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《柔软的宇宙》(原宇宙大爆炸)

科学史评话最新专辑平哥首个医学专栏上线啦,在喜马拉雅搜索“吴京平:通俗医学史”,抢先收听!

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20.守株待兔

下面该中国人登场了。真的是中国人。我国在四川的锦屏山电站隧道里面,建立了一个最干净的暗物质探测实验室。为啥说干净呢,因为它上面有一座2400米的高山。这么厚的山体,屏蔽了宇宙射线的干扰。当年也是世界上岩石覆盖最深的地下实验室。与其相比,位于意大利中部格兰萨索山区的欧洲地下试验室就像个家里地窖,太浅了。在群山下,粒子物理学家最头痛的宇宙线的强度仅为格兰萨索山区的1/200,为实验提供了“干净”的环境。 地下实验室是粒子物理和天体物理学等领域的暗物质探测研究、中微子实验等重大基础性前沿课题的重要研究场所。不但需要尖端技术,还需大量资金投入。说白了,大型的科学实验都不少花钱啊。没有强大的国力,根本就玩儿不起啊……

23mins

17 Oct 2015

Rank #1

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4.跨越新世纪

1900年,那是庚子年,八国联军打进了北京城啊,义和团作鸟兽散。连光绪和慈禧都脚底抹油跑了。北京城打的乱七八糟。大清帝国丧权辱国,赔了人家4亿5千万两白银,人家洋鬼子说了,人均一两,以示侮辱。  在地球的那一头,同是世纪之交的这一年,英国德高望重的开尔文勋爵,在皇家学会的一次大会上做了一次颇有展望意味的发言。开尔文勋爵自己对自己的发言赶到很满意,于是就记录下来,发表了。这篇文章的题目是《在热和光动力理论上空的19世纪的乌云》。发表的时候加了大量的资料。文章开宗明义就说了,光的波动理论已经被菲涅耳和托马斯杨的实验给证明出来啦。假如光是在以太这种东西里面传播的,那么怎么地球是如何穿过以太而没有察觉的呢?这便是第一朵乌云。第二朵乌云,那便是有关麦克斯韦-玻尔兹曼的能量均分学说的。 对于第一朵乌云,开尔文勋爵写到,按照菲涅耳的思想,他是这么解释的,地球是由多空的物质组成的,对于以太来讲,可以毫不费力的穿过去。可是迈克尔逊和莫雷的实验完全检测不到这样的现象,以太相对于地球一动也不动,我看他俩的实验很严谨很精密,无懈可击啊。这可如何是好呢。洛伦兹虽然做出了收缩假设。但是我看乌云还是很浓密的,一时难以解决。开尔文勋爵还是很严谨的。 至于第二朵乌云。这是有关气体比热的观测。麦克斯韦 -玻尔兹曼的学说,跟实验结果偏差的很大啊。这是怎么搞的呢?十年前我就觉得这事儿不对劲啊。还给他们写了信,然后就没消息了。不过瑞利是支持我的。瑞利他明白,这是一个本质性的困难,没那么容易解决。我看还是否定这个理论比较靠谱儿一点。 这位老爷子算是比较保守的人士了,毕竟岁数大了。但是这老爷子的直觉还是蛮准的。头一个问题,涉及到后来爱因斯坦的伟大成就。后一个问题,则是涉及到哥本哈根学派的崛起。经典物理学的大厦就要完工之际,就因为两块砖塞不进去,不得不拆了整个大楼改建了更加宏伟的双子塔。老爷子的洞察力,不得不叫人佩服。 老爷子不知道啊,就在1900年当年,普朗克就搞出来了新的辐射公式,这个公式连普朗克自己都没想到有这么大的威力,居然能够开创出一门新的学科……

27mins

27 Jun 2015

Rank #2

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5.物理学的奇迹

1905年,那是爱因斯坦高产的一年。这一年他就如黄河泛滥,一发而不可收。一口气写了21篇论文。这其中有几篇,那是最为著名的:     第一篇那是有关光电效应的。     第二篇是有关计算原子大小的。     第三篇,那是有关布朗运动的。     第四篇那就是那篇著名的《论运动物体的电动力学》。 这一年,爱因斯坦才仅仅26岁。这几篇论文有多厉害呢?第一篇光电效应,使他获得了诺贝尔物理学奖。第二篇呢,使得他获得了苏黎世大学的博士学位,前一次申请人家没批准,他自己把论文原稿给拿回来了。这一次,这篇论文含金量十足啊。第三篇呢,使他成了统计力学的创始人,第四篇,那就是伟大的相对论。不仅仅是科学界的大地震。连哲学界也跟着大地震。机械自然观被爱因斯坦判了死刑,辩证法胜利了。理论物理学,那是经常跟哲学纠缠在一起的……

