《一想到还有95%的问题留给人类》-完-4.5

第1章 宇宙是由什么组成的？
原子都有一个核（质子+中子，又由上夸克和下夸克组成），核周围电子云。
三种粒子：电子e，上夸克u，下夸克d。构成5%的已知物质（还有不清楚的），27%暗物质，其他68%不知道。
粒子物理学发现其他九种物质粒子和五种传递力的粒子。中微子穿过几万亿千米长的铅块，不和其他粒子相撞，非常重。

第2章 暗物质是什么？
星系自转越快，需要越多的质量来拉住这些恒星，即知道星系的质量，就能推测星系自转多块。但，用此逻辑计算星系自转速度，对不上，低于实际。推断有不可见的东西存在。
引力透镜，暗物质使光线弯曲的观测现象。望远镜看到同一个星系的两个像，来自不同方向，非常重的不可见物质似乎无处不在。
暗物质：有质量；不可见；在星系中；普通物质碰不到它；其他暗物质也接触不到它。
——有时候，我身体不舒服，是不是被暗物质穿透了？
物质相互作用四种主要方式：（万有）引力，两个东西有质量，就会彼此有这种吸引力。电磁力，两个粒子带有电荷，两个粒子之间会产生电磁力，吸引或排斥。分子因电磁力紧密结合，电磁力是触摸东西时感觉到的力。弱核力，与电磁力相似，但弱。强核力，在原子核内把质子和中子黏一起的力。

第3章 暗能量是什么？
引力在尽力让全宇宙回到聚集在一起的样子。
一颗恒星远离我们速度越快，光在我们眼中越发偏红。
Ia型超新星，以同样的速率变大，达到特定大小时，向内崩塌（发声大爆炸）——标准烛光。
宇宙：弯曲（发生在大质量物体出现时）；产生涟漪（引力波）；膨胀。
使宇宙加速膨胀的驱动力就是暗能量。看不见，把所有东西都向外推开。
暗能量推着所有东西互相远离。
量子物理，粒子可以在本来空的空间里从能量中突然出现然后又退回去。理论有不同版本，但很难验证。
人类估计整个宇宙的粒子数10⁸⁵。

第4章 最基本的物质粒子是什么？
发现十二种物质粒子：六种称为夸克；剩余六种称为轻子。三代。常规物质只需要3种：上夸克，下夸克，电子（轻子）。上夸克和下夸克组成质子和中子，和电子一起组成原子。
夸克受到强核力影响，而且分数电荷（2/3和-1/3）。把上、下夸克正确方式混合，得到质子（2个上和一个下：2/3+2/3-1/3=+1）和中子（1个上和2哥下：2/3-1/3-1/3=0）。
五种传递力的粒子：光子（电磁力）、w玻色子和z玻色子（弱核力）、胶子（强核力）、希格斯玻色子（希格斯场）

第5章 质量是什么？
质量是抵抗物体速度发生改变的性质。
质量并不是来自构成的夸克和电子，而是各个部分束缚在一起的能量。宇宙中，物体的质量包括这种起束缚作用的能量。
同样的力在大质量物体上会创造较少的加速度，被称为“惯性质量”，因为对加速度的抵抗通常被称为惯性。通过施加一个已知的力并且测量其加速度，我们能测出惯性质量。
希格斯玻色子，希格斯场
引力质量（称重）与惯性质量测量方法不一样。引力质量是物体被引力移动的倾向；惯性质量是物体对运动的阻抗。 到底是两个任意参数，还是互相联系的参数？
相对论把引力描述为质量和能量周围的空间弯折和扭曲。
质量是宇宙运转起来的一个基本特性。质量是个谜团。

