2000(精确测定值约为1/1837)。汤姆森最终通过实验证明了电子的存在。他对各国科学家花了几十年研究的问题做出了结论。汤姆森还在洛仑兹电子理论中推断出这些“粒子”是电子，并认为电子是任何原子的基本成分之一，提出原子不再是不可分割物质的最小单位。

汤姆森发现电子后几年，根据大量的实验结果和理论分析，他提出了著名的汤姆森原子结构模型——人们称之为“李子布丁”。由于这种原子模型能解释许多实验结果，并包含许多理论，所以在7 ~ 8年内已被所有人所认识。后来，由于难以解释电子在金属箔上的散射实验，这个理论逐渐被他的学生新西兰物理学家卢瑟福提出的原子行星模型所取代。

汤姆森是一个务实勤奋的人。他能很快意识到自己工作的重要性，迅速做出决定并立即采取行动。他在工作中不怕困难和困难。正是这种面对困难的务实精神和勇气，使他能够充分利用机会，发挥自己的才能，做出杰出的贡献。

沃尔夫冈·泡利出生在奥地利维也纳的一个知识分子家庭。他的父亲是医生，他的教父是奥地利物理学家和哲学家。保利从小就受到他父亲和科学教父的培养，他对物理学有浓厚的兴趣。在高中，泡利经常研究爱因斯坦的广义相对论，这在当时是鲜为人知的，并提出了自己的观点。

1918年高中毕业后，泡利带着父亲的介绍信去慕尼黑大学拜访了著名的物理学家索姆菲尔德。他要求不上大学，而是成为索末菲的研究生。索末菲当时没有拒绝，但他并不放心。但是他很快发现了泡利的才华，泡利成为了慕尼黑大学最年轻的研究生。

沃尔夫冈·泡利(网络图)

索末菲教授请他为德国准备出版的百科全书写一篇关于相对论的文章。保利完成了一部250页的专著，让教授大吃一惊。后来，爱因斯坦读了保罗的作品，说道:“任何看到如此成熟和富有想象力的作品的人都不能相信作者只是一个21岁的学生。”保利在学生时代展示了他杰出的科学才能，并引起了一些著名物理学家的注意。

1925年春天，汉堡大学传来一条引起世界物理学界关注的消息:一种新的物理原理——不相容原理诞生了。这是由25岁的保利提出的，他是一位当时在大学教书的鲜为人知的年轻学者。泡利的不相容原理可以表述如下:在一个原子中，任何两个轨道电子的四个量子数不能完全相同。不相容原理并没有立即显示出它的价值，但保利的才华得到了社会的认可。

保利一生博学多才，但他非常挑剔。他常说的一句话是“我不同意你的观点”。因此，他似乎与周围的人格格不入。有些人给他起了个绰号“泡利第二不相容原理”。荷兰物理学家艾伦·费斯特给他起了个绰号“上帝的鞭子”，生动地描绘了这位极其挑剔的天才。

泡利正在教学(网络图)

在20世纪，著名的苏联物理学家列夫·戴维多维奇·兰道(1962年获得诺贝尔物理学奖)一直以傲慢闻名。有人为他画了一幅漫画:兰道坐在讲台上，有一对天使的翅膀，头上戴着一个波函数类似于量子力学的皇冠，学生们用驴耳朵恭敬地听着教义。即使是这样一个傲慢的人，见到泡利，第一次像一只软弱的绵羊。有一次，兰道在瑞士苏黎世发表了演讲。他讲完后，谦虚地说他的演讲可能有问题。请纠正我并批评我。出席听证会的保利粗鲁地说，“你说的太令人困惑了。我不知道什么是对的，什么是错的。”

保利的批评不会随着时间、地点、人而改变。在一次国际会议上，爱因斯坦发表了演讲。演讲结束后，泡利站起来漫不经心地说，“我不认为爱因斯坦是完全愚蠢的。”后来，每次爱因斯坦发表演讲时，他总是会看着观众，看看泡利是否存在。

许多物理巨人的合影(网络图)

有一次，当意大利物理学家西格尔完成他的报告并离开会议室时，保利对他说，“我从未听到过如此糟糕的报告。”说到这里，泡利突然转过身来，对瑞士物理化学家布雷特谢说，“我认为如果你给出一份报告，情况可能会更糟。”

另一次，泡利想去一个地方，但不知道怎么去。一位同事告诉他。后来，这位同事问他那天是否找到了他想去的地方。他没有表达他的感激之情，而是讽刺地说，“当你不谈论物理时，你的思维非常清晰。”

泡利对学生更不礼貌。有一次，一个学生让保利读他的论文。两天后，泡利把报纸还给他，说:“即使是错误也不够。”

保利的严厉批评被玻尔称为“物理学的良心”，因为他敏锐、谨慎和挑剔，他有一眼就能发现错误的能力。物理学界的笑话是存在“泡利效应”——在泡利出现的地方，人们在理论推导和实验操作上都将出错。

