分类: 探索

  • 干细胞疗法最近的一些进展

     

    1. SERAXIS公司推出干细胞衍生的胰腺细胞,能够逆转糖尿病

    9月5日,再生医学公司SERAXIS宣布成功生产干细胞衍生的胰腺细胞,它们在啮齿动物模型实验中能够调节胰岛素依赖型糖尿病的血糖。研究结果本周发表在《PLOS ONE》杂志上。该研究描述了在胰岛样细胞团中产生胰岛素分泌β细胞的新方法。SERAXIS研究人员进一步表明,胰岛细胞团像成熟的胰岛一样起作用,在移植后不久就能分泌胰岛素以响应糖尿病啮齿动物模型中的葡萄糖波动。这些独特的胰岛样细胞团来源于使用诱导多能干细胞(iPSC)技术获得的干细胞,并具有胰腺特性。据介绍,SERAXIS胰岛样细胞的纯度对于临床研究应用非常重要,并且能产生胰高血糖素,表明SR1423细胞中存在生理学相关方式控制葡萄糖。

    2. Nature:Salk研究所发现干细胞可以将伤口变成皮肤

    9月5日,《自然》杂志上发表了Salk研究所的科学家开发的一种技术,可以将开放性伤口的细胞直接转化为新的皮肤细胞。该方法依赖于将细胞重编程为干细胞样状态,可用于治愈皮肤损伤,抵抗衰老的影响,帮助我们更好地研究皮肤癌。“我们的观察结果提供了整个三维组织(如皮肤)体内再生原理的初步证据,而不仅仅是之前所示的单个细胞类型,”该论文的资深作者、Salk教授Juan Carlos Izpisua Belmonte说道:“这些知识不仅有助于加强皮肤修复,还可以用于指导其他人类病理的体内再生,衰老过程的体内再生,以及组织修复受损策略。”研究人员正计划进行更多研究以优化该技术,并开始在其他溃疡模型中进行测试。

    3. Nature:健康成年人的血液干细胞有5-20万,比以前认为的要高10倍

    9月5日,在《自然》杂志上发表了一项来自Wellcome Sanger研究所和Wellcome – MRC干细胞研究所的最新研究成果。MRC开发了一种基于生态学方法研究干细胞的新方法。在这项研究中,研究人员对一名健康的59岁男性的140个血液干细胞集落进行了全基因组测序。该团队采用传统上用于生态学监测物种种群的办法,“标记”干细胞并将其与血细胞群进行比较。结果发现,成年人的骨髓中含有比以前想象数目更多的血液干细胞,范围在50,000到200,000个干细胞之间。

    这是科学家们第一次能够确定有多少血液干细胞在健康人体中起作用,为人类研究衰老和疾病时全身干细胞的变化提供了新的机会。利用全基因组测序构建和分析细胞家族树,这项工作可以深入了解癌症如何发展以及为什么某些干细胞疗法比其他疗法更有效。

    4. SanBio:收购间充质干细胞衍生的细胞药物专利组合

    9月3日,研究神经疾病再生医学公司SanBio Group宣布获得间充质干细胞衍生的细胞药物的专利组合。该专利组合由杜兰大学研究员Aline Betancourt博士发现,该技术通过刺激特定的Toll样受体增强间充质干细胞(MSCs)的抗炎和促炎功能。SanBio目前正在进行再生细胞药物SB623的2期临床试验,在美国治疗缺血性卒中,以及在日本治疗创伤性脑损伤(TBI)。SB623由来自成体骨髓的间充质干细胞组成,并经过遗传修饰。它是一种基于干细胞的疗法,具有促进脑组织再生的潜力,可帮助缺血性卒中或TBI患者在受伤部位周围区域恢复功能。在使用SB623治疗缺血性中风小鼠模型的动物研究中,观察到神经干细胞向损伤部位迁移,神经细胞增殖和血管生成等现象。该专利组合将使SanBio能够将研发管线扩展到炎症性疾病和癌症领域,以及SB623所针对的神经系统疾病。

    5. Celling与RxBIO签署独家许可,在加拿大推出专有干细胞技术

    2018年8月30日,Celling Bioscience(Celling),一家美国自体细胞治疗技术公司与RxBIO签署独家协议,在加拿大推出其细胞产品。该产品旨在收集、处理和在医疗机构向患者输送自体细胞,以加速身体的自然愈合过程。自体再生疗法(Autologous Regenerative Therapies)包含浓缩系统,能够回收高百分比的核细胞,祖细胞和其他细胞。该专有系统还具有集成的过滤器,用于从骨髓或外周血中超滤蛋白质。

    6. 将人类干细胞培养成功能性3D肝组织

    来自爱丁堡大学医学研究委员会再生医学中心的科学家们一直在研究人类诱导多能干细胞(iPSCs),作为可供移植的代谢功能性肝组织的潜在解决方案。近日,他们报道了在小鼠身上成功生成功能性肝组织。这项发表在《Archives of Toxicology》杂志上的研究中,研究人员使用胚胎干细胞和iPSCs来培养肝细胞,并在培养皿中培养超过一年。

    领导这项研究的David Hay教授表示,这是干细胞衍生的肝细胞首次在实验室中长期存活。由于器官供体短缺和其他移植问题,世界各地的科学家都在寻求将细胞疗法作为治疗器官衰竭的再生方法。该团队希望这项技术有朝一日可以帮助肝功能衰竭的人。它也可能提供肝脏疾病的研究平台和测试新药的方法,帮助药物发现,因为许多药物都通过肝脏代谢。

    参考资料:

    [1] SanBio: Acquisition of a Patent Portfolio Regarding Cell Medicines Derived from Mesenchymal Stem Cells. Retrieved Sep 03, 2018, from https://www.biospace.com/article/releases/sanbio-acquisition-of-a-patent-portfolio-regarding-cell-medicines-derived-from-mesenchymal-stem-cells/?s=95

    [2] The alchemy of healing: Researchers turn open wounds into skin. Retrieved September 5, 2018, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-09/si-tao090418.php

    [3] Family tree of blood production reveals hundreds of thousands of stem cells. Retrieved September 5, 2018, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-09/wtsi-fto090418.php

    [4] Growing human stem cells into functional 3D liver tissue. Retrieved Aug 28, 2018, from https://www.fiercebiotech.com/research/growing-human-stem-cells-into-functional-3d-liver-tissue

    [5] Celling Biosciences Executes Exclusive License with RxBIO Corp. to Launch Proprietary Stem Cell Technology in Canada. Retrieved Aug 30, 2018, from https://www.prnewswire.com/news-releases/celling-biosciences-executes-exclusive-license-with-rxbio-corp-to-launch-proprietary-stem-cell-technology-in-canada-300704365.html

    [6] SERAXIS Inc. announces novel method and cell line that generate highly pure populations of insulin-producing cells capable of reversing diabetes in rodents. Retrieved September 5, 2018, from

    https://www.prnewswire.com/news-releases/seraxis-inc-announces-novel-method-and-cell-line-that-generate-highly-pure-populations-of-insulin-producing-cells-capable-of-reversing-diabetes-in-rodents-300707580.html

  • 造血干细胞移植为什么不首选父母作为供者?HLA配型问题。

    造血干细胞移植,按 HLA 配型相合与否分为:HLA 配型相合移植、HLA 配型不相合移植。

    移植前的配型是指供者和受者的人类白细胞抗原 (简称 HLA) 是否一致,HLA 是细胞表面的一个记号,如果表面记号不同的细胞混在一起,便会引起细胞相互攻击,进行供者和受者的 HLA 配型的目的就是尽量避免供者和受者的细胞之间相互攻击,避免移植后发生排斥反应和移植物抗宿主病 (简称 GVHD) 等并发症。

    供者和受者的 HLA 配合程度越高,发生排斥反应和移植物抗宿主病的几率越低,且程度越轻,移植成功几率越大。

    什么是 HLA 配型半相合?HLA 配型半相合也叫单倍体相合,是指受者与其父亲、母亲、子、女中任何一个人进行 HLA 配型时,在通常检测的 HLA 的 6 个位点中,至少有 3 个位点相合,也可能 是 4 个或 5 个位点相合。

    一般情况下,父母和子女之间均为 HLA 半相合或单倍体相合,而兄弟姐妹之间全相合的概率是 1/4,半相合的概率是 1/2,不相合的概率是 1/4。

    所以兄弟姐妹之间全相合的几率远远大于父母和子女的配型,所以造血干细胞移植首选兄弟姐妹,并不首选父母。

  • 造血干细胞移植前为什么要用大剂量的化疗药物或放疗?

     

    移植前用大剂量放疗或化疗的目的有三个:

    (1) 尽可能将患者体内残留的恶性细胞和正常细胞全部杀灭,使患者骨髓腾空,为准备植入的造血干细胞腾出生长空间,这就好比种庄稼之前要先把地腾出来。

    (2) 尽可能全部杀灭残留在体内的恶性细胞,防止疾病的复发,也就是种地也要先把地里的草尽量除干净。

    (3) 抑制或摧毁患者的免疫功能,减少患者对别人干细胞的排斥反应,使造血干细胞容易植活。就好比种地前最好把地里的害虫也杀死。

  • 要不要存脐带血?脐带血有用吗?

    储存婴儿脐带血,从几年前的云遮雾罩,到现在大行其道,众多机构开始抢滩这一市场。

    那到底该不该存脐带血呢?

    一、先看一下政策:

    根据原卫生部印发《脐带血造血干细胞库管理办法》(试行),卫科教发(1999)第247 号,规定脐带血造血干细胞公共库的性质为禁止以营利为目的公益库。同时,原卫生部明文规定脐带血不能异地采集并给7个省份发放了“脐带血库牌照”,包括北京、天津、上海、广东、四川、山东、浙江。

    原国家卫计委在2015年12月下发的“关于延长脐带血造血干细胞库规划设置时间的通知”,2020年之前,在目前仅有的7家干细胞库基础上不再新设置脐带血公库。同时,开始计划国家中心血库。

    截止目前,国家只允许7家拥有脐带血库牌照的公司储存脐带血。

    二、说说脐带血本身:

    现阶段储存脐带血,主要是储存里面的造血干细胞。造血干细胞是什么?它可以重建人体的造血和免疫系统,可以用于移植治疗白血病。近十几年的研究发现,脐带血也可以用于造血干细胞的移植,不管在网络上,还是在商家的宣传中,也时常能见到脐带血移植治疗白血病的报道。

    在特定的条件下,造血干细胞也是可以分化城肌肉细胞、神经细胞等成体细胞,只不过相比白血病移植,这方面研究较少,还谈不上临床应用。

    三、自体库是什么?

    毋庸置疑,存是有用的,要不国家给7家公司发放脐带血库牌照干什么呢?

