圖說宇宙——一些值得深思的圖片

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哪個鏡頭一定在倒放？這無聊的問題卻是理解「何為時間」這古老問題的關鍵，我做了這張圖，以便用最簡短的語言解釋它 ： 宇宙中有的過程向哪個方向進行都可以，比如餐罩揭起或扣下；而另一些過程卻只有一個合理方向，比如撞碎爆漿的藍莓。我們感受到的那個轟然流逝不可逆的時間，實際上是一種經驗，是意識對後一種過程的抽象，而對前一種運動毫無意義，也就是說，前一種運動不在時間之內。 更關鍵的，意識本身也屬於後一種過程，單向而不可逆，所以只要我們還有意識，就會感覺到自己被「困在」時間之內，無處可逃。

先看上一張圖，這張圖繼續解釋「何為時間」。 最初那些飛舞的巧克力針只是在運動，感覺不出是前進還是後退，到最後卻能認定這是一大塊彩色巧克力針爆炸的慢鏡頭正放。也就是說，隨著物體增多，時間的方向越來越清晰，而這正是熵增與時間之矢的關係。 「熵」就是系統的混亂程度，熱力學第二定律即熵增定律說的是這麼件事：封閉系統中每個元素的狀態綜合成了系統的狀態，顯然，元素越多系統狀態越多，且其中熵越高的狀態比例越大。也就是說越大的系統越傾向變亂，越難回到之前的狀態——於是宏觀世界的時間有了方向。

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環繞在這座掛鐘周圍的植物和絲帶形成了橢圓的輪廓，稱為「卡圖什」（cartouche），是最典型的洛可可裝飾——不過，我把這張靜態圖變成動畫，是為了補充前兩張圖的問題。 如果時間是對熵增過程的經驗描述，那何以解釋隨著時間推進，勻速直線運動的物體越走越遠？那先要問問你怎麼知道時間在推進了。 毫無疑問是觀察鐘錶，然而任何鐘錶的計時原理都是均勻的熵增：機械鐘均勻釋放發條的彈性勢能，電子錶釋放化學能產生晶體震動，大腦里的生物鐘燃燒葡萄糖，等等。 也就是說，鐘錶生產時間，而非測量時間。

上一張圖裡給出了一個讓人難以接受的觀點，「鐘錶生產時間，而非測量時間」，畢竟「時間是超脫一切事物之外的穩恆存在」是人類有生以來最根深蒂固的信念，但終於有那麼一個人從這個錯覺中清醒過來，他就是愛因斯坦。 愛因斯坦指出，時間、測量、運動，是三個根本無法分割的物理因素，上一張圖裡的結論正是這種不可分割的一種體現，而這張圖是愛因斯坦1905年的論文《論動體的電動力學》，他將洛侖茲變換應用到了運動物體上，於是，狹義相對論誕生了。 然而偉人不可能來自真空，愛因斯坦如何是得道的呢？看下張。

愛因斯坦在發現相對論之前只是個瑞士專利局的審查員，這件軼事已經不新鮮了，但你知道他在那裡幹了什麼，以至於3年之後就能讓狹義相對論橫空出世嗎？ 20世紀初全世界都在大修鐵路，但當時既沒有世界時也沒有無線電，一個尖銳的問題出現了：列車時刻表無法統一。於是圖上這些同步計時裝置就成了最熱門的電磁專利，而愛因斯坦也在鑒定專利的時候開始思考一個問題：我們如何確定兩地之間的時間同步？接下來就是所有相對論科普讀物里都會告訴你的事情了。 業餘科研固然勵志，但先記住他是蘇黎世聯邦理工學院高才生。

雖然對於絕大多數公眾來說，「相對論」這個名號都只是一個「王母娘娘」一樣高高在上的虛幻存在，但它早已經與我們的日常生活細細相關——就在你手機的GPS導航當中。 GPS包括24顆衛星，能對全球98%的地區精確定位，誤差不超過10米。這完全依賴於衛星上的超精確原子鐘，每天誤差不得超過10億分之一秒。但這些衛星距地面2萬多公里，24小時繞地球一周，在這樣的尺度和速度上，如果不考慮狹義相對論的尺縮鐘慢和廣義相對論的時空彎曲，GPS系統將每天積累10公里誤差。 你看，相對論不只是個理論

