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【科普】现代科学的十大未解之谜

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TOP10 存在“最小粒子”吗?

  在历史上很长的一段时间里,人们曾经认为物质、时间、空间这些东西是可以无限分割的。《庄子·天下》中这样说:“一尺之棰,日取其半,万世不竭。”用数学的语言来解释这段话,意思就是你可以把1尺长的棍子进行无数次对半分割,第一次对半分割得数是0.5尺,第二次是0.25尺,第三次是0.125尺……这个过程可以无限地进行下去。
  公元前四世纪的希腊哲学家亚里士多德也认为,物质是连续的,人们可以将它无限地分割下去,我们永远也得不到一个不可再分割的“最小颗粒”。
  但很早就有人怀疑“物质可以无限分割”的观念,希腊哲学家德谟克利特相信最小颗粒是存在的,他把这种粒子叫做“原子”。德谟克利特认为所有的物质都是由原子组成的,原子是一种不可穿透、不可分割的实体,一切原子都有着相同的性质,只是在形状、大小、重量、排列、位置上有所不同。万物有生有灭,但组成它们的原子却不会跟着毁灭,只会从死亡的物体转移到新生的物体身上。
  后来科学家们的确发现了原子的存在,但它却不是最小的粒子,它由质子、中子和电子构成,质子和中子又由被胶子束缚着的夸克组成。
  从目前的情况看,电子和夸克似乎都是最小的“基本粒子”。之所以说它们是基本粒子,是因为任何与这些粒子的结构相关的现象,在实验中都没有观察到,它们像是一个不可再分的点,而不像质子、中子、原子核和原子那样,有可测量的大小。
  粒子物理学家们建立了一个标准模型,来解释目前已发现的所有粒子和它们之间的作用力。但并不像德谟克利特说的那样,只存在“原子”这样一种最小粒子,标准模型中包括了62种基本粒子,被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子刚刚被找到,这样标准模型中所有粒子的存在都已得到了证明。
  然而这些今天被称为基本粒子的东西,就一定是不可再分的“最小粒子”吗?人们以前曾经认为原子是最小粒子,但后来发现它其实是个复合体。随着科技水平的提高,今天不可再分的东西,明天有没有可能发现它又只是个复合体呢?
  这样的过程,有没有尽头呢?假如从量子论的角度来看,世界不是光滑的,在粒子世界中,物质、能量、时间、空间都表现出不连续的特征来,因而世界必定不可能无限分割下去,最小粒子必定存在。
  但这种分割,到什么时候才是尽头,最小粒子究竟是多小呢?
  科学现在无法回答。


本楼含有高级字体1楼2015-03-26 14:06回复
    TOP9 “超光速”存在吗?
      在经典物理中,判断任何物体的运动状态,都需要选定一个参照物。对于同样的运动物体,假如选取的参照物不同,得到的结果就不一样。
      按照这个思路,我们可以推测光速并没有绝对值。假如一束光向你照过来,初始速度为C,当你以速度V向着光源的方向运动时,那么以你为参照物,光速就会变成C+V;而当你朝背着光源的方向运动时,你眼中的光速就应该是C-V。
      如果情况是这样的话,那么就不存在“超光速”的问题了。
      然而1886年,美国物理学家阿尔伯特·麦克尔逊和爱德华·莫雷进行了物理学史上赫赫有名的“MM实验”,有了一个惊人的发现:在地球朝着不同方向运动时,检测到的光速竟然没有丝毫变化。这意味着,经典物理学的推测完全错误,不管你是在朝着光源运动,还是在向垂直于光源的方向运动,或者在背着光源运动,你看到的光速丝毫不会发生变化,都保持着恒定的速度C。
      后来爱因斯坦用“狭义相对论”解释了这一现象。爱因斯坦说,高速运动物体的时间流速会变慢,自身的长度会缩小,正是因为时间和空间存在这样的弹性,才导致不管你在哪里、从哪个方向见到的光,它在真空中的传播速度都是大约每秒30万公里,从来不会发生变化。
      但相对论有这样一个前提:真空中的光速C是一个绝对量,是一切物体运动速度的极限,也是一切实在的物理作用传递速度的极限。爱因斯坦说,世界上不存在“超光速”的运动物体和信息传输,这是相对论的基石。
    然而“超光速” 真的不存在吗?
      相对论的这个前提,现在已经被量子论中的“EPR实验”推翻了。“EPR实验”是1935年爱因斯坦与两位同事发表的一个旨在推翻量子论“哥本哈根解释”的思维实验。爱因斯坦指出,假如哥本哈根解释是对的,那么分裂的两个小粒子之间即使相隔几十亿光年,也必定会存在某种即时联动,但相对论规定了任何信息的传输都不可能超过光速,宇宙中不存在超距作用的因果关系,所以小粒子之间超越光速的即时联动是根本不可能的,哥本哈根解释肯定有问题。
      1982年,法国物理学家阿莱恩·阿斯派克特带领一个小组做了这个实验。它的结果意义是如此的重大,以至于被一些人称为“上帝的裁决”。实验结果竟然是爱因斯坦输了,事实证明分开的小粒子之间确实保持着一种微妙而神奇的联系,类似于超越时空的“心灵感应”,这种关联有一个拗口的专业名词叫“量子纠缠”。