“哦，这没什么错。”这通常是保利的高度赞扬。有人编造了一个笑话:保罗死后去见上帝。上帝向他展示了他对世界的设计。保利耸耸肩说，“你本来可以做得更好。”这个笑话的另一个版本是:保罗死后来到天堂见上帝。上帝向保利展示了他对宇宙的设计。保利看了很久，挠了挠头说:“我没发现什么问题。”

尽管保利刻薄且言辞犀利，但这并不影响他在当代物理学家心目中的地位。在物理学史上最辉煌的时代，有如此多的天才和英雄，英年早逝的泡利仍然是夜空中最耀眼的明星之一。在他死后很久，当物理学领域有新的发展时，人们经常会想到他:“如果保利还活着，你会怎么想？”

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奥地利裔美国物理学家沃尔夫冈·泡利(1900-1958)对相对论和量子力学做出了杰出贡献。“泡利不相容原理”于1924年被发现，中微子假说于1930年被提出。1945年，他因“泡利不相容原理”获得诺贝尔物理学奖。

物理教科书，历史教科书...教科书中许多名人的照片都是老人，他们因岁月流逝而失去了容貌，因研究而失去了头发...但事实上，许多名人年轻时不应该太帅。他们有自己的特点，很帅！今天，让我们来看看年轻时非常英俊的物理学家，擦亮他们的眼睛。

第一名维尔纳·卡尔·海森堡(德国)

1932年诺贝尔物理学奖获得者。成就:量子力学的主要创始人。

笑起来还是很温暖的

海森堡和玻尔

列夫·戴维多维奇·兰道(苏联)

1962年诺贝尔物理学奖声称是世界上最后一位全能的物理学家。成就:兰道十诫。

姿势是100晕！

理查德·费曼(美国)

1965年诺贝尔物理学奖获得者。成就:“曼哈顿计划”，费曼图，费曼规则和重整化计算方法；最先提出纳米概念的。

多帅啊！

好莱坞巨星的成就感！美国电视剧男主持人的成就感！

4号尼尔森·亨里克·大卫·波尔(丹麦)

他获得了1922年诺贝尔物理学奖。成就:玻尔模型、哥本哈根诠释、哥本哈根学派创始人。

它看起来眼熟吗？

沃尔夫冈·保利(奥地利)

成就:泡利不相容原理，泡利矩阵，β衰变。

据说保利在性格和外表上都是谢尔顿的原型。

当我还是个孩子的时候，波利在流血。

他胖之前很帅。

詹姆斯·麦克斯韦(英国)

成就:英国第一个专门的物理实验室建立，麦克斯韦方程建立，电磁波的存在被预言，光的电磁理论提出，经典电动力学的创始人和统计物理学的创始人之一被提出。

留胡子前还是留胡子后

身高1.9米的吴先生曾在国民党时代主持中央大学。在历史上，他可能被视为中国第一个国家科研机构的负责人，资历比郭沫若还要老。“康普顿-吴荀攸效应”显示了他在专业领域的成就。

吴1897年4月26日出生于江西省高安鹤龄市。他于1920年毕业于南京高等师范学校(现南京大学)。他于1921年去了美国，并进入了芝加哥大学。他跟随康普顿从事物理研究，并于1926年获得博士学位。1926年回国，先后在江西大学和中央大学(现南京大学)任教。1928年，他任清华大学教授、物理系系主任、理学院院长。1945年10月，他成为中央大学校长。1948年，他是交通大学的教授。1949年，他担任学校事务委员会主任。

中国科学院成立后，吴先生任副院长、数理化学系主任、原子能研究所所长。

1926年，芝加哥大学物理实验室的师生们拍了一张照片(右边第三排是周培源，右边第二排是吴，左边第八排是谢)。源地图

当时，中国科学院给了高层领导一些职位，比如，物理化学系的负责人吴·只是一个“主任”，而他手下的几个省长，如，则被称为化学系的成员。与今天的标题相比，它们似乎缺乏风格。然而，每个人都深信不疑，因为它直接影响了科学院的氛围，使它能够长期坚持一种真诚、务实和严谨的学风。

吴是数学系、物理系和化学系的系主任，也是公认的最杰出的物理学家。之所以这样认为，首先是因为吴先生受过良好的教育，很受欢迎。另一方面，他确实有资本的风格——吴先生个子高，威严而令人生畏。李政道、邓稼先等人都是他的学生。吴的威望并没有显示出来。

此外，吴老的风格也在其他地方表现出来，比如汽车。

按照国家规定，当时一些著名学者都有自己的车，而吴的车是最漂亮、最新的。他的司机也很勤奋，总是擦亮吴老的车。因此，只要吴一出门，大家都会知道他们什么时候看车。但是，没有人有任何意见，因为大家都认为吴老代表了中国科学界的“脸面”。

吴的威严确实举足轻重。早在他担任中央大学校长时，一些学生就参加了爱国运动。国民党南京警备司令部前来逮捕有关人员。吴回绝了他，并提出辞职作为保证。在他担任校长期间，他因类似原因递交了14次辞呈。

