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科学与文学

现代文学有很重要的两种手法：解构和拼贴，这两种手法和故事资源有着密切的联系。解构的拼贴都是把以往大家熟悉的东西打乱重组，赋予一个新的意义，这其实是对已经开发过的故事资源进行再利用，充分反映了文学故事资源的枯竭。

······由此看到，科学其实是对文学的解放，而不是束缚。

······把现代科学的最新发现和理论向社会传播，对文明的发展是至关重要的。

​ ——刘慈欣

大刘的科幻文学的重点不在文学，而在可能性，这一点十分重要。

宇宙的终极设定

《三体》中的绒终极设定其实在超弦理论中原则上是可以实现的。

在弦论中，我们的宇宙只是所有可能的宇宙中的一个，它所遵循的物理学规律，它包含的物质形态，都是弦论无数可能的一种。因此，设想超级智慧可以改变宇宙，改变物理学定律，并不像看上去那么异想天开。

不过，截至目前为止，物理学家还不知道弦论是否正确。

时间与空间

时间的空间是可变的、弯曲的，时空的弯曲程度由物质来决定。

任何一位物理学学生在理解了广义相对论之后都会感受到一种震撼的美。

太阳到地球的平均距离是一个天文单位。

太阳系边界是奥尔特星云，距离太阳5万-10万个天文单位，最远处超过1光年。

银河系中存在2000亿-3000亿颗恒星，银河系最大直径有2.6万光年。

银河系和很多其它星系一样，还有更大的伴生的暗物质晕，这些暗物质的存在可以由它们产生的万有引力推断出，但直到天还没有被直接观测到。

在量子论中，一个物体的能量有对应的自身频率，所以时间的均匀性与能量守恒之间有重大关系。

时间是我们根深蒂固的幻觉。 ——爱因斯坦

• 狭义相对论

  今天，光速不变被实验验证得非常精确，长度已经不再用保存在标准计量局中的金属棒来制定了，而是用光速直接制定。

• 广义相对论

  能量和动量存在时，时空就会变得弯曲。能量和动量越大，时空就弯曲得越厉害。

  时空弯曲最厉害的地方有两处，宇宙大爆炸开始时的“奇点”和黑洞的“奇点”。在这两处，时空的曲率变得无限大。

黑洞和黑域

不大可能存在质量比太阳还小的黑洞，这是因为天体物理不允许小质量黑洞的形成。在形成黑洞前就会停止核反应，从而形成白矮星或中子星。

今天看到的宇宙，起源于一个区域不大于米粒的微观空间，今天的灿烂星空，起源于那时微小的量子涨落。

宇宙大爆炸

• 暴涨期，10^-32秒。
• 140亿年前，宇宙处于一个大约只有1毫米大小的区域，温度大约是10^30K以上。
• 在温度不低于10^28K时，所有反物质都和物质湮灭了，只剩下物质。
• 温度降到10^28K时，能量已经可以用现在的物理学描述。希格斯场发生对称性破缺，基本粒子除了光子等少数粒子之外，都获得了质量。
• 温度再降3个数量级，夸克等粒子抱成团，形成质子和中子。
• 温度再降2个数量级，质子和中子形成轻原子核（氘、氚、氦、锂、铍）。

物理学家在20世纪80年代发现，宇宙早期的不均匀性产生于暴涨时期的量子涨落。太阳、地球、人类，都是宇宙在第一个瞬间量子涨落的结果。

大撕裂观点：暗能量密度在不断增大，当万有斥力变成无限大时，宇宙中所有空间和物质都会被撕裂。

我们也许永远无法弄清楚宇宙在发生暴涨前的状态，但我们应该会知道宇宙的命运，到底是一直膨胀下去，还是有一天会减速刹车，或是会发生大撕裂。

开始的时候，人们以为不确定性原理与我们使用的观测方式有关，后来，随着研究的深入，人们慢慢认识到，这个世界本来就是不确定的，不确定性是基本粒子自身的特性。

所有和人类活动有关的事情，最终都归结为人的大脑活动，而迄今为止，我们并不能预言大脑的运行，也不知道它做出决定过程的细节。

物理学家在大约100年前终于知道了，微观世界是彻头彻尾不确定的，这个发现完全颠覆了牛顿的世界观。量子世界让物理学家从此变得很低调，也让普通人觉得世界原本是不可捉摸的。

重要特征：不确定性、线性状态可叠加性。

不确定性原理

世界上所有的基本粒子，甚至所有物体，都有波动的粒子的双重性。

能量守恒在量子力学中不是绝对的。如果我们用较短的时间来测量粒子的能量，我们就会发现，所得的能量真的不守恒，而且每次测量的结果会不同。量子力学的不确定性原理告诉我们，测量的时间越短，能量的差别就越大。

光子当然是粒子，不是波，只有大量的处于同样状态的粒子被测量时，波才会出现。每次测量单个光子时，它肯定是粒子，不是波。只是，每次的测量你会获得不确定的结果，使你感到光子是一个诡异的粒子。而大量的遵循不确定性原理的光子在一起的时候，你就看到了波。

海森堡不确定性：△P×△Q ≥ h/m

没有任何观测仪器可以同时测量出一个粒子的位置和速度。

• 在单缝实验中，狭缝越窄，波峰的宽度就越大，与我们的直觉完全相反。用海森堡不确定性原理来解释，当缝变宽时，光子在平行于屏幕方向上的动量不确定性变大，从而在这个方向上的位置的不确定性变小，这二者的乘积不变。