第6章 为什么引力与众不同？
引力强度弱，只能让物体互相吸引（单向作用力），而不能让他们互相排斥。强度大约是1/10的36次方。但在超大尺度、超大质量情况下，引力会变得非常重要。 强核力和弱核力都是短程力，一般只在亚原子尺度上起作用。
引力大小和物体的质量成正比，而质量不能是负的。电磁力涉及两种类型电荷（正/负）；弱核力和强核力也涉及类似属性，他们是超荷（+/-）和色荷（红、蓝、绿三种，为了平衡一个红荷的粒子，可以加蓝荷和绿荷的粒子，或者一个反红荷的反粒子），具有多重数值。
太阳和地球大致相等的正负电荷构成，所以地球不会被吸进太阳里。强大的电磁力作用下，电荷会反复调整，直到所有残余的不平衡都消失。
量子力学：同时解释所有物质粒子和三种基本作用力的数学框架。相互作用来自一个电子向另一个电子扔出某种粒子，转移一部分动量。对于电子，携带力的粒子是光子；弱相互作用下，粒子交换W玻色子和Z玻色子。粒子通过交换胶子来表现强相互作用。量子力学不太好解释引力。
广义相对论，认为引力不是两个物体之间的相互作用，而是空间自身扭曲的效果。引力质量不再被看作部分粒子有，部分粒子没有的特殊荷子，衡量的是一个物体可以多大程度地弯曲周围的空间。
量子力学，用实验方法找寻引力子的实验性很难实现。太小，磁力和强弱核力都比引力强；太大，又不可能搞得起宇宙实验，也不能通过黑洞找到。
具有质量的物体加速运动时会使周围的时空产生涟漪，这种时空的波动就叫做引力波。运动的质量弯曲空间。引力波能够引起的时空扭曲大概只有原物体尺寸的1/10²⁰。2016年，识别出首个引力波信号，证实爱因斯坦引力会弯曲时空的理论，但无法得知引力如何在量子视角下发生作用。引力波不等于引力子。

第7章 什么是空间？
空间是实实在在的东西，不仅仅是纯粹的虚空。
空间可以膨胀。可以扭曲，广义相对论里这种特性是引力的本质——空间弯曲产生引力。如果物体具有质量，它周围空间就会扭曲形变。可以荡漾，引力波。
曲率空间。目前测量空间没有弯曲。目前宇宙拥有的物质和能量刚好可以在我们所观测的范围能让空间保持平坦，这个能量密度是每立方米5个氢原子。
广义相对论预言虫洞存在，空间上相距很远的两个地方可以通过虫洞相连。
量子物理认为存在一个量化的最小尺度大约是10^-35米。即使没有物质，空间的节点也可以存在，宇宙中的所有粒子只是空间属性而不是组成空间的元素。

第8章 什么是时间？
物理学的基本任务是通过过去发生的事推测未来可能发生的事，并研究我们应该做何反应。
微积分，将很多微小量合并为一个平滑变量。
时间很难被确切定义。把时间想象成另外一个维度是出于数学上的便利。时间和空间维度是有区别的。空间是相互关联的地点组成的，而时间不是。时间将具有因果关系的定格宇宙画面连接了起来。
时间旅行是不可行的，违反了因果律。
大多数物理作用倒过来也没有问题——特别是关于热和扩散的微观物理过程。但宏观过程看起来具有方向性——原因在于描述系统无序程度的量——熵——在时间上有很强的方向性。热力学第二定律：熵永远随时间增加。宇宙的无序程度达到顶峰，迎来“热死亡”。
对每个人来说，时间经过的速度是一样的，都是每秒一秒，但如果以超高的相对运动速度，时钟显示不一样。GPS上的时间走得更慢。
宇宙的速度上限约束的是你在时空坐标系中的总速度。

第9章 世界有几维
在物理学和数学领域，维度指的是运动的方向。每个维度都代表一个独立的运动方向（在一个方向上的运动与其他方向上的运动无关）。
我们感知不到的维度可能是存在的，尤其从数学上讲。
如果认为时间是第四维的运动方向，将不同时刻三维空间的定格图像缝合在一起，形成一个四维（三维空间+一维时间）的世界。三维定格图像沿着时间线串联起来。
是否存在时间维度外的第四维？我们无法驾驭或感知自己在更高维度中的运动，因为这部分能力无关也无益于我们的生存。我们可以肯定地说，不存在和其他三个空间维度相似的第四个维度，比如环状。我们已知的所有力和物质粒子都无法进入这些维度。
引力的弱，物理学家认为是多维稀释而减弱了。物理学家测出至少相隔1毫米时，引力的强度依然遵循大尺度上的规律。如果这些维度存在，那么它们的尺度小于1毫米。
如果一个粒子在其他维度中运动，它比那些没有在其他维度中运动的粒子更重（爱因斯坦的理论，质量和能量紧密相关）。
日内瓦有个大型强子对撞机可以制造黑洞，https://hasthelargehadroncolliderdestroyedtheworldyet.com 这个网站创建者承诺持续更新验证世界是否被大型强子对撞机毁灭了。下图就是网站反馈，我认为是真实的。大型强子对撞机没有发现任何在其他维度中运动的粒子。