    可该不该存?里面学问就大了。

    脐带血库是按照特种血站管理的,最初设置的初衷是大家捐献脐带血,就像中华骨髓库一样,形成公共库,一旦有人需要造血干细胞移植,如果中华骨髓库没有配型合适的供体,就可以在这个脐带血公共库里查询,看看有没有合适的脐带血。这有点我为人人,人人为我的意思。

    这样做的初衷是好,可是脐血库却运营不下去,一年也没有几个人用到脐带血,却要耗费庞大的人力物力去维护公共库,显然是不可持续的。于是,一个新的思路被提及:自体库。

    自体库,区别于公共库,是专门保存自己的脐带血,将来也只能给自己使用的方式。这样,公共库里就查询不到自体库里的脐带血。大家趋之若鹜的缴费储存脐带血,就是存在自体库中。

    白血病的发病率大约为十万分之二、三,其中70%临床采用药物治疗,剩余30%进行才进行造血干细胞移植。是不是这30%就是储存脐带血的对应群体呢?非也。

    白血病是单基因的基因病,没有先天性基因缺陷一般是不会得白血病的。如果有先天性基因缺陷,得了白血病,那保存的脐带血同样有缺陷,也是不能用的。虽然说,化学物质、核辐射等诱发健康人基因突变也可能导致白血病,但这些情况发生的概率比较低。

    这么一说,大家明白了吧,即是上文提到的30%的群体中,如果其中是因化学物质、核辐射等诱发健康人基因突变导致白血病的,才可能是自存脐带血的收益者。为什么说可能是受益者呢?

    因为,即便是这样的人群,也可以先在中华骨髓库和脐带血公共库里查询相应的供体。再者,脐带血储存的量一般只能够供给体重二、三十公斤以下的儿童使用,也就是说超过一定年龄患白血病,单靠一份脐带血的量是不够的。当然,临床上采用与其他供体联合移植的情况也是有的,另外,很多科研机构在也不断努力,争取研发出造血干细胞的扩增技术,如此,量的问题就解决了。

    各位看官看到这,一定会说,储存自体脐带血意义不大。对,没错,如果单从白血病使用的概率上看,自体库有意义,但很小,类似于一种保险。

    但随着科技的发展,造血干细胞的用途不一定就是白血病移植,也许可以用于组织工程或再生医学,那用途就大了。储存脐带血一般是20年,20年间科技会发展到哪一步,谁也不知道。

    五、保存脐带血,对婴儿的健康影响?

    早些年,脐带血储存机构的平均采血量超过100毫升,占初生婴儿全身血量的1/3到1/2。现在也许少点了。

    2016版世界卫生组织指南要求,产后1到3分钟,等脐带的搏动消失以后才能断脐。然而,为了获得更多脐带血,采集机构往往要求尽量早断脐,甚至有的采脐带血行为发生在产后数秒之内。

    如果带脐带搏动完全消失以后断脐,那么胎盘血量的平均剩余血量仅14.12毫升。各机构储存的期待血量明显是多余这个数量的。

    脐带血是胎儿从母体获取营养的介质,脐带血的成分中除了造血干细胞,还有红细胞、白细胞、血浆蛋白、血红蛋白以及血红蛋白携带的氧气,铁、钙、钾、钠、锌、硒、碘等无机盐离子、免疫蛋白、内皮祖细胞、胚胎样干细胞、间充质干细胞、激素、酶、糖、蛋白质、脂肪酸等,这些都是婴儿需要的营养物质,延迟断脐可以让新生儿获得更多营养物质,能够让婴儿更加健康和强壮。

    2016年10月到2017年6月,北京大学第一医院妇产科护士长刘军主持的一项研究在北京三所医院同时开展,303例(总320例,实验组失访15例,对照组失访2例)足月自然分娩新生儿随机分组后,分别采用胎盘停止搏动断脐和60秒内断脐,结果表明,出生后5到7天的新生儿血红蛋白值实验组明显高于对照组,实验组6个月内没有发生缺铁性贫血,对照组有多名出现贫血,可见等待胎盘停止搏动再断脐的重要性。

    目前,美国妇产科学会(ACOG)、美国儿科学会(AAP)和美国血液与骨髓移植机构(ASBMT)不支持采集和储存脐带血,除非这个家庭中有正在生病并需要移植的患者。估计他们也是考虑到了新生儿健康方面的问题。

    但由于新生儿的造血功能很发达,储存脐带血是否真的会影响健康还很难说,也没有更多的报道说储存脐带血影响新生儿健康,需要更多的研究加以证实。毕竟存了这么多年,也有很多研究说对新生儿健康没有影响。

    六、最后说一说该不该存吧?

    通过上文的描述,已然了解,脐带血肯定是有用的。只不过,现阶段自体储存脐带血自己用到的几率很低很低,机构在宣传储存脐带血的时候,刻意回避了概率这个问题,很多人是在不知情的情况下储存了脐带血。

    不过,就算概率再低,还是存在一定概率的,何况随着技术的发展,脐带血将来或可用于组织工程、再生医学等方面,那储存的意义就大了。所以在不影响新生儿健康的基础上,只要公众拥有充分的知情权,储存自体脐带血是可以的,发展自体库无可厚非。究竟采集多少血量,何时采集才不影响新生儿健康,需要权威的机构给出具体的操作方法。

    知情权,是储存脐带血的前提,在充分了解后,有人选择不存,有人选择存,关键在于是否给了消费者充分的知情权。

  • 费伯出版社和布卢姆斯伯里出版社悬赏:哥德巴赫猜想

    今天在看数学上有哪些难题,无意中看到了“哥德巴赫猜想“,没想到200多年过去了,这一猜想还未获得证明。

    18世纪上半叶,德国数学家哥德巴赫偶尔发现,每个不小于6的偶数都是两个素数之和。例如6=3+3,24=11+13。他经过长时间的验算之后,试图证明自己这一发现。然而屡试屡败。1742年,毫无办法的哥德巴赫写信求教于当时世界上最有权威的瑞士数学家欧拉,提出了自己的猜想,并问这是否是一个定理。欧拉很快回信说,这个猜想肯定是定理,但我无法证明它。

    哥的猜想可以说是数学上最广为人知的一个猜想,因为小学生也能看懂题面。可就是这样一个老少皆宜的猜想,何止欧拉不能证明,人类迄今没有人能证明。就像那句”夜晚的天空为什么是黑的?“ 谁都能听懂,可人类愣是花了上百年才算可以回答这一问题,还不知道回答是否一定正确。

    目前,虽然利用计算机已证明到10的14次方为止,哥德巴赫猜想仍是成立的,但这并不能算是得到了答案。因为哥的数学论证必须要求其解释对所有的数都有效;所以,哥德巴赫猜想仍然是一个难解之谜。

    2000年3月18日,费伯出版社和布卢姆斯伯里出版社曾联合宣布:谁能在两年内解开“哥德巴赫猜想”这一古老的数学之谜,可以得到100万美元的奖金。

    两年时间早已过去,大奖却花落无处。

    虽然现在没有机构悬赏,不过证明这个猜想,又岂是区区百万美金的价值!

  • 丑小鸭续–丑小鸭的旅程

    丑小鸭终于明白自己是一只白天鹅。

    展翅高飞的时间到了,丑小鸭直上云霄,加入了白天鹅的队伍。

    可好景不长,丑小鸭听不懂白天鹅的对话,白天鹅们也对丑小鸭报以奇怪的眼神,因为他说的是“鸭语”。

    尽管丑小鸭尝试融入白天鹅的群体,可徒劳无功,白天鹅们始终认为丑小鸭是只长着天鹅羽毛的鸭子罢了。

    备受冷落的丑小鸭终于在一天的清晨离开了白天鹅们,他的眼角饱含泪水,一步一回头,依依不舍。

    在丑小鸭离去后的几天,白天鹅们偶尔才会谈起丑小鸭,渐渐地忘记了丑小鸭。

    然而,这段经历在丑小鸭的心中留下了深深的烙印,永远也忘不掉。

    回到了池塘边的丑小鸭找到了回家的路,可昔日的兄弟姐妹却更加不喜欢他,连鸭妈妈也对丑小鸭爱答不理。

    兄弟姐妹们比以往更变本加厉嘲笑丑小鸭。

    伤心的丑小鸭选择了离开,他选择独自一人,踏上了流浪的路。

    鸭子们的生活在继续,欢声笑语;

    白天鹅的生活在继续,笑语欢声。

    丑小鸭形单影只,伤心欲绝。

    好在一路上丑小鸭慢慢结识了一些小伙伴:折断了翅膀的小鸟、胆小怕事的小猪、被主人丢弃的流浪狗,有时候他们在一起分享彼此的故事。

    可时间久了,丑小鸭还是觉得孤单,一个人独处的时候,他总在想:我不是鸭子、不是天鹅、不是小鸟、我不是小猪、不是小狗……

    后来,丑小鸭告别了小鸟、小猪和小狗,走上了寻找“他是谁”的道路。

    他碰到了很多动物:奔驰的猎豹、展翅的雄鹰、魁梧的黑熊、筑巢的水獭、结网的蜘蛛……他们有个共同的特点——独自生活着。

    他还碰到了很多其它动物:奔跑的角马、飞翔的火烈鸟、魁梧的大象、戏水的海豚、做工的蚂蚁……他们也有一个共同的特点——集体生活着。

    有一天,丑小鸭累了,他停下追寻的脚步。

    停下的那一刻,他终于明白:“他是天鹅,又不是天鹅;他是鸭子,又不是鸭子。”

    他笑了,也突然轻松了,他又踏上了旅程。

    如果还有人见到他,再非要问他是谁,他会告诉你,他是“丑小鸭”。

  • 斯蒂芬·沃尔夫勒姆:宇宙的本质是计算

    斯蒂芬·沃尔夫勒姆这个名字,在中文世界里可能远谈不上家喻户晓;但他的英文名Stephen Wolfram恐怕反而却要熟悉得多。大名鼎鼎的数学软件Mathematica每次启动的时候都会用大红字提醒你这是Wolfram出品;而“计算知识引擎” WolframAlpha更是每一个极客必备的网站。

    何谓“计算知识引擎”?WolframAlpha的主界面看起来就像是一个搜索引擎,可是它的任务不是搜索网上的东西原样给你看,而是用这些东西计算出知识、回答你的问题。从直接了当的数学问题(对 x^2 sin^3x dx积分),到简单的逻辑问题(哪些书的名字里有“蓝”这个词),到物理和化学问题(ATP的电子式是什么,描述三维盒子中的自由粒子需要哪些变量和方程),甚至更一般性的知识问题(卡西尼探测器上携带了多少核燃料,林白单人飞越大西洋的起点和终点,1969年8月发生了哪些大事件),它都可以回答。更重要的是,这些问题都可以用自然语言提出,无需懂计算机语言——当然像Siri一样接受调戏的能力也是有的(其实它比Siri早得多)。数学家格里高利·蔡廷(Gregory Chaitin)说,这是“第一个真正实用的人工智能”。

    而斯蒂芬·沃尔夫勒姆的野心,可远远不止于此。

    沃尔夫勒姆1959年出生在英国伦敦,父母是当年从德国来英避难的犹太人。10岁的时候他立志要当科学家,然后几乎立刻发现自己和所有“科学家的摇篮”都合不来。12岁的时候他拿到了大名鼎鼎的伊顿公学的奖学金,却根本不屑于听老师指挥,还靠帮别的学生写作业来赚零花钱。17岁时,他还没从伊顿真正毕业就被牛津录取了,但是却没有真正“上”过牛津——开学第一天他听了一堂大一新生课,觉得“糟透了”。第二天和第三天他分别听了大二和大三的课,结论是“全都糟透了,我再也不去听课了”。自此他几乎就没有去上过课,并在短短两年之后就前往加州理工大学攻读理论物理博士生——牛津的一些老教授至今对此耿耿于怀。他拿到博士学位后立刻被加州理工聘用,当时他年仅20岁;仅仅一年之后他就获得了奖励年轻创新者的著名奖项“麦克阿瑟天才奖”,至今仍然是该奖最年轻的得主。

