主题：212-Andrew Pontzen：宇宙理应更奇怪？ -- 万年看客

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科学的主旨在于做出预测以及检验预测。1885年，瑞典的奥斯卡二世国王发出悬赏，想要奖赏第一位能够准确预测太阳系的遥远未来的物理学家，因为奥斯卡国王很担心太阳系——包括地球，太阳以及九大行星——会突然崩溃，各大行星会相互碰撞。这也是很合理的担忧，我们偶尔都会有此想法——想想我们见识过多少糟糕的科幻电影吧。国王想让物理学家告诉他，太阳系的遥远未来会是什么样子。1888年，一位亨利.庞加莱赢得了这笔奖金。颁奖委员会肯定心胸非常宽阔，因为他提交给国王的解释是这么写的：“你这个瑞典蠢货，根本不可能预测太阳系的未来。正如我的数学显示，谁也不可能做到这种事。此外，我的胡子比你的好看多了，你那顶帽子真可笑。”需要注意的是庞加莱的法语口音肯定比我更地道，所以这番话从他嘴里说出来肯定更吓人，但是他依然得了奖。直到今天我们依然无法预测各大行星未来究竟会怎样，我们不知道是否有可能某一天某一颗行星或许会有突然飞走，或者几个行星会相互碰撞，或者冥王星因为自己失去行星地位而气得突然撞向地球。所有这些事情都有可能发生——最后一件事情确实不太可能，但是前两件事的可能性并不低。我们确实知道太阳系在过去十亿年比较稳定，但是未来我们就不知道了。太阳或许会持续燃烧五十亿年，因此很有理由认为我们并不知道在这五十亿年间太阳系究竟能否继续保持稳定。

对我来说这就有了问题：我们如何能如此有信心地讨论宇宙的过去，或者更广大宇宙的内容，或者整个宇宙的未来——我们在这几个方面确实做出了非常自信的主张——但却不能准确预测我们自己的太阳系的未来？我今晚想和大家一起讨论这个问题。我想讨论一下宇宙当中最奇怪的理念，例如暗物质、暗能量以及在我看来或许最奇怪的最后一个话题，也就是全球经济。今晚我会询问几次你们的观点，现在我们不妨练习一下，确定你们愿意畅所欲言。你们相信小仙子吗？还有几个拿不定主意的。你们相信尼斯湖水怪吗？你们相信你们自己吗？非常感谢大家参与。

首先我要做一个我最喜欢的物理学实验。这是一个双节悬摆，你们可能在老式挂钟上见过。这个东西的功能非常有趣，如果我稍微推一下或者从高处放下，它会怎样？它会来回摆动——多么令人兴奋的运动。双节摆的能耐还不止如此。如果我使劲推一下，又会怎么样？它会旋转起来。但是还有一点：我给出很大的能量，悬摆会转圈，我给出一点能量，悬摆会来回摆动。不过这个悬摆还会做一件并非所有悬摆都会做的事情，因为这个悬摆中间有个关节。如果你从来没见过，那么接下来我就让大家开开眼。请关灯，你看悬摆的末端，它活过来了。这是在物理当中到处可见的现象，如此不可预测的动作在数学上被称作混沌，我们在物理领域到处都可以看到这种现象。第一个发现混沌现象的人就是庞加莱。他在思考太阳系运行的时候意识到太阳系之内的运动是混沌的。这并不是我们通常思考太阳系的方式，我们通常会想到有这么多行星感到太阳的引力，致使它们不至于飞走，因此太阳系的未来非常容易预测。但是庞加莱意识到偶尔两个行星相互靠近的时候会产生一点干扰，将行星拉向太阳的引力也让行星相互靠近。尽管行星之间的引力非常弱，因为行星与太阳相比非常小，但是这个效果会随时间积累。一点又一点的干扰在几十亿年时间里足以形成难以预测的力量，实际上庞加莱认为这股力量完全无法预测。接下来我给大家看看为什么我们今天依然认为无法预测。