物理学家一直试图以统一的、自洽的、完整的理论模型描述所有基本作用力（引力、强核力、弱核力、电磁力）。目标崇高，答案很远。弦理论指出，宇宙不是由零维点状粒子构成的，而是由微小的一维弦构成的，10^-35米的尺度。理论上弦能以多种方式振动，每种振动模式对应一种粒子。远距离观察时，弦状结构不明显了，这些弦看起来像点状粒子。弦理论如果引入更多维度，数学描述会更简单，更自然。超弦理论认为宇宙有十维空间；玻色弦理论有二十六维空间。没有证据表明弦理论对世界的描述是正确的，或者引力可以扩散到其他维度中去，还不知道世界是几维的。

第10章 我们能超越光速吗？
不能。
如果你想超过光速，时空就会弯曲。
像光子这样的无质量粒子具有奇怪的特征，在真空中它们总是以宇宙所允许的最大速度运动，永远不会慢下来。
宇宙极限对物体之间的相对速度，而不是绝对速度有效。宇宙根本不存在绝对速度。任何东西在任何人眼中不会比光速快。
通过以不同速度运动，可以改变事件的顺序。看到同一件事以不同顺序发生。在宇宙中这是不可能的，普适的时间和同时性的概念都不存在。这是光对每个人以相同速度运动的结果，归根结底是因为宇宙存在最大速度的极限。
超过光极限，会打破因果律，未发生结果已定。

第11章 谁在向地球发射超高速粒子？
宇宙射线是来自太空的粒子。恒星和其他天体都在不断地向我们发射光子、质子、中微子，甚至重离子。太阳聚变的中微子每秒有数以千亿计的中微子掠过。
高能质子能撕裂人体。太阳出现耀斑将等离子束发射，并释放额外有害粒子。大部分击中地球的高能粒子都与地表空气和气体分子发生猛烈碰撞并分解，形成大规模低能粒子雨。
极光是宇宙射线被极地的磁场偏转而发出的光。
邻近的天体正在向我们疯狂发射高能粒子。

第12章 为什么我们是由物质而不是反物质构成的？
物理学的定律需要数学描述，物理学的问题需要通过数学计算来解答。
量子力学迫使物理学家放弃最简单、最根深蒂固的假设：1事物不能同时出现在两个地方；2精确重复两次同样的实验应该出现相同的结果。
保罗·狄拉克建立一个方程（狄拉克方程），以量子力学和相对论（狭义）的双重角度描述高速运动的电子。他的方程对带负电荷的普通电子成立，对带有相反电荷的电子也成立，对反时间方向运动的正常的负电荷电子依然成立。物理学定律对带正电荷的电子也是成立的，他将这种正电子成为反电子。质量和普通电子一样，量子特性也一样。提出所有粒子都有相应的反粒子，预测了整整一系列新的粒子。已经多次观察到反粒子。
反粒子在最小尺度上体现了物理学中的对称。“超对称猜测”提出，粒子还有第三种镜像——超粒子，类似原来的粒子（电荷相同，质量也许相同），但量子自旋不同。
宇宙中的每一个粒子有手足（反粒子），有两个质量更大的表亲（eg电子的μ子、τ粒子，与电子有着几乎相同的量子特性：电荷和自旋）。
粒子与反粒子相遇——毁灭对方——湮灭。两个粒子消失，质量完全转化，成为某种高能的作用力携带粒子，eg光子或胶子。粒子的相互作用最终使原来的粒子湮灭并产生新粒子（中性）。
爱因斯坦的质能方程（E=mc²）明确能量和质量的联系，一点点质量就承载了相当大的能量。一克反粒子和一克正常粒子结合释放超过4万吨的爆炸当量。
不是任意两个带有等量相反电荷的粒子都能互相湮灭，“电子性”和“μ子性”必须守恒，不能用一个非电子来毁灭一个电子，只能用电子的反粒子去做这件事，电子的表亲也一样。
反物质相当稀少，相当不稳定。