    但是,这样一位少年天才此后的发展路线却出乎所有人的意料。在加州理工时,他发明了一种计算机语言,却因为学校规定他不能独享专利而和校方闹翻,转而前往普林斯顿高等研究院。在这里他放弃了理论物理,开始研究一个奇怪的新领域:“细胞自动机”。

    想象一下,一望无际的大平面被分成了许许多多方格子。每个格子里正好能放下一个“细胞”。这个细胞不能运动,它可以是死的,也可以是活的;但它的状态,是由它周围8个细胞的死活决定。

    至于决定的规则,在这个例子里只有这么几条:

    1 “人口过少”:任何活细胞如果活邻居少于2个,则死掉。
    2 “正常”:任何活细胞如果活邻居为2个或3个,则继续活。
    3 “人口过多”:任何活细胞如果活邻居大于3个,则死掉。
    4 “繁殖”:任何死细胞如果活邻居正好是3个,则活过来。

    而下面这几张图,全是遵循这几条简单规则的产物。

    “脉冲星”:它的周期为3,看起来像一颗周期爆发的星星。

    “滑翔者”:每4个回合“它”会向右下角走一格。虽然细胞早就是不同的细胞了,但它能保持原本的形态。

    “轻量级飞船”:它的周期是4,每2个回合会向右边走一格。

    “滑翔者枪”:它会不停地释放出一个又一个滑翔者。

    “繁殖者”:它会向右行进,留下一个接一个的“滑翔者枪”。动图最后一帧定格时用三种颜色区分了繁殖者本体、滑翔者枪和它们打出来的滑翔者。

    细胞自动机的想法可以追溯到冯·诺依曼,上面这几条规则别名“生命游戏”,可能是最出名的一套规则组。沃尔夫勒姆对细胞自动机着了迷,而他的同事们对此的评论是“我不太确定他搞的东西能叫科学”,“这更像是数学游戏,他显然已经不再是物理学家了”,还有“这个‘少年天才’其实没有穿衣服”。

    可是沃尔夫勒姆却觉得自己发现了某种本质的东西。1983年,他做出了自己最得意的发现:“Rule 30”。这是一套规则组,处理的是更加简单的一维细胞自动机,每一次迭代的产物变成新的一行打印在下面。可是,从一个活细胞出发,它却生成了一套极其复杂的无尽花纹;后来Mathematica里使用的随机数生成器,就是基于Rule 30的。(顺便说,用Rule XX指代一维细胞自动机的规则组,这一用法是沃尔夫勒姆首创,沿用至今。)

    织锦芋螺(Conus textile)的花纹神似Rule 30的结果。

    如此简单的程序能生成如此复杂的行为,这意味着什么?沃尔夫勒姆认为,这正是我们宇宙的本质;我们的世界就是计算,就是一套简单的规则生成的复杂现象。这听起来有点像是“民科”的主张,所不同的是,他关于细胞自动机的研究获得了超过一万次引用;而他本人则在离开高等研究院、在伊利诺伊大学度过了两年时光(“在那里,他们指望我来筹钱,做研究的反而是别人”)之后,彻底离开了大学,成立了自己的公司。成立它的目的不是赚钱,而是以最大的自由来推广自己的软件和自己的观点。为了保持掌控力,他甚至拒绝了好几次上市机会。

    其结果,就是Mathematica和WolframAlpha,还有一本名为《一种新科学》的奇书。在这本引发巨大争议的书里,沃尔夫勒姆完整地阐述了他的世界观:自然界的本质是计算,但计算的本质必须用实验探索。过去的研究者要么使用纯数学去研究计算,要么把计算看成工程的工具。但沃尔夫勒姆认为,我们需要从经验出发、为了计算本身而探究计算,这是一种新的路线,书名也因此而来。

    最近两年里,沃尔夫勒姆又启动了一项更大的计划:Wolfram Language。其实它25年来一直是Mathematica所使用的计算机语言,但现在它独立了出来,希望成为“世界上最有效率的编程语言”。在2014年即将结束之时,沃尔夫勒姆来华访问,宣传他的思想与产品;新年第一天早晨,沃尔夫勒姆接受了果壳网科学人的专访,在访谈里他讲述了自己对宇宙本质、自由意志、人工智能和软件开源等许多问题的看法。

    “我们能为宇宙建立一个完整的模型吗?我的工作假说是‘能’。”

    科学人:你一直说,不含随机性的细胞自动机也可以产生无法预测的模式。现实世界如此多姿多彩,你觉得它是不是也不需要随机性?

    沃尔夫勒姆:我觉得不需要。很多时候人们说的“随机性”,其实是建模时用的黑箱:我不了解一个系统的全部规则,所以我假定这个系统有某些额外的因素在提供“随机”的输入。这个意义上的“随机”,只是证明你还没为这个系统建立完整的模型而已。但我们能为宇宙建立一个完整的模型吗?我的工作假说是“能”。也许这假说是错的,也许出于什么原因我们就是无法为宇宙建立完整模型——但是我还没有见到相关的证据。所以我会朝这个目标而努力。一旦我们得到了完整模型,随机性就消失了,没有任何来自外部的不可预知的因素。我有个朋友名叫格里高利·蔡廷,他对于算法随机性这整个领域非常感兴趣,他有一个著名的发现叫做“欧米伽数”(即蔡廷常数),这个数字虽然是个确定的数,但任何图灵机都计算不出来。我和他观点的区别就是,我认为宇宙像pi一样,虽然无穷无尽但可以计算到任意精度;而他始终认为宇宙像欧米伽。我不知道为什么。

    科学人:如果我们建立了宇宙的完整模型,是否意味着我们就没有自由意志了呢?

    沃尔夫勒姆:我在我的书里讨论了一个概念,叫做“计算不可化约性”(Computational irreducibility)。这意味着,就算你知道了一切规则,你可能也无法提前预测这些规则将会做什么——唯一的办法是实地运行这些规则看看它们到底会做出什么来。

    “自由意志”这个词包括很多层面,如果我们能预测我们将会做出什么事情来,那可以说我们没有自由意志。比如说,看一只蛾子反复地撞击玻璃窗,试图飞出去,我们会说它看起来没有自由意志,似乎是决定性的反射机制。但如果我们看到一个人在做一件非常复杂的行为,我们会说他看起来好像在作出选择,因为我们无法预测他将会怎么做——在这个意义上,我们拥有自由意志。

    我们的历史必须按顺序逐渐上演,你不能说“我已经知道结局了,快进到头吧”;历史是必不可少的。世界的底层规则是简单的、决定性的,但是这些规则生成的人类行为却极端复杂,这之间的计算鸿沟无法化约,因此我们的行为是“自由”的。

    科学人:会不会有一天,我们对大脑已经有足够的了解,可以监控到足够的信息,可以说“十秒钟之后这个人会想这件事情”?这时人们还有自由意志吗?

    沃尔夫勒姆:我不知道。这一点已经部分地在鸟类中实现了,我们能大致预测出鸟类下一秒会唱什么样的歌。但我还是觉得,自由意志这个概念的根源,只是因为要预测未来所需的计算量太大。就算我们发现了宇宙的全部规律,要么我们得想办法进行和宇宙同样的运算,要么我们就看着宇宙自己这么算下去。

    科学人:到那时,是否物理就变成了数学呢?物理条件会反过来限制我们对数学的理解吗?

    沃尔夫勒姆:如果我们真的建立了宇宙的模型,一切都可计算,那么全部物理问题就都还原成了数学。但什么是数学呢?数学从公理系统出发,比如欧几里得的公理系统;在此基础上我们推导出一系列的形式知识。至于选择什么样的公理,可以是人为武断选择、得到纯粹抽象的数学知识,也可以选择那些和现实世界对应的公理。欧几里得认为他选择的公理是对应现实的,但后来数学家逐渐开始做出武断的抽象的选择。数学是个抽象的领域,它不会被现实的物理限制。

    “模仿人类,既是错误的路线,又是唯一可行的路线​”

    科学人:我们之前采访过侯世达。对于他的人工智能(AI)路线——遵循类比、模仿人类思维——你怎么看待?

    沃尔夫勒姆:我认识他,我无法评判他的具体研究内容,但对于他的大致方向——理解人类的智能——我的看法是:这既是错误的路线,又是唯一可行的路线。

    一方面,如果说我们的目的是创造智能系统,那么这条路线与之无关,正如研究鸟类如何飞行与制造飞机无关一样。特别是在所谓“通用推理AI”上,人们曾经说它才是能够回答问题的系统,但沿这条路线没有人成功;而我们的WolframAlpha却成功地回答了许多问题。我们如何做到的?通用推理AI,所做的是推理。面对物理问题,从一个事实推理出下一个事实,就像中世纪的哲学家那样。而我们做的,则是计算。面对物理问题,我们在某种意义上是“作弊”了:使用我们文明积累下来的全部科学和数学确立一个方程,然后把结果计算出来。在这里,我们使用的方式和人类思考问题的方式截然不同,但效率要高很多。大部分眼下的智能系统都是这样。

    但另一方面,如果我们的目的是真正的“终极”智能呢?我们现在的计算能力,和大脑比起来都可以说相当不错了,但是如果要为这些计算设定一个目的,必须有人类的参与。我们的系统可以想算什么就算什么,但没有人为它指明目标,它什么也做不了。世界上没有所谓“纯粹”的智能,它必须和人类目标紧密相连。侯世达的路线对解决任何具体的智能问题都没有什么帮助,但对理解我们的目的却至关重要。

    科学人:为什么人类有目的,机器就没有呢?你觉得区别在哪里呢?

    沃尔夫勒姆:这是个好问题。水有向下流的“目的”,你可以为物理世界赋予各种各样的“目的”,但所谓的目的其实有两种,一种是遵循物理机制自然会产生的结果,另一种则是努力要去实现的目标。自然界的计算能力完全可以和人脑像匹敌,但自然界的目的全都是前者,而如果我们希望得到类人智能,必须要有类人的目的。比如湍流,或者木星大气表面的漩涡,它在做各种各样繁复的计算,恐怕比我们的大脑更加复杂——至少是运算量更大,但它看起来并未获得我们所说的智能,因为我们唯一知道的智能,就是人类智能。

    科学人:那么你相信智能爆炸会带来技术奇点吗?