我想让大家再看几张太空影像，从而表明混沌现象不仅发生在双节悬摆身上与太阳系当中，而是在太空各处都能看到。我要先让大家看看宇宙当中有什么。如果你在黑暗当中抬头看看天空，要是视力正常你应该能看到几千颗星星；如果有望远镜的话你能看到星星的数量更多，远比肉眼能看到的更多，因为肉眼能看的都是最近最亮的明星。夜空本身充满了远远更多的星星，更遥远的星星，更暗淡的星星，以及气体团与尘埃团，用肉眼很难看清，用望远镜才能看到。我们的最佳估算认为在我们的银河系当中有几千亿颗恒星，我们的星系挤满了各种物质。但是这还不是宇宙的全部。如果你知道如何观察，可以在非常黯淡的夜里看看仙女座，除了恒星之外还能看到一团尺寸像月亮一样的奇怪亮光。用天文望远镜拍摄这团亮光，就会发现这团朦胧光明是另一个星系，名叫仙女座星系，其中似乎也有一两千亿颗恒星。故事到这里还没完。几年前天文学家将极其灵敏的哈勃天文望远镜指向了天空的一小块区域，或许只有月球视直径的十分之一，看上去完全空白。用特别灵敏的仪器来观察一片看似渺小且完全空白的空间，似乎是非常可笑的做法。“我拍摄了这么多宏伟的天体，现在你让我拍摄一片空白？行吧行吧你说了算，反正过两天董事会问起来我可不负责。我擅长拍照，但是不擅长拍空白。”争吵结束之后天文学家获得了胜利。他们对准这片空白天空拍摄了一周，结果发现这片天空一点也不空白。只要你观察得足够久，收集足够的光线，就会发现这里同样充满了物质——这一小块天空当中的每一个亮点都不是恒星，而是星系。假如我们能够以同样的方式让哈勃望远镜搜索整个夜空——我们根本做不到这一点，因为工作量太大，但是如果我们能做到的话，那么将会发现宇宙当中至少有几千亿个星系，每个星系都有几千亿颗恒星。

可见宇宙当中有很多物质，但是故事到这里依然没完。假设我们仅仅前往其中一个星系——我们可以选择任何星系，这里我碰巧选择了M81星系——这个星系当中有多少物质？有几种方式来衡量。首先来看看星系本身放出多少光，由此可以推断其中到底有多少恒星。更详细一点的话你还可以询问星系当中的气体是什么颜色，由此也能估算其中有多少物质。很多人做这一行做了很多年，我们现在非常擅长估算星系的物质总量，所以才会有一个星系包含几千亿恒星的说法。但是还有另一种方式可以确定星系当中有多少物质：星系会旋转。星系旋转的原因就像地球绕太阳旋转的原因一样，都是因为引力。假如星系旋转的速度能够测算出来，那就能知道星系内部的引力有多强。假如我们知道星系的引力有多强，就能算出其中有多少物质才能产生这么大的引力，因为引力是物质产生的，我们感到引力是因为地球太大了，创造了吸引我们引力。太阳也创造了吸引地球的引力。所以我们可以通过测算引力来测算物质。可是对于我们测算过的每一个星系来说，两个数字都对不起来。用旋转法来计算星系的物质，要比起我们能够直接看到的物质多出五倍，换句话说前者是后者的六倍。我们完全不知道究竟是怎么回事，只得发明了一个很酷的名字，将这些多出来的物质称为暗物质。

