我最近刷到卡戴珊的一段采访，她说载人登月是假的。 她提了两个理由：第一，月球上没有空气，没有风，为什么旗子还在飘动？ 第二，月球没有大气遮挡，星星应该特别亮，为什么照片里没有星星？ [图片] 除了她说的这些，网上还有大量的质疑：比如明明太阳光是平行线，为什么影子的方向是不一致的？ 太空中有范艾伦辐射带，是会让人致命的，为什么宇航员还能活着回来？ 有人还说找到证据表明，拍摄这段影像的人，是库布里克，恰好我几乎看了库布里克的所有电影，这种怀疑，我觉得也是合理的。 各种登月的疑点，有二十多个，这些怀疑都是建立在有一定逻辑合理性上的。 这些年 NASA 一直在辟谣，包括这次，NASA 的代理局长也出来回应卡戴珊说，他们不仅去过月球，还去过六次。 [图片] 其实人家有没有登月这件事，咱们没有亲眼见过，我们的信息来源都是媒体，而媒体本身也是知识的二道贩子，包括我自己也是，从来没有做过研究，但都在讲别人的研究成果。所以，这里涉及到一个很重要的问题，当我们在面对一件自己从来没有见过的事情时，我们应该怎么判断它的真伪？ 我们信或者不信，其实都不会改变事实，但它能映射出我们自己的思维方式，这是一个了解自己的过程。 我们先放下立场，只从物理规律的角度看这些质疑是否成立。 第一个，旗帜为什么会动？ 我们绝大部分人，都没有在真空中生活过，看到旗帜飘动时的第一反应就是有风，于是很自然地就把这种日常经验带入了进去。 [图片] NASA的解释是，旗面是尼龙材质，为了把它撑开，顶部有一个横杆，旗帜原本是被卷起来，在月球上展开时会有惯性褶皱。 [图片] 而且你仔细看一下它为什么会动，是因为宇航员把旗杆插进月壤，要转动旗杆，这个转动会让杆子弹性变形，松手后，旗杆就会产生振荡，特别是横杆的晃动，会带动旗面晃动。 真空中没有空气摩擦，阻尼极低，没有空气摩擦来耗散这些振动，于是，能量只能通过材料摩擦和土壤摩擦慢慢耗散掉，反而会晃动的时间会更久。换句话说，必须要有晃动来耗散这些能量，如果旗面不动，反而不符合物理规律。 第二个问题，照片里为什么没有星星？ 我们看到黑天就以为是夜晚，但这只是地球的经验。 地球的白天之所以是亮的，因为有大气层散射阳光，而月球上没有大气，阳光不会被散射， 阳光照到哪亮到哪，没照到的地方就是黑的，所以即便是正午，月球的天空也是黑的。 [图片] 但它的月面反光很强，宇航员的衣服又是白色，相机为了不让宇航员的影像过曝，只能用极短时间的曝光，而星星比月面暗百万倍，曝光调低了，星星自然就没了，如果要把星星拍清楚，只能调高曝光，那么宇航员又会糊掉。 当时他们用的哈苏500EL胶片相机，它的任务是科学记录，而不是艺术摄影。 第三个问题，为什么照片上的阴影不是平行的？像是多光源拍摄出来的。 这是因为月面地形是不平的，不同坡度上的阴影自然会有角度差，而且月面反光，造成了多光源的效果，再加上广角镜头的透视畸变，造成的视觉差，就像两条平行的铁轨，你看远处都像是相交的一样。 [图片] 第四个问题，为什么辐射带没有致命？ 因为阿波罗的飞行路径是经过计算的，不是正面穿过辐射带中心，绕过了辐射最强的地方，而且停留的时间很短，飞船的金属外壳也可以屏蔽掉大部分高能粒子，虽然有辐射，但辐射剂量跟 ct差不多。 [图片] 网上所有的疑点，其实 NASA 都一一辟谣过，包括库布里克的女儿都出来辟谣说他父亲没拍过。 另外，NASA 还提供了很多证据： 比如他们一共从月球上带回来382 公斤的岩石，这些岩石被分发到全球上百个实验室里进行分析，其中包括中国。后来苏联探测器带回来了样本，跟阿波罗带回来的样本，在化学特征上是吻合的。 [图片] 当时宇航员在月球上安装了激光反射器，在登月的10 天后，地面天文台就收到了反射器的反射信号。这个信号每个国家都可以发，通过测量信号的返回时间，就可以测量地球和月亮之间的距离，这是可以重复验证的。 [图片] 包括美国轨道探测器在09年拍摄到登月的残骸，日本的探测器，中国的嫦娥号拍摄的局部地形，也能匹配上阿波罗登月时拍摄的地貌特征。 [图片] 包括央视也是报道了的，嫦娥拍到了阿波罗11 号登月的痕迹，这是不同时代的交叉验证。 [图片] 还有一个非常重要的点，飞船在飞行的时候，全球的天文台是可以接收到遥测信号的，这些信号包括飞船轨道参数、语音通讯等等。 由于飞船跟地球的位置在不停发生变化，所以信号要有延迟，这个延迟必须要精准地对应地月距离，信号频率的变化也必须匹配多普勒效应，这些都要严格遵守天体物理的方程。 当时最不希望看到美国登月的是苏联，他们有很强的监测能力，但是，他们的官方媒体《真理报》也公开报道了美国登月的事，苏联的手段当然要比民间阴谋论的信奉者要多很多啊。 [图片] 而且那次登月是全球直播的，有大约 6 亿人同时观看了那场直播。 很多网友低估了造假的难度，造假不比登月简单。你要伪造登月，你要同时骗过全球不同国家的天文台，要骗过苏联的雷达和无线电监测，还要制造假的月球样本，要让几十万名工程师、各种合作的承包商和企业、合作的大学和科研机构、几十年不泄密。 科学家群体，有很多像费曼和泡利这种性格的人，他们不找茬才怪了。而且当时的棚拍，没有合成技术，要模拟真空和六分之一重力，月球岩石的材料，宇航员运动的细节都要符合物理规律，并且要让所有拍摄成员保密，难度极高。 [图片] 这些作假影像就算骗过了当时的人，几十年过去了，也很难骗过现在的科学家们。 一个谎言是需要无数个谎言来掩盖的，而且参与的人越多，漏洞越多，要指挥他们去协作撒一个弥天大谎，还要保密几十年，比登月的可能性还低。 那我们普通人在遇到自己没有亲历过的事情，该怎么判断呢？其实只要涉及到跟科学相关的事件，最保险的方式，就是相信科学共同体。 说“相信”，听起来好像有点无脑盲从的意思，说“我不信”，就会显得更聪明，更有独立思考的能力。但是，有独立思考能力的前提，是要有能力非常客观地评估自己的认知水平。 很多人会严重高估自己对科学的认知和直觉。 杨振宁说，真正的进步其实是优化自己的直觉。爱因斯坦的直觉是时间会弯曲，海森堡的直觉是量子的不确定性，我相信他们的直觉跟绝大部分人都不一样，但他们才是更接近客观事实的。 我们的直觉可能用来指导我们自己的个人生活是够的，但在大自然面前是非常浅薄的，直到现在还有很多人认为地球是平的。 在绝大部分情况下，我们非专业的人，是没有足够的信息量、知识储备和专业训练的，不具备任何能力，能够提出挑战现有科学结论的个人观点，所有错误的科学观点都是被科学家自己给推翻的，因为他们有研究经费，有学术环境，有常年的训练，有实验条件。 所以，我们不被自己的本能直觉或者立场带偏，而是承认自己在这方面认知不足的，恰恰是头脑清醒的表现，恰恰是克制了自己动物本能的表现，这种动物本能就是人类有一种倾向，要让所有难以理解的现象都强行匹配自己脑中的因果逻辑，即便这个逻辑是经不起考验的。 那么科学共同体到底是什么呢？ 它不是某个组织，而是一群遵循相同规则的人，这些规则就包括：第一，实验要能重复，如果别人不能重复验证，就不能算什么科学结论；第二，数据要能公开，别人要拿这个数据做独立检验；第三，研究要经得住同行评议。 它的权威不是因为科学家不会出错，而是一旦有人犯错，就会有别的科学家去验证，去纠错，这些科学人员来自不同的文化、不同的种族、不同的利益群体，让真理不依赖于个人，而是集体演化的结果，这是一个能自我修正的纠错机制。 我们外行人，就可以看看不同科研机构、不同的主流期刊、不同国家的科研人员，是否达成了高度一致的结论，如果达成了，那我们跟着他们的观点走就行了，但如果明天发现了某个新证据来推翻今天的观点， 比如拿出了新证据来揭露登月造假，而且这个证据非常确凿，经得起物理规律的检验，那咱们就不要成为过往观点的奴隶了，立马更新认知，马上切换想法。 科学就是一个不停打脸的过程。 ***广而告之 一、我的书《迷你物理学》上架中～这是我出版的第一本书，前不久中科院物理所推荐了这本书哟！ 上册写了 100 个常见的物理知识点，下册记录了我感兴趣的物理哲学和科学的思维方式。微信、京东、抖音、淘宝等平台均有销售 二、我的电影音频专栏《那些电影里的治愈时刻》上架了！（有订阅读者社群） 选取了 12 部曾经治愈过我的电影，结合我的个体经验，探讨电影里的情感母题，希望大家能在焦虑的环境中，找到平静和温暖。👇 三、我的连载前沿科技·科学专栏《静止的量子》已更新两年，未来会继续更新，我会陪伴大家一起探索世界的美妙。（有订阅读者社群） 我的微信：xiubing234 （欢迎跟我分享有价值的东西）