    沃尔夫勒姆:不相信,至少不是人们通常说的那种奇点。许多人说奇点的时候,想象的一个重要特征就是人类永生。这迟早是能实现的,也许部分技术来自生物学,部分技术来自数字世界。这时看起来也许就像是抵达了奇点一样——人类和智能有了无限的时间去发现新事物。但是每年新发现的东西就会因此而指数爆炸直到无限吗?我不这么认为。也许我有偏见吧,人类智能是个连续谱,而我很幸运,我自己位于这个谱的上面那一端;但是在我看来,这些智力并没有质的区别。就算你的智商有200甚至1000,恐怕也不会让你懂得一些别人不可能懂的东西。能不能把更多的知识整合起来?当然可以。假如说我们现在大脑每秒接收100兆的信息,我们当然可以想象一个智能系统每秒可以接收并处理上千兆的信息;但我不认为这谈得上是“更高的智能”。

    “我把自己看成一个工具的制造者”

    科学人:人们说WolframAlpha是第一个实用的AI。你在创造它的时候,觉得自己是一个AI研究者吗?

    沃尔夫勒姆:“人工智能”是一个很模糊的概念。我和AI打交道的这些年里,它从让人激动的概念,变成了“毫无希望”的领域,现在它又东山再起,流行起来了。四十多年前,我就想做一个像WolframAlpha这样的东西。当时,我觉得要做一个这样的工具,必须先制造出通用AI,这很困难,所以我没有沿这个方向继续做下去。但后来,由于我所做的研究,我意识到其实不需要通用AI,也能提供计算性知识。这就是我发明WolframAlpha的原因。我们想制造出“聪明”的系统,而现在我们有了Wolfram语言作为平台,在这个基础上我们就能实现智能系统的目标。

    我把自己看成一个工具的制造者,而拿这些工具做什么呢?把我们这个文明的一切知识汇聚起来,形成框架,让新的知识能够自动在它的基础上生产出来。WolframAlpha和Wolfram语言都是在帮助人思考,但和其他帮助人思考的工具不同,我们所做的是让知识变成可以用来计算的东西。

    科学人:Wolfram语言未来会向免费和开源方向发展吗?

    沃尔夫勒姆:开源在有些事情上是好的,另一些则不是。一般来说,当一个项目需要领导、需要整体设计的时候,开源是很难实现的;而我们过去二十年来做的正是这样的项目——创造从未有过的东西。另一个因素是,这种语言用到了很多很多的知识,其中有些知识属于我们,另一些知识则来自别人,我们不能就这么简单地说,“这一切都是免费的!”

    的确,WolframAlpha是免费服务,我们提供这项服务本身是不赚一分钱的。这没问题,但光靠它自己无法长久维持,所以我们在它的基础上提供很多别的服务,并从中营利。我的信念是,建立一个经济-生态系统的最好办法,就是让那些从中获得价值的人们也为之付费。这是最简单的方式。

    很多所谓的开源解决方案,其实是陷阱。最著名的陷阱就是安卓:系统本身是免费的,但你要支付专利费。还有些别的例子,东西本身是免费的,但你自己没法建立这个系统,你得求助专业人士,最后还是得付钱让他们在云端托管。所以我们做的,其实是在经济问题上坦诚相见:人们可以使用Wolfram语言在线版免费地学习和试用,但当创业公司在此基础上开始盈利的时候,就要为此付钱。其实这个模式和常见的模式差别也不是那么的大,但如果他们选择了开源的方案,那么就说不准什么时候要付专利费或者云端托管费。我们所做的只是让事情简单化,让人们预先清楚会发生什么。

    科学人:你觉得你的产品受到了硬件计算能力的限制吗?

    沃尔夫勒姆:不怎么觉得。我面临的挑战是在软件上找到巧妙的方法,我不觉得底层的硬件是什么限制——当然多年前我刚开始使用计算机的时候肯定是受限制的。其实真正的制约因素是,从一个想法到可运行的软件诞生,这个过程要花多长时间。软件本身运行所花的时间很少成为瓶颈。

    我们确实有很多极端的例子:比如眼下像机器学习这样的程序,要运行很多个CPU年才能得到结果,如果能快一些固然很好。再比如,为了提供一个用户界面能让人类感到使用自如,硬件至少需要达到一定的水准;在一部分移动设备上我们还做不到这一点。但这都是相对次要的问题。当然还有别的因素,比如现在中国网络连接的不确定性———某种意义上这也算是硬件问题吧,不过这是另一个话题了。所以关键还是,我们人类能否做出好的软件。

    “我对解决别人解决过的问题从来都没有兴趣”

    科学人:你做了很多自我数据分析(比如统计自己都在啥时候打电话)的工作。你为什么要这样做?有没有从中发现一些有趣的东西呢?

    沃尔夫勒姆:我搜集这些数据是因为我对数据感兴趣。我有几套系统,负责检查我昨天锻炼了多少、完成了多少工作这样的事情。我已经搜集了二十五年的数据,时不时地我会对这些数据分析一下,会发现各种各样的结果。但这些数据的真正宝贵之处是,当我对自己有什么问题的时候,我能很容易找到答案。比如有一次我买了个新键盘,我想知道有了它打字速度是快了还是慢了,只花几分钟我就得到了答案。眼下我正打算回答一个难一些的问题,就是对我发的电子邮件进行情绪分析,来判断哪些事情会让我开心,哪些会让我不开心。我所发现的大多数结果,都是事后想来“嗯,的确如此”的那种;但如果没有看到这些数据,我是不会往那个方向上思考的。

    科学人:在自己的公司做研究和在大学做研究,你觉得有什么差异?

    沃尔夫勒姆:公司的效率要高得多。对我来说,公司就像是把想法变成现实的机器,我会努力为了这个目的而优化这台机器,而在大学里你就没法做这样的优化。

    科学人:你多次辍学,你觉得学历这个东西是什么意义呢?

    沃尔夫勒姆:其实我不是真的“辍学”。我在英国去的是顶尖的中学,我离开的原因是我得到了顶尖大学的奖学金,所以我只是碰巧比别人离开得早几年而已。在大学里,我得到了直接进入研究生学习的机会,所以我想既然如此,为什么要花这么多年当本科生呢。我很幸运能在二十岁就完成我的学业阶段,因为我觉得我没有耐心再学那么多年。我对解决别人解决过的问题从来都没有兴趣,所以我一直很讨厌课本上的习题。也许这是我个人的傲慢吧,我只是希望我在做独一无二的事情,而不是别人做过的事情。在某些教育系统里,有很多的内容是围绕“循序渐进走过程”而展开的,但我觉得发挥人们潜力最好的方式,是让他们学习自己感兴趣的东西,而不是让他们沿着确定的道路前进。

    科学人:你有粒子物理学博士学位,后来为什么不做物理了呢?

    沃尔夫勒姆:我没有离开物理呀,我时不时地还会回到物理问题。我在《一种新科学》里就讨论了很多物理问题。我对各种各样的问题都感兴趣,特别是宇宙的最本质特性,这也是促使我学习粒子物理的原因,但我学了之后发现粒子物理的细节并不是宇宙的本质,而诸如复杂系统的特性这样的问题要比物理学更加基本。你可以把这些研究想象成一般性的物理原则。对于宇宙的具体物理特性我依然感兴趣,我希望有一天能把一般性的物理原则应用在上面。

    当希格斯玻色子得奖的时候,我在美国起了个大早看视频直播,我意识到现场有很多好多年没见的老朋友,他们一直留在物理学界。他们介绍希格斯玻色子的时候我想,“这些我都知道呀,四十年前我就是在做这些东西。”我想我完全可以留在物理学界,四十年来一直就做这样的研究,我觉得我对此还算挺擅长的。但是因为我转行做了许多其他别的内容,我所弄明白的东西,哪怕限定在物理学里,也比留在物理学界做单一领域要多得多。我的人生有一条经验让我念念不忘,那就是研究许多不同的东西能让人学到更多,哪怕你的目标只是解决一个问题,也是如此。在这一点上我很幸运。

    科学人:你说你最喜欢的发现是Rule 30,为什么呢?

    沃尔夫勒姆:这是我发现的第一个元胞自动机规则,它是一个戏剧性的例子,表明一个简单的生成规则如何诞生出复杂的行为。我喜欢拿它和科学史上的案例对比:当伽利略发现木星的卫星的时候,这就是一个迹象,表明物理学的定律适用于整个宇宙。Rule 30让我意识到,在计算的宇宙中凭借简单规则可以出现一些非常复杂的现象,这并不是显然的;这是第一个明确的案例。

    今天的科学和技术,很多都是依靠搜寻这个计算宇宙中的可能程序,寻找在行为上满足我们需求的那些。正是简单程序可以产生复杂行为这一特征使之成为可能。在我写《一种新科学》的时候,我做出了一个预测:审视一下新出现的关于自然界的模型,我们会看到,基于程序的发现,将逐渐取代基于方程的发现。我预测在五十年内,挖掘计算空间所产生的科技将会超过传统方式。那是十二年前的事情,我们还有三十八年。我们正站在这个趋势的开端。

  • 弦论加量子场论:可以在瓶子中创造一个宇宙?

    马尔达西那提出了Ads/CFT对偶,打开了一扇通往量子引力的新大门。他的发现把弦论和物理学家已经研究得相当透彻的量子场论联系起来,令所有弦论研究者兴奋不已。用他自己的话说,这个理论意味着“你可以在瓶子中创造一个宇宙”。

           去年7月,来自世界各地的180位物理学家聚集到了加拿大的圆周理论物理研究所,参加“It from Qubit”(IfQ)项目的首次大型研讨会。由于接待能力有限,还有更多有意参加的学者无法来到现场,只能通过网络观看报告和参与讨论。参会研究者的专业可谓是五花八门:量子引力、粒子物理、凝聚态物理、量子信息等等,基本涵盖了整个现代物理学。

     

            这次会议,这么多物理学家,还有IfQ项目的最终目的只有一个,就是寻找通往终极理论的可行道路。而他们所有探讨的出发点,则是一个人的智力成果——胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)的Ads/CFT对偶。

     

            终极理论,用谦卑一点的说法就是量子引力理论,也就是能把量子力学和描述引力的广义相对论统一到一起的理论。量子力学和广义相对论是当代物理学的两大支柱,诸多观测和实验——包括最近的量子通信、引力波等研究,均证明了它们正确无误。然而,这两种理论却是难以调和的。一般情况下,这并未给我们带来太大困扰,毕竟两者适用的场合不同,广义相对论涉及强引力场,研究的通常是星系甚至宇宙这样的大尺度对象,而量子力学统治的则是基本粒子的微观世界。但是,要描述某些极端的场合,例如大爆炸之初和黑洞中心,我们就必须要有一个量子引力理论了。事实上,对黑洞的研究的确暴露出两种理论存在着尖锐的矛盾。

     

            当然,物理学家很早就开始探寻统一两种理论的办法了,爱因斯坦晚年的大部分时间就是在尝试把量子理论统一到广义相对论中,建立一个“统一场论”,但基本上徒劳无功。后来的物理学家提出了数种建立量子引力理论的途径,其中看起来希望最大的是弦论。这种理论把粒子看成一维的、正在振动的弦,从而避开了一些讨厌的障碍。遗憾的是,弦论实在是太复杂了,它要求宇宙在四维时空之外还有额外的维度,必须想办法把那些额外维“卷”起来,但具体的可能操作方法实在太多,这让物理学家很难得出一个描述宇宙的确定理论。 

     

    2016年的IfQ研讨会上,马尔达西那(画面中央)与与会者交谈。

    弦论领域的“超新星”

            不过,在1997年,弦论领域迎来了一次重大突破,马尔达西那提出了Ads/CFT对偶,打开了一扇通往量子引力的新大门。他的发现把弦论和物理学家已经研究得相当透彻的量子场论联系起来,令所有弦论研究者兴奋不已。用他自己的话说,这个理论意味着“你可以在瓶子中创造一个宇宙”。

     

            1998年初,马尔达西那在Advances in Theoretical and Mathematical Physics上发表了有关该研究的论文The Large N Limit of Superconformal Field Theories and Supergravity,接下来短短的几个月,物理学界就涌现出了上百篇相关的论文,进一步完善了这一理论。在1998年夏天的弦论大会上,为了庆祝这一进展,兴奋的物理学家们跳起了源于同名流行歌曲的马卡丽娜(Macarena)舞。对于他们来说,可能叫马尔达西那舞更合适一些,芝加哥大学的理论物理学家杰弗里·哈维(Jeffrey Harvey)还给这首歌填了新的歌词,内容都换成了弦论,最后的“Hey,Macarena!”,也变成了“Ehhhh! Maldacena!”