      “EPR实验”表明,确实存在超光速的信息传输。爱因斯坦搬起石头砸了自己的脚,他想用来否定量子论的思维实验,最后反倒成了否定相对论的武器,这真是一个天大的幽默。
      除了存在超光速的信息传输之外,事实上超光速的运动速度也是存在的,例如电子表面的旋转速度就要高于光速。
      超光速确实存在,相对论还能成立吗?
      现代科学无法回答。


    本楼含有高级字体2楼2015-03-26 14:07
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      TOP7 为什么会出现“寒武纪生命大爆发”?

        “寒武纪生命大爆发”通常被用来当作否定进化论的证据。
        在《物种起源》一书里达尔文提到,自己的理论中存在几个很难解释的疑点:
        第一个疑点是,如果物种是经过细微的渐变演化而来,那么为什么见不到大量的过渡类型呢?为什么自然界的物种之间的区别是那样的明显,而不是彼此混淆不清的呢?假如说那些过渡类型已经灭绝了,那么就应该要有大量化石证据,但为什么没有呢?
        根据达尔文的说法,物种的进化,是随机变异通过自然选择作用后累积下来的结果,这种变化是渐进的、连续的,这样一来,就必定会存在大量的中间过渡物种。比如,目前多数人认为鸟类是由恐龙进化而来的,由于进化是连续的,在漫长的演变过程中,必定会出现无数介于恐龙和鸟之间的物种,而且这样的生物应该很多很常见,然而事实上却根本没有。
      第二个疑点是,像眼睛这样的复杂器官的生成,也能用自然选择来解释吗?
        一个简单的例子就可以从逻辑上推翻复杂器官自然生成的结论。“放屁虫”的防卫系统由以下部件构成的:过氧化氢和对苯二酚、由外胚层腺体产生的酶触催化剂、储囊、括约肌、膨胀器、外排导管。其工作原理是,储囊中储存着过氧化氢和对苯二酚的混合物,当发现威胁时,括约肌就会像控制阀一样打开,把混合物送入膨胀器中,然后再注入酶触催化剂,引发剧烈的爆炸后从尾部的外排导管精确喷出,喷到倒霉的敌人脸上。
        如果这种防御系统是进化而来的,那么从实用的角度出发,应该先进化出能够攻击敌人的化学物来。但过氧化氢、对苯二酚和酶触催化剂只有三种混合在一起,才有可能发生爆炸,仅仅进化出其中一种来,就毫无作用,它们中的哪一种最先出现呢?而且即便三种化学物质能够同时出现,如果没有括约肌这个控制阀门的阻隔,放屁虫就会把自己炸成碎片,这显然是不现实的。但是在还没有化学武器之前,放屁虫会先进化出一个控制开关来吗?
        不管放屁虫先进化出防御系统中的哪一个部件来,都完全发挥不了作用,不会对它的生存有任何帮助,反而会成为累赘。按照进化论的观点,这种变异只会被淘汰,而不可能在此基础上增加更多的累赘,直到最后所有的累赘叠加在一起,形成一个完整而有效的防御系统。
        仅仅是这样一个简单的器官,从逻辑上来说都不可能通过自然选择作用生成,那么这一选择作用,又如何能够自然生成像眼睛这样要更复杂得多的器官呢?
        第三个疑点是,像蜜蜂筑巢这样极其复杂的本能,怎么可能由自然选择作用而获得和改变?
        人在一生中会学习很多的本领,这种本领是无法代代相传的,即便你的英语学得再好,你的孩子也不可能天生就懂英语。蜜蜂筑巢也是一种复杂的本领,这种本领为什么能代代相传,蜜蜂们不用学习天生就会呢?自然选择作用能对此作出解释吗?
        进化论已经发表了150多年,然而达尔文最初的疑惑,却至今仍然不能得到解决。假如进化论是对的,那么会出现这样的事情,就显得很不可思议了。
      其实除了上面几个问题之外,还有一件事情对于进化论的打击更大,那就是“寒武纪生命大爆发”。
        达尔文认为是持续不断发生的随机变异逐渐积累,最后形成了新物种,那么可以想象,物种是渐变式进化的,生命由低级到高级依次出现,这个过程发生的时间应该拉得很长。
        然而情况并非如此。地球诞生于约46亿年前,但物种却不是在几十亿年的时间跨度内逐渐出现的。化石证据表明,几乎所有重大生物类群,都是在距今约5亿年前的寒武纪,在短短几百万年时间内一下子突然间冒出来的,这就是“寒武纪生命大爆发”。
        这是一次生命的壮丽绽放,其规模之大绝对超乎想象,甚至那时候生物的种类,比现在还要多得多。我们现在能够看到的生物门类,在寒武纪几乎都能找到;而那时有的生物,有多达20个门现在已经消失了!
        如此众多的生物种类在短暂的时间内集体亮相,这种现象怎么用进化论来解释呢?它更像是大自然一次狂放的实验,是造物主对于物种的集中投放,其中大部分都是不成功的试验品,不久后就灭绝了,只有少数存活下来,成为后来所有物种的祖先。
        进化论错了吗?生命演化的过程究竟是怎样的呢?“寒武纪生命大爆发”是造物主在集中制造生命吗?
        现代科学无法回答。