在今年七月的时候，天文学家发现了一颗从太阳系外飞来的彗星，它的名字叫做3I/ATLAS，这是科学家发现的第三颗星际天体。 为什么会把它判定为太阳系以外的访客呢？ 其实最开始它看起来跟一颗普通的彗星没有差别，但后来科学家发现它的运行轨道并不是一个闭合的椭圆形，而是一个张开的双曲线。 [图片] 这就很奇怪了，因为但凡是在太阳系内部诞生的天体，绝大部分是绕着太阳转圈的，因为它们一方面会受到太阳引力的作用，这股引力提供了向心力，使得天体始终被太阳牵着。 另一方面，这些天体自身又有运动速度，这种运动的惯性会让它们想要保持直线运动，想要飞出去，所以会产生离心的趋势，这两股趋势相互作用，就会让天体最终形成一个闭合的椭圆形或者近似圆形的运行轨道。 [图片] 如果太阳系的任何物体想要挣脱这个椭圆轨道，飞出太阳系，该怎么办呢？ 那就是增加运动速度，让速度快到太阳都拉不住的程度。在地球的轨道上，只要你的速度相对于太阳达到 42.1 千米每秒，你就能逃离太阳系了。 [图片] 太阳系内部没有任何自然机制能让一颗彗星加速到这个能量水平，而 3I/ATLAS 的速度高达 60公里每秒，远远超过了它那个位置的逃逸速度。 所以，这个速度根本不是从太阳系里获得的，太阳也无法束缚它，它最终会离去。大概在 2026 年年初的时候，它基本会脱离我们的观测范围。 有哈佛的教授说这颗彗星不排除是外星科技探测器的可能，但从现在的证据来看，这种说法的可能性非常非常低，因为这颗彗星上有什么样的物质，是可以大致分析出来的，至今没有发现任何外星文明的痕迹。 那星际彗星距离咱们这么遥远，科学家是怎么知道它上面的成分的呢？我们又没办法去挖一勺来化验。 这里有一个很重要的方法就是分析光谱。当彗星靠近太阳时，它身上的冰开始气化，同时会释放出气体和尘埃，这些气体在阳光照射下会吸收和反射特定波长的光，科学家用望远镜捕捉这些光，然后通过光谱仪来进行分析。 [图片] 如何分析呢？ 每一种化学元素都有独一无二的光谱指纹，就像超市的商品条码，扫一下就能知道是什么商品，天文学家扫一下天体的，就能知道它由什么化学元素组成。 这是因为原子里的电子在吸收或释放能量的时候，会吸收或释放特定能量的光，这个能量严格对应着光的波长。 比如钠原子在受到阳光当中高能量的部分激发后，会自己释放出橙黄色的光，波长大概是 589 纳米，于是在光谱中的这个位置就会出现对应的亮线。 [图片] 而有些元素会吸收阳光中的某些特定波长的光，于是就会在光谱里对应的位置留下暗线。通过这些明暗线就可以识别它们的身份。 [图片] 科学家手里有很大的一个数据库，记录了人类发现的大量物质对应的光谱特征，就像看验血化验单那样，可以读出它的化学成分。 在 3I/ATLAS的光谱里确实发现了一些反常的特征，比如发现了镍元素的发射线，按理来说，镍是金属，通常需要很高的温度才能汽化。另外，这颗彗星上的二氧化碳的含量也非常高，和水的比例超过了任何太阳系的彗星。这些都说明它诞生在一个化学环境完全不同的母恒星系统里。 但即便如此，也没有发现任何外星人的证据。 其实这已经不是第一次发现外星访客了，在 2017 年第一次看到奥陌陌，2019 年发现2I/Borisov（波里索夫）,再加上这一次的3I,它们被称为奥陌陌三兄弟。 [图片] [图片] 为什么 2017 年才发现第一个外星物体呢？其实星际天体一直都在穿越太阳系，只不过以前没有能力发现它们，这些外星的访客体积比较小，而且非常暗淡，它们没有自发光，只反射太阳光，这些光太微弱了，以至于早期的望远镜很难捕捉。 而且它们的速度很快，能被看见的时间窗口非常短，就像一颗划过夜空的流星——你反应慢一点，它就消失在地平线之外。 发现奥陌陌的全景巡天望远镜系统Pan-Starrs在 2010 年才开始运行，也是经过了长时间的数据积累和软件优化，直到 2017 年才发现了奥陌陌。 [图片] 奥陌陌三兄弟其实也在提醒我们，外面的世界是真实存在的，太阳系不是中心，我们生活的这片土地，只是银河的一个小角落。 这样想来，宇宙辽阔得让人谦卑，但又给人一种很安心的感觉，这种安心就在于，我们的存在虽然渺小，但我们的痛苦和焦虑也是很微不足道的呀，即便我们像尘埃一样，仍然会对无边的黑暗充满着好奇，这其实就是一种生命力呀。 ***广而告之 一、我的书《迷你物理学》上架中～这是我出版的第一本书，前不久中科院物理所推荐了这本书哟！ 上册写了 100 个常见的物理知识点，下册记录了我感兴趣的物理哲学和科学的思维方式。微信、京东、抖音、淘宝等平台均有销售 二、我的电影音频专栏《那些电影里的治愈时刻》上架了！（有订阅读者社群） 选取了 12 部曾经治愈过我的电影，结合我的个体经验，探讨电影里的情感母题，希望大家能在焦虑的环境中，找到平静和温暖。👇 三、我的连载前沿科技·科学专栏《静止的量子》已更新两年，未来会继续更新，我会陪伴大家一起探索世界的美妙。（有订阅读者社群） [图片] 我的微信：xiubing234 （欢迎跟我分享有价值的东西） [图片]

作为一个有科学信仰的人，我主观上是很希望平行宇宙真的存在的。很多人以为“平行宇宙”是科幻，但其实，它也是一个严肃的科学命题，只不过科学的探讨方式，跟科幻有很大的差异，它不是一个幻想的投射，而是需要有严格的推理和数学计算的。 在物理学中，有几个理论都涉及到平行宇宙的可能：量子力学、暴涨宇宙学、弦论。我今天就从量子力学的角度，带你感受一下平行宇宙是怎么一步步被推导出来的。 首先啊，微观世界有几个非常反直觉的特征，第一个，就是叠加态。 在我们的直觉里，世界是明确的。一枚硬币要么正面朝上，要么反面朝上；一只猫要么活着，要么死了。世界看起来是“非此即彼”的。 [图片] 但在微观世界里，这条规则是失效的。一束光，可以既是粒子，又是波。一个电子，可以既在左边，同时也在右边；这种“既这样、同时又那样”的状态，叫作叠加态。 科学家为了描述这种“多种可能性同时存在”的奇怪状态，引入了一个数学工具，叫作波函数。 波函数是一个用来描述“所有可能性”的函数。它不会告诉你此刻电子在哪里，而是告诉你电子在每个地方出现的概率有多大。 [图片] 你可以把它想象成一张“热力图”：越亮的地方，电子越有可能出现；越暗的地方，电子几乎不会出现。而且波函数本身还会随着时间的变化而变化。 [图片] 那这种“叠加态”能不能在实验中观察到呢？有一个非常著名的实验，叫作双缝干涉实验。 科学家让电子穿过两条细缝，观察它在后方屏幕上形成的图案。如果电子像小球一样，那它要不穿过左边那条缝，要么穿过右边那条缝，在屏幕上应该只会出现两条亮带，对吧？ [图片] 但实验结果是屏幕上出现了一条条明暗相间的干涉条纹，就像水波相互叠加后的波纹一样，这说明电子在穿越时，像波一样同时通过了左缝和右缝，它的状态是一种左缝+右缝的叠加 [图片] 数学上，它的状态可以写成这样： ∣ψ⟩=α∣左⟩+β∣右⟩ [图片] 但奇怪的是，当科学家在缝口处放上探测器，想看电子到底走哪条道时，干涉条纹立刻消失了，屏幕上只剩下两条亮带，此时，电子好像做出了明确的选择，只留下“左”或“右”其中一个结果。 [图片] 为什么“看一眼”就能改变现实？在我们的日常经验里，测量只是记录数据，不会影响观测对象。就像你量身高，身高尺也不会影响你什么。 但在量子的世界里，测量本身就是一种相互作用。探测器想要观察电子，那么它得要发射光子去“感应”对方，这些光子一旦碰到电子，电子的状态就会被改变。 