然而，一些与吴共事过的年轻一代回忆说，在讨论技术问题时，吴会“露出本来面目”，忘记自己的社会地位，专心工作。

吴与妻子及子女在清华校园的合影。

能够坐上数学、物理和化学系主任的位置，吴确实有他自己的优势。那一年，吴先生在西南联合大学主持理学院。突然，学生们开始罢工。这次罢工值得被载入史册，因为当时闹事的学生领袖之一是几十年后著名的诺贝尔奖获得者杨振宁先生。

杨振宁先生并没有对政治大惊小怪，而是因为有一位物理教授上课读书。每个人都认为学习毫无意义。西南联合大学有着积极的学风。许多大学生很有天赋，有勇气制造更多的麻烦。他们立即辞职，要求更换教师。

有不少教授认为学生过于激进和不合理，因为这位先生的学术水平被公认为是好的。然而，吴先生认为错误在于老师，因为虽然教授可以做科学研究，他不能讲课。吴先生和先生亲自给罢工学生讲课，并通过婚姻谈论电子产品，这使学生们非常着迷。教授有点不相信，但此时他完全相信了。

1974年4月25日，时任中国科学院副院长的吴与马克斯·普朗克研究所所长吕斯特讨论了未来的科技合作。

事实上，吴先生只在社交场合表现出“尊严”和“风度”，但他的作品却是蓬头垢面。当他还是民国中央大学校长时，他经常亲自处理材料或修理实验设备。因为他习惯穿粗布衣服做这种事情，他有时穿着衣服去参加各种高层会议，经常被不知名的门卫拦住。吴对此并不介意。他的解释是:“实验物理的研究始于螺丝刀的使用。”

也许，这是从事科学的人的真实本性。

转载自《中国科学日报》(第11版，2014年5月16日)

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吴(1897 ~ 1977)是我国著名的物理学家和教育家，中国物理学会创始人之一。出生于江西高安。吴主要从事现代物理特别是X射线散射光谱的研究，是我国开展现代物理实践研究的先驱之一。1926年秋，他回到中国，先后在上海交通大学、南京中央大学和北平清华大学任教20多年。他以严谨的科学风格培养了许多优秀的学生。1945年，他是中央大学的校长。1950年，他担任中国科学院副院长和现代物理研究所所长。

名言:如果你试图改变某件事，你应该首先接受许多事情。

法国数学家和物理学家。

首次采用定积分来改进符号规则和根数判别法。

傅立叶级数(三角级数)的创始人。

法国数学家和物理学家。他于1768年3月21日出生于奥斯泽，于1830年5月16日在巴黎去世。9岁的父母去世，被当地教会收养。12岁时，他被一名主教送到当地的一所军事学校。17岁时(1785年)，他回到家乡教数学。1794年，他去了巴厘岛，成为第一批师范大学的学生。第二年，他去巴黎综合工程学校教书。1798年拿破仑远征埃及后，他成为军事文献和埃及研究所的秘书，1801年他回到中国，成为伊泽省的省长。他于1817年当选为科学院成员，于1822年担任其常任秘书，后来又担任法国科学院常任秘书和科学与工程大学理事会主席。

主要贡献是在研究热的传播时建立了一套数学理论。1807年，他向巴黎科学院提交了一篇题为《热的传播》的论文。他导出了一个著名的热传导方程，发现解函数在解方程时可以用由三角函数组成的级数来表示，从而提出任何函数都可以展开成无限个三角函数的级数。

1822年，他在代表作《热的分析理论》中解决了非均匀加热固体中的热分布和传播问题，这成为分析科学在物理学中应用的最早的例子之一，并对19世纪数学和理论物理学的发展产生了深远的影响。傅立叶级数(即三角级数)、傅立叶分析等理论都源于此。其他贡献包括最早使用定积分符号、改进代数平方符号规则的证明和判断实数根的个数。

是伽莫夫提出的，这个大爆炸宇宙模型就是在爱因斯坦的广义相对论基础上，又在场方程的求解上作出了一定的简化。大爆炸宇宙模型在1932年被勒梅特首次提出，在1946年的时候被美国物理学家伽莫夫正式提出。

伽莫夫全名乔治·伽莫夫，是美国核物理学家、宇宙学家，在1946年的时候正式提出大爆炸宇宙模型，以倡导宇宙起源于“大爆炸”的理论闻名。此外他还提出了放射性量子论和原子核的“液滴”模型，对物理学理论做出了贡献。

伽莫夫的主要著作有《宇宙间原子能与人类生活》、《宇宙的产生》、《物理学基础与新领域》、《物理学发展过程》等。其中《物理世界奇遇记》更是他的代表作。

一国际天体物理学家小组日前宣布，宇宙“年龄”为141亿年，这一结论是研究人员在实施建立星空三维图像大规模计划中，收集大量资料基础上作出的。研究工作从1999年起在美国新墨西哥州天文台利用一台“天文扫描仪”——天体望远镜进行的，先后获得有关离开地球20亿光年约20万颗天体的资料。