     

            这股热潮的源头马尔达西那,时年29岁,在哈佛大学担任副教授。马尔达西那来自阿根廷,出生于布宜诺斯艾利斯,幼年时的他受工程师父亲的影响,对日常器物的运作原理颇感兴趣,当在中学阶段接触了物理学后,他立刻就被这个探究宇宙运行机制的学科牢牢吸引。马尔达西那在阿根廷的Balseiro研究所获得了硕士学位,然后来到了美国普林斯顿大学,在理论物理学家柯蒂斯·卡伦(Curtis Callan)指导下攻读博士学位。在学习期间,马尔达西那有个与众不同的习惯,虽然他的专业是理论物理方向,却也花了不少时间到实验室中参与实验组的工作。这样的经历让他认识到了检验理论和进行测量时会遭遇的种种问题,获益匪浅。 

    胡安·马尔达西那 图片来源:QuantaMazagine

            马尔达西那关于应用弦理论研究黑洞的博士论文得到了哈佛大学物理系的关注,于是在1997年,博士毕业仅1年,他就成为了哈佛大学的副教授。在掀起弦论的新一轮热潮后,他又在1999年迅速升为了正教授。

     

            现在,马尔达西那是普林斯顿高等研究院的Carl P. Feinberg讲席教授。他当年的那篇论文引用次数已经超过了15 000次。这20年来,几乎每两天,就会有人发表一篇引用了这篇论文的新论文,顺理成章地成了高能物理领域有史以来引用量最高的论文(其实排名第二的论文也是关于Ads/CFT对偶的)。马尔达西那本人也成了弦论领域的代表人物,有不少人认为,他是当今最聪明的物理学家,甚至把他称作我们这个时代的爱因斯坦。

    没有引力的量子引力理论

            Ads/CFT对偶,或者说马尔达西那对偶到底有何魅力,让物理学界为之如此痴迷?用加利福尼亚大学物理学家约瑟夫·波尔津斯基(Joseph Polchinski)的话说,Ads/CFT对偶是目前为止,距离统一量子力学和广义相对论的宏大目标最近的理论。它化繁为简,让物理学家可以避开弦论的种种难题,找到处理量子引力的方法(至少在某种特殊空间中)。

     

            所谓的对偶,指的是看似毫不相同的两个事物之间存在奇异的等效性。在马尔达西那对偶的左边,Ads代表反德西特(anti-de Sitter)空间,右边的CFT则代表共形场论(Conformal Field Theory)。不过,确切地说,构成了对偶的双方是反德西特空间中的量子引力理论(弦论),与该空间边界上的普通量子理论(共形场就是一种量子理论)。

     

            反德西特空间,这个看上去有点奇怪的名字源自荷兰物理学家威廉·德西特(Willem de Sitter),是他首先提出了德西特空间。我们熟悉欧几里德式的平直空间,在这样的空间中,两条平行线永远不会相交,三角形的内角和精确等于180度。但空间也可能是弯曲,实际上,按照爱因斯坦的广义相对论,物体拥有的质量就会让周围空间弯曲,而整个宇宙空间也有可能是弯曲的。弯曲的空间,曲率可能是正也可能是负,为了方便理解,我们可以考虑只有两个维度的空间,最简单的正曲率代表就是球面,而负曲率的代表则是马鞍形的双曲抛物面。

     

            给球面加上时间维度,就可以得到最简单的正曲率时空——德西特空间(当然德西特空间的空间维也可能是三维或者更高),物理学家曾以为我们的真实宇宙就是有三个空间维的德西特空间,常用来解释宇宙膨胀的气球实际上就是这种德西特空间的二维类比。(不过,目前的观测结果表明我们宇宙更可能是平直的。)同样,给最简单的负曲率空间加上时间,就得到了反德西特空间。

     

            反德西特空间与真实的宇宙不同,既不会膨胀也不会收缩。更为奇特的是,它虽然是无限的,却有“边界”。这个边界是由空间和时间共同圈出来的,如果把时间固定,只考虑空间上的边界,那么一个与我们宇宙类似,有三个空间维的反德西特空间,其边界就是一个二维球面。

            马尔达西那对偶的核心就是,这个三维空间中的量子引力理论,和二维球面上不包含引力的量子理论是完全等价的(对于更高维度也成立)。这种“体”与“边界”的全息对应关系,也被称为全息原理,马尔达西那对偶就是这个原理的一个成功实例。

     

            具体来说,完全等价指的是,一种理论中描述的每一个物体,在另一种理论中都有一个对应物,虽然对应的两者可能不甚相同。有可能内部空间中是单个的某种粒子,而边界上与之对应的则是可视为整体的一团其他种类的粒子。此外,对于相互对应的两个物体将如何运动,两种理论给出的预测也是完全相同的。如果内部空间的两个粒子有40%的概率发生碰撞,那在边界上,与之对应的两团粒子也有同样的概率发生碰撞。

     

            既然两种理论是完全等价的,量子引力难题就可以大幅度简化了,物理学家只要知道边界上不涉及引力的量子理论就可以了,无需再去纠结内部空间那复杂而难以处理的量子引力理论。可是,不包含引力的理论,能叫作量子引力理论吗?既然用边界理论即可预言内部空间发生的一切,这并不是什么问题。其实,我们身处的时空也可能只是二维边界的一个全息投影,引力也只是从中产生的幻象罢了。

     

            当然,马尔达西那对偶只是接近了终极理论,并没有抵达终点。物理学家只知道这种对偶成立,但不明白为何存在这样的对应关系。更重要的是,马尔达西那对偶适用的是反德西特空间,并不是我们真正的宇宙空间,只能说是一个“玩具模型”。但许多物理学家认为,这个玩具模型可以代表我们的宇宙,如果能真正理解它,也就能理解我们的宇宙。这正是包括马尔达西那本人在内的IfQ项目成员,以及其他诸多物理学家的努力方向。

     

            在2013年,马尔达西那又一次震撼了物理学界。他提出,看似毫不相关的虫洞和量子纠缠,在本质上是相同的,编织出整个时空构造的丝线,或许就是量子纠缠(要了解这一想法,可以阅读《环球科学》2017年第1期封面故事《量子纠缠创造了虫洞》)。这个理论简称为ER=EPR,与Ads/CFT对偶一样,都揭示了时空与量子作用之间存在着深层次的联系,为追寻终极理论提供了新的线索。

     

            在近20年后,马尔达西那,依然是最接近终极理论的那个人。

    撰文 |《环球科学》资深编辑 韩晶晶

  • 关于维度和多维宇宙:迄今为止关于物理学的最强科普!

    本文素材主要摘录自加来道雄的《Hypersapce》和丘成桐的《The Shape of Inner Space》。作者希望凭籍本文,回顾一下两百年来的科学史,看看那些代表着人类最高心智的数学家、物理学家们前仆后继探究宇宙本源的奇妙历程,并向他们致以最崇高的敬意!

    这是一部壮丽的物理史诗,这是一串光耀后世的姓名。他们是:牛顿,高斯,黎曼,麦克斯韦尔,爱因斯坦,杨振宁,罗摩奴詹,霍金,维藤……(且慢,最近十年,我们只能在娱乐版看到的杨老师,居然可以和那些大师比肩吗?可以的!以杨老师和他的学生命名的杨-米场,即所谓标准模型,成功地解释、整合了四种自然力中的三种。)

    那么,这些智慧的头脑到底有多智慧?

    我们普遍接受这样一个结论,即我们现存的这个宇宙起源于一次大爆炸,英文叫做Big Bang!

    但是,原子物理学家绝不可以止步在如此初级的常识上。他会告诉你,创世的刹那,是如下的演化阶段:

    话说:一切,开始于10E^- 43 秒……(10的负43次方秒,也称为普朗克时间,人类已知的最小时间存在。普朗克时间=普朗克长度/光速。光速定义值:c=299792458m/s=299792.458km/s。请注意了,这是一个定义值,而不是一个测量值。

    言归正传,创世的刹那:

     

    1

    创世时间表


    # 10E-43秒,十维宇宙分裂成一个四维宇宙和一个六维宇宙。六维宇宙崩溃,缩成10E-32公尺。四维宇宙(我们今天所在的宇宙)则迅速爆炸,此时的温度高达10E32(10的32次方)度;

    # 10E-35秒,大一统作用力崩解;

    # 10E-9秒,电弱对称崩解,此时的温度是10E15度;

    # 10E-3秒,夸克开始凝聚,中子与质子出现,此时的温度是10E14度;

    # 3分钟,质子与中子开始凝聚成稳定的原子核;

    # 30万年,电子开始凝聚在原子核周围,第一个原子出现;

    # 30亿年,第一个似星体(quasar)出现;

    # 50亿年,第一个星系出现;

    # 100~150亿年,太阳系诞生,又经过数十亿年,地球上出现了第一个生命。

    这个时间表,是哪位大神写的科幻小说吧?NO!这是目前已经成为众多科学家普遍共识的创世时间表。

    的确,表中所述的那个数量级上的时间、长度、温度等等所有的数值,没有任何一个是可以直接测量的,因为目前咱们人类的技术和工具水平,还远远不能企及到那个数量级。但是,人类的心智却做到了。这个时间表里面的每一个数字的背后,都是一堆严密的公式和演算,都有一群知名或者不知名的物理学家和数学家,他们是我们人类最智慧的大脑。

    回到时间表的第一个事件,“十维宇宙分裂”,这就是我们今天的主题了:超维度空间。让我们一起看看,两百年来,科学家们是如何探究世界的本源的。

    让我们先厘清一个重要概念:

    2

    维度和多维宇宙


    一只在直线上行走的毛毛虫只能前后移动,所以,我们把直线或曲线叫做:一维空间;

    一只阿米巴扁平虫可以在球面上前后左右移动,所以,我们把平面或曲面叫做:二维空间;

    一只鸟在我们的空间可以上下前后左右移动,所以,我们的空间叫做是:三维空间;

    (加上时间一维,我们的世界是四维的,合称时空。在这个时空中你要准确标定一个点,需要四个数字,比如:淮海路、马当路交界,二楼,下午四点。)

    依此类推,,,

    如果,有人告诉你,多维空间(四维以上)的人,看着我们的保险柜或房子时根本就是内外一目了然,就像我们看着二维平面上的圆圈一样,你会不会大惑不解、无法想象、或者毛骨悚然?