暗物质不仅存在于星系内部。我们还可以看看星系团。在宇宙当中有时我们不只发现一个星系，有时大量星系会聚合在一起，它们的引力变得非常强，甚至足以弯曲光线。光线一般走直线，但是引力足够强的话就会让光线扭曲，就像我们这样的物质被地球拉向地面一样。光线也会被引力扭曲。假如你有某种非常大非常重的东西，比方说星系团，那么我们就可以看到光线被它扭曲，我们已经拍下了这样的照片。然后你可以计算星系团的亮度，从而确定星系团当中包含多少物质；或者你也可以计算星系团弯曲光线的程度，由此得出星系团具有多大引力，从而进一步算出其中包含多少物质。结果还是有同样的问题，两种算法得出的物质总量还是相差五倍。这就是我们所谓的暗物质，与之相对的则是我们能直接看到的物质。

上述现象让我们确信存在暗物质，现在我想听听大家的意见：大家相信暗物质吗？既然大部分听众都相信暗物质的存在，那么接下来我们就需要问一下暗物质是什么。既然存在我们看不到的额外物质，那么我们自然想知道这是什么物质。我们可以先看一看我们熟悉的世界：桌子，椅子，地板，电灯，太阳，我们对于这些物质的理解十分充分。如果你用高能显微镜观察这些物质，观察尺度越来越小，最终会发现一切物质都是由我们所谓的粒子组成的。所谓粒子就是无法永远分割下去的一点点小物质。据我们所知所有物质都由粒子组成，所以我们认为暗物质也一定由粒子组成，就先称之为暗物质粒子好了，听上去不错。我们目前的思考程度就只有这么深。接下来我们还想知道暗物质粒子如何表现。我们看看身边的熟悉世界，对于我们熟悉的粒子我们都知道些什么？我们知道粒子能感受到力的作用。比方说为什么我会受到地球引力的作用？因为我体内的所有粒子都被引力吸引。那么为什么我不会穿过地板直接掉到地球中心？这是因为另一种被称为电磁力的力。当我站在地板上时不至于沉下去的原因在于我的鞋与地板接触时产生了将我向上推的力。实际上电磁力也是我们能够看到事物的原因。光本身就是电磁力的一个方面。再来想想暗物质粒子，显然它们能够创造引力，也能被引力作用——所以我们才发明了这么个概念——但是另一方面我们却看不见它们，这大概意味着它们不受电磁力的作用。

关于暗物质的特性，以上就是我们目前所知的一切。但是这种程度的知识确实能让我们回答某些非常基本的问题，例如暗物质在哪里。为了足以服人地证明暗物质的确存在，最好的办法就是找到暗物质，取一点样本。我们可以预测目前这座房间里有多少暗物质。如果你想做个实验找到暗物质，首先必须知道这房间里有多少暗物质。你可能会觉得有很多，因为我刚才说过暗物质与可见物质相比多出了五倍，但是在这个房间里你是错的，因为地球是由普通物质组成的。想象一下，早在地球形成之前只有无数岩石与尘土，它们相互碰撞聚合在一起，变得越来越大，变成了一大团岩石——我的地理知识就到此为止了——之所以地球上存在这么多普通物质是因为它们粘性很强。我们认为暗物质不可能粘性很强，因为它感觉不到粘性所需的电磁力。所以尽管平均来说宇宙当中的暗物质比起普通物质多出五倍，但是地球上这一大堆普通物质却可以压倒暗物质。如果我们的计算正确，那么在这个房间里目前暗物质粒子正在从东北方向飞来——顺便说一句，这要取决于当天的时刻与当年的日期——速度大约是每秒钟一百公里。暗物质粒子不会与任何普通物质互动，所以它们无知无觉地穿过屋顶，穿过你的身体，穿过地板，穿过整个地球，又飞到了另一边。有谁能感到暗物质穿了过去？我们当然感觉不到暗物质的存在，因为要感觉到任何东西都要有力的作用。我之所以会被悬摆打疼手是因为有力的存在。而暗物质粒子只会穿过我们然后消失。