第13章 发生了什么事？
我们一无所知。

第14章 宇宙大爆炸的过程中发生了什么？
如果一个理论无法通过实验检验，那么它就成了哲学、宗教和猜想之类的东西。
大谜团1:量子引力。开始于奇点的宇宙大爆炸很可能并不准确。在那样的时刻，量子引力效应支配了整个宇宙，但不知怎么描述。广义相对论的预测失效。
大谜团2:宇宙之大。我们在任何一个方向都看不到星空的尽头。宇宙仍然比我们的视界更大。
大谜团3:宇宙太光滑了。整个宇宙的温度都差不多。从某一个方向遥望天空，会看到140亿岁的光子从很远很远的地方进入你的眼睛。
宇宙暴胀。宇宙在不到10^-30秒的时间里变大了10²⁵倍。膨胀速度超过光速（新空间增长拉长距离速度比光穿越距离的速度更快。）暴胀结束后，宇宙还在扩张，速度原本之前慢得多，暗能量又使这个速度加快，仍以光速扩张。暴胀论告诉人们空间是平坦的。

第15章 宇宙有多大？——这一章很需要想象力
银河系是一个巨大的盘状漩涡星系，明亮中心伸出几条悬臂，我们位于银河系其中一条旋臂的中间。
星系在宇宙中不是均匀分布，倾向聚集在一起形成松散的星系群和星系团，这些又组成更大的超星系团，每个超星系团都有数十个星系团。
宇宙结构层级分明：卫星绕着行星转，行星绕着恒星转，恒星绕着星系的中心转，星系绕着它们的星系团的中心转，星系团绕着超星系团中心转。它们形成了横跨数亿光年却只有数千万光年厚的片状和纤维状结构。
超星系团构成的片状结构极为巨大，弯曲形成不规则的球状和丝状结构，将宇宙巨洞包裹其中。里面没有超星系团，也没有星系。
宇宙中之所以有结构，是因为量子涨落带来了最初的密度褶皱，后者又被暴胀放大，为当前宇宙的形成埋下种子。宇宙大爆炸之后约40万年间，宇宙还是一个有着微小密度褶皱2的炽热中性气团，引力开始有所行动。每一样都是中性的。所有其他的作用力在这一点达到平衡。强核力使夸克结合成了质子和中子，电磁力将质子和电子拉到一起形成中性原子，但引力既不能平衡也不能被抵消。亿万年间，褶皱吸引周围气体，形成团块。
宇宙中刚好有足够的物质和能量让引力将空间变“平”，空间不会弯曲到足够使所有事物重新聚集到一起。暗能量使空间扩张，最终结果是，在大尺度事物都在互相远离。
引力把气体和尘埃的团块拉到一起。一小团物质引力只能形成小行星，大岩石，没有坍缩是因为它们内部压力，引力和压力平衡。但质量更大的地球，引力把中心岩石和金属压缩熔化岩浆。
恒星本质上就是处于不断爆炸中的热核弹，引力使它们不散架。恒星没有立即坍缩形成致密天体是因为内部有压力，一旦燃料消耗殆尽，无法对抗引力压力，恒星就会坍缩成黑洞。
目前人们认为暗物质让宇宙更快形成了早期的星系。
在暴胀之前宇宙大小差不多等于光速✖️存在时间。138亿光年外，任何物体对我们来说都是不可见的。空间扩张比光速快，可观测宇宙的半径最大为465亿光年。可观测宇宙的半径每年至少1光年的速度增长。
在无限的宇宙中，任何可能发生的事都会发生。
太阳系宽度大约90亿千米；离我们最近恒星大约40000亿千米。银河系大约10万光年宽，离我们最近仙女座星系在250万光年。
宇宙的空旷归因于两个量的作用，一个是决定了距离尺度的光速，另一个是把万物拉的更远空间膨胀。