反过来呢，电子的状态也会直接影响仪器的显示结果，这就意味着，电子和观测仪器之间都不再独立了，而是变成了一个相互作用的整体。 用数学的方式写出来是这样的： 测量前：(α∣左⟩+β∣右⟩)⊗∣待机⟩ 测量后：α∣左⟩∣仪器:左⟩+β∣右⟩∣仪器:右⟩ 它表明呢，电子的每一种可能都对应着仪器的某一种状态，如果电子出现在左边，仪器会显示左，电子出现在右边，仪器会显示右。那么，电子和仪器结成了联盟，任何一方感到变化，都会反应到另一方，这就体现了量子世界里的第二个特征纠缠态。 电子不再是独立的，它的左和右不再只是电子单方面的属性，而成为了整个电子+仪器的属性。换句话说，测量并没有消除叠加，它只是把叠加的范围，从一个粒子，扩大到了整个系统。 除了电子和探测器，环境中的一切都会被卷入进来，你以为你在观察电子，其实你也成了它的一部分，包括你的眼睛，你整个人，甚至你所处的房间，都被卷进了这个相互作用的系统，你们变成了一个巨大的叠加体，开始共享同一个波函数。 于是整个系统的数学表达变成了这样： ∣Ψ总⟩=α∣左⟩∣探测器:左⟩∣环境:左⟩+β∣右⟩∣探测器:右⟩∣环境:右⟩ 这串符号看起来很复杂，其实意思就是：电子、探测器、环境三者的状态，被“打包”成一个整体系统。 在这个系统中，出现了两个分支：一个分支里，电子走左边，探测器显示左，环境记录下“左”的结果； 另一个分支里，电子走右边，探测器显示右，环境记录下“右”的结果。 原本只是电子的波函数有“左”和“右”的叠加，但随着测量的进行，这种叠加被扩展到整个环境的层面，共同演化成了两个分支。 那为什么我们只看到一个结果呢？ 在这个问题上，科学家们就产生了很多分歧，最主流的认知是“坍缩”，意思是当你去测量的时候，电子原本的左和右的叠加态，瞬间坍缩成其中一个状态。在数学上，这意味着波函数从不确定性，瞬间坍缩成一个确定性的答案，另一半存在的可能性被彻底删除了。 于是就会出现一个巨大的逻辑悖论，因为在严格的数学定义上，波函数的演化应该是连续的、平滑的、它要满足信息守恒，不能出现另一半凭空消失的情况。 换句话说，波函数坍缩是没有办法从薛定谔方程推导出来，坍缩只是人们为了解释观测现象，临时加进去的补丁，它会让原本完整的信息被莫名地删除掉一部分，以至于信息在这里变得不再守恒。 所以有一些物理学家，比如艾弗雷特就认为坍缩的解释是人为硬造出来的假设，是很不自然的。于是，他在1957年提出了多重宇宙的假设，这种假设可以让波函数继续按照它的自身规律演化下去，只是会不断地分裂出不同的世界。 [图片] 那如果平行宇宙存在，它又是怎么解释我们只能看到一个结果的呢？ 答案是：退相干。这也是量子力学中一个非常重要的机制。 在量子世界，所有波都有自己的“节奏”，这个波动的节奏叫相位。只要两个波函数的相位稳定，这些波之间就能互相干涉。就像双缝干涉实验里，当两个波的波峰对着波峰，波谷对着波谷的地方，亮度就会被叠加得变强，当相位相反的时候，也就是波峰对着波谷的地方，亮度会被抵消或者变得更弱。明暗相间的干涉条纹就是这么来的。[图片] 这些条纹就说明电子在“走左边”的可能性，和“走右边”的可能性之间，保持着某种关联，也就是说，这个叠加态的两个分支，并不是彼此独立存在的，而是保持着相干性。 但在宏观世界，情况就完全不同了。一个粒子会不停地和周围环境相互作用：被空气分子撞击、被光子照射、和无数原子交换能量。每一次这样的相互作用，都会轻微地扰乱它的相位，让原本整齐的节奏被一点点打乱。 当相位完全被打乱时，干涉就会消失了。 不同的叠加态之间，变得完全独立，互不通信。这就是退相干。 你可以把退相干想象成这样一个场景： 你在一个空旷的大厅里打鼓，每一次鼓声都会在墙壁上回响，这个回想跟自己的鼓声产生了节奏上的共鸣——这就是相干。[图片] 可如果大厅里突然人声鼎沸、有很多噪音，你的鼓声虽然仍然存在，但回声被无数杂音打散，你再也听不到自己的节奏，这就是退相干。 退相干并不意味着波函数“消失”了，它依然在演化，只是失去了与其他分支“干涉”的能力。从那一刻起，每一种可能性都像被隔绝了，各自延续自己的时间线，互不通信。 从宏观角度看，仿佛波函数坍缩了；但从宇宙整体来看，波函数只是平滑地分裂成了无数互不相干的宇宙分支。我们恰好身处其中一个分支，所以我们看到的世界，是“唯一”的，而其他所有可能的世界，都在各自的相位里继续存在。这就是平行宇宙。 相比起坍缩的理论，平行宇宙的合理性在于，波函数始终是平滑演化的，它没有被神秘的坍缩给终止，退相干的机制也确实会让分支彼此独立。它让宇宙的演化保持完美的连续性，让信息不被删除，也让“所有可能性”都延续下去。 当然，我们几乎不可能证明平行宇宙的存在，但这不妨碍它成为一个极其严肃的科学推理。科学的意义，不在于你是否相信，而在于刨根问底。它不需要让你相信平行宇宙是真的，而是邀请你一起来思考：我们所看到的现实，真的就是全部吗？科学还存在哪些尚未解决的漏洞呢？ 从我个人的主观角度，我也希望平行宇宙是真的，那这样我们在现实中错失掉的选择，可能会在另一个宇宙中实现，这种假设，本身也是充满乐趣的。 ***广而告之 一、我的书《迷你物理学》上架中～这是我出版的第一本书，前不久中科院物理所推荐了这本书哟！ 上册写了 100 个常见的物理知识点，下册记录了我感兴趣的物理哲学和科学的思维方式。微信、京东、抖音、淘宝等平台均有销售 二、我的连载前沿科技·科学专栏《静止的量子》已更新两年，未来会继续更新，我会陪伴大家一起探索世界的美妙。（有订阅读者社群） [图片] 我的微信：xiubing234 （欢迎跟我分享有价值的东西） [图片]

我最近感受到的一个最为震撼的思想，就是来自于杨振宁的杨米尔斯方程，很多人会疑问杨米尔斯方程是什么？它和我们普通人有什么关系，有落地的应用吗？ 杨振宁说，他一生中最重要的研究不是得诺贝尔奖的宇称不守恒，而是杨米尔斯方程。 [图片] 这个方程的概念极其抽象，而且有很多对大众来说非常生僻的数学计算，所以我尽量简单的语言讲明白它的内在含义。 首先，这个方程是怎么来的呢？ 杨米尔斯方程的源头，来自于杨振宁对美学的极致追求，他在很多场合都讲过，在物理学中，美不是装饰品，而是指引真理的方向。包括他最欣赏的物理学家狄拉克也讲过上帝创造世界时，用的是美丽的数学。 [图片] 那他们口中的美到底是什么呢？答案是两个关键词：统一性和对称性。 统一性很好理解，历史上最伟大的物理学家，其实都是搞理论统一的：比如牛顿把天上的力和地上的力统一成“万有引力”；麦克斯韦把电、磁、光统一成“电磁波”；爱因斯坦：把空间和时间统一成“时空”。 [图片] 他们都相信一件事：宇宙之所以能被理解，是因为它内部有统一的语法。 杨振宁也在追求这种语法。他希望能找到一种统一的方式，去描述自然界中那些看似不同，却隐隐约约相通的力量。 那从哪里入手呢？杨振宁想到宇宙的另一个审美偏好，对称性。他假设宇宙是充满对称之美的，很多的物理规律是在对称结构下衍生出来的。 那什么是对称性呢？我在之前的内容里有详细讲过，对称性的核心是“不变”，意思是：物理规律在某种变化下，依然保持不变的特性。 比如，你今天做实验和明天做实验，物理规律都是一样的，不会因为你做实验的时间变化了，物理规律就发生任何变化，这就是时间平移对称性。 无论你在地球上做实验，还是月球上做实验，物理规则也是一样的，不会因为你做实验的空间变化了，物理规律就发生任何变化，这就是空间平移对称性。 你在做实验的时候旋转实验装置，物理规律不会因为你做实验的方向变了，就发生任何变化，这就叫旋转对称性。 对称性，还分为全局对称性，和局域对称性，全局对称性很好理解，就是让系统中的每个部分都一起变化，就像你有一张地图，你把整张地图的位置都往某个方向平移一点点，这张地图的样式和信息都会保持原样，不会发生任何变化，这就是全局对称性。 [图片] 在数学上，全局对称性通常指的是系统中的某个物理量发生变化，但整个系统的物理规律保持不变。这种变化是全局一致的，每个点都要同时执行这样的操作。 