但是假如你能冻结时间，找到这个房间里的所有暗粒子，大概会有一百万个。听上去很多，但实际上粒子非常小，所以一百万个粒子也只是一千克的百万分之一的百万分之一的百万分之一。你肯定会想，在地球怎么找到百万分之一的百万分之一的百万分之一千克的看不见摸不着的物质？这是个好问题，不过我不会回答，你们可以等到讲座结束后再问我。因为我更想着重讨论另外一个问题，从而回头继续讨论悬摆。我们怎么知道有多少暗物质从哪个方向按照怎样的速度飞过来？我们可以借助计算机。我可以给大家看看计算机模拟的暗物质运动方式。我要计算机设置一个虚拟的星系，计算机可以计算星系各个部分对于一团暗物质施加的引力。我只要将一团暗物质扔进这个星系，它就能感到附近各个方向的引力，那么接下来会怎样？当然，首先我们要假设我们是对的：只有引力才会作用于暗物质。可以看到，暗物质会被吸引向星系中心，达到中心的时候速度已经很快，所以又从另外一个方向冲了出去。请注意这团暗物质的轨迹看上去就非常无法预测，就像双节悬摆一样混沌。从数学上来说，暗物质的运动确实是混沌的，因此很难预测暗物质从这一刻到下一刻的行为激烈转变。假如你很想预测暗物质的表现，可以再做一次模拟实验，这次用两台计算机，前一台的精度是32比特，后一台是64比特。两台计算机采用完全同样的计算代码，要求它们解决同一个问题，结果会怎样？一开始一切看上去都一样，暗物质的轨道看上去一致，但是如果仔细观察就会发现细微的不同开始逐渐浮现。随着时间推移，两套模拟的区别变得越来越大，到最后右边的暗物质与左边的已经表现得完全不同了。

因此两台不同计算机给出了两个不同的答案。要想理解为什么会这样，可以在手机上找一个计算器应用，输入1.23456789，除以10亿，结果是0.00000000123457。将这个结果再乘以10亿，应该得到和原本一样的数字，但是结果却并不一样。输入的是1.23456789，得到的却是1.23457——计算机太垃圾了，就连正确的数字都算不出来。你会想可以增加准确度，因为这里的计算机无法足够准确地存储数字，不能准确地记录数字。你会想那样的话只要增加精确度就行，比方说将32比特的计算机升级为64比特。但是问题在于一旦有了更强的128比特计算机，计算结果又会完全不一样；从128比特升级到256比特，计算结果还会再改变一次。庞加莱意识到这就是太阳系的情况，无论你多么仔细地纪录数位，你的计算结果也肯定是错的，因为你需要无限的数位才能算对。没有人能够以无限数位测量太阳系一切物质的位置，计算时间也将会极其漫长。现在我们在宇宙其他地方也发现了同样的现象，我们想要预测暗物质的表现，但是计算机妨碍了我们。计算机不够强大，算不出这种问题……真正的麻烦在于这些我们所谓的混沌体系过于敏感，无法预测。每当我推动双节悬摆，它的运动轨迹都会与上次不同，因为我不可能足够精确地以相同方式推动它。暗物质也是一样，失去一丁点准确性就意味着完全不同的计算结果。这是个极大的问题。