      本楼含有高级字体4楼2015-03-26 14:13
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        TOP6 为什么会发生“宇宙大爆炸”?

          总体来说,当前在学术界还是“唯物论”的天下。唯物论者们最希望看到世界是无限的、永恒的,因为他们坚持认为物质是世界的本原,但却没办法合理解释,作为世界本原的物质它自己又是从何而来的。所以假如我们是生活在一个无边无际、无始无终的宇宙中,那么物质就是永恒的存在,也就不需要回答物质如何起源的问题了。
          然而唯物论者们的美梦,被“宇宙大爆炸理论”打破了,我们来看看这一理论是怎么回事。
          1666年,牛顿发现白光其实是一种复合光,它在通过三角形棱镜时,能分解成彩虹一样的多种颜色,这种现象叫做“色散”,分开的单色光依次排列而成的光带叫做“光谱”。
          后来人们将望远镜聚焦在一个单独的恒星或星系上,观察从那里射来的光线的光谱,根据“多普勒效应”,通过分析这些光谱,可以确定这些星体相对于我们是静止的还是运动的,是在朝着我们而来,还是在离我们而去。假如它们在离去,那么我们接收到的光,波长将较长,光谱会向红端移动,这叫“红移”;反之则会向蓝端移动,叫“蓝移”。
          20世纪20年代,当人们利用这一原理来观察那些遥远星系时,原本预料会发现同样多的红移和蓝移光谱,因为那时以为星系是随机运动的。然而事实出人意料,在对银河系外的其它星系进行观测时人们发现,除了少数离我们最近的星系外,几乎所有河外星系都表现出红移来,它们都在离我们而去,而且离得越远的星系,离开我们的速度越快。
          这一现象应该如何解释?为什么几乎所有的星系都在远离我们?人们想到了一种可能:宇宙不仅是有限的,而且正处在不断的膨胀之中,所以宇宙空间的任何两点都在相互远离。这一想法促成了“宇宙大爆炸理论”的诞生。
          大爆炸理论认为,我们的宇宙诞生于137亿年前的一个“奇点”,然后出现了爆炸式的膨胀,生成了眼前这个广袤的宇宙。宇宙膨胀的趋势一直延续至今,它就像是一个从那时一直被吹到现在的气球。
          这一理论令人匪夷所思,然而科学家们拿出了有力的证据。大爆炸理论预言,宇宙诞生时大爆炸的余波,至今应仍在宇宙中回荡。结果1964年美国天文学家彭齐亚斯和威尔逊,在偶然中发现了宇宙背景微波辐射,证实了这一说法。这个发现为大爆炸理论提供了强有力的支持。
          后来越来越多的证据支持了大爆炸理论,越来越多的人接受了这个奇怪的理论。这一理论表明,宇宙有起始,极可能也有终结,并不是永恒的存在。
        在大爆炸理论中,存在一些很容易让人误会的问题。
          第一个是“奇点”。说到奇点,许多人很自然地就会认为,奇点是一个密度无限大、温度无限高、体积无限小的点。但现在也有很多人认为,所谓的奇点其实只是一个起始的时点,一个界限,而不是具体的实物,它指的是宇宙诞生的那一个瞬间。
          英国物理学家保罗·戴维斯这样说:“整个宇宙完全是从无中生出来的,其创生过程符合量子物理的定律。这样的宇宙在其成长过程中创造了一切物质、一切能量,从而建成了我们现在所看到的宇宙。这样,这种理论说明了一切物理性的东西(包括时间和空间)的创生。这种量子时空模型并不规定一个不可知的奇点来给宇宙开头。”
          第二个是“爆炸”。有人说,宇宙诞生之前并没有物质,既然没有物质,那么怎么可能发生爆炸呢?其实他们是误解了这个名词。之所以用“大爆炸”这个词来命名这种理论,主要是用来形容宇宙膨胀的突兀和迅速,并不是真的有什么东西在宇宙诞生时被点爆了。
          美国天体物理学家艾弗琳·盖茨这样说:“尽管名字听起来很吓人,但大爆炸并不是空间中发生的爆炸,而是时间和空间的起点——或者更准确地说,是当前人类对物理学的领悟能把我们带到最接近起点的地方。”
          大爆炸理论是否正确,目前存在一定的争议。但即便它是对的,也还会有一个疑问在等着我们:为什么会发生宇宙大爆炸?它是出于什么样的缘由?难道是造物主按下了创世的按钮?
          现代科学无法回答。