今年2月，美国宇航局曾公布自己对“宇宙年龄”的评估，美国宇航局专家认为，“宇 宙年龄”为137亿年。为了这项研究美国宇航局利用了最新的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)，该探测器“悬挂”在距地球150万千米的太空，那里的地球与太阳的引力作用正好平衡。这项太空实验记录到所谓残余辐射波动，这种残余辐射是在大爆炸之后约40万年诞生的。

“毫无疑问，再没有什么像司空见惯的东西那样不自然的了。”

引自《身份案》①

20 世纪 70 年代中期，宇宙学朝一个新的方向发展了。粒子物理学家开始逐渐介入。 1973 年，他们成功地找到了一种关于物质在极端条件下呈现何种行为的理论。先前，他们有关物质行为的思想曾预言，当能量和温度增高时，物质的相互作用应变得越来越强，描述起来也愈来愈复杂。因此，他们对于研究由大爆炸的第一秒钟所提供的环境并不十分起劲，他们觉得还存在着更紧迫而又有可能解决的问题。然而，他们成功地对基本粒子间的高能相互作用作出的新描述却具有这样的特征：随着温度的上升和能量的增大，相互作用变得较弱、也较为简单了。这种性质称为“渐近自由”，因为如果能量无限增大的话，那么在此渐近过程中粒子之间的相互作用就消失了，它们的行为就仿佛像处于自由状态下一样。

基本粒子物理学家已开始寻找将不同的自然力纳入某种单一的“统一理论”的途径。1967 年，温伯格（steven Weinberg）和萨拉姆（Abdus Salam）首先解决了电磁力和弱力（与放射性相伴的力）如何统一的理论。20 世纪 70 年代在欧洲核子研究中心发现了两类预期应当存在的新的基本粒子，从而出色地证实了上述理论。现在寻找的则是使强力也加入统一行列的理论，即包含上述三类力的某种“大统一理论”（见图 6.1）。

有关统一的这些尝试乍一看似乎是不会成功的，因为我们知道各种不同的自然力强度是极不一样的，它们对各种不同类别的粒子起作用。这些截然不同的东西怎么会是一回事呢？答案是：自然力的强度随环境的温度而变化。所以它们虽然在我们生活的低能世界中大不相同，但在我们所探索的高温条件下却会极其缓慢地变化。某些业已提出而颇有希望的理论预言（见图6.2）：这 3 种力在非常高的能量下——超过 1015 吉电子伏，相应于 1028 开的温度——应变得大致相等；该能量远远大于任何可以设想的地球上的粒子对撞机所能产生的能量，而与宇宙本身肇始之后约 10-35 秒所历经的能量相等。所以，我们也许可以凭借探索这些“大统一理论”导致的字宙学后果，来检验它们是否具有物理意义。此外，宇宙学家可能还会发现，有关基本粒子行为的这些新预言将能解释原先尚未阐明的宇宙性质。

大统一理论认为力的强度随温度的增加而变化，从而解决了今天具有不同强度的力的统一问题。它们必须解决的另一个问题是：不同的力作用在不同类型的基本粒子上。为了全面地统一所有的粒子，它们就必须能相互转化。这就要求存在质量非常大的新的传递物，这些重粒子仅在宇宙热得足以使它们由粒子碰撞而产生时才大量地出现。这类理论预期，几乎必不可免地会出现两类新粒子。第一类我们称之为 X 粒子，它似乎是一种神赐之物。人们预期它具有任何已知的物质基本粒子皆不具备的某种性质：它可以将物质转变为反物质。只有能够发生这样的转化，才有可能存在一组关于基本粒子相互作用的真正统一的定律。

① 参见第四章章首引文译注。此处引文系福尔摩斯对华生语，寓意为我们所见的宇宙具有一系列似乎很难自然形成的特征，见本章正文——译者这一特征使这些大统一理论能够为宇宙中某种奇怪的“一边倒”现象作出解释。自然界中的每一种基本粒子都有一种“反粒子”，它们两者之间的诸多性质（例如电荷）正好都取相反的值，即具有相反的正负号，恰似一块磁铁的北极正好与其南极相反一般。虽然粒子物理学的实验室实验产生粒子和反粒子时两者是完全平等的，但当我们观看宇宙空间或者收集宇宙线时，却发现只有物质而没有反物质。宇宙仿佛是由物质、而不是反物质占着主导地位。使事情显得更加令人费解的是，如果物质不能转化为反物质的话，那么宇宙中物质与反物质数量的总体不平衡就永远不会改观了。于是，如果今天宇宙中物质占据主导地位——人们已观测到了这种不平衡性，那么为了对此作出解释，我们就必须对宇宙的开端有所了解。面对这一结论，科学家们反躬自问：会不会存在着某个更自然或更对称的状态，人们可以想象它是由某种迄今尚未发现的自然原理挑选出来的。唯一“自然的”初始状态看来就是物质与反物质均等的状态。但是，如果物质不能转变为反物质的话，那么这样一种状态就不可能转变为我们今天所见的“一边倒”状态，完美无缺的初始平衡必须被保留下来。

