盤點一下宇宙十大最怪異定理

宇宙之大，無奇不有，人類對於宇宙提出了很多設想，有的設想在宇宙中也被證實存在，現在，咱們就來盤點一下宇宙十大最怪異定理吧。

1、高德的不完備定理(G?del』s incompleteness theorems)

高德的不完備定理更像是一組非常有趣的關於邏輯和哲學的數學定理，而不是嚴格意義上的科學。但是整體上，這些邏輯和哲學與科學密切相關。1931年，科特-高德證明了該定理：因為任何稍微複雜一點的邏輯體系都不可避免自我引用;所以對於給定的任意一組邏輯規則，除了最簡單的之外，總會存在無法判定(證明或證偽)的命題。

這表明了世界上不存在能夠證明或證偽所有命題的終極數學體系。一個無法判定的命題可以被當成是「我總是說謊」的數學形式。由於該命題引用了描述它的語言本身(譯者註：「我總是說謊」有兩方面的意思，一方面是指命題要表達的內容「我是一個愛說謊的人」，另一方面也可以指描述它的語言「我說『我總是說謊』是說謊，其實我不是一個愛說謊的人」)，所以永遠無法知道這個命題的真假。儘管如此，並不是只有自我引用的命題才是無法判定的。高德的不完備定理的主要結論是，所有的邏輯體系都會存在無法證明或證偽的命題。因此，所有的邏輯體系都不「完備」。

不完備定理的哲學含意廣為傳播。由於沒有一組規則能夠解釋所有可能的事件或結果，所以物理學上的「終極理論」是不存在的。同時，這也說明了「證據」是比「真相」更不靠譜的概念。這樣的想法令科學家們惴惴不安。因為這意味著世界上總會存在無法被「證據」證明的「真相」。由於不完備定理對計算機也一樣適用，這也意味著我們的想法是不完備的。

世界上有些想法我們永遠無法明了，這包括我們的想法是否一致(比如說，我們的理性是否包含錯誤，自相矛盾)。這是因為高德的不完備第二定理表示，沒有一種一致的理論能夠證明自己的一致性。這意味著，沒有任何理智的人能證明自己沒有精神病。同樣，如果一個體系證明自己是一致的，那麼這就不是一個一致的體系。任何自以為能證明自己沒精神病的人都是瘋子。(譯者註：有點像喝醉的人總是說自己沒醉，自以為「舉世皆濁我獨醒」的屈原情何以堪，無奈只能投江自盡了。自以為「才高八斗遇人不淑」的賈生多麼落寞，不得不抱憾而終。)

2、反物質逆因果律(Antimatter Retrocausality)

顧名思義，反物質與物質正好相反。反物質攜帶的質量與物質一樣但是電荷恰好相反。約翰-惠勒和諾貝爾獎得主理查德-弗雷曼，他們基於物理體系中時間應該可以倒流的想法，提出了一種反物質理論。例如，我們的太陽系軌道向後退應該和向前進遵守一樣的規律。有人因此提出，反物質只是時光倒流的普通物質。這解釋了為什麼反粒子會攜帶相反的電荷。因為如果電子在時光前進的時候被排斥，那麼在時光倒流的時候應該被吸引。這也解釋了為什麼物質與反物質會消失。這不是因為正方粒子對沖同歸於盡;其實是同一個粒子停止後在時間維度上往回走。在真空中一對粒子產生並消失，其實不過是同一個粒子在時間維度上一會兒往前進，一會兒往後倒，如此不停反覆，不死不休。

雖然這個理論的準確性有待商榷，它的數學方案與其它更傳統的理論一樣。約翰-惠勒起初提出該理論時說，這也許回答了為什麼宇宙中所有電子屬性相同的問題。這個問題之前常為人所忽略。他表示，這是由於電子經常從宇宙大爆炸與宇宙末日之間飛來飛去。雖然包含時光倒流，但是該理論的數學模型並不允許把信息帶回到過去。因為你無法通過移動反物質來影響過去，移動它只會影響反物質本身，即你的未來。(譯者註：這裡實際上蘊含了一個雙重否定，因為反物質其實是時間軸上的反向物質，它的過去就是你的未來。從某種程度上來說，這解釋了為什麼歷史會重複自己的原因。這就好比迴旋鏢，扔出去(普通物質)又轉回來(變成反物質)。)

3、宇宙弦(Cosmic Strings)

在大爆炸之後不久，整個宇宙處於一片雜亂無章的混沌狀態之中。這意味著細微的變化和瑕疵並不會改變整個宇宙結構。但是隨著宇宙不斷膨脹冷卻，從無序變得有序，一個小小的波動就足以造成巨大的變化。