    当然,对于眼见为凭来说,这其实涉入了一个哲学难题。如果眼见才是真实的,那么高维度的对象就不是真实的。但从另一个角度来看,人不过是动物中的一种,阿米巴扁平虫只能感知二维的世界,我们如何证明我们所能感知的所谓’真实’,岂不是也受限于我们自己的认知条件?

    必须承认的事实是:人类的大脑和眼睛,只是为了应付三维空间和四维时空的各种情况演化出来的,因此它们不具备辨识和解析高维度空间物体的能力。

    超弦理论认为:宇宙真正的时空,其实是一个十维的空间,其中四维是爱因斯坦的时空流形(也就是我们的日常生活空间),另外一个和它’垂直’的还有一个很小很小的六维流形。在这个十维空间中,有一种最小单位的弦纵横其中。以类比的说法,十维空间是宇宙这座大琴的音箱,拨动这些弦造成不同的音高与音色,于是产生不同的基本粒子,进而发展出所有的物质与作用力。(最新的M理论,有别于超弦理论,认为宇宙是从十一维开始演进的。)

    3

    只有四种自然力


    两千年来,科学家已经发现我们宇宙的所有现象,都可以简化成四个作用力:

    1、电磁力(electromagneticforce):包括电力、磁力和光本身,合称为电磁力。电荷(磁级)正负相同为排斥力,相反为吸引力。由光子传递,与电量成正比,距离成反比。长程力,在四种力中第2强。

    2、强核力 (strong nuclearforce):是夸克之间的吸引力,由胶子传递(束缚质子和中子于原子核中的是其附加效果由π介子传递)。在有效距离内,距离越大,力约大。短程力,在四种力中最强,也是恒星燃烧能量的自然力,氢弹的爆炸正是运用强核力的原理。

    3、弱核力 (weak nuclear force):弱核力左右了部分放射性物质的衰变形态,是造成β衰变一类的衰变的力。由希格斯粒子(W+、W-、Z0)传递,较弱,短程力,作用在夸克级的粒子。是四种力中第3强的。

    4、重力 (gravitational force,或称引力):由引力子传递,与质量成正比,距离成反比。长程力,在四种力中最弱。

    4

    为何要统一自然力?


    一旦人类将所有的作用力整合成一个超作用力,这时会有什么突破。关于这一点,物理学家Paul Davies写到:

    “我们能够改变时空的结构,了解宇宙万物的来龙去脉,让物质变得井然有序。控制超作用力后,我们便能任意地组合与改变粒子,制造出前所未有的物质形态。我们甚至能左右空间的维度数,制造出具有不可思议属性的人工世界。我们将成为宇宙的主宰。”

    回看一下人类掌握“力”的历史:

    人类诞生的历史超过数千万年,在99.99%时间里,人类能够掌握的能量只是双手和肌肉的力量,大概只有八分之一马力;

    十万年前,随着手持工具的发明,人类的能量输出倍增,达到一又四分之一马力;

    牛顿发现万有引力和运动定律,让力学被简化成条理分明的方程组。现代机械原理催生出蒸汽机,人类掌握的能量达到数十到数百马力;

    麦克斯韦尔方程式,启迪了爱迪生等发明家,人类进入电力时代,能量级数获得飞跃,极大地改变了人们的生活。

    爱因斯坦的相对论为人类打开了核能利用的时代,人类掌握的能量提升到足够摧毁自己所居住的行星的程度。

    历史地看,每当人类控制一项自然力,都能大幅提升人类所能掌握的能量,让整个社会改头换面。(那么,未来的人类需要多大的能量?10E 20亿电子伏特起步,超过了现在的一千亿倍。否则,我们将无法使空间弯曲,解决航行到遥远星际的难题;或者,在宇宙崩溃的瞬间,有足够的能量打开六维宇宙,逃离灭亡的劫难。)

    下面,就让我们按照时间顺序,回顾一下人类整合四种自然力的历程:

    (本文虽然涉及诸多专有词汇,但我们尽量直白描述。理解这些前辈的伟大思想其实不难,并不需要多少艰深的专业知识,只要:一点常识+一点逻辑+一点耐心。)

    第一个走进这段物理史诗的,是一位数学家:黎曼。

    5

    黎曼,支撑爱因斯坦的巨人


    牛顿曾经说:“如果说我比别人看得更远些,那是因为我站在了巨人的肩上”。按照牛顿的这种说法,黎曼毫无疑问正是支撑起爱因斯坦的那个巨人。

    一八五四年六月十日,一套新的几何学诞生了。黎曼在德国哥廷根大学发表了著名的演说,彻底撼动了两千年来从未被动摇过的欧几里德几何学。

    黎曼是位数学奇才,高中时期只用区区六天时间完全吸收了《数论》(Theory of Number),那是一部八百五十九页的艰涩巨著。

    黎曼挑战希腊几何学,认为纵然欧几里德的数学运算极为精确,它的根基却只是常识与直觉的流沙,而不是扎实的逻辑推演结果。

    比如,欧式几何说三角形三个内角之和等于一百八十度,但这个看似简单的问题,在数学史上却从来没有被严密证明过!而且,假如我们身处弯曲表面的世界,这个公式就不成立了。(行文至此,我们必须向欧几里德先生表达诚挚的敬意!每次想到他老人家两千多年前写就的《几何原本》至今仍然是全世界的中学课本,我就不寒而栗!那些至今未被严密证明过的公理,一个生活于公元前300年的希腊人是如何发现的呐?如果这个世界有“神迹”,欧先生当之无愧是其中之一!)

    说回到黎曼,他的研究领域甚至延伸到电学,他认为电力与磁力实际上是同一种作用力的不同表象。据此他发展出作用力新解,作出了牛顿两百年以后的首次划时代重大突破,彻底推翻了牛顿的超距作用原则,他认为:作用力源自于几何学,作用力只是由于几何结构扭曲所造成的必然现象。(牛顿以后,科学界认为作用力是一种两个遥距物体的即时交互作用,一个物体可以即时影响间隔一段距离的其他物体的运动。

    我们总结一下黎曼的伟大之处:

    1、他以多维空间理论简化了所有自然作用力;认为电力与磁力和重力一样,只是高维空间弯曲产生的结果。

    2、他提出了虫洞(warmholes)的概念,黎曼切口是多重连结空间的一个最简单范例。

    3、他以“场”来描述重力,以“度量张量”(Riemann metric tensor)描述空间里每一个点的重力场。(所谓“度量张量”,其实就是一组数字,类似坐标。)

    黎曼英年早逝,并未找出电力与磁力的场方程式,也没有计算出空间要褶皱到什么程度才足以描述不同的作用力,这几项重要发展留给了麦克斯韦尔和爱因斯坦。

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    狭义相对论,光速恒定? E=mc2


    我们赞美阳光!它不仅孕育了的生命,同时也照亮了人类的思想。爱因斯坦,是那个御光飞行、穿越时空的人。

    爱因斯坦小时候,常以简单问题自问自答:“如果你追上一束光线,它看起来是什么样子?你会不会看到一束静止的光波,冻结在时间中?”这个问题,让他在后五十年里,带领人类走进了时空神秘之旅。

    十六岁时,爱因斯坦发现世界上似乎并没有能够追上光速的东西。二十六岁时,他用严密的数学证明了这一发现。在瑞士专利局担任低阶职员的他,用麦克斯韦尔的场方程式推导出狭义相对论(special relativity)。

    用一句话概括狭义相对论,那就是:光速在任何恒动架构里恒为常数。这个定理表面上看并不显眼,但确是人类心灵的最伟大成就之一!

    爱因斯坦指出,无论我们怎样加速,无论我们自身的速度如何,人们所能测量的光速是一样的。

    对于这一结论,爱因斯坦给出了超脱凡俗的解释,他认为:导致这个结果的原因是:时间变慢了!(这是石破天惊的一句)也就是说,我们移动的越快,我们的时钟就走得越慢,我们的量尺也越短,所以,我们测量的光速是不变的。

    爱因斯坦进一步思考:那么,几乎所有的物体都必须使用时钟与量尺来测量,既然时间和量尺都是变化的,所以我们必须校正所有的物理量(quantity),于是他导出了下一个重大的结论:质量是从能量来的。

    这个结论,一举推翻了十九世纪的两大物理发现:质量守恒和能量守恒。自此以后,质量与能量被视为单一单位:质-能(matter-energy)。

    二十六岁的爱因斯坦同时给出了质能变动的方程式,那就是著名的 E=mc2。

    让我们再来追寻一下狭义相对论的推导过程:

    光速恒定?时间变慢?质量不恒定?“质量-能量”相互转换? E=mc2

    侠义相对论,统一了“时-空”,也统一了“质-能”。

    统一了“时-空”以及“质-能”之后的爱因斯坦,进一步思考“时空”与“质能”之间的关系,也就是狭义相对论所忽略的加速度,还有重力。

    这导致了他的下一个巨大成就:广义相对论。

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    广义相对论,空间是弯曲的?力学=几何学


    再次,爱因斯坦由一个简单问题开始:“如果一个人处于自由落体状态,他就不会感觉到自己的体重?”爱因斯坦透过这个简单问题掌握了重力的基本特性:在加速度架构下的自然律和重力场的定律是一样的。这就是所谓等效原理(equivalence principle)。

    透过等效原理,爱因斯坦重新思考关于光速的问题:光速会受重力影响吗?答案是肯定的,重力场会扭曲光线的行进路线。

    但是!但是,根据费玛最短时间原理,光线会采取两点之间的最短时间路径,爱因斯坦再次得出一个令人震慑的结论:如果我们可以观测到光线以曲线前进,那就意味着空间本身是弯曲的!(光以曲线前进这一预测,已经被后人的无数次实验反复证明。)

    伟大的爱因斯坦进一步得出结论:质能的存在造成周围时空的弯曲。

    我们前面讲过,数学家黎曼早在一八五四年就提出了作用力与空间弯曲的关系,并提出了重力场论。爱因斯坦利用黎曼的研究成果,用数学形式表达了他自己的物理学新发现,这就是广义相对论(general relativity)。

    让我们再来追寻一下广义相对论的推导过程:

    光线以曲线前进+光线走两点间最短时间路径?空间是弯曲的?“质-能”造成“时-空”弯曲?力学=几何学

    爱因斯坦的伟大,止步于他的第三次尝试。

    在狭义和广义相对论之后,他终其一生研究统一场论(unified field theory ),简单说,就是试图寻找一个公式,能够同时描述光与重力。可惜,他最终没有成功。

    对这一问题给出答案的,是Theodor Kaluza和Oskar Klein两位科学家,他们的理论我们称之为“克鲁查-克莱因理论”,简单说,这个理论就是:在五维空间里,将光与重力的理论统一了起来。

    可是,第五维到底在哪里?克鲁查说:第五维已经崩解成一个圆圈,它的体积实在太小了,连原子都装不下,因而也无法测量。一九二六年,克莱因甚至计算出第五维的尺寸只有10E-33公分(10的负33次方),而探测如此微小距离所需要的能量也就是是所谓蒲朗克能量(Planck energy),相当于10E 20亿电子伏特,百万兆倍于质子蕴藏的能量。

    克鲁查-克莱因理论在当时并未收到广泛关注和普遍认同,领一时风气之先的是另一套全新的理论:量子力学(quantum mechanics)(码了这么多字,原子物理学家终于登场了!)