24mins

4 Jul 2015

Rank #3

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9.炮兵上尉

斐迪南大公夫妇在萨拉热窝遇刺身亡。开始大家也没觉得这事儿能怎么样。死了人,赔钱吧,还能怎么样啊。普通老百姓哪知道这是蓄谋已久的事儿啊。斐迪南大公已经见过了德国皇帝威廉二世。他们早想在巴尔干用兵了。斐迪南这次来就是为了搞一次军事演习。好好吓唬吓唬塞尔维亚。顺便到萨拉热窝视查。这倒好,一下子把塞尔维亚的民族主义者给激怒了。人家一抬手就把大公夫妇给打死了。德国那就按捺不住啦。打,大打出手。其实奥匈帝国的老国王弗兰茨一点都不想打。何苦呢,反正斐迪南大公也不是他亲儿子。他跟茜茜公主的孩子早就不在了。当时的皇太子他们的亲儿子鲁道夫在30岁的时候跟女友在行宫里自杀身亡。他家的成员都很不幸,茜茜公主作为母亲就得了抑郁症。后半辈子只穿黑的。1898年,有个恐怖分子本来想刺杀奥尔良亲王,但是人家临时走了。刺客偶然在报纸上看到茜茜公主在本地旅游。结果就用一把磨尖的锉刀刺杀了茜茜公主。弗兰茨皇帝那是非常难过,他弟弟在南美也是被人暗杀的。他为了治理这个多民族的帝国已经操碎了心了。奥匈帝国国内有八种不同的语言,他全会。每天工作12个小时。老了老了,已经80多岁了。现在接班人又被暗杀。可以算是家门不幸啊。他们全国上下都喊打。特别是外务大臣一个劲儿的撺掇。老皇帝就同意了,跟德国一起上阵吧。于是第一次世界大战就正式开打……

27mins

1 Aug 2015

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11.上帝会下蛋

海耳在芝加哥大学当过教授。学生里面有不少人很仰慕海耳的贡献。其中一个年轻人就是喜欢上了天文学。海耳没几年就去叶凯士天文台当台长了。这个年轻人28岁的时候也去这个天文台当研究生。当然了海耳早离开了,去了威尔逊山天文台继续搞更大的望远镜。美国参加一战,他也就当了两年的兵。到了1919年,巴黎在开和会。爱丁顿忙着远征非洲普林西比观测日全食的时候。这个小伙子来到了加州威尔逊山天文台工作。他就是后来大名鼎鼎的“哈勃”。 哈勃来的正是时候啊,大望远镜刚刚建成两年。正是新鲜出炉的时候。哈勃也兴奋,这东西太厉害了。他就把眼光投向了星云问题。要知道,这个问题的关键,并不在与能不能分解成一颗颗的恒星。而在于他们的距离。远近才是最关键的。怎么测量远近呢?那就缺不了一把量天尺。 19世纪90年代,哈佛大学天文台招募了一些聋哑女性对天文台拍摄的照相底片进行测量和分类工作(照顾残疾人就业),1893年勒维特作为其中之一参加了工作。她在工作中注意到,小麦哲伦云中的一些变星光变周期越长,亮度变化越大。这些变星被称为造父变星,他们的光度会发生周期性的变化。北极星其实也是造父变星,只是光度变化极小,肉眼没法看出来而已。1908年她把初步结果发在哈佛大学天文台年报上。要知道小麦哲伦云的范围并不大,我们在地球上,基本可以认为,小麦哲伦云里面的星星远近都差不太多。看起来亮,那就是真的亮。经过进一步研究,最终于1912年确认了造父变星的周光关系。到了1915年,天文学家们就开始用造父变星作为量天尺,计算出了银河系的大概范围。 哈勃手里有世界上最大的望远镜,大望远镜果然厉害。哈勃在拍摄的仙女座大星云(m31)和附近的m33星云照片里面发现了造父变星。这可是大发现啊,哈勃观察了好久,收集了大量仙女座大星云里面的变星变光周期。他经过计算就可以知道仙女座大星云大致的距离了。他当时的计算结果是80万光年。我们今天知道其实应该是220万光年。他当时是根据照相底片来计算的,误差稍大。天文学界立刻震惊了,因为银河系大多数星星都在10万光年的范围左右。仙女座星云看来根本就不在银河系之内。仙女座大星云,看来是与银河平起平坐的大星系。甚至比银河系还要大不少。天文学界两百年搞不清楚吵吵嚷嚷的事儿,终于搞清楚了。那些望远镜里面没法分解成一颗颗恒星的星云,那真的是星云。是我们银河系里面的天体。那些大风车形状,非常遥远的模糊天体,是跟银河系一样的大星系。 哈勃也就名声大噪啊,哈勃再接再厉。到了1929年,他又拿下了一个重要成果。他分析了20几个星系的光谱,他发现越远的星系,红移越厉害。越近的红移反到不明显。这个红移呢就是观察天体的光谱,会看到不少的谱线。这些谱线就像天体的指纹一样,是有特征的。因为每个天体上面有氢氦等等元素,就会在光谱里面形成对应的指纹。可以通过光谱来分析天体的化学成分。但是哈勃发现,这些指纹每个星系都不一样,大部分都略略往红端偏移。这就是所谓的“红移”。哈勃认为,这些偏移是星系运动造成的。远离我们的那些星系,光谱线就会偏红,哈勃认为这就是多普勒效应。就好比汽车喇叭离开我们飞驰而去的时候,音调会变低是一个道理。不过后文书我们会讲到,这其实不是多普勒效应。哈勃是歪打正着。 既然红移跟退行速度有关系。他就提出了一条著名的哈勃定律。退行速度和距离成正比,比值被称为哈勃常数。所有的遥远星系都在远离我们,离得越远跑的越快。看来我们银河系是把他们全得罪了。他们都跟我们银河系有仇啊。天文学界都震动啦,原来宇宙从整体上不是静态的。是在膨胀中。物理学界也震动啦,特别是那个神父勒梅特……