這就像是在地板上均勻地貼上瓷磚。如果有一塊瓷磚放歪了，其它瓷磚會跟著一起歪;這樣一來，整條線上的瓷磚都沒放好。宇宙弦與此類似，它是時空上狹長的瑕疵帶。大部分宇宙模型都有預測宇宙弦，比如弦理論里兩種互不相干的「弦」。如果宇宙弦存在，每根弦都像質子一樣小，密度卻極大。因此，一英里長的宇宙弦可以和地球一樣重;但是它實際上沒有重力，且僅在改變時空形態時才會影響四周的物體。因此，宇宙弦本質上不過是時空形態上的「皺紋(wrinkle)」。(譯者注，宇宙弦其實不是物質，而是物質所處的時空中有瑕疵的部分。也就是說，我們所處的時空本身並非完美。這是不是說像北緯30度，以及生活中的靈異事件並非完全是無稽之談。)

有人認為宇宙弦長得離譜，最長可與上千銀河比肩。事實上，最近的觀察和模擬顯示宇宙弦之網路貫穿整個宇宙。曾經有人以為這是造成銀河組成超星系團的原因，不過後來這種想法被拋棄。超星系團由最長可達10億光年的銀河「絲帶」(filament)組成。如果把兩根宇宙弦靠攏在一起，就會產生獨特的時空效應。有人曾經展示它們可以用來穿越時空。宇宙弦還會產生無與倫比的至強引力波。現有的和待造的引力波探測器就是為它們準備的。

4、量子隧穿(Quantum Tunneling)

(註：1. classical physics: climbing the hill，經典物理爬山坡;2. quantum physics: "tunneling"static limit，量子物理穿隧道。)

量子隧穿效應是指粒子能夠穿過正常來說它的能量不足以通過的障礙。它能讓粒子通過不可逾越的物理障礙，或讓電子不用動能就脫離原子核的吸引力。根據量子力學，任何粒子都有一定的可能出現在宇宙的任何地方。雖然粒子嚴重偏離既定軌道的概率極低。

儘管當粒子遇到一個足夠小的障礙(約1-3納米寬)時，按常理是無法逾越的，但是實際上粒子直接穿過該障礙的可能性卻相當顯著。海森堡的測不準原理可以解釋此現象。該原理表明我們能獲取的粒子信息總是有限的。(百度百科：測不準原理表明一個微觀粒子的某些物理量(如位置和動量，或方位角與動量矩，還有時間和能量等)，不可能同時具有確定的數值，其中一個量越確定，另一個量的不確定程度就越大。)粒子可以先從它所活動的系統里「借來」能量穿過障礙，之後便失去「借來」的能量。

量子隧穿發生在許多的物理過程中，比如說放射性衰變和太陽上發生的核聚變。它還被用於某些電子元件，甚至生物系統的酶身上。例如，葡萄糖氧化酶是葡萄糖變成過氧化氫的催化劑，在催化過程中包括一個完整氧原子的量子隧穿。量子隧穿還是掃描隧道電子顯微鏡的一大特色。這是第一種能夠拍攝和操作原子的顯微鏡。它通過測量精細探針的電壓變化而工作。這是由於電子在穿越原子間的真空時(稱為「禁區」)會產生量子隧穿效應，促使探針在接近物體表面時發生電壓變化。這保證設備足夠靈敏，能夠生成解析度極高的圖像。同時還可以通過在設備的探針上緩緩導入電流來移動原子。

5、科爾黑洞(Kerr Black Hole)

(註：1. Ergosphere，能層;2. static limit，靜態極限;3. outer horizon，外部視界;4. inner horizon，內部視界;5. singularity，奇點。)

大部分人熟悉的黑洞其實有一個更確切的名字：史瓦西黑洞(Schwarzschild black hole)。這種黑洞在外部有一個視界(event horizon)充當有去無回的「極限點」 (「point of no return」)，在內部則有一個密度無限大的奇點。它以卡爾-史瓦西( Karl Schwarzschild)命名。1915年，在愛因斯坦廣義相對論發布僅1個月後，史瓦西就為不旋轉的球形體找到了愛因斯坦場方程的數學方案。儘管如此，直到1963年，數學家羅伊-科爾才發現了旋轉的球形體的相應方案。因此，一個旋轉的黑洞被稱為科爾黑洞。它有一些不尋常的屬性。