        本楼含有高级字体5楼2015-03-26 14:37
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          TOP2 眼前的一切真实吗?

            很久以前就有人在怀疑眼前的世界是否真实,一个著名的典故是“庄周梦蝶”。《庄子·齐物论》中说,一天晚上庄周做了个梦,他梦见自己变成了蝴蝶,怡然自得地在花间飞舞,浑然忘记了自己是庄周。一直到他突然间醒了过来,才意识到原来自己不是蝴蝶,是庄周。
            庄周在梦中只知道自己是蝴蝶,不知道自己是庄周。假如他一直都不醒过来,那么他是不是就永远也搞不清楚自己是在梦境里,还是在真实世界中呢?
            笛卡儿也有类似的想法,他说:“当我仔细思索这个问题时,我发现人清醒时的状态与做梦时的状态,并不一定有所分别。”由此他进一步问:“你怎么能确定你的生命不是一场梦呢?”
            这个问题,也是近年来热播的美国影片《盗梦空间》的主题。在这部电影中,窃贼道姆·科布善于潜入到别人的梦境中,去盗取重要的信息和秘密。为了实现与儿女团圆的梦想,科布铤而走险,接受了一个有别于以往的危险任务,不是去窃取情报,而是把一个意念“植入”到别人的头脑中。为此他与伙伴们深入到了第四层梦境,并差点永远留在了“迷失域”中,但最终他成功了。回到现实中与儿女团聚之后,就在他用陀螺测试自己是否还在梦境中时,电影突然结束,留下一个悬念:此时他到底是在现实中,还是在梦境里?
            看完这部电影,不能不引起我们的深思。我们以前一直理所当然地认为,我们生活着的这个世界是真实的。但你想过没有,你怎么能够肯定它一定就是真实的呢?说不定我们其实都生活在一个虚幻的梦境里,从来就不曾醒来过?
            人类对于世界所有的认知,都来自于感觉器官获取的信息。在人类的各种感觉器官中,视觉无疑是最为重要的一种,它可以是一种遥感,能使我们接收到来自于远方的信息,而不必像触觉、味觉那样,需要通过直接接触。下面就以视觉为例来看人类的感觉是怎样形成的——
            视觉的形成首先需要有信息,这种信息包含在物体反射的光线中,所以在完全没有光线的暗处我们是看不到东西的。接着为了感知光线中的信息,我们需要有能对光线起反应的检测器,那就是“视网膜”。当光线穿过眼睛的“晶状体”时,图像就会被反转,然后聚焦投射到眼球后表面的视网膜上。
            视网膜既是一个信号接收器,也是一个信息转换器,它最里面的一层是由几百万感光细胞组成的,每一个感光细胞都含有光敏感分子,叫“感光色素”。当暴露在光线中时,这些感光色素就变得很不稳定,会发生分解,这一过程改变了感光细胞周围的电流流动,从而触发了下游神经元的动作电位。这样一来,感光细胞就将外界的光刺激转换成了大脑可以理解的内部神经信号。
            接下来是信息的传输,视网膜信息的传出通道是神经节细胞,这种细胞的轴突形成了一束神经,叫“视神经”,视觉信息就是通过视神经被传递到大脑中枢神经系统的。
            再接下来是大脑这个处理器把信息还原为图像,它的原理更为复杂,人们直到现在也还没有掌握其中的细节,只知道它做得很好。在生活中你应该有这样的经验,摄像机在快速抖动时拍到的画面会晃动得很厉害,让人难以辨别其中的图像,但人类在运动中看到的影像却仍然是清晰的,这说明大脑在对信号进行加工时,懂得自动消除晃动因素的影响,它的聪明程度远远超出了我们的想象。
            从上述视觉形成的过程可以看出,我们看到的东西高度依赖于所接收到的信息,以及大脑处理这些信息时采用的模式。一旦这些环节出了问题,我们就会出现视觉障碍。有些人的视网膜中缺少对中波或长波敏感的感光色素,他们就成为红绿色盲;有人缺少短波感光色素,就成为了黄蓝色盲。更有一种人的视锥细胞无法正常工作,天生就无法辨认色彩,对于这些人来说,他们生活的天地就是一个黑白世界。
            从逻辑上来看,视觉感官输入什么样的信息,我们就会看到什么样的东西,对于其它感觉器官来说也是一样。所以假如我们能够用计算机模拟信号来替代这些信号输入,就可以制造出一个真假难辨的虚拟世界。
          1981年美国哲学家希拉里·普特南阐述了这样一个假想:“如果有人被邪恶的科学家施行了手术,把他的脑从身体上切了下来,放进一个盛有维持脑存活营养液的缸中,脑的神经末梢连接在计算机上,这台计算机按照程序向脑传送信息,以使他保持一切完全正常的感觉,那么将会怎样呢?”
            这个著名的假想被称为“缸中之脑”,它提出了这样一个问题:假如人类大脑中关于外在世界的信息,真的只是通过感官输入模拟出来的,我们怎么可能分辨得出它的真假来呢?