    8

    量子力学,整合了三种自然相互作用力


    一九二五年,以薛丁格(Erwin Schr?dinger)和海森堡(Werner Heisenberg)为代表的一组科学家,已经对原子运动给出了几近完整的数学描述,我们称之为量子力学。

    这是一套与黎曼、爱因斯坦学说迥异的解释自然力的理论,它的主要理论观点包括:

    1、作用力是由于不连续的能量包交换而产生(也就是量子:quanta);

    2、不同的作用力的产生来自于不同量子的交换;

    3、我们永远无法同时知道次原子粒子的速度及其位置;

    这就是著名的海森堡测不准定理,这个听起来不怎么靠谱的定理,却是半个世纪以来最经得起任何实验挑战的一个定理,至今,还没有任何一个实验结果违背了这一条定理。

    所谓次原子粒子:就是比原子还要微小的粒子。海森堡测不准定律在哲学上的意义在于,它从物质构成的最底层,将所有事物的产生和构成,都解释为机率的一个表现,而不是一个必然的结果!换句话说,就是没有所谓客观存在,也没有所谓必然结果。这一条,彻底撼动了唯物主义的基石。

    4、粒子有可能以有限机率进行穿隧或量子跳跃,并穿越不可浸透的障碍物。

    听起来各种不靠谱是吗?但是!这个理论不仅反复被实验证明,而且人们甚至根据该理论制造出了隧道二极管(tunnel diode,或称江崎二极管)。

    量子力学以光子(也就是光的量子)为例,认为弱作用力和强作用力是源于能量量子的交换,并称之为“杨-米场”,这是杨振宁和他的学生米尔斯于一九五四年发现的理论。

    你造吗?杨老师年轻的时候有多牛逼!到一九七O年代,杨-米场已经可以解开所有核子物质的秘密,可以解释有关于次原子粒子的任何实验数据。在解释电子与光的交互作用时,其精确度达到千万分之一,号称是有史以来最精确的理论。科学界对这个理论如此有信心,以至于称之为“标准模型”(Standard Model)。

    量子力学经过五十年的发展,成功地整合了四种自然作用力的三种:强作用力+弱作用力+电磁力。但是,包括杨振宁本人在内的许多科学家都认为,标准模型一定不是最终的大一统理论,主要原因是该模型并不包括重力!

    历史地看,可以这么说:量子力学只是根据次原子粒子的部分外表特性做了整理,却未对它们的来源做出任何说明。

    9

    超重力论,在十一维空间统合四种作用力


    统合量子理论和重力,以创造出一个“万有理论”(Theory of Everything),这个问题挫折了二十世纪最聪明的心智,包括爱因斯坦、海森堡等等一众科学界的巨擎和大碗,但均不可得。

    一九七六年,纽约州立大学石溪分校的三位物理学家写下了超重力理论。简单说,这个理论对黎曼的“度量张量”模型进行研究,几乎实现了爱因斯坦统合已知作用力的梦想。

    他们发现,在一个十一维的度量张量模型里,包含了自然界里几乎所有的粒子与作用力:爱因斯坦的重力理论、杨-米场与麦克斯韦尔场、还有夸克与轻子。如图所示:

     

    (图中的括弧,代表一个十一维的黎曼度量张量场。如果把它简化成四维,就是爱因斯坦的重力场;提高它的维度数,我们就可以推导出麦克斯韦尔方程组和标准化模型;最终,在十一维度,统合了代表四种作用力的所有方程组。)

    超重力理论虽然在模型上统合了四种作用力,但它的缺陷在于在很多关键节点上没有具体量化的数学模型和公式。所以只能成为迈向宇宙统一理论慢慢征途上的一块铺路石。新的,也是最强大有力的物理学计划已经登场,它就是:超弦理论(Superstring Theory)

    10

    超弦,统合所有作用力和自然律


    一九六八年,超弦理论被意外发现。当时,两位年轻的理论物理学家在欧洲核子研究中心(CERN)意外发现十九世纪数学家尤拉完成的尤拉贝塔函数(Euler beta funcation)竟然符合几乎所有描述基本粒子强交互作用所需的全部特质。

    什么是弦论呢?爱因斯坦在后半生中,一直在寻找统一场论,即一个能在单独的包罗万象的数学框架下描写自然界所有力的理论。他渴望以前人从未成功达到过的清晰来揭示宇宙活动的奥秘,由此而展示的自然界的动人美丽和优雅。

    如今,相当一部分物理学家相信他们终于发现了一个框架,有可能把这些知识缝合成一个无缝的整体:一个单一的理论,一个能描述一切现象的理论,这就是弦论。它正在实现当年爱因斯坦满怀热情追求的统一理论的理想。

    弦论可以用来描述引力和所有基本粒子。它的一个基本观点就是自然界的基本单元, 如电子、光子、中微子和夸克等等, 看起来像粒子,实际上都是很小很小的一维弦的不同振动模式,正如小提琴上的弦。

    弦理论中的宇宙弦(我们把弦论中的弦称作超弦,以免与普通的弦混淆)可以作某些模式的振动。每种振动模式都对应有特殊的共振频率和波长。所有的基本粒子, 如电子、光子、中微子和夸克等等,都是宇宙弦的不同振动模式或振动激发态。

    每条宇宙弦的典型尺度约为长度的基本单位,即普朗克长度(10E -33厘米)。弦实在是太细微了,从远处观察,我们实在无法区分它究竟是弦的共振还是粒子。只有当我们把粒子放大,我们才能看出那根本不是一个点状粒子,而是一种振动弦。

    按照超弦理论,粒子并非是宇宙的基本元素,物理定律就相当于琴弦的合音定律。弦论博大精深,可以解释所有的自然基本定律。

    简言之, 如果把宇宙看作是由宇宙弦组成的大海,那末基本粒子就像是水中的泡沫, 它们不断在产生, 也不断在湮灭。我们现实的物质世界, 其实是宇宙弦演奏的一曲壮丽的交响乐 !

    甚至包含生命复杂信息和编码的去氧核糖核酸(DNA)分子,也是类似弦的结构。弦,是能够储存大量数据的最精简的方式之一。

    超弦理论,以及在其基础上发展起来的弦场理论,统合了所有的自然律和作用力,菲尔兹奖章(诺贝尔奖没有设立数学奖,菲尔兹是数学界的最高奖项)获得者维藤说:“所有物理学上的伟大思想,都是超弦理论的副产品。”

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    罗摩奴詹,确立十维宇宙


    超弦理论似乎包含了所有的物理学知识,极其广博精深。许多科学家认为,这是二十一世纪的物理学,意外落入二十世纪,但是人类还没有发明二十一世纪的数学,来精确描述它。

    有一个重大秘密:我们只能在二十六维与十维中定义弦论,否则就无法用弦论整合已知的物理定律。解开这个秘密的,是堪比当年黎曼的另一位数学天才罗摩奴詹(Srinivasa Ramanujan)。

    罗摩奴詹一八八七年出生于印度,少时坎坷,甚至没有通过升高三的考试。二十六岁那年,他给著名数学家哈代写了一封信,信中包含了一百二十个定理。这位贫穷孤立的印度哥们,完全不知道欧洲数学界的任何研究资讯,纯粹凭个人才智、按照自己的方法,重新推导出欧洲百年数学史的所有重要定律。

    罗摩奴詹的研究成果包含了三册四百多页的笔记,其中包含了四千多个公式。后人在此基础上总结出了罗摩奴詹模函数(Ramanujan funcation),这是一个奇特的包含了高达二十四次乘幂的数学式。这些数学式证明:弦论只有在十维中才是自洽的。也就是说,产生我们现存宇宙的那个高维度宇宙,它的维度数一定是十!(1994年开始了弦论的第二次革命。此后诞生的“M理论”被认为是最新的大一统理论模型,M理论认为:历史上五种不同的弦论在本质上被证明是等价的,它们可以从11维时空的M理论导出。)

    写到这儿,这一段物理诗史基本可以告一段落。从黎曼、爱因斯坦的重力场,到量子力学,到超重力论,到超弦理论,到M理论,人类历史上这些伟大的智慧头脑,前赴后继探寻宇宙的真理,已经为我们描述了宇宙诞生的全过程,也就是开始于10E-34秒的创世时间表。

    让我们一起看看,弦论以后,科学到底是怎样解释我们所存在的这个宇宙的:

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    宇宙的生灭


    一、宇宙的诞生

    正如我们之前所介绍的那样,创世的刹那,开始于“大爆炸”Big Bang,自10E-34秒开始,历经150亿年形成我们今天的宇宙。

    宇宙“大爆炸”的实验证据主要有以下四点:

    1、经由测量恒星光线的扭曲的现象,一再证实恒星正以高速远离我们而去,而且,离我们越远的恒星或星系,会以越高的速度远离我们而去;

    2、“大爆炸”理论预测宇宙中氦与氢的比例应该接近25% : 75%,实际测量数据与该预测高度吻合;

    3、通过对放射性物质衰变的测量,我们可以为地球上的岩石和陨石断年,目前没有发现任何物体可以追溯到“大爆炸”之前;

    4、“大爆炸”产生了宇宙回音,这种微波辐射至今仍在宇宙回响,一九六五年,人类侦测到了这个微波背景辐射(microwave backgroundradiation)。

    二、宇宙的灭亡

    我们先看看每颗恒星的生命历程:

    恒星由大量氢气聚合形成,氢元素融合形成氦,由于氢质子的重量超过氦质子的重量,因此氢聚合成氦时就会有多余的质量,这些质量依据爱因斯坦的质-能公式 E=mc2成为能量,这个能量将原子核束缚在一起,并将部分能量释放出来,使太阳发光发热。

    之后,经过数十亿年光阴,氢气逐渐耗尽,核熔炉逐渐熄灭,重力成为优势作用力使恒星两次塌陷,恒星温度此时会急剧升高,成为“红巨星”,再然后成为“白矮星”,“白矮星”爆炸成为“超新星”和“中子星”,“中子星由于重力继续塌陷,最后成为“黑洞”。

    在这一历程中,恒星内部的元素按照“结合能量曲线“依次变化。

    恒星中的氢元素按照这个曲线一再融合成为更重元素之后便会到达铁,而无法再制造出额外的能量,这时,恒星崩溃并释放出大量热量,超新星于焉诞生,这种剧烈爆炸将星体炸碎并将残骸遍洒星际空间,成为孕育新恒星的种子。

    在描述完恒星的生命周期后,我们再看看包含无数颗恒星并见证无数次恒星生灭的宇宙本身,它将何去何从?