23mins

15 Aug 2015

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15.一条道走到黑

有关大爆炸理论,苏联人是有不同意见的。到底大爆炸的时候,奇点有没有呢?是否存在呢。黑洞里面那个奇点是不是存在呢?苏联人认为不一定。因为苏联人认为,为了解开爱因斯坦的宇宙学方程,不得不求助于对称性。爱因斯坦方程非常难解。天下哪有那么好的对称性啊。你怎么能保证恒星塌缩就会塌成一个点呢?史瓦西黑洞哪有那么圆啊。这都是理想状况。大爆炸也未必有奇点。有奇点的大爆炸是个特例。 这时候就该彭罗斯上场了。彭罗斯用数学证明了,黑洞是必定有奇点的。因为哪怕塌缩的那个恒星是不圆的,但是在塌缩的过程中,随着引力波的扫荡,这个天体会越来越圆,最后准确的汇聚成一个点。也就是史瓦西黑洞之中必定有一个奇点。这搞的苏联人灰溜溜的,后来1970年,他们承认自己搞错了,彭罗斯是对的。彭罗斯的研究给了霍金很大的启发。霍金就发现,塌缩成黑洞的过程,你把它反过来,就跟大爆炸理论是一致的。爱因斯坦宇宙方程的这两个奇葩的解,其实是有内在联系的……

23mins

12 Sep 2015

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18.负能量

25mins

3 Oct 2015

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16.真空不空

霍金通过广义相对论和数学,计算出了一个结果。那就是黑洞视界的表面积只能增大不能减小。推而广之就是说,你把两个黑洞合并,那没问题。因为两个黑洞合并以后,视界的表面积是增大的。比单独的两个黑洞表面积加起来要大。你想把一个黑洞拆成俩,那你死了这份儿心吧。这是做不到的。这就是黑洞的面积定理。 面积定理一提出,普林斯顿大学的贝更斯坦就坐不住了。他就发觉,这东西有意思。物理学的过程一般的都是可逆的。不可逆的过程只有一个熵。热力学第二定律,发现我们的整个绝热系里面,总熵是只增加不减少的。不论里面发生啥事儿。一杯热水,慢慢的变冷。其实是热量从水里面,流向了周围的空气,热量扩散了。扩散以后,总的熵是增加的。贝更斯坦就怀疑,这个黑洞的表面积,跟熵是有关系的。他就跟他的导师惠勒讨论这个问题。惠勒也很支持他的想法。惠勒给他举例子。一杯开水,很热。扔进黑洞里面,啥都没了。整个宇宙里面,平白无故的,这一杯水所含的熵,没了。这不是违反热力学第二定律的吗?贝更斯坦说,对啊,这不可能啊。我想应该是这样的。虽然那杯开水的熵没了,但是黑洞因为吃了这杯水。质量增大了。黑洞的表面积增加了。假如黑洞的表面积就是熵,那么这一切就都说的通了。整个宇宙的熵,就并没有减少。一倍热水的熵,换来了黑洞的表面积增加。 贝更斯坦大受启发。有熵,必定有温度。那么黑洞有温度吗?有温度必定有辐射,那么黑洞又辐射吗?貌似史瓦西黑洞是死透了的黑洞,不可能再有任何活动了。这不是有矛盾了吗?要是有辐射,那岂不是诈尸了?