我举个例子，在量子力学里，每个粒子的状态都是由波函数描述的： [图片] 波函数里有一个参数叫作相位α，相位是什么意思呢？在量子力学里，每个粒子都像一段波，既然是波就有波峰和波谷，而且它的波动还会随时间变化，这种变化的节奏，可以理解为相位。 [图片] 如果让这个波函数的相位，在时空中的所有点上都增加同样的旋转角度，物理规律是不发生任何变化，就像世界上每个人如果都把自己的手表调快一分钟，那么完全不会影响社会的秩序，大家仍然按照原来的社会规律运行。这就是波函数具有全局对称性的表现。 [图片] 有一个科学家叫作外尔，他在这里就提出了一个非常深刻的问题，他想啊，如果这种变化不是全局性的，而是局域性的呢？就是我们允许整个系统的波函数在每个时空点的相位可以单独变化，又会发生什么呢？ [图片] [图片] 这时，就会出现问题，物理方程会变得不自洽，波函数的导数会出现额外的变化，就好像方程里出现了多余的噪音，它破坏了方程的对称性。 [图片] 外尔立马意识到，局域的相位变化会破坏方程的一致性，但他又认为宇宙的结构是精妙的，是对称的，不可能因为局部的变化，就让物理规律整个崩坏吧，所以出于这个直觉，他要想办法恢复这个方程的对称性。 怎么恢复呢？外尔提出了一种解决方案：引入了一个“补偿项”来抵消相位变化带来的噪音。 这个补偿项就叫作规范场，更为惊人的是，这个规范场恰巧就是电磁学当中的电磁势Aμ，当它被引入的时候，外尔就发现电磁势的变化恰好抵消掉了由于局部相位变化带来的额外项。 [图片] 这样一来，方程重新恢复了对称性，并且在局部相位变化下仍然能够自洽。 [图片] 就好像一个合唱团，如果你唱你的，他唱他的，大家就不在一个节奏上，这时候必须要引入一个指挥家，才能让大家唱的歌保持一致。这个规范场就像指挥家一样，是一个巨大的协调机制。 [图片] 而且啊，电磁势的变化形成了电磁场，电磁场和带电粒子的相互作用，就是我们熟悉的电磁力。 所以，外尔的这一发现，带来了一个非常震撼的洞见：电磁力的本质其实是宇宙为了保持局域对称性的一个必然结果。 于是，杨振宁从这获得了重大的启发，他想啊，如果电磁力来自于宇宙的对称性，那自然界中其他力， 会不会也来自于对称性呢？ 上面的电磁规范理论是基于一个单一的相位变化，也叫做U(1)对称性，意思是每个点的变化只有相位这一个参数。 杨振宁和米尔斯的灵感是：如果我们让这个变化的空间更大一些呢，不再是一个维度的旋转，而是更复杂的多维操作，这样会不会推导出别的力呢？ 他的直觉是对的！ 当粒子发生更复杂的局域变化时，方程确实再一次被破坏了，为了保持方程的对称性，他们需要再次引入补偿机制，也就是更复杂的规范场。 这个规范场不再是单一的电磁势，而是由多个不同的规范场组合而成的，这些规范场之间还会相互作用。 在这个思想下，杨振宁和米尔斯设计出了一个数学框架，就叫杨米尔斯方程： [图片] 这个方程描述了对称性、规范场和力之间是一种什么样的关系，也就是说有什么样的对称性，就会匹配什么形式的作用力。 它建立了一套描述力是如何诞生的框架，但具体是什么样的对称性，诞生出了什么样的力，这个就交给了后面的物理学家。果然，后来的物理学家在这个框架下发现了强力和弱力的诞生机制： 单一的相位变化，也叫作U(1) 对称性，诞生电磁力。 后来发现，三个参数的变化，也叫作SU(2) 对称性，和U(1) 对称性的共同作用，诞生了弱力。 八个参数的变化，也叫作SU(3) 对称性，诞生了强力。 [图片] 粒子物理的标准模型就被构建了起来，标准模型就是描述粒子运动和它们相互作用的模型，是我们理解宇宙如何构成的理论基础。没有杨米尔斯的框架，就没有标准模型。 [图片] 那么杨振宁的工作跟我们普通人有什么关系呢？由于杨米尔斯方程为标准模型提供了基础，它间接影响了很多领域的应用。 比如放射性医疗，像放疗、PET 扫描，都会涉及到电磁力和弱力的物理过程。 [图片] 又比如核能、核电站会涉及到强相互作用和弱相互作用。 大型对撞机直接验证了标准模型，推动了基础科学的进步。 像一些新的科技领域，包括拓扑绝缘体和超导体等一些新的材料，都离不开规范场和对称性的思想。 [图片] 科学家的工作，从来都不是孤立的。一项伟大的发现，往往是许多代人接力的结果。我数了一下，在杨米尔斯理论的基础上获得诺贝尔物理学家的科学家至少有 10 个，而杨振宁和米尔斯也是受到前人的启发。 当你理解了杨米尔斯方程以后，你就能理解我们自然界中的力，是宇宙为了维持对称性而产生的结果，宇宙内部有一种非常深刻的秩序和精妙的结构，它在数学上太美了，以至于它不得不这样存在。美就是灯塔。 ***广而告之 一、我的书《迷你物理学》上架中～这是我出版的第一本书，前不久中科院物理所推荐了这本书哟！ 上册写了 100 个常见的物理知识点，下册记录了我感兴趣的物理哲学和科学的思维方式。微信、京东、抖音、淘宝等平台均有销售 二、我的连载前沿科技·科学专栏《静止的量子》已更新两年，未来会继续更新，我会陪伴大家一起探索世界的美妙。（有订阅读者社群） [图片] 我的微信：xiubing234 （欢迎跟我分享有价值的东西）

像量子纠缠这种颠覆直觉的现象，是怎么在现实的实验中被发现的呢？ 在这里，我讲一下如何做量子纠缠的实验，当你了解了整个实验过程，就能明白量子纠缠不是什么玄幻，而是严谨的科学现实。 第一步，制备纠缠的光子。 怎么制作呢？ 科学家会用一束高能激光照射一种晶体，激光是电磁波，它带有电场，它的电场会强烈地拉扯晶体里的电子，让电子发生振动，这种振动会让一部分高能量的激光光子分裂为两颗低能量的光子，这两颗光子是从一个母体中生出来的，就像是一对双胞胎，所以它们要同时满足能量守恒、动量守恒和角动量守恒。 [Image] 也就是说，它们的总能量、总动量、总角动量这些物理量，加起来都要跟原来的一样，那么这两个小的光子就应该是完美互补的。 那具体是怎么互补的呢？我可以举个例子。 光在传播的时候是携带着电场的，电场的振动方向叫作偏振，如果电场总是沿直线振动，这就是线偏振，线偏振其实可以理解为是两种旋转状态的叠加，一个在顺时针旋转，一个在逆时针旋转，这两种状态叠加起来净旋转为 0，看起来就像是在直线运动。 [Image] [Image] 当原来的大光子分裂成两个小光子时，如果我们测量它们的偏振方向，就会发现：如果一个是顺时针旋转，另一个必然是逆时针旋转，它们的旋转必须完美互补，净旋转也要为0，才能保证角动量守恒。 但最关键的地方是，在测量之前，我们没有办法分辨，到底是哪一个光子是顺时针旋转的，哪一个是逆时针的，并不是因为测量技术有限，而是这一对光子处于整体纠缠的叠加态，它们既在顺时针旋转又在逆时针旋转。 第二步：把纠缠的光子分开。 光子诞生以后，就不会再停下来，而是会往不同的角度飞，它们的飞行方向也是互补的，如果一个往右飞，另一个就会往左飞，看起来就像两条对称的光带，光带上承载着无数对纠缠的光子。 科学家会计算好光子的飞行路径，然后在对称的光路上，分别放置探测器来进行探测。 如果是特别远的距离，比如中国的“墨子号”卫星做过这个实验，它把距离扩大到了1200公里。 卫星先在太空中生成纠缠光子对，然后用两个独立的光路把它们分别发射给地球上两个城市的接收站：一个光子飞往丽江，另一个飞往德令哈。 [Image] 每个光子都沿着预设的轨迹在空中飞行，这样它们虽然飞了很遥远的距离，仍然被准确地接收到。 第三步：对光子分别进行测量。 探测器开始接受光子信号，并且对纠缠的光子进行测量。你可能会想：两地相隔上千公里，科学家怎么知道两边探测到的是同一对光子？答案是靠时间同步。 每一对纠缠光子从诞生的那一刻起，它们的飞行路径和速度都是可计算的。科学家可以精确预测光子到达探测器的时间，时间精度高到纳秒，甚至皮秒级别，然后再通过电脑的比对，就能准确地匹配出真正纠缠的光子。 除了匹配光子，还要对它们进行测量。科学家会在探测器前面放一块可以旋转的偏振片，偏振片有点像一扇百叶窗，只允许特定方向振动的光通过。 