• 同时打开两个缝的约结果不等于将分别打开左缝和右缝的实验结果直接叠加，而是要先将二者的波函数线性叠加后再计算结果。

  量子力学中，光子有一个波函数，波函数在空间中某个位置取值的平方决定了光子在那个位置出现的概率。

光子虽然是粒子，不是经典物理学中的粒子，它不遵循固定的路径或轨道，多个粒子实验的结果表明它的行为更像波，遵循不确定性原理，遵循波的叠加性。

除了动量、能量外，基本粒子还有一个新特征：每一个粒子都有本征角动量，与如何选择坐标系无关，称为“自旋”。只要它在旋转，无论在什么参考系中它都在旋转。

根据不确定性原理，通过对电子在某个瞬间的测量，我们完全无法预言它在下一个瞬间的位置，更不用说状态了。同时，不可能在两个不同的方向上同时测准电子的自旋角动量。

在对EPR详谬进行实验时，贝尔不等式被破坏，验证了量子力学。

量子通信是一种保密通信，与瞬时通信无关，只是利用了量子力学和重要特征——纠缠以及测量后“波包坍缩”。

总的来说，在量子论中，纠缠是存在的，这种神秘的纠缠使得局域的“客观实在”性不存在。

水滴的物质

地球上，自然的物质状态有四类：气体、液体、固体、等离子态；

白矮星是主星序恒星（质量和太阳类似）演化到最后的产物。多数白矮星内部的温度是1000万摄氏度，外壳的温度最低达10000摄氏度，发出白光。

如果白矮星过重，达到钱德拉塞卡极限（密度大到多数电子处于接近光速运动），就会继续坍缩形成中子星。中子星的平均密度在3.7×10^11-5.9×10^11 kg/cm^3之间，也就是说，一立方厘米的中子星物质质量达到数千亿吨。中子星半径大约是10km。引力是地球的1000亿倍。

超过10个或20个太阳质量的恒星在燃烧最后阶段可能坍缩成黑洞。

按发现顺序（1896-2012）：

• 电子（1897）
• 光子
• 缪子（1936）：性质很像电子，在我们的日常生活中不起任何作用。不稳定，会衰变为电子和缪中微子。
• 电中微子（1956）：在中子衰变为质子和电子过程中出现。
• 缪中微子（1962）
• 上夸克和下夸克（1964预言 1968发现）：上夸克带有2/3个质子电荷，下夸克带有-1/3个质子电荷，且上夸克比下夸克轻；质子由2个上夸克和1个下夸克组成，中子由1个上夸克和2个下夸克组成。
• 奇异夸克（1968）：根据奇异粒子（1940年代发现）推测出来的。
• 粲夸克（1974）
• 陶子（1974-1977）：电子和缪子的大哥，对我们的世界几乎没有影响。
• 底夸克（1977）
• 8种胶子（1978-1980）：传递强相互作用的基本粒子。
• 3种中间玻色子（1983）：传递弱相互作用和基本粒子。
• 顶夸克（1995）
• 陶中微子（2000）：陶子衰变后产生。
• 希格斯粒子（上帝粒子）（2012.07）：产生质量。

所有这些基本粒子都统一在一个完整的理论下，叫标准模型。

结合核子的力由核子之间交换介子产生。在1970年代初被物理学家简化为强相互作用的量子色动力学（强相互作用力交换胶子）。

1960年代，物理学家弄清弱相互作用力交换中间玻色子。

希格斯粒子在整个标准模型中的位置非常特别，它不被称为物质粒子，也不被称为传递力的规范粒子。但它必须存在，因为没有它，夸克和轻子就不会有质量。

直至今天，在大型强子对撞机上还没有发现超弦理论的证据。

自由意志，意思就是决定做一件事的认知过程本身不是过去所有事件的函数。也就是说，意志是独立的，它是自身的原因。

相对论中，每一个事件都有一个过去光锥，凡处于过去光锥中的事件，原则上都可能与这件事本身存在因果关系。

在物理过程中，典型的随机运动是布朗运动，液体中悬浮的花粉在无数看不见的分子的撞击下做无规则运动，这明显不是花粉的自由意志。其实，仔细分析，布朗运动看上去无规则，担假如你知道了所有分子的行为，你原则上还是能够解释的。所以，随机有时也是不自由的。

量子论最难懂的地方是它的两个完全不同的元素。第一个是决定论的，即波函数演化遵守决定论方程；第二个是非决定论的，即测量过程。

决定论与自由意志

观点可以分为两类：不相容论和相容论

• 不相容论：世界是决定论的，自由意志与决定论矛盾。
• 相容论：物质遵循决定论，但人有自由意志。（与量子力学矛盾）。

量子论的非决定论

在量子论中，一切由波函数决定，波函数的演化是决定论的。但波函数本身不是可观测的，波函数只会告诉我们测量可能得到的结果。

CK自由意志定理

假如人有自由意志，那么基本粒子也有。

人的自由意志与粒子的自由意志在量子力学中是互相融洽的，也许粒子的自由意志是人的自由意志的基础。因为，人的神经网络毕竟是粒子构成的。

在三维空间中，所有力长程力都与距离平方成反比。四维空间与距离的四次方成反比。

只要高于三维空间，库仑力导致的束缚态都是不稳定的，也就是说，在四维及其以上的空间中，不存在原子。

广义相对论可以用两句口号来概括：弯曲时空决定物质如何运动，物质分布决定时空如何弯曲。

希格斯场。

霍金认为，接触比我们更先进的文明将给我们自己带来毁灭，外星智慧生物会像哥伦布之后的西方侵犯美洲一样侵犯地球。

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