22mins

19 Sep 2015

Rank #8

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17.星际穿越

霍金很爱打赌。他号称有三大爱好,物理学这是职业。摇滚乐是业余爱好。毕竟英国是摇滚的重要国度。还有个爱好就是打赌。 1975年,他跟索恩就打过赌。那时候刚好发现了天鹅座X1。这是一个非常强烈的X线辐射源。能够喷射出高能的X射线和伽马射线。这是一个双星系统,一个天体疯狂的从隔壁邻居身上偷吃气体。因此会发出强烈的辐射。大概距离我们6000光年。霍金就打赌,这个X1不是黑洞。索恩就说是黑洞。输了,那就要给索恩买一年的《阁楼》杂志。霍金其实内心是希望X1就是个黑洞。那他为啥要打赌不是黑洞呢。霍金是这么盘算的,要是X1的确是黑洞,那么自己的理论就赢了。就算给索恩订一年的杂志也不算亏。要是自己打赌赢了,X1的确不是黑洞,那么能获得索恩给订一年的《私家侦探》杂志,也不错。算是经济学里面的对冲概念。可见霍金不仅仅是物理学玩儿的棒。经济头脑也不差。改行当对冲基金经理估计都干的不会差。所以呢,我们会发现,霍金打赌往往是反的。他希望存在黑洞,那么他跟人打赌必定是堵黑洞不存在。这样怎么地都不输。 这个赌约一直到了1990年才有比较确定的证据证明,X1就是黑洞。于是话负前言。1990年霍金到南加州大学演讲,当时索恩人在莫斯科,于是霍金大张旗鼓地闯入索恩的办公室,把当年的赌据翻出来印上拇指印表示认输。霍金给索恩订阅了一年的《阁楼》杂志。因为是本色情杂志。索恩的夫人还老大的不乐意。 第二次是打赌黑洞会不会有裸奇点,霍金说不会有。后来人家证明黑洞蒸发的时候,有可能剩下一个裸奇点。霍金耍赖不干了。他说这个裸奇点是量子力学的裸奇点,跟那个广义相对论的裸奇点不是一回事儿。他想赖账。后来赖账不成,老老实实认输了事。堵住是100英镑外加一件衣服,霍金给弄了件体恤衫送去,衣服上还给写上字,“大自然讨厌裸奇点”。说白了还是犟嘴。

22mins

26 Sep 2015

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13.核火球

原子弹的巨大威力震惊了世人。美国事后发布的公告里面有几句话,在物理学家们听来是非常有哲学意味:“这是一枚原子弹,它驾驭的是宇宙间的基本力量。太阳从之获得能量的那种力量,我们把它释放出来对付那些在远东发动战争的人。” 有一个科学家,听到这一消息,乐开了花了。他发现这正是他需要的东西。放大到宇宙级别,不就可以解释宇宙起源的问题吗?他叫伽莫夫。1948年4月1日,美国《物理评论》杂志发表了伽莫夫的《化学元素的起源》一文。在这一篇文章里面。伽莫夫提到了一个核火-球的模型。宇宙的早期是一个温度非常高的状态。这个原始的火.球砰的一下膨胀开了,不断的膨胀,就形成了我们今天所见到的这个宇宙。 这个理论听起来好耳熟啊。怎么跟当年弗里德曼和勒梅特的宇宙模型这么像啊。当年勒梅特提出过一个宇宙蛋模型。他说宇宙是从一个蛋里面膨胀出来的。不过他计算这个宇宙蛋大概有30个太阳那么大的体积。伽莫夫这个核火.球跟这个不是差不多嘛!当然差不多了,这个伽莫夫那是弗里德曼的学生,他的思想就是从他老师那儿来的。他的思想更多的是弗里德曼的体系,勒梅特的成分比较少。不过勒梅特听说以后,还是非常支持伽莫夫。 这个伽莫夫还恶搞了一下。他觉得自己名字很像希腊字母gamma。他学生的名字很像希腊字母alpha,他赶快有拉了一个人入伙,这个人名字很像beta。这三个人写论文一署名,alpha、beta、gamma,全凑齐了。 伽莫夫他们的研究成果就更进了一步,他提出高温随着宇宙的膨胀,温度应该降下来了,但是宇宙的温度一定不会降到0.应该大约还有6k的余温。正如一个火炉虽然不再有火了,还可以冒一点热气。6k的温度发出的电磁波,应该能够被接收到。如果这个信号被找到,那就证明了核火.球学说了。 于是一帮子科学家就开始寻找这个信号了。整个40年代到五十年代都没啥进展。直到60年代的到来,一个电话打破了普林斯顿大学的平静……

23mins

29 Aug 2015

Rank #10