如果光子的偏振方向恰好对齐，它就能穿过；如果倾斜 45 度，通过率变成 50%，倾斜 90 度，通过率变成 0。 [Image] 测量的过程，其实就是让光子的偏振方向，从叠加的状态，坍缩成一个确定的结果。 两地的科学家会分别随机地、不停地切换偏振片的角度，去观察这两颗光子的测量结果，看看在不同的角度下，它们还能不能保持某种关联。 第四步：比对光子的关联度。 怎么判断光子之间有纠缠般的关联呢？ 单独看每一个光子，它的结果都是随机的，就像一次次投硬币，有时通过，有时被挡，毫无规律。 但当你把成千上万对光子的结果叠加起来比对时，就会发现一个惊人的统计规律：这两边的随机性居然有强烈的关联。 如果一边的光子选择“通过”，另一边的光子也会给出对应的结果，这种关联随着测量角度的变化，呈现出一种精确的数学曲线，而且它们不仅有关联，关联程度还超过了经典物理所允许的上限，也就是贝尔不等式给出的上限。 贝尔不等式是我上期详细讲过的内容，它的意思是说，如果这两个粒子的关联是靠事先约定好的规则，或者什么隐藏的信息在维系，那么在如此严苛的随机测验下，它们的关联强度不会太高，贝尔不等式给的这个关联数值的上限是 2。 [Image] 但实际的结果明显高于这个上限，甚至可以达到 2.7 以上。这意味着，这两颗光子的关联，不是靠提前预设好的规则和因果，而是真正意义上的、非局域的纠缠关系，哪怕相隔上千公里，它们仍像同一个整体的两端，共享着同一个量子态。 这就是量子纠缠的实验过程。 在 2017 年，中国“墨子号”的实验，实现了迄今为止最远距离的量子纠缠的实验，横跨 1200 公里。 你看，只要你了解了它的底层逻辑，量子纠缠就不再是玄学，而是非常有趣的科学实验。 ***广而告之 一、我的书《迷你物理学》上架中～这是我出版的第一本书，前不久中科院物理所推荐了这本书哟！ 上册写了 100 个常见的物理知识点，下册记录了我感兴趣的物理哲学和科学的思维方式。微信、京东、抖音、淘宝等平台均有销售 二、我的连载前沿科技·科学专栏《静止的量子》已更新两年，未来会继续更新，我会陪伴大家一起探索世界的美妙。（有订阅读者社群） [图片] 我的微信：xiubing234 （欢迎跟我分享有价值的东西） [图片]

爱因斯坦有一个贯穿一生的信仰，他认为世界是理性的，凡事皆有因果，每一个现象的背后都有确定的原因，没有什么事情是无缘无故发生的。 但是量子力学踩碎了他的信仰。 在量子世界里，一个粒子可以同时处在多个位置，既在这里同时也在那里，这是叠加态；你无法同时知道一个粒子的位置和速度，这是不确定性；量子力学不会告诉你“未来会发生什么”，而是告诉你“每种结果发生的概率是多少”，自然界的底层运作方式从确定的因果，变成了统计的概率。 更让人难以接受的是： 测量本身会改变现实，你的测量方式影响了测量结果。 对爱因斯坦来说，这些都太荒谬了。 他拒绝接受一个靠概率运作的宇宙，所以说出了那句名言：上帝不掷骰子。 [图片] 他坚信，量子的不确定性只是表象，一定存在某些隐变量决定了结果，这些隐变量是我们还没有找到的真理。 为了反驳量子力学，他和两位同事提出了著名的 EPR 佯谬，也就是用量子纠缠的逻辑悖论来抨击量子力学。 他假设有两个粒子A 和 B，它们在同一个地方生成后，立刻飞向两个相反的方向，如果量子纠缠成立的话，这两个粒子会形成一种纠缠关系，测量其中一个粒子的状态，就能瞬间知道另一个粒子的状态，无论它们的距离再遥远，这种瞬间的关联都是存在的。 [图片] 爱因斯坦说，这绝对不可能，唯一的解释只能是它们在分开的时候，就已经确定好了结果。 就像一对手套，你把它们装进盒子里，然后分隔到很远的地方，只要你打开其中一个发现是左手套，就能立马知道另一个是右手套。因为它们在分开之前，答案就是确定的，打开盒子只是揭晓一个早已确定的答案。 [图片] 但量子力学的描述不是这样的，它认为这两只手套在打开之前都是叠加态的，它们既是左手套同时又是右手套，只有在打开的那一刹那，才坍缩成某一个确定状态。 在 1964 年，有一个叫贝尔的科学家为了验证爱因斯坦的哲学是否是对的，他提出了著名的“贝尔不等式”，他认为可以用实验来证明量子纠缠中的“隐变量”是否存在。 [图片] 那这个贝尔不等式，到底是什么东西呢？ 你想象一下，现在你和你朋友被关在两个房间，没有办法通信，这时候有一个考官要问你们问题，看你们的答案是否一致。但是你们为了假装你们之间是有心灵感应的，所以在事先串通好了，商定了一套应对问题的策略。 [图片] 但不管你们多么聪明，你们的应对策略是固定的，这些策略不可能应付所有的问题，迟早会露馅的，在这种情况下，你们的答案一定会出现不合拍的概率。 你想啊，如果你们两个真的有量子纠缠般的心灵感应，无论有多少问题，你们的答案一致的概率应该是 100%，压根不用事前商量，也不会露馅。 但如果你们的默契是假装的，是事先商量好的，那你们不可能做到 100% 同步。 所以，这个考官的问题设计非常关键，它的设计目的就是要让你们露馅。 比如我可以这么设计考题： 考官会每一轮随机问你们一个问题，问题只有两种类型。你这边会被问到A 类问题和A+ 类问题，而你朋友会被问到 B 类问题和 B+类问题。每次问完，你们都只能回答是或否。 [图片] 那么考官一共可以组合出四组问法： 第一组：考官问你 A 类问题，问你朋友 B 类问题。 第二组：考官问你 A 类问题，问你朋友B+类问题。 第三组：考官问你A+ 类问题，问你朋友 B 类问题。 第四组：考官问你A+ 类问题，问你朋友 B+ 类问题。 要求是前三种问法，你们的答案必须相同，但最后一组答案必须要相反。 [图片] 那如果你们事前商量好应对策略，比如，当你被问到 A 类问题时，你回答“是”，问到A+ 类问题时回答“是”，当你朋友被问到 B 类问题时，他回答“是”，被问到B+类问题时回答“否”。 你们会发现，按照这个策略，在第一、第三、第四组问题，你们都能答对，但在第二组问题时就会露馅。无论你们换任何答题的策略，同样会遇到自相矛盾的地方，你可以试一下，在这个测验中，你们合拍的概率最高不会超过 75%。 [图片] 这就是贝尔不等式的逻辑，当你们合拍的概率小于等于 75% 时，就证明你们表现出来的默契只是串通好的。 [图片] 但是，当你们合拍的概率大于75%时，那就证明你俩的关系是超越理性逻辑的，除非你们有心灵感应或者别的超出常人经验的关系，不然没办法让这个合拍的概率超越极限值。 用同样的逻辑，贝尔设计了验证量子纠缠的方法。 现在有两个电子，它们是由同一个原子产生的，就像两个双胞胎，为了保证总角动量守恒，它们的自旋方向必须相反：如果一个电子自旋朝上，另一个就必定朝下。这是它们之间的关联方式。 接下来，让它们彼此相隔到很远的地方，然后开始测量这些粒子的自旋。 测量的时候随机改变测量角度，用很多对纠缠的粒子，反复测量很多次以后，来观察这些粒子的关联度。 贝尔不等式给它们的关联度计算出了一个数值： S=E(a,b)−E(a,b′)+E(a′,b)+E(a′,b′) |S| ≤2 如果这些粒子的关联程度≤ 2 时，就证明爱因斯坦的隐变量理论正确，世界依然是确定性的。 但实验表明，它们的关联度可以达到 2.7，远远高于 2，贝尔不等式被证明不成立，爱因斯坦是错的。 这说明它俩之间的关系是超越了常规因果逻辑的，量子确实是叠加态的，也是不确定性的，它们无论相隔多远，仍然是同一个整体，始终以某种方式保持关联。 贝尔不等式被打破的那一刻，不只是一个公式被推翻，而是一个世界观的崩塌，世界并不完全由因果关系决定的，而是概率与关系构成的整体。 一个哲学辩论，在物理实验室里有了答案，所以学好哲学的前提，是需要学好物理的。 下一期我会讲量子纠缠如何在相隔很远的距离实验成功的。 ***广而告之 一、我的书《迷你物理学》上架中～这是我出版的第一本书，前不久中科院物理所推荐了这本书哟！ 上册写了 100 个常见的物理知识点，下册记录了我感兴趣的物理哲学和科学的思维方式。微信、京东、抖音、淘宝等平台均有销售 二、我的连载前沿科技·科学专栏《静止的量子》已更新两年，未来会继续更新，我会陪伴大家一起探索世界的美妙。（有订阅读者社群） [图片] 我的微信：xiubing234 （欢迎跟我分享有价值的东西） [图片]