这样，新的大统一理论就要求 X 粒子来充当救星了。X 粒子和它们的反粒子以不同的速率衰变为其他形式的粒子和反粒子。结果，物质与反物质之间完全平衡（相同数目的 X 粒子和反 X 粒子）的初始状态，就可以通过宇宙极早期阶段中的这些衰变，而自然转化为某种“一边倒”的状态。

1978 年，人们研究了这一类型中为数众多，而各有差异的大统一理论，并弄清楚了阐明宇宙中已观测到的物质一反物质不对称性并非难事。这可是个好消息。它在 1977 年到 1980 年间唤起了粒子物理学家对于研究极早期宇宙的巨大兴趣。但是，也有一些坏消息，人们却多半对它视而不见。X 粒子只是整个宇宙在最初时刻必不可免地产生的两类粒子之一。X 粒子很快就衰变成了其他粒子——如夸克和电子（它们今天置身于我们周围的原子中），另一类粒子却是人们既不需要而又驱赶不走的。

这些多余的粒子称为磁单极。它在下述的所有尝试中都是不可避免的副产品：这类尝试欲将各种自然力统一到某种大统一理论中去，而这些理论则须得出一个与我们自己的世界相似、包含人们熟悉的电力与磁力的世界。由于和电与磁有着这种联系，就不能凭借对理论作点小修小补而将磁单极取消掉。人们必须找到某种途径，使磁单极在早期宇宙中刚一形成即被消除，因为没有观测证据表明它们存在于今天。更糟糕的是，如果宇宙中到处都有磁单极的话，那么它们最终对于今日宇宙之密度作出的贡献，就会比恒星和星系中所有普通物质的贡献大 10 亿倍，这不是我们生活于其中的宇宙。如此巨量的任何形式的物质都将使宇宙的膨胀迅速地减慢——其减慢速率要比实际见到的快上 10 亿倍。不论是星系，还是恒星，或是人，都不可能存在。问题是很严峻的。人们怎样才能摆脱这些讨厌的磁单极，或者压低它们的产量？答案是我们对宇宙的思考要开辟新的一章，并且彻底改变我们探究宇宙可能如何起源的方法。为了弄清其深奥精妙之处，我们需要进行这样的探索：我们今日所见的这部分宇宙来自何方？它过去是怎样的？这为何又使它今日的状态变得如此神秘？

当我们谈论宇宙时，我们必须小心地界定一种重要的差别。这个宇宙①  存

①       （这个）宇宙，英文是 the Universe，即 universe（宇宙）首字母 U 大写，前面加定冠词，特指我们置身在着，它就是一切。它可能是无限延伸的，也可能是有限的，我们对此并不知晓。还有一个概念是我们所说的“可见宇宙”（见图 6·4），它是（这个）宇宙的一个有限部分，从宇宙开始膨胀起，光已经有足够的时间可以从上述这个部分到达我们这里。我们可以把可见宇宙想象为一个半径约 150 亿光年的球，我们自己就在球心。随着时间的流逝，我们的可见宇宙尺度也增大了。对宇宙的科学研究，其观测部分仅限于对可见宇宙进行。为了超越这一范围，并对整个宇宙的性质说些什么，我们必须以不能由观测周围世界来检验的某种方式进行外推。

现在假设我们来回溯构成今日可见宇宙的那个区域的历史。它一直在参与宇宙的膨胀，因此它所包含的物质（多得足以构成今天的上千亿个星系）昔时必容纳在一个远较今日小得多的区域内。由于该区域的半径随膨胀而增长，所以按照众所周知而历经检验的热力学定律，该区域中辐射之温度反比于其体积而下降。这意味着我们可以利用辐射温度作为这一部分宇宙昔日大小的量尺。若其体积加倍，则其温度减半。

现在，让我们选一个非常早的时刻，在该时刻预期可以出现 3 种自然力强度的大统一。这是那样的一个时代：其时宇宙的温度高得足以产生 X 粒子和磁单极，因而具有确定的值；它相应于约 3×1028 开。这是宇宙开始膨胀后仅约 10-35 秒时的温度。

今天，即膨胀开始之后约 1017 秒，辐射的温度已下降到了 3 开。所以，自从那个早期时刻以来，温度已经改变了 1028 倍，今天的可见宇宙所包容的事物，当时容纳在一个半径比今日之可见字宙小 1028 倍的球中。可见宇宙今天的尺度由其年龄乘以光速而给出，约为 3×1027 厘米。因此，在大统一的时代，我们这个可见宇宙内的一切东西部包容在一个半径为 3 毫米的球内（见图 6.5）！这听起来小得惊人，但问题却在于这实际上是太大了。因为，从宇宙开始膨胀直到那时，光能够行经的距离是光速（每秒 3×1010 厘米）乘以年龄 10-35 秒，即 3×10-25 厘米。这是自从膨胀开始以来，任何信号所能传播的最大距离。它被称为视界距离。如果摩擦或其他起着平滑作用的过程正在熨平宇宙初始状态中的任何不规则性，那么视界就决定着任何时刻这种平滑作用的最大限度，因为它们的作用不可能快于光速。问题在于，后来膨胀成我们今天的可见宇宙的那个区域，在早先那个时刻不知比视界的尺度大了多少。这就产生了一种疑难和一个问题。