如果1+1=2是毋庸置疑的真理，那12+1=13也是如此嗎？不妨諮詢一下這件18世紀的鍍金銅掛鐘，12的後繼是1，並不是13——看似無聊的抬杠卻引出了一個深刻的問題：算數結果唯一嗎？ 我們相信加法能越加越大直至無窮是因為我們相信自然數沒有盡頭不會循環，但現實中多得是鐘錶這樣的反例，你正在使用的計算機就執行著像鐘錶那樣會整數溢出的算數系統。 也就是說，世界上並不只有一種算數，乃至不止有一種數學，我們以為是唯一真理的那種日常算術只是其中平凡的一員，它被我們選擇只是方便起見的約定。

去年捕捉到並被確認的希格斯粒子名噪一時，《新科學家》的這張圖能讓你對這一發現微增理解： 這個宇宙充滿了不對稱、不平衡，這似乎有些不正常，但事實上，一個完全對稱的宇宙將是高能而不穩定的，真空必然滑向不對稱但低能的谷底。並在那裡往複漲落，這些能量的漲落產生了希格斯粒子，它的汪洋將是一個希格斯場。 而希格斯場會與其中的各種物體發生強度不同的作用，而這種強度不同使得同等的力在不同的物體上效果不同，表現為慣性——而慣性正是質量的實質，也就是說，希格斯粒子給了萬物質量。

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去年捕捉到並被確認的希格斯粒子名噪一時，《新科學家》的這張圖能讓你對這一發現微增理解： 這個宇宙充滿了不對稱、不平衡，這似乎有些不正常，但事實上，一個完全對稱的宇宙將是高能而不穩定的，真空必然滑向不對稱但低能的谷底。並在那裡往複漲落，這些能量的漲落產生了希格斯粒子，它的汪洋將是一個希格斯場。 而希格斯場會與其中的各種物體發生強度不同的作用，而這種強度不同使得同等的力在不同的物體上效果不同，表現為慣性——而慣性正是質量的實質，也就是說，希格斯粒子給了萬物質量。

人類首次在視覺上重建了宇宙誕生至今130億年的演化歷程，它看上去有點兒像發育中的神經系統——這個項目名為「Illustris」，項目主頁在1樓鏈接。 這個立方體的邊長有3億5千萬光年，可以看到極大尺度上的宇宙纖維狀結構，那些空洞區域中心都有一個難以想像的巨大黑洞，而每一個微小的亮點都是一個星系，這樣的星系有41000個，並且成功地發育出了橢圓星系、旋渦星系和不規則星系三種現實宇宙中的星系類型。 這次模擬從宇宙誕生120萬年後開始直至現金，如果用家用計算機需要計算2000年。

這張圖據說「有一種奇特的滿足感，看了以後根本停不下來」，但是只要提醒一下它的名字，恐怕每一個用過示波器的理工男都會噁心地扭過頭去——它就是一根「利薩茹曲線」啊！ 利薩茹曲線(Lissajous Curve)是兩組垂直正弦振動相互合成後在平面上形成的圖形，在和信號有關的測量中常常用來計算兩個信號的頻率比——也就是與矩形兩條垂直邊的切點比。 另外，三體系統中的行星也常常沿著利薩茹軌道運行，形成一種不均勻的周期振蕩，但有些地球衛星可以和地球、太陽構成一個三體系統，並藉此改變軌道。

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一個L系統生成的樹枝狀的分形結構，這是一種與生命聯繫最密切的分形結構，它往往被用來描述植物複雜枝杈結構，許多圖形軟體自動生成的植物就是這樣生成出來的。 事實上，分形也正是生命乃至整個大自然組織自己複雜外觀的通用方法，植物只需要將「分叉」這個簡單的動作在不同的尺度上不斷重複，就能發展成一個個複雜的有機體，血管、菌絲、河流、峽灣……都是這樣從混沌中湧現出來的——但這樣明白的道理卻是20世紀的新認識，在此之前人們將「樹」這樣典型的分形結構描述為「毫無規律」。

本文來自：平行宇宙吧

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