第16章 万物之理存在吗？
终极理论——万物之理（Theory of Everything，ToE）：对时空以及宇宙中所有物质和力最深入、最简洁的数学描述。
原子拥有由质子和中子组成的原子核，以及围绕着原子核旋转的电子。质子和中子由夸克构成。电子、质子和中子不是聚集在一起的，而是相互环绕的，具有坚硬表面的小圆球。它们是由波定义的、受不确定性支配的、模糊不清的量子粒子。
量子力学：不能绝对精确地知道一个粒子的位置，因为量子力学研究的对象是随机性的。一个粒子的精确位置是“不确定的”，突破了某个界限，在更小的尺度上，位置信息就不存在了。
普朗克常数h，关乎能量的基本量子化。乘以另外两个常数——宇宙最大速度（c）和引力的强度（G），得到代表距离的数字10^-35米——普朗克长度（最小的有意义距离上的基本物质元素）。
光学显微镜（10^-7米）—> 电子显微镜（10^-10米）—>高能粒子对撞机（10^-20米）观察微小距离。
弱核力和电磁力可以概括为同一种力（弱电力）。我们现在距离探测普朗克长度还有15个数量级。

将引力和量子力学结合一起的难度，就是追求万物之理的一大障碍。量子粒子是实体的微小扰动，因具有波动特性，所以具有内在不确定性。它们相互作用会交换波状粒子，有强核力和弱电力的量子理论，没有引力的量子理论。广义相对论，不假设宇宙是量子化的，也不假设物质和信息是量子化的。在广义相对论中，引力不是两个具有质量的物体之间的力，而是空间的弯曲。当某个物体具有质量时，它就扭曲了周围的时空，使得附近所有东西都向这一物体弯曲。
将量子力学和广义相对论融合，出现两个大问题：1、量子力学似乎只在平坦、无弯曲的空间有效。2、两个理论对引力的见解有很大差异。量子力学没有找到传递引力的粒子。
弦理论：指出宇宙很多维度，弦在振动，所以表现得很像已经发现的任何一种粒子，甚至尚未见过的粒子，如引力子。被认为具有数学之美、理论之美。但理论还不完整；描述性理论，无法检验预测；参数问题时空维度10⁵⁰⁰，比宇宙粒子数多10⁴¹⁰倍。
圈量子引力论：空间由不可分微小单位组成，称为“圈”，圈直径是普朗克长度。足够多的圈交织在一起，可能衍生出所有空间和物质。但仍没办法证实，晋升为科学理论。

第17章 我们在宇宙中是孤独的吗？
德雷克方程：N=n_恒星✖️n_行星✖️f_宜居✖️f_生命✖️f_智慧✖️f_文明✖️L
n_恒星：银河系中恒星数目；n_行星：每个恒星系统中行星平均数；f_宜居：可以产生生命的行星比例；f_生命：实际发展出生命的行星比例；f_智慧：有生命行星中发展出智慧生命的比例；f_文明：智慧生命中发展出科技文明并向太空发送信息或宇宙飞船的比例；L：与我们同出一个时代的概率。
但是，关于智慧生命存在的必要条件，我们的认识可能完全错误。
恒星数（n_恒星）：银河系1000亿颗。可观测宇宙中有大约还有一两万亿个星系。
宜居行星数（n_行星✖️f_宜居）：大约五颗恒星中就有一颗拥有和地球大小相似的岩质行星，且表面接收太阳能与地球差不多。银河系有百亿颗（200亿）行星可能成为宜居行星。
f_生命：生命必要成分-水、碳、氮、磷、硫。或存在陨石携带生命元素星际旅行。
f_智慧：不清楚。
f_文明：当下最大射电望远镜，也只能接收1/3光年内广泛发送的微弱信号。离我们最近的恒星也要比这个距离远10倍以上。
L：我们现在的自毁能力远超以往任何时期。
任何一个答案都令人兴奋不已，而其中一个就是真相。生命是存在的，我们就是最好的例证。

第18章 一个勉强凑数的结论
可检验宇宙是指我们可以通过科学了解的那部分宇宙。不只包括视野外边界（最远的太空），还包括视野内边界（最小空间和物质单位），包括了我们在最小尺度和最大尺度上所能分辨的精细程度和精确程度的极限，包括了我们理论和理解能力的极限。
可检验宇宙正在经历它自身的宇宙暴胀。