一种疑难是：要弄清楚，如果宇宙由大量彼此完全独立的分立区域构成（此处完全独立是指自从宇宙肇始以来，还没有足够的时间让光从其中的一个区域跑到另一个区域），那么我们又如何解释宇宙中不同地方、以及在天空中不同方向上的非常显著的规则性。如果没有足够的时间供热或能量发生转移以协调不同地方的状况，那么它们怎会具有相同的温度、膨胀速率、密度、以及相同的非均匀程度等等？我们似乎只能得出这样的结论：初始状态乃是到处都“创生”出同样的条件。

一个问题是：我们这些多余的磁单极“朋友”的遍在性。这些粒子出现在早期宇宙中微观能量场取向失配的地方。当宇宙年龄为 10-35 秒的时候，无论何处只要微观能量场的指向存在某种失配，那里就会形成一个稳定的磁单极。该时刻的视界尺度是 10-25 厘米，它向我们道出那些能量场可被排列、从

其中的这整个宇宙。下文中的“可见宇宙”原文是 the vishle universe，首字母 u 小写，涵义见正文——译者而可以避免失配的限度。但是，在那个非常早的时刻，日后将膨胀成为我们的可见宇宙的那个区域要比该视界尺度大 1024 倍，故应含有极其大量的失配。结果，它将包含多得无法接受的磁单极。这就称为磁单极问题。

从这些细节回过来作一反思，并清理一下发生了什么事情，那将是很有教益的。物理学家已经建立了在极高的温度下物质表现出何种行为的详细理论。因此，这样的理论应该能用于宇宙史的最初时刻。当人们用它们来再现那些最初时刻时，便导致了一些激动人心的新见解。它们提供了解释宇宙何以变得偏爱物质而不是反物质的可能性。但与此同时，它们又预言了宇宙间存在着大量被称为磁单极、而其实并不存在的新物质粒子。预期存在如此众多的磁单极原因在于下述事实：今天的整个可见宇宙由那样的一个区域膨胀而来，后者在磁单极产生的时候，远比光从膨胀开始以来所能行进的距离大得多。物理学家们是如此倾心于物质处于高温下的这些理论所获得的成功，以至于在面临磁单极问题时不是放弃这些理论，而是将问题搁在一边，并继续探索它们的性质，以期出现柳暗花明的新局面。事情果然如此。

1980 年，一位正在麻省理工学院工作的美国青年粒子物理学家古斯（Alan Guth）突然想出一种解决磁单极问题的办法，并使大统一的想法可与我们有关宇宙的知识相兼容。从那时以来业已证明，古斯的暴胀宇宙概念乃是极早期宇宙研究中的焦点，并且它本身也已发展成一个新的分支学科，后者的主旨乃是研究可实现其基本思想的一切途径。

我们可以看到，磁单极问题乃是极早期宇宙中视界尺度过小造成的。大统一时期的视界尺度膨胀到今天也不过成为一个大小为 100 公里的区域。只要宇宙在较早的时期膨胀得较快，那么也许就能使像视界那样大小的区域膨胀为今天的可见宇宙所具有的尺度。这就是古斯的暴胀宇宙假说所提议的内容。它要求宇宙在极早期经历一个短暂的加速膨胀（“暴胀”）阶段。所需的这个阶段简直短极了——从 10-35 秒加速到 10-33 秒就可万事大吉。

如果出现这种加速，那么我们的整个可见宇宙就可以从早先光信号能到达的范围内的某一区域膨胀而来。它的平滑性和各向同性就变得可以理解了。但更重要的是，大量的磁单极将不复存在，因为我们的可见宇宙是从某个极小的区域膨胀而来，后者则小得只能包容一个导致磁单极的失配。磁单极问题是有可能解决的。

认识到这一点非常重要：这种方案并未制止磁单极的形成，也未能通过某种途径消除它们。所有的磁单极仍如原来设想的那样照样形成。事情只不过变成了我们的整个可见宇宙来自仅含一个磁单极（或一个也不含）的小区域。与此相似，我们观测到的宇宙的均匀性和各向同性也得到了解释：这并不是由于存在着某种新的机制抹去了所有的不均匀性，也不是由于存在着什么强令初始状态绝对秩序井然的原理，而是由于我们看到的只是一个极小的区域膨胀后的映象，这个区域小得足以在一开始就因那些将较热区域过剩的能量携往较冷区域的自然平滑过程而保持均匀。在我们目前的视界之外，依然可能存在着不均匀性。它们并没有披消除，而只是被清扫到了我们看不见的地方。