科爾黑洞中心是不是奇點而是奇環 - 由自身動量維持的一維環形。它有兩個視界(外部視界和內部視界)以及一個橢圓形的能層(ergosphere)。由於慣性系拖拽效應(frame dragging)，在能層裡面時空本身與黑洞一起以超光速旋轉。當通過外部視界進入黑洞，空間路徑變成時間路徑。這意味著像史瓦西黑洞一樣，科爾黑洞中心必然會產生奇點。但是穿過內部視界，時間路徑又變回空間路徑。唯一的區別是時空逆轉了。這意味著奇環附近的重力變成往外推的排斥力。實際上，除非恰巧從黑洞中心線進入，否則根本就不可能進入奇環。此外，多個奇環還可以通過時空互相連接，因此奇環可以充當蟲洞。不過除非是奇環旋轉得足夠快產生的裸奇點，否則無法從另一邊的黑洞出去。通過奇環可能進入另一個時空，比如說另一個宇宙。在那裡，你可以看到光從黑洞外面進來，卻看不到光從裡面出去。你甚至有可能被帶到一個負宇宙(negative universe)上的「白洞」(white hole)。不過沒人知道這到底意味著什麼。

(百度百科：白洞是廣義相對論預言的一種與黑洞相反的特殊天體，是大引力球對稱天體的史瓦西解的一部分。白洞僅僅是理論預言的天體，到現在還沒有任何證據表明白洞的存在。其性質與黑洞正相反。白洞有一個封閉的邊界。與黑洞不同的是，白洞內部的物質(包括輻射)可以經過邊界發射到外面去，而邊界外的物質卻不能落到白洞裡面來。因此，白洞像一個噴泉，不斷向外噴射物質和能量。)

6、真子(Geon)

正如著名的方程式 E=MC2 所示，能量與物質緊密相連。它們的聯動效應會產生重力場。真子是一束電磁波或重力波，它的能量會產生重力場;且產生的重力場反過來又把電磁波或重力波本身約束在一定的空間內。1955年，約翰-惠勒第一個著手研究真子。惠勒猜測微觀真子和基本粒子之間可能存在連接，甚至可能就是同一物體。「kugelblitz」 (德語 「球形閃電」)是一個更極端的例子。當強光聚攏中在一個點上，光能產生的重力變得如此之強，以致形成黑洞把光困在其中。雖然沒有任何東西能阻止「kugelblitz」 (德語 「球形閃電」)的形成;但是由於真子會不可避免泄漏能量而衰退，現在大家認為真子的形成只是暫時的。不幸的是，這意味著惠勒的最初猜想是錯誤的，但目前還沒有足夠的證據能證明這一點。

(註：這個和波粒二象性有點關係，1905年，愛因斯坦提出了光電效應的光量子解釋，人們開始意識到光波同時具有波和粒子的雙重性質。1924年，德布羅意提出「物質波」假說，認為和光一樣，一切物質都具有波粒二象性。根據這一假說，電子也會具有干涉和衍射等波動現象，這被後來的電子衍射試驗所證實。)

7、黑弦 (Black String)

重力和其它基本作用力如電磁力之間的關係，是物理學長期以來最引人關注的奧秘之一。最早在1919年提出的一種理論認為：如果宇宙增加一個維度，重力仍存在前四維中(三維空間+時間);但是其它基本作用力，則由四維空間在第五維上捲起來而自然生成。但是由於第五維度對我們而言是隱形的，既看不見也摸不著，所以它應該是蜷曲起來的。

(註：這裡非常難以理解，我的想法是用降維的方法來想像。比如說假設有一個完全靜止的三維空間，如果增加一個第四維度時間，把三維空間捲曲包裹起來。那麼生活在三維空間里的人是看不到時間的，而且三維空間里的一切變化其實都是由時間與空間捲曲自然引起的。)這個理論最終產生了弦理論，且迄今仍出現在大多數弦理論的核心分析中。

由於第五維度極小，只有像粒子一樣的微型物體才能在上面移動。又由於第五維度是自我蜷曲的，這些微粒最終又會轉回初始位置。(註：類似於圓周運動，周而復始)但是黑洞在第五維度上就要複雜許多。當黑洞擴展到第五維度，它就變成「黑弦」。和正常的黑洞不同，黑弦很不穩定(這裡忽略了四維黑洞其實最終會蒸發)。多個黑洞會串在一根長長的黑弦上，和更遠的黑弦連在一起，直到黑弦完全折斷，留下一組黑洞為止。這些四維黑洞會並成一個更大的黑洞。最有趣的是，根據現在的模型，最終的黑洞是一個「裸」奇點。也就是說它沒有被視界包圍，這違背了宇宙監督假設。因為視界會阻止任何事件從奇點中逃逸，所以任何奇點都應該被視界包起來，以防奇點附近發生的時空穿越改變整個宇宙的歷史。(註：如果宇宙監督假說成立，那麼誰來負責確保天網恢恢，疏而不漏任何「裸起點」呢?也許就是上帝、真主、我佛之類的大牛了。)

8、同時性的相對性 (The relativity of simultaneity)