为什么星球是圆的，而星系却像盘子一样是扁的呢？而且人类没有飞出过太阳系，又是怎么知道银河系的形状呢？ 首先星球为什么大多是圆的，答案是引力。 当一个物体质量足够大的时候，引力就会占主导作用，它会克服物质内部的强度，把物体表面所有的凸起都往质量中心拉，最终形成一个球形，球形是引力势能最低、最稳定的形态。 [图片] 比如地球就是一个球形，但地球上还是会有凸起的山脉，这是因为在局部的尺度上，岩石是有硬度的，会对抗地心引力，而且板块碰撞会不断抬升新的山脉。即便这样，珠穆朗玛峰看似巨大，对比整个地球的大小，也只相当于一个篮球表面上不到0.2毫米的小凸点。 [图片] 那星系为什么又是扁的呢？因为另一个原因“角动量”。 在宇宙的早期，银河系还是一团巨大的气体云，这些气体云的质量分布是不均匀的，它们会向密度最大、引力最大的地方靠拢，这些粒子在移动的时候，运动方向和速度是不同的，它们彼此之间会有碰撞，以至于它们没办法笔直地朝中心靠拢，而是会产生路径的偏斜。它们既偏斜又同时往里坍缩，最终叠加成整体旋转的趋势，同时形成一个整体的角动量。 角动量是指物体绕某个点或某个轴旋转时的运动量，在没有外部干扰的情况下，角动量必须守恒。 [图片] 既然角动量守恒，引力又让气体云的体积越来越小，于是旋转速度就被不断放大，就像花样滑冰选手在收紧手臂时会转得越来越快。 随着旋转速度加快，引力和离心力开始形成博弈：在沿着旋转轴的方向，没有离心力，引力继续把物质压下去，于是厚度越来越薄。 而在垂直于旋转轴的方向，旋转产生了很大的离心力，离心力与引力相互抗衡，当它们达到平衡时，物质不再向中心坍缩，半径趋于稳定，就形成了这个形状。 那为什么是圆盘，而不是方盘或三角盘呢？ 因为引力是均匀的，对任何方向的拉力都一样，圆形又是最稳定的形状。就像大饼师傅甩面团，旋转让面团摊成薄薄的圆饼。 那为什么地球没有甩成圆盘呢？ 因为地球的自转速度不够快，赤道附近的离心力只占引力的0.3%，所以地球赤道是会鼓一些，但也不会变成盘子。 那人类是如何知道银河系是圆盘状呢？ 古人观察夜空的时候，发现空中有一条乳白色的光带，如果银河系是球体，星星应该四面八方均匀分布，而不是集中成一条银河带上。 18世纪，科学家用望远镜数不同方向的恒星，发现沿银河带方向的恒星极其密集，而垂直方向稀疏。这也让人怀疑银河系是扁平的。 [图片] 后面有了射电望远镜和红外观测，科学家通过探测气体云中氢原子释放的电磁波，来追踪气体云和恒星的分布，然后把不同方向的数据拼在一起，发现银河系是一个大螺旋盘。 [图片] 再后来，通过观测恒星的运动速率，发现这些恒星并不是在乱飞，而是在整体绕着同一个中心旋转，这个中心的位置对应着大型黑洞人马座A星，也就是银河系中心。 天文学家通过观察和理论计算，确定了银河系是棒旋星系。 [图片] 不过星系除了盘状，还可能是椭圆星系或者不规则星系，同样，当星球质量不够大时，也可能变成土豆形状或者不规则的形状。 所有的宇宙形状都不是偶然产生的，而是多个力量平衡下的结果。 ***广而告之 一、我的书《迷你物理学》上架中～这是我出版的第一本书，前不久中科院物理所推荐了这本书哟！ 上册写了 100 个常见的物理知识点，下册记录了我感兴趣的物理哲学和科学的思维方式。微信、京东、抖音、淘宝等平台均有销售 二、我的连载前沿科技·科学专栏《静止的量子》已更新两年，未来会继续更新，我会陪伴大家一起探索世界的美妙。（有订阅读者社群） [图片] 我的微信：xiubing234 （欢迎跟我分享有价值的东西） [图片]

我们都知道，宏观世界和微观世界遵循着两套完全不同的运转逻辑。很多在微观尺度下发生的现象，一旦放到宏观层面会显得格外地反常。 今年的诺贝尔物理学奖“量子隧穿与能量量子化”，就是把这种只能在微观世界中存在的现象，带到了宏观世界。 首先，什么是量子隧穿呢？ 在我们的日常直觉里，当一颗小球撞上一堵墙时，它会被挡住，或者被弹回来。但是在微观的世界里，粒子在碰到墙的时候，是可能会穿墙而过的哦。 [图片] 为什么呢？ 因为在微观世界里，粒子并不是一颗颗小球，而是一个概率波（波函数）。你没有办法确定它在某个时刻所处的位置，你只能计算它在某个时候出现在某个位置的概率，比如它可能在 A 点出现的概率是 30%，在 B点出现的概率是 10%，在c点出现的概率是 50%，而且这个概率还是随着时间波动的。 [图片] 当这团波在遇到一道势垒，也就是一堵墙或者一个能量障碍时，它不会像小球一样被挡住，而是会有一小部分波渗透进去，出现在另一侧，这就是量子隧穿。 [图片] 它并不是靠能量去“撞穿”这堵障碍，而是因为粒子的存在范围从来就不是局限在一个点上，它出现的概率在遇到墙的时候确实会衰减，但即便衰减到很弱了，仍然会有一些概率的尾巴出现在墙的另一侧，只要概率不为零，那粒子就有机会出现在墙的另一边。 这个现象在量子世界非常常见，但是在宏观世界里，这种穿墙术还从来没有被真正看到过。那如何把量子穿墙放大到宏观层面呢？ 科学家发现，超导体是一种神奇的材料。这类材料在超低温的条件下，电阻会降为零。 [图片] 在普通的金属里，电子穿行的时候会不停地被原子撞击，就像你在拥挤的人群中奔跑，不停被人撞到，电子的能量会被消耗，这就是电阻。 [图片] 但是超导体的温度很低，原子的热运动降到很低，电子不再被阻碍，更奇妙的是，电子会出现奇怪的行为，它们会成对结合，形成库珀对。 原本电子都带负电，本应该同性相斥，但一个电子经过时会轻微吸引金属里带正电的原子核，这种微弱的吸引会对后来的电子产生牵引，于是两个电子变得“间接吸引”，结成了一对。 [图片] 这些库珀对的运动是协同的。 在普通金属中，每个电子都有各自的运动状态，是杂乱的，但在超导体中，所有电子的波函数合并成了一个整体， 它们不再是独立的，而是拥有同一个节拍、同一个动作，整个系统变成了一个宏观量子态，所以，金属结构没有办法散射它们，电子的能量也不会被耗散，所以电阻为零。 这个时候，整个超导体的电子，就像一个庞大的“量子波”，于是，它也就具备了量子隧穿的可能。 [图片] 接下来，科学家要用它做实验了。 他们准备了两块超导体，然后在两块超导体中间放了一层极薄的绝缘层，这个绝缘层相当于一堵电子无法穿过的能量墙。 [图片] 此时，整个系统进入了量子相位耦合态。什么意思呢？ 既然左右两边都是庞大的量子波，既然是波，就有波峰和波谷，也有波动的节奏，这个节奏叫作相位。 [图片] 如果两个波，波峰与波峰对齐，波谷与波谷对齐，它们的相位差就是0，如果一个波的波峰对上了另一个的波谷，它们的相位就是彼此抵消的。 在这个实验装置里，左右两边泛起的电子海洋，节奏是不一样的，有明显的相位差，虽然中间的绝缘层看起来阻隔了彼此，但波是可以穿墙的，两边的相位开始相互感应，产生一种“要让节奏对齐”的趋势。 于是，一部分相位信息就会从一边流向另一边，两边建立了绑定的关系，这就是量子隧穿的结果，也叫做约瑟夫森效应。 不过，这个时候，两边的相位虽然达到了协调，但是进入了一种静态的稳定结构，我们没办法直接观测到它内部发生的变化，所以科学家要想办法让这种隧穿的现象放大，让我们肉眼可以看到。 于是，他们给这个系统施加了一点点电压，这个电压非常非常弱，它只是起到一个触发的作用，就像一个八音盒的发条，它让八音盒启动，但八音盒要发出什么声音，不关它的事。 在这个电压的触发下，系统的相位进入了高速运转的状态，原本两片电子海洋的节奏一致，现在其中一片的波开始略微加速，比如左边的波开始比右边的快半拍，于是，两边的波峰开始不断错位——对齐——再错位。这种持续的节奏差，就像一种能量的脉动，会形成电流，这种电流，被科学家探测到了。 