这么说的话，如果我们算不出单独一点暗物质的运动，又怎么能够计算出这个房间里有多少暗物质粒子穿过？。要想回答这个问题，我发明了一个新实验：拍摄全世界第一张长曝光自拍。这是普通的摄像机，有长曝光模式，可以不停地拍摄20秒钟之内射进去的光线，让我们看到双节悬摆在这20秒之内的运动情况……现在我们取出摄像机的存储卡，看看我们究竟拍到了什么……你能看到悬摆的运动有一套模式，我们能够理解些模式，尽管悬摆运动的具体细节非常复杂，具体路径难以预测，但是如果这样看的时候，你就可以预测它的模式。比方说悬摆的路径几乎不会通过上方，也从不超过这道圆弧，而且总是喜欢趋向回归中心。我们可以理解这些特质：为什么总是超不过这道圆弧？很简单，因为摆的长度有限，除非下半截脱落砸在我脸上，否则就只能留在圆弧之内。其次，悬摆的路径超不过特定的高度，这也可以理解，是因为能量有限。我给悬摆一定能量，这些能量随着时间流逝由于摩擦而逐渐消散。如果能量有限，悬摆就只能达到特定高度。足够的能量可以让悬摆达到这么高。如果只有一点能量的话悬摆或许只能达到半截腰。随着能量逐渐消失，悬摆的最高高度也会越来越低。最后是回归中心的现象，你可以看到好多轨迹指向中心。这个现象要更难解释一些，我们称之为简并性。悬摆末端靠近中心的方式有很多，当末端大致接近中心时，悬摆其他部分的位置并无所谓，换句话说让悬摆末端靠近中心的方式可以有很多种。在远离中心的位置则并非如此。假如悬摆末端要通过外侧的某一点，那么摆臂要么向下弯，要么这向上弯，只有两种方式。这就是所谓的简并性。看上去悬摆末端被吸引向中心，但实际上只是统计学效应，因为趋近中心的方式更多。我们对于悬摆的长期表现理解得十分透彻，不必计算每一次摆动究竟会发生什么。之前我进行了一次计算，根据悬摆受到的各种力，凭借数学预测了它的运动模式。我的预测与实际结果相比还不算太糟。细节上有些许不一致之处，但是总体模式——例如顶端的运动轨迹很少以及趋向中心——这些模式的确得到了再现。

我们不可能预测悬摆的具体运动轨迹，我们也不可能预测某一团暗物质在宇宙当中的运动轨迹，但是我们可以理解为什么具体细节纷纷崩溃的时候各个计算版本得出的模式还能基本保持一致。这一原则也可以应用于计算机当中的暗物质模拟。两台计算机得出的细节确实对不上，但是模式依然保持一致。实际上这确实是我们为什么严肃对待暗物质理念的原因之一——其他原因在于我们没有更好的主意——因为只要我们讨论模式而非细节，就可以进行计算。我刚才提到的星系模拟甚至可以显示星系何形成。更完整的星系模拟可以从宇宙早期开始，显示我们认为的星系形成过程。这其中有气体，有恒星，有尘埃，也有我们看不见的暗物质。这是从望远镜当中能够看到的景象，我们可以看到星系的进化。这些小型的星系逐渐被暗物质聚拢在一起，形成了越来越大的星系。如果你快进140亿年——我们相信这是宇宙的年龄——就会看到写几个小星系形成了一团巨大的气体与恒星漩涡。实际上我们可以在计算机模拟当中重现看上去非常像我们自己居住的银河系的东西。这是夜空的景象。尽管暗物质的基础是某些非常奇怪的设想，尽管我们无法计算暗物质的具体表现，我们依然可以将这个理念拿来利用。我们得到了一个虚拟的宇宙，和我们的宇宙差不多。

最后我举个例子说明怎样才能摆脱事物细节无法预测的问题。一开始我答应过要讨论经济，接下来我们就来谈谈经济。实际上物理学家经常考虑经济，他们觉得经济没什么难度。于是他们制作了经济模型。经济活动的物理模型如下。每天一大早你在家里醒来，你所有的钱都放在你身边堆成一堆。你拿上所有的钱然后出门，在街头看到其他人也带着他们全部的钱，你就冲他们扔一把钱过去。当然其他人也会向你扔钱，你也要拾起来——你又不傻。然后一天到头你回到家里，将钱再放起来。这就是物理学家的经济模型，听上去有点愚蠢。但是这个模型确实能做出预测，预测之一就是一般人的贫富程度。我可以将国内所有家庭归拢在一起，计算他们按照上述做法执行几年之后每家有多少钱，然后画成图表。这就是我们的预测结果。从物理学视角来看，右手边的少数人会得到很多很多钱，左手边的很多人赚不到多少钱。这个结果的基础就是如此简单的理念。然后我们将这个预测结果与现实世界的实际数据相比。这些人采用了美国人口普查数据，将美国人的收入填在这张图表上，结果发现十分惊人，非常接近。这个世界最先进的经济体基本按照一群三岁小孩玩大富翁的模式来运行，实在令人惊叹。我们要记住，即便有些设想一看就站不住脚，我们依然可以从中学到很多东西，依然可以发现世界的本来面目。通过这些看似愚蠢的想法当然算不出某一个人赚了多少钱，但是却能算出人口整体的收入情况。这与暗物质和悬摆多么相似。