同時性的相對性是指，兩件事情同時發生與否是相對的，取決於觀察者所在的方位。這是奇特相對論的奇怪推論，對於不是發生在同一地方的任何事件都適用。比如說，如果在火星和金星各放一束煙花，某個方位的太空旅行者可能會說它們同時發生(如果兩束煙花的光線同時到達他的眼睛);另一個太空旅行者可能會說火星上的煙花先放;其他人也許會說金星上的煙花先放。這是因為觀察者所處的方位不同造成了他們看到煙花的順序不同，從而導致他們的看法不同。所以每個觀察者的看法都是相對的，沒有人是絕對正確的。

這樣一來，可能會發生一些怪事。比如說，有人會先看到事件的結果再看到原因。(例如，先看到炸彈爆炸再看到有人點燃引信。)不過除非跑得比光速還快，即使你先看到了結果也來不及去改變原因。這也是超光速旅行被認為是不可能的原因之一。因為這與時光穿越類似，你可以在結果發生後去改變原因。這毫無意義。

(註：如果你先看到炸彈爆炸，然後以超光速飛過去把引信給滅了。這樣一來，炸彈就不會爆炸了，你又如何會看到炸彈爆炸?這也是為什麼有人發明了平行世界，但是平行世界問題更多，這裡就不跑題了。)

9、慣性系拖拽 (Frame Dragging)

愛因斯坦廣義相對論有一個預測：當一個巨大的物體移動時，會拖拽周圍的時空，從而拉著附近的物體一起動。不管巨物是平移還是旋轉，都會如此。雖然這種效應非常微弱，但是已經被實驗證明確實存在。2004年發起的重力探測器B實驗，就是為了測量地球附近的時空扭曲。雖然干擾源比預期要大，慣性系拖拽效應測量的不確定性為15%。(譯者註：換句話說，慣性系拖拽效應存在的可能性高達85%。)進一步分析有望更大程度上減少測量的不確定性。

實際測量與預測結果非常接近：由於地球旋轉的緣故，軌道上的探測器與地球之間的距離每年拉近2米左右。這純粹是由於地球的龐大體重造成周圍的時空扭曲，從而產生的慣性系拖拽效應所致。但是探測器是感覺不到這種額外加速的，因為探測器本身並沒有加速，而是它所在的時空拖拽所致。這就像拉扯桌子底下的地毯，桌子會動，但不是桌子自己在動。(譯者註：這與禪意 「不是風動，而是心動」何其類似。心扭曲了眼中看到的時空倒影，導致時空倒影中的物體跟著一起波動。)

10、負能量 (Negative Energy)

(譯者註：1. Casimir Plates卡西米爾盤子;2.Vacuum fluctuation，真空漲落)

理論上，絕對零度?273.15°C應該是能達到的最低溫度，在此溫度下所有粒子運動完全停止。但是因為在量子力學中，每個粒子都有被稱為「零點能量」的最低能量;因此實際上你永遠無法把東西冷卻到絕對零度。更顯著的是：不但粒子有最低能量，真空也有，即「真空能量」。只要做一個相當簡單的實驗，就能證明「真空能量」的存在。在真空中放入兩個金屬盤子，讓它們靠攏，當盤子間的距離縮小到一定程度時，它們會自動吸附在一起。這是因為盤子間的能量只能在特定頻率共振，而盤子外的真空能量幾乎可以在任何頻率共振。由於盤子外的能量要大於盤子間的能量，盤子被擠壓在一起。盤子靠得越近，壓力越強。在約10納米間距的時候，這種效應(卡西米爾效應)會產生1個大氣壓的壓力。因為盤子間的真空能量要低於正常的零點能量，被稱為負能量。負能量有一些不尋常的屬性。

比方說，在負能量真空中，光速要比在正常真空中快。也就是說有一天，我們可能在類似負能量的真空泡泡中以超光速飛行。雖然理論上可能存在可穿越的蟲洞，但是蟲洞會在產生的瞬間即刻消失，無法保持打開的狀態。而負能量卻可以用來頂住打開的可穿越蟲洞。負能量還會導致黑洞蒸發。真空能量常被各種理論模型描述為突然產生和湮沒的虛擬粒子。因為只要粒子在產生後馬上湮沒就不會違背能量守恆定律。但是，如果兩個粒子在黑洞的視界產生，就有可能一個粒子從黑洞中逃逸，另一個卻掉了進去。這樣它們就不可能消失，兩個粒子都變成負能量。(譯者注，通常真空的粒子被認為是成對出現成對消失。)當負能量粒子掉進黑洞，它會降低而不是增加黑洞的質量。

隨著時間的推移，這樣的粒子會最終導致黑洞完全蒸發。由於最初這個理論是斯蒂芬-霍金提出的，從黑洞中逃逸的粒子被稱之為霍金輻射。這是第一個被接受的量子論和廣義相對論的統一理論，也是霍金迄今為止最偉大的科學成就。

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