这股电流并不是外部电源“供给”的，而是系统自己产生的，并且这个信号并不是恒定不变的，而是呈现周期性地振荡， 就像心脏一样跳动，这说明系统里的能量变化并非连续的，而是以离散的方式发生的，这就是能量量子化的表现。一种原本只属于微观世界的特征，现在在宏观尺度上也可以看到了。 [图片] 其实量子隧穿和能量量子化的理论早就存在的，而且物理学家约瑟夫森在 1962 年提出了：超导体之间隔着绝缘层，会出现量子隧穿的现象。 今年得奖的三位科学家约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷 和 约翰·M·马蒂尼斯用非常精妙的方法，在宏观层面上观测到了量子隧穿与能量量子化的振荡信号。这项研究其实量子计算机的硬件基础，证实了宏观电路也可以存在量子行为。 [图片] 我们普通人懂得这些知识，并不是要去真的研究，而是理解一个个世界运转的逻辑，这个过程是非常有趣的。 ***广而告之 一、我的书《迷你物理学》上架中～这是我出版的第一本书，前不久中科院物理所推荐了这本书哟！ 上册写了 100 个常见的物理知识点，下册记录了我感兴趣的物理哲学和科学的思维方式。微信、京东、抖音、淘宝等平台均有销售 二、我的连载前沿科技·科学专栏《静止的量子》已更新两年，未来会继续更新，我会陪伴大家一起探索世界的美妙。（有订阅读者社群） [图片] 我的微信：xiubing234 （欢迎跟我分享有价值的东西） [图片]

我们在学习物理的时候，并不只是在学习解题方案，而是在习得一套完整的世界观。比如牛顿力学，表面上我们是在学习万有引力和三大运动定律，但实际上是潜移默化地接受了牛顿看待世界的思维方式。 那牛顿的思维特征是什么呢？它又是如何深刻地影响我们呢？ [图片] 一、因果律 牛顿的第一个思维特征是因果律，他是第一个把因果关系写成数学公式的人。 在他之前，人类当然知道“有因才有果”，但都是定性的经验描述，缺乏精确计算。而在牛顿的世界里，因果关系不再是模糊的推理，而是一整套可以推演整个宇宙的数学体系。 比如牛顿第二定律F=ma，它的意思是：物体的加速度，与作用在它身上的外力成正比，与它的质量成反比。在这里，外力是因，加速度是果，连接这个因果关系的桥梁是公式F=ma。 [图片] 从此以后，因果律有了精确的“语法”，这个世界不仅能被解释，还能被计算。 那如果因果可以计算，是否意味着一切结果都能被预言？牛顿的答案是肯定的。 二、决定论 阿波罗 8 号的绕月宇航员威廉·安德斯在接受采访的时候，记者问他飞船是如何操控的，他幽默地回答说：大部分时间都是牛顿在负责驾驶。 他说得没错，火箭的推力计算，宇宙飞行所需的速度、轨迹、返回的角度，全都可以在牛顿的力学体系里推算出来。 [图片] 人们发现，牛顿的这套逻辑不仅可以预测炮弹的轨迹，还可以预测天体的运动，包括工厂里的机械零件和蒸汽机的运转，全都能用力学定律计算。它太有用了，以至于让人们产生了“人类能掌控命运”的信念。 在 19 世纪，法国数学家拉普拉斯提出了一个著名的假想：如果有一个足够聪明的智慧体，它能在某一刻知道宇宙中所有粒子的位置和速度，那么它就能预测整个宇宙的过去和未来。这就是著名的拉普拉斯妖，也是典型的牛顿式的决定论。 [图片] 三、还原论 除此以外，牛顿还认为，宇宙再复杂，也只是无数粒子的组合，只要逐个算清楚它们的受力，再把结果加起来，就能得到整体行为，这就是还原论。 在日常生活里，我们常常使用还原论，比如一座桥梁看起来庞大复杂，但工程师会把它拆成一个个梁柱、逐个计算受力点，再拼成一个稳定的整体。又比如一辆车出问题，修理工会拆开发动机、电路、轮胎，找到具体损坏的零件，然后再组装在一起。 [图片] 还原论让我们相信：只要把复杂的问题拆开，就能逐个解决。这也是我们从小到达贯彻的学习方法。 四、绝对时空观 牛顿的世界观还有一个重要的特征，绝对时空观。牛顿认为：时间是匀速变化的，空间是一个无限大的容器，时间和空间是独立存在的，它们不依赖任何事物。 我们现在的很多直觉，其实都是受到绝对时空观影响的。比如我们觉得一秒就是一秒，到哪里都一样快，房间是静止的容器，物体只是在里面运动。 在这个稳定的时空前提下，牛顿写出了自然规律。他最厉害的地方，是用同一个公式把天上运动的天体和地面掉落的苹果统一了起来。 这让人类第一次相信：世界是有普遍规律可循的，科学不再是零碎的经验，而是寻找普遍规律的事业。只要找到规律，世界就像机器一样，可以被拆解、计算、操控。 工业社会本质上就是牛顿机械宇宙观的衍生物，像建筑工程、蒸汽机、火车、工厂流水线，全都依靠精确计算和标准化流程运行。 世界变成了一个大型的机械工厂，讲究规律和效率，正式这种思维方式，把人类代入了高速发展的时期。 [图片] 但在现代物理学发展以后，这套世界观受到了很多挑战。首先是因果律的动摇，量子力学告诉我们，微观世界的因果关系不再是必然的，而是概率性的。 其次，决定论认为只要知道一件事的初始条件，就能推算未来。但后来复杂科学兴起，发现世界是一个混沌系统，即使计算方程是确定的，微小的误差会被无限放大，长期下来，结果变得不可预测，就像天气这么日常的事，都复杂到无法精准预测。 还原论这个方法也有局限性，它认为整体等于部分之和，但在生命科学、生态学里，出现了涌现现象，单个水分子明明不是湿的，但一群水分子就能涌现出“湿润”的性质，单个神经元本身不会思考，但数十亿神经元连接，就产生了“大脑意识”。 整体不等于部分之和，还原论无法解决复杂系统的问题。 [图片] 在相对论出来以后，牛顿的绝对时空观也瓦解了，相对论证明时间会伸缩，空间会弯曲，时空不再是宇宙背景，而是会参与物质反应。 牛顿的世界观，通过工业化、通过一代代的教育，植入给了我们每个人，堪称思想的奇迹。但随着相对论、量子力学、复杂科学的兴起，我们才发现：世界并不是一台精密的钟表，而更像一个动态的网络，充满不确定与涌现。 科学的伟大，恰恰在于它敢于推翻旧框架，不断更新我们理解世界的方式。 ***广而告之 一、我的书《迷你物理学》上架中～这是我出版的第一本书，前不久中科院物理所推荐了这本书哟！ 上册写了 100 个常见的物理知识点，下册记录了我感兴趣的物理哲学和科学的思维方式。微信、京东、抖音、淘宝等平台均有销售 二、我的连载前沿科技·科学专栏《静止的量子》已更新两年，未来会继续更新，我会陪伴大家一起探索世界的美妙。（有订阅读者社群） [图片]

为什么世界看起来充满秩序，但同时又很混乱？为什么人脸是对称的，但又对称得不那么完美？为什么斑马的花纹看起来很有规律，但又找不到完全相同的两条呢？ [图片] 自然界中有很多这种看似对称，又带着不对称的特征，在物理学里面，这些矛盾背后，其实都指向同一个源头：对称与对称性破缺。 **对称性 对称性是自然界最重要的框架之一。因为有对称性的存在，世界才是有秩序的，规律才是普适的。但如果只有对称，这个世界又会变得空洞乏味，毫无生机。 我在之前的内容里详细讲过对称性在物理学上的含义，简单来说，对称性指的是自然规律在某种变化下，依然保持不变的特性。 比如，你今天做实验和明天做实验，物理规律都是一样的，这就是时间平移对称性。 无论你在地球上做实验，还是月球上做实验，物理规则也是一样的，这就是空间平移对称性。 你在做实验的时候，无论你把实验装置旋转任何角度，物理规则还是一样的，这就是旋转对称性。 你可能觉得这不是废话吗？规律不就是总结世界不变的道理吗？这还真不是废话，而是科学里的硬通货，这些对称性是能在数学上直接推导出守恒定律的。 时间平移对称性推导出能量守恒，空间平移对称性推导出动量守恒，旋转对称性推导出角动量守恒。甚至爱因斯坦的相对论，也是从对称性出发才建立起来的。 所以在很长一段时间里， 对称性就是物理学的最高美学，物理学家默认所有最底层的基本规律都应当尊重对称性。 直到 1956 年，杨振宁和李政道提出宇称不守恒，才撼动了这个信念，他们认为，自然界的弱相互作用可能不遵守宇称守恒。 [图片] **宇称不守恒 什么是宇称守恒呢？我们可以简单地理解为镜像对称，如果把整个物理过程的空间坐标翻转（x,y,z → -x,-y,-z），镜像里的过程应该和原来一样符合同样的物理规律。 [图片] 为了验证这个猜想，华人科学家吴健雄做了一个实验，她用了一种叫钴 60的原子，这种原子具有放射性，在弱相互作用下会发生衰变，同时向外释放出电子，这个过程叫作β衰变。 [图片] 每一个钴 60 的原子核都有自旋，你可以把这些原子想象成小磁针，平时这些小磁针的指针方向乱七八糟，吴健雄用极低的温度和强磁场，让这些小磁针的自旋方向对齐，然后观察这些原子在衰变时，放射出的电子传播方向。 [图片] 结果发现，电子并不是均匀分布的，而是更偏向于沿着自旋的反方向发射。 然后，她再把磁场反过来，让钴 60 的自旋翻转，结果电子的传播方向也跟着调转了，它始终往自旋的反方向飞。也就是说，如果自旋向上，电子就喜欢往下飞，如果自旋朝下，电子就喜欢往上飞。 [图片] 如果宇宙真的是左右对称的，电子的分布应该是均匀的，一半往上飞，一半往下飞，没有哪边是特殊的，但这个实验里，电子却展现出了明确的偏好。 就算电子有明确的偏好，在镜像翻转后，结果也应该跟原来的结果一样，就像你放气球，气球在镜子里的左右虽然是反的，但气球同样都应该是向上飞的，总不能在镜子里气球往下跑吧，这就违反了物理原则了。 [图片] 这说明，β 衰变中的电子发射方向并不对称，宇宙在这件事情上是偏心的，有非常明确的倾向性，这就是宇称不守恒。这个实验让杨振宁和李政道拿到了1957 年的诺贝尔物理学奖。 明明在强相互作用和电磁作用下，宇称都是对称的，偏偏在弱相互作用的情况下却出现了反常的情况，这就是对称性破缺。 **自发对称性破缺 其实对称性破缺主要有两种类型，一类就像宇称不守恒这样的，规律本身就不满足对称性，叫作显式破缺。 还有一种破缺方式：底层规律是对称的，但系统却选择了一个不对称的状态，叫作自发性对称破缺。 比如在日常生活中，铅笔竖直地放着，理论上它可能朝任何方向倒下，这是完美对称的，但现实里，它一定会朝某一个方向倒下去。这就是：规则对称，但结果不对称。 [图片] 非常典型的例子是一块普通的铁，在高温下，它其实并没有明显的磁性。可是当它冷却下来，铁就会带有磁性。为什么会这样？ 因为铁原子里的电子都有自旋，你可以把这些电子想象成一个小磁针，在高温的时候，热运动会让小磁针搅动起来，它们的小磁针乱七八糟指向不同的方向，结果就是相互抵消，整体上就没有磁性。这个时候，系统是完全对称的，无论你把它转向哪个方向，都一样，没有哪个方向是特殊的。 [图片] 可是一旦温度下降，热的干扰不够强了，自旋之间的相互作用就开始主导了，这种相互作用会让电子的自旋倾向于齐刷刷对齐。 理论上，这个方向可能是东、是西、是北，任何方向都行，但在现实中，它们必须选一个方向站队。结果就是：铁在宏观上获得磁性。 [图片] 这就是自发对称性破缺，规律是公平的，发生在任何方向的可能性都是一样的，但在现实里必须选边站，于是对称性在“选择”的那一刻出现了破缺。 除了宇称不守恒和铁磁化，自然界中还有很多对称性破缺的例子，如果世界永远保持完美的对称，它会是死寂而单调的；正因为对称不断被打破，新的活力和复杂性才涌现出来。 我的专栏： 我的书：《迷你物理学》（中科院物理所推荐），抖音、视频号、京东、淘宝均有售

在我们的日常经验里，一个物体最低能量的状态，一定是“静息”的。就像一个小球最终会落在碗的最底部，一个晃来晃去的秋千，最终也会停下来。 可是有一种物质在最低能量的状态下，依然可以像心脏那样，保持周期性跳动的节奏，并且不用消耗额外的能量，这种物质叫作“时间晶体”。 诶，奇怪了，这种不依靠外界能量还持续跳动的物质，不是永动机吗？这不是就违背了能量守恒的原则吗，它到底是什么东西呢？ 首先，什么是晶体呢？ 食盐、钻石、雪花都是晶体，如果用显微镜去观察它们的原子结构，会发现它们的微观结构不是随意分布的，而是呈现一定的规律，周期性地排列在空间里。比如食盐就是钠离子和氯离子排列成立方体格子，钻石是碳原子排成坚固的四面体网络。 [图片] [图片] 而玻璃、橡胶这些东西是典型的非晶体，它们的原子结构的排列是无序的，在空间分布上，它们没有哪个点是特殊的，不同点位，比如 A 点和B 点都没有突出的典型差异，是一种近似的均匀，在统计学的平均意义下，它保持了空间上的连续对称性。 [图片] 相比起来，晶体却非常讲究秩序，它的原子在空间中的分布不再是处处一样，A 点和B 点对应着不同的原子排布，并不均匀，它打破了空间的连续对称，而是隔一段距离就重复一次。 [图片] 于是在 2012 年，有一位诺贝尔物理学奖得主弗兰克威尔切克就想啊，既然空间能结晶，那时间可以结晶吗？这就是时间晶体的由来。 [图片] 这种构想这就很像一个小球，它第一秒在楼上，第二秒掉落在空中，第三秒掉落在地面，但第四秒又出现在空中，第五秒掉落在空中，第六秒掉落在地面，这样循环往复，像是时间在轮回。 [图片] 在 2016 年的时候，时间晶体还真在实验室里被找到了，当然不可能是小球这样的宏观物质，而是一种特殊的微观现象。是怎么发现的呢？ 科学家把 10 个 镱离子困在真空里，让它们排成一条链子，这些离子都有自旋，自旋跟质量和电荷一样，是一个粒子的内在属性，你可以把这些小粒子想象成带有磁性的小陀螺，小陀螺指针的方向就是自旋，自旋的方向要么指向上方，要么指向下方。 [图片] 现在科学家用激光脉冲去照射这些离子，就像打节拍，每隔一段时间就照射一次，这些离子接受到脉冲的信号，然后它们的自旋会发生翻转，比如从上翻到下，或者从下翻到上。 [图片] 正常情况下，假设脉冲波1 秒钟敲打一次，粒子的自旋应该1 秒钟翻转一次，就像有小朋友坐在秋千上，大人在旁边推，大人推一次，秋千动一次。 [图片] 可奇怪的事情是，这些粒子拒绝跟着脉冲波的节拍，而是自己选了一个舒服的节奏，它们两秒钟或者更长时间才翻转一次， 而且，这个周期性的节奏具有一定的刚性，非常稳定，就算你稍微调快或调慢脉冲光，它们依旧坚持“两秒一翻”的模式。就好像有 10 个手拉手荡秋千的小朋友，它们不可能完全只听大人拍手的节奏，他们会自己在内部形成一种集体的步伐。 这说明，脉冲波对它们是一个外部驱动，而真正的节奏是这些离子自发演化出来的，它的这种隔两秒重复一次的节奏打破了时间平移对称性。 你可能发现了，这个实验跟弗兰克提出来的最低能量态的理想的时间晶体不一样，它依然依靠外部的能量驱动，脉冲光给离子注入能量，驱动离子发生了自旋翻转。 它之所以没有违背能量守恒，是因为它虽然是真空的，但是不能算绝对的孤立系统，而是一个开放系统，而且在这个实验的设计中，故意让脉冲光向晶体注入的能量，和它们耗散的能量是平衡的， 就好像你给我一块钱，我再把这一块钱转移出去，你再给我一块钱，我再把这个钱转移出去，这个能量交换的过程驱动了自旋翻转，但这个过程是没有能量累积的，也没有新增的热量会破坏系统的平衡。 况且，这个时间晶体并没有对外做功，它的跳动也只是内部的量子行为，所以并不违背能量守恒，也不是永动机。威尔切克设想的完美版本，在现实层面也无法实现。 在 2025 年 9 月，也就是前不久，科学家宣布开发了一种可以被肉眼看到的时间晶体，它们把液晶溶液（也就是手机显示屏的常用材料），灌入涂有染料的玻璃片之间，然后用特定的光“照射”它们。 结果在显微镜下出现了一种条纹，这些条纹会随着时间以恒定节拍重复出现，持续很长时间。 也就是说，这不仅是空间里的晶格，而是 “时间里的晶格”，像是时间里长出的花纹。 [图片] 时间晶体在未来可能会有很多应用，比如防伪，可以创造不同的时间晶体图案，然后用光照一下，就能看到独特的动态纹路，它也能在量子计算机里做超级稳定的存储器，也可以发展出非常精密的时间传感器等等。 其实你看，任何一个听起来非常玄乎的概念，只要你抽丝剥茧，都能理解它的内在逻辑。有一天这个抽象的概念也会从实验室走出来，面向实际的生活应用。