            笛卡儿就认为外在世界实际并不存在,是造物主在故意蒙蔽我们。他说:“我愿意假定,一切真理的源泉不是仁慈的造物主,而是一个同样狡猾,同样有法力的恶魔,施尽全身的解数,要将我引上歧途。我愿意假定,天空、空气、土地、形状、色彩、声音和一切外在事物,都不过是用来欺骗人的幻象,而那个恶魔就是要利用这些来换取我的轻信。”
            佛经中也说:“色不异空,空不异色,色即是空,空即是色”“凡所有相,皆是虚妄”,认为我们看到的世界其实只不过是假象,眼前的一切都是虚幻的。
            事实上,他们的想法并非没有可能。从逻辑上说,我们确实没有办法确定世界是否真实。因为我们所有的信息都来自于感官知觉,大脑是据此作出判断的,假如感官接收到的信号本身就是模拟出来的,我们根本无从察觉。所以仅凭感官知觉,我们就能判断眼前世界是真的吗?显然不行。
            前面这些观点会被一些人归类到“唯心论”中去,但其实这种标签早已过时。“唯物论”在19世纪曾一度成为公认的主流世界观,但现在已经被物理学家们广泛怀疑。
            在早期人们提出“物质”概念的时候,认为它是实在的东西,所以才会用“质量”来衡量它的多少,言下之意是:质量大物质就多,质量小物质就少,没有质量就没有物质。
            但后来这种观念被彻底打破了。首先是物质可以转化为能量,能量也可以转化为物质,而能量是虚无的;然后又发现有些粒子没有质量,比如光子、夸克、胶子。这样一来,物质的实在性就已经很值得怀疑了。
            当人们对时间、空间的特性有了进一步认识之后,才更认识到它们是世界不可或缺的组成部分,因为它们并不是恒定的,会随着物质的改变而改变。假如说世界是唯物的,那么它们算是什么呢?难道时间、空间也是物质吗?
            量子论进一步加深了人们对于物质实在性的怀疑。“不确定性原理”说,粒子是不确定的,假如它是实在的东西,怎么可能没有确定的状态?“互补原理”说,在你看的时候,它是粒子,不看的时候,它会变成虚无缥缈的波,实在的东西可能这样么?
            宇宙大爆炸理论更是直接否定了唯物论。在宇宙诞生之前什么也没有,没有时间、空间,也没有物质和能量。假如物质是真实的,那么在宇宙诞生之前它们到哪里去了呢?怎么可能凭白无故变出个真实的宇宙来?
            事实上,许多现代顶尖的科学家已经在怀疑。前中国科技大学校长、现任中科院院士朱清时教授,就曾经作过一个叫做《物理学步入禅境:缘起性空》的演讲,公开否定唯物论,有兴趣的朋友可以在网上搜来看看。
            或许会完全违背你的经验和常识,或许会让你一时难以接受,但我们还是要问这样一个问题:
            我们的感官接收到的信息靠得住吗?眼前的一切是真的吗?
            现代科学无法回答。


          本楼含有高级字体9楼2015-03-26 15:10
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