最后，我承诺过要谈一下关于暗能量的问题，这个话题很适合在讲座的最后两分钟提出来。因为暗能量和暗物质完全不是一回事，两者截然分开。暗能量的设想基于以下事实：宇宙正在扩张，这一点我们已经知道很久了，这意味着所有的星系都在相互远离。但是宇宙不仅在扩张，而且扩张得越来越快。两个星系今天以特定速率相互远离，明天它们相互远离的速率就会略快一些。老实来说这很奇怪。如果想要物体运动得更快，必须加入能量。所以物理学家想，“暗物质那回事我们做得不错。既然现在能量又出了问题，我们就将它称作暗能量吧。”我们需要获得无中生有的能量，谁知道这样的能量从哪里来？你可以搓手生热，但是需要很多人在宇宙里搓手才能得到足够让宇宙扩张加速的能量。而且他们还需要吃饭，而食物本身就含有能量，所以这并不算无中生有地创造能量。物理学家想出的解决方案相对来说比较熟悉，我们都听说过一点，也就是量子力学，因为量子力学什么怪事都干得出来。在量子力学的世界里，真空——例如宇宙最深处的真空——并非完全空洞，而是含有些许能量，我们称之为真空能——看见什么就说什么。你们都相信暗能量的存在吗？只有两个人举手。我站在大多数人一边。问题在于我们看到了宇宙当中的奇怪现象，我们正在竭尽所能地解释这些现象，有什么工具就用什么工具。就暗物质来说，我们依靠我们对粒子的理解，我们尽可能地将粒子规律应用于暗物质的设想。就暗能量来说，我们的做法差不多。只不过我们这次依赖的工具碰巧是量子力学。

我选择今晚这个题目是因为人们经常很有道理地批评暗能量理念：现实完全可能远比我们的理论更加奇怪，我们凭什么认为自然一定会将我们熟悉的现象——量子力学虽然很怪，但是已经在实验室里得到了充分观测——放大到整个宇宙？你也可以这样批评暗物质：我们很熟悉粒子，所以我们将粒子的理念扩展到了整个宇宙。这样做看上去非常愚蠢幼稚。但是反过来说，我们拿着这些看似完全错误的理念，进行很可能不可靠的计算，得到大概没有意义的数字，再将这些数字与真实宇宙相比，尽管有这么多问题，但是如果我们着重关注平均数的话，却往往发现计算结果符合现实。我想说的是我们可以反过来：我们理解平均数怎样出现，出错之处在于我们对于细节非常感兴趣。如果你想知道太阳系是否稳定，我们回答不了这个问题。我可以告诉你平均而言典型的太阳系会保持稳定，但是这样的答案未必能让你特别感兴趣。就像天气预报，“明天本地有可能发洪水，平均来说将会有这么多户人家被水淹。”而你只关心你的房子会不会被水淹。我们问的问题故意问得特别宽泛，因此现实发生的事情很有可能更加奇怪，而我们之所以能得到正确答案只是因为我们问了足够广泛的问题。不管怎么说，反正问题算是解决了。这种看法或许相对悲观的一些，我觉得我更偏向乐观。当我们最终发现宇宙的真正运作机制，或许确实会比我们现在意识到的更加奇怪，我们目前所做的工作可能基于完全错误的理念，但是这些工作依然非常有用，因为关键在于辨识模式而不是具体细节。我就想说这么多，谢谢大家。