我们刚才已经看到，在膨胀宇宙的标准图景中作一点小小的修改所带来的好处，这种修改允许在宇宙的历史上有一个非常短暂的阶段，在此期间宇宙加速地膨胀。这听起来好像只是给预期的宇宙史作一个微不足道的注解，但是却具有意义深远的重大影响。先前，我们讨论了彭罗斯和霍金的奇点定理，你还记得，它们是以下述假设为依据的：所有形式的物质皆对其他物质有引力吸引作用。这就要求给出宇宙中密度与压力之和的量 D 为正值。如果这一点成立，那么所有的膨胀宇宙就都会减速。无论它们开始时膨胀得多么快，也无论它们将永远膨胀下去、抑或最终将收缩到一次“大坍聚”，引力效应都会使膨胀渐渐变慢下来，因为所有的物质都将吸引作用施于其他物质。所以，要是你希望早期的宇宙经历一个短暂的加速膨胀阶段，那就必须使引力效应暂时变为排斥，因此量 D 也暂时变为负值。这便是暴胀宇宙假说的基础：它是对宇宙均匀性的一种解释，也是对磁单极问题的一种解决办法，它要求存在某种在大爆炸之后很快就能产生这一短暂的反引力阶段的物态。如果自然界中不存在这样的物质，那么这种理论也就失败了。但它确实是存在的，我们将在下一章中看到，宇宙中应该保留着某些残存的证据，作为过去那个暴胀时代的见证。

在 20 世纪 60 年代，人们相信完全有理由认为一切形式的物质都具有正的 D 值。20 世纪 80 年代，这一信念已被侵蚀到了这样的程度：如今宇宙学家们相信在高密状态下的物质一定经历着 D 为负值的条件。究竟因为发生了什么事情才造成了这种逆转？粒子物理学家再次为此开辟了新的可能性，他们的理论预言存在着能够经受极大张力的新型物质。这些张力相当于负的压力，它们的存在可以压倒正的密度，从而造成负的 D 值。倘若这些形式的物质当真存在，而不只是纸上谈兵，那么它们的强度就会随着宇宙的膨胀而极其缓慢地变化，并对这种膨胀施加排斥性的引力效应。宇宙的膨胀将开始加速。宇宙将会“暴胀”，直至与此有关的物质场衰变为 D 取正值而形式较为普通的物质与辐射。此时，膨胀将复归于标准的减速状态。这便是有关极早期宇宙演化的暴胀宇宙方案之精髓。它是为大爆炸宇宙膨胀图景写下的一条极其简短的注解。

对宇宙学家们来说，这种宇宙史图景的诱人之处是多方面的。我们已经看到它如何解决了磁单极问题，并使我们得以理解宇宙在我们今天观测到的最大尺度上的各向同性和相对平滑性。不仅如此，它还对可见宇宙的现状作出了两项进一步的预言，因此，如果它不对的话，我们完全可以舍弃它。

当加速膨胀阶段出现时，它持续的时间至少必须达到当时宇宙年龄的 70 倍，这样才能解决磁时间 单极问题。这就是从一个原先仅 1 毫米的区域成长为我们的可见宇宙所需要的时间。加速膨胀阶段的一个重要结果是，它确保了宇宙在一个很长的时间内持续膨胀，也就是说，这种加速使得该膨胀宇宙非常接近于区分永远膨胀的宇宙与终将收缩到某种“大坍聚”的宇宙之临界状态。这为我们的宇宙何以如此接近今天观测到的这种临界状态提供了非常出色的解释。

如果加速膨胀阶段的持续时间长得足以解释为什么我们未见到任何磁单极，那么我们就应该发现现时的膨胀与临界状态的差异不会超出百万分之一。这也就意味着我们应当发现宇宙的平均密度与每立方厘米 2×10-29 克的临界值相差不超过百万分之一。

有两点理由使人们对此发生兴趣。首先，如果这正确无误的话，那么它就意味着我们将永远不能确定我们的字宙是开是闭。我们的观测永远也不能将宇宙的密度确定到百万分之一的精度，因为不同地方的密度变异远比百万分之一大得多。但是，更容易使人发生兴趣的还是第二种含义：人们观测到的宇宙中的发光物质密至多为临界水平的 1/10。如果暴胀理论正确的话，那么宇宙中的大部分物质就必须以某种不发光的形式存在，而不是存在于发光的恒星或星系中。这是一个受欢迎的结论，因为天文学家们久已为下述事实所困惑：他们观测到的恒星和星系的运动表明，它们的速度远比用邻近的全部可见物质施予的引力所能解释的快得多。看来，必定还存在着许多看不见的暗物质，它们的引力拉曳影响着我们所见到的运动。

我们对于这本账的第一个反应，就是假设在恒星和星系之间肯定存在着非常多的暗物质——也许以极暗的星、或岩石、气体、尘埃、以及其他小碎片的形式而存在，它们未介入形成发光恒星的过程。换言之，宇宙中的光分布图并不是物质分布的良好指南。我们对这种情况并不陌生。如果我们从大空中观望地球，并为暗黑的地面绘制一幅人工照明分布图，那么我们就会发现它并不能忠实地反映出地球表面的人口密度。与此相反，它倒有可能反映了财富的分布。西方的大都市也许会光耀夺目，第三世界的人口分布中心却可能相当昏暗。

遗憾的是，宇宙中的事情却未必如此直截了当。我们可能以为下述想法是言之成理的，即：宇宙中有大量普通原子物质和分子物质，它们随处散布，并以不发光的形式出现；但大自然的意见却与此相左。你还记得，有关膨胀宇宙的基石之一，乃是我们有能力详细预言宇宙年龄在 1 秒与 3 分钟之间理应出现的一系列核反应的后果。那些计算与氢、锂、氘、以及氦的两种同位素（氦 3 和氦 4）的观测丰度极为吻合。它们告诉我们，参与那些核反应的物质如今的贡献一定不超过临界密度的十分之一。如果核的密度大于此值，那么在大爆炸中摧毁这些元素的核反应就会进行得更快，从而使它们的丰度减少到低于今天的观测值。因此，如果宇宙具有隐匿着暗物质的临界密度，那么这些物质就不可能以普通原子和分子的形式存在；因为在普通原子和分子的原子核内包含着质子和中子，而质子和中子是参与核反应的。

由此，我们得出结论：如果发生暴胀，那么不仅暗物质的临界密度将在可见宇宙中占主导地位，而且暗物质必须以不参与核反应的形式而存在。这就意味着它必须以类中微子粒子（即与中微子相类似的粒子）的形式出现。我们在前面已经遇到过这些粒子，它们不带电荷，因而不受电磁力影响。它们也不受强核力的影响，只有引力和与放射性有关的弱力才能对它们起作用。

这些幽灵般的粒子对宇宙总密度的贡献取决于它们有多重。我们知道有 3 种不同类型的中微子，人们从未发现它们之中的任何一种具有非零的质量。不过，这样的证据并不是很严格的，因为中微子的相互作用极其微弱，所以很难做有关的实验，而且实验结果对于中微子可能具有的质量也是不很敏感的。但是，粒子物理学家还为我们提供了更多的东西。他们为致力于统一所有的自然力而建立的理论，预言存在着许多相互作用很微弱的其他的类中微子粒子（它们称为“大质量的弱相互作用粒子”，英文为 Weak1y In-teracting Massive Particles，取首字母缩略为 WIMPs），它们在地球上的实验室中尚未被探测到。日内瓦和美国的新一代粒子加速器和对撞机的目标之一就是发现一些这种类型的粒子。

如果 3 种已知的中微子具有质量——三者之和不超过约 90 电子伏（一个氢原子的质量约为 10 亿电子伏），那么散布在宇宙中的全部中微子所贡献的密度就会超过临界值，因而宇宙将会闭合，并且将来注定会归于坍缩，类似地，WIMPs 如果存在，并且具有 2 或 3 倍于氢原子的质量，那么它们的累积密度就会超过使宇宙闭合所需的值。

如果宇宙主要由这些弱相互作用粒子的“海洋”构成，那么我们也许就会问：为什么我们不能直接探测它们，从而一劳永逸地解决问题呢？遗憾的是，如果暗物质以我们已知的中微子（它们即使具有质量也是微乎其微）的形式存在，那么我们就没有希望直接探测到它们。它们与我们的探测器的相互作用太微弱了。我们所能做的一切就是尝试在实验室中测量中微子的质量，预言这些粒子对发光物质之聚集成团应该起什么作用，对这种成团过程进行计算机模拟，并与观测进行比较以作检验。然而，如果构成暗物质的是WIMPs，那么事情就更加激动人心了。这些粒子要比人们所知的中微子可能拥有的质量大 10 亿倍，它们以远比中微子大得多的能量击中我们的探测器。事实上，要是暗物质的确由 WIMPs 构成的话，那么我们应该是有能力探测到宇宙中围绕着我们的这个粒子之“海”的。

现在英国和美国的几个实验小组正在建造地下探测器，希望能发现宇宙 WIMPs 海。当一个这样的粒子击中晶体内的一个原子核时，该粒子就会使这个原子核反弹，并因能量的积聚而使晶体稍稍变热，于是记录下一个信号。如果你为探测这些事件而监测 1 千克物质，那么你每天就应当发现大约 1 到

10  个事件。如果你能屏蔽掉所有其他的信号（来自宇宙线、放射性衰变、以及地球上其他事件的信号——否则它们就有可能把探测器淹没了），那就应该有可能确定 WIMPs 是否就在我们周围。将探测器深埋在地下可以形成这种屏蔽，再将它放在一个冷藏装置中，使它的温度下降到离绝对零度（相当于零下 273 摄氏度）只差百分之几度，并用吸收物质和传感装置将它围起来。

我们希望在今后几年中看到诸如此类实验的首批结果。它们有可能以意想不到的方式揭示有关宇宙的非凡事件。宇宙究竟是“开”是“闭”，也许就取决于最微小的物质粒子的性质，并且也许是在地球矿井的底部，而不是在注视天空的望远镜上确定这一点。巨大的星系团也许只是宇宙大洋中的区区一滴。也许多得足以使空间弯曲成闭合状态的那种物质，与我们业已在粒子加速器中探测到的物质，可能具有大不相同的形式。这将是有关我们物质宇宙状况的最后一次哥白尼式的大变革。我们不但不在宇宙的中心，而且甚至并不由在宇宙间占主导地位的那类物质构成。