    根据爱因斯坦的广义相对论,宇宙的结局无限悲泣。要么,就是不断膨胀,直到温度接近绝对零度;要么,就是大崩坠,收缩成一团火球。如果宇宙是一个无限边界的开放宇宙,它就会被“冰”毁灭;如果宇宙是一个有边界的封闭宇宙,它就会被火毁灭。

    物理学家通过平均密度来判断宇宙到底是不断膨胀还是会逆转走向大崩坠,如果宇宙平均密度小于10E-29 克/立方公分,宇宙就会不断膨胀,否则,将会陷入大崩坠。

    量子力学还描述了另外一种宇宙消亡的情景,那就是质子和中子衰变。根据大一统理论,我们所知道的一切物质,包括太阳系和地球、也包括智慧生物身体内的质子和中子最终都会分解。

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    问题是:产生宇宙的大爆炸之前是什么?


    在了解了恒星乃至整个宇宙的生命历程之后,必须要回答的问题是:在这个刹那之前呐?是否有那个第一推动力?或者说,是否有那个点燃Big Bang的上帝存在呐?

    数百年来,伴随着科学发现的不断积累,宗教界关于上帝存在的坚持已经退守到这样一个境地,那就是说:大霹雳之前到底发生了什么?牛顿生前并没有能够解答这个关于“第一推动”的问题,他把它归功于“上帝之手”。

    但事实上,以超弦理论为集大成者,今天的科学家群体,不仅给出了Big Bang创世之后的宇宙发展历程(包括宇宙消亡的历程),同时也给出了Big Bang之前的宇宙存在的假说,那就是关于平行宇宙、黑洞、虫洞等相关理论。这些理论在解答了“第一推动”这个疑问的同时,再次撼动了上帝存在的证明。

    昔日尼采有言“上帝已死”,现在霍金在《大设计》第一页上就宣称“哲学已死”,因为“哲学跟不上科学,特别是物理学现代发展的步伐”。这是一个极为傲慢的“宣言”。他的意思是,世界本源是所有哲学流派的终极思考,而现在科学界已经给出了世界本源和宇宙发展的全部解释,所以,哲学的使命已经终结了。

    的确!“唯物”、“唯心”,甚至“客观存在”,都已经被量子理论、超弦理论彻底动摇!

    与此同时,上帝也被霍金“扫地出门”,他在《大设计》末尾宣称:因为存在像引力这样的法则,所以宇宙能够“无中生有”,自发生成可以解释宇宙为什么存在,我们为什么存在。所以“不必祈求上帝去点燃导火索使宇宙运行”。也就是说,上帝现在不再是必要的了。(请参看霍金《哲学已死》,朱清时《物理学步入禅境:缘起性空》)

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    霍金,平行宇宙


    黑洞是使霍金名满天下的研究,在那之后,他创立了量子宇宙学(quantum cosmology),以爱因斯坦的古典宇宙学为出发点,再将整个宇宙量子化,试图完成那个前辈物理学家的未竟事业“统一场论”,统合小到夸克、大到银河星际甚至整个宇宙的所有自然律。事实上,霍金的理论甚至远远超出了我们的宇宙!

    他的新构想是将整个宇宙看成一个量子粒子,用宇宙波函数来描述多重宇宙(不止一个,是无数个宇宙)的无穷集合。按照霍金的理论,我们的宇宙,只是无数的平行宇宙之一,每个宇宙都透过复杂的虫洞系统与其他宇宙相连结。

    如果霍金说的没错,世上就存在着无数的平行宇宙。其中很多宇宙具有不同的物理常数,大多数宇宙都是一片死寂,不具备孕育生命的物理定律。但是在某一个宇宙中,它的物理定律恰好符合生命的条件,这就是我们的宇宙。

    如果这种理论属实,我们就不必把生命的起源归诸于上帝。

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    宇宙航行 & 遁入高维度宇宙


    前文说过,太阳系乃至这个宇宙,终究难逃消亡的命运。那么,智慧生物是否作为宇宙的一部分因而最终难逃灭亡的宿命呐?

    我们的希望,就在十维宇宙和超弦理论!

    按照超弦理论,我们的宇宙诞生于一个十维宇宙,由于这个十维宇宙的对程结构不稳定,在“大爆炸”时分解为一个四维宇宙(我们现在的宇宙)和一个六维宇宙。四维急剧膨胀,历经150亿年形成了我们今天的宇宙;而六维宇宙则急剧收缩成为一个10E-32公分的微小世界。

    这个六维宇宙在哪里?它就在我们的周围!只是因为它太微小以至于无法观测得到。假如,我们能够观测得话,它会是什么样子呐?这是近几十年内大量数学家、物理学家研究的课题。其中,以华裔科学家丘成桐命名的卡拉比-丘流形是比较得到认可的一个答案。

    上图是一个六维卡拉比-丘流形的二维截面图。也是说,该图相当于是一个六维空间的“影子”。

    接着说,当我们的四维宇宙崩溃时,与大爆炸那一刻相反,原本收缩的那个六维宇宙开始慢慢展开,智慧生物有机会在这一个瞬间,由四维宇宙逃入六维宇宙,获得新生。

    这一个过程,需要我们掌握更强大的力和能量,才能驾控宇宙,获得新生。举例说:那时我们需要极高速的宇宙飞船,但根据狭义相对论我们知道我们永远不可能达到光速,那么我们怎么跨越动辄以光年计数的漫漫长路呐?不违反爱因斯坦的自然律而又能够实现可能的时空跨越的方法,就是人为把时空弯曲。

    打一个容易理解的比方,就好比在地毯的另一边有一个瓶子,我们不需要走到地毯的那一边去拿到它,我们可以坐在原地,把地毯逐渐拉向我们,通过使地毯逐渐卷曲,来拉近我们和瓶子的距离,以这样的方法最终拿到瓶子。

    这就是不需要跨越距离,但是却可以从一点到达另一点的方法:弯曲时空。而弯曲时空所需要的能量,是我们现在所掌握能量的一千亿倍。这就是统合自然力的目的所在。

    前文说到,量子力学还描述了另外一种宇宙消亡的情景,那就是质子和中子衰变。根据大一统理论,我们所知道的一切物质,包括太阳系和地球、也包括智慧生物身体内的质子和中子最终都会分解。

    那时,智慧生物就需要用新的质子和中子合成新的原子核。这同样需要巨大的能量,和弯曲时空所需要的数量级相当。这也是统合自然力的意义所在。

    结语


    我们赞美数百多年来科学进步过程中的这些先驱,是他们智慧的心智,让我们人类只凭借头脑和一些工具,就可以计算出支配数十亿光年外的物质的定律,我们只有微不足道的能源,甚至还没有离开太阳系,但我们已经知道恒星深处的核子反应或原子核内的情况。

    我们在这个不起眼的小行星上发现的物理定律,却适用于宇宙的各个角落,我们的思想能了解并控制星星的宇宙法则,我们体内的原子原是某个恒星的核融合反应的产物,我们的原子比山的年代还久远,我们是由宇宙尘造成的,这些原子又凝聚成能了解宇宙法则的智慧生物。

    让我们以霍金的一段话作为结语:

    “如果我们真能发现一个完全的理论,如果我们能讨论出答案,这将是人类理智的最大成就-届时我们就能知道上帝的想法了。”

  • 太阳系内首次发现的系外天体惊动霍金团队 科学家猜测为飞船

    被命名为“Oumuamua”的雪茄型神秘太阳系外天体正在以极快的速度远离地球,但著名科学家斯蒂芬·霍金领导下的一个团队正和其他科学家一起对其进行进一步研究。

    英国《每日邮报》网站12月14日报道,经过对这枚天体的进一步观察,一些科学家发现它有些奇怪的地方。来自宾夕法尼亚州立大学的贾森·莱特(Jason Wright)博士认为这个物体是一种外太空飞行器,他认为,这个物体移动的方式表明,它的引擎坏了。

    Oumuamua目前正在穿越太空,这个长400米,宽仅40米左右的物体正以高达31.5万公里的时速飞行。

    莱特博士在博客中写道,如果他们没有这么快的速度离开星系,他们最终会和其他天体一样“热能化(thermalise)”,最终只能像其他彗星或小行星一样四处漂流。

    他说,“事实上,因为他们(可能)无法控制姿态,这个物体可能开始翻滚,但它的动作非常精确,所以人们会把它从普通星际天体中分辨出来……实际上,他们的引擎坏了并不意味着他们的无线电通信系统也坏了。”

    这位天文学和天体物理学副教授补充说,这个物体可能是“冯诺依曼探测器”——一种可以访问其他恒星系统的假想飞行器。

    他说:“这样的发现意味着,在任何特定的时刻,太阳系里都有很多类似的物体(即使它们是有意把目标设定为太阳,它们也很难被人类发现,我们会错过其中的大部分天体),因此研究它们的机会其实很多。”

    不少NASA科学家接受采访时非常兴奋

    美国哈佛大学天体物理学教授阿维·罗博(Avi Loeb)称:“或许外星人拥有一艘快速飞行的母舰,并且释放出小型宇宙飞船进入行星系统执行探测任务。”

    罗博教授称:“随着我对这个物体的深入研究,我越来越觉得它与众不同,这就让我猜测它是否是一颗外星文明发送的探测器。”

    由著名英国物理学家斯蒂芬·霍金领衔,总耗资1亿美元(约合6.65亿元人民币)的“突破聆听(TheBreakthroughListen)”项目旨在用巨型望远镜寻找外星人的证据。

    “突破聆听”项目出资人米尔纳(左)与霍金

    在斯蒂芬霍金的带领下,一项7500万计的研究发现了地球以外的智能生命的证据,这一计划正在试图探测外星技术从物体上传送的证据。

    “突破聆听”计划的俄罗斯出资人,亿万富翁尤里·米尔纳(YuriMilner)表示,“不管这(Oumuamua)是不是人造物(artificial),我们肯定会对这个物体有更多的了解。”

    与“突破聆听”项目合作的安德鲁·西蒙(Andrew Siemion)是搜寻地外生命(SETI)的研究中心主任,他说,明天就将开始进行长达10小时的观测,使用位于西维吉尼亚州的绿岸射电望远镜对电磁频谱进行搜索,寻找Oumuamua是否有外星科技的迹象。

    不过,尽管一些科学家表现得很兴奋,外国网民似乎不太买账。在社交媒体上,Sky News的推特被转发和评论较多,但也仅有94次转发,41次评论。

  • 你们为什么不用我了呢?

    马克·吐温曾在《呼声报》工作过。
    一天,编辑对他说:“以后你不必在这里工作了。”
    马克·吐温望着他,问道:“你们为什么不用我了呢?”
    “因为你太懒,而且一点也不中用。”
    “呵,你也不比我聪明,”马克·吐温笑着说,“你要用6个月的时间才知道我太懒而且不中用,可是我在来工作的那一天便知道了。”

  • 别再喝这种饮料了,这是一种慢性毒药,你是在慢性自杀!

    伏尔泰的咖啡瘾很大,一生中喝了数量惊人的咖啡。

    有个好心人曾告诉他说:别再喝这种饮料了,这是一种慢性毒药,你是在慢性自杀!

    这位年迈的哲学家说:你说得很对,我想它一定是慢性的。要不然,为什么我喝了六十五年还没有死呢?

  • 为什么这么痛苦,还要坚持画下去?

    法国大画家雷诺阿,晚年得了关节炎,手扭曲抽筋,每画一笔,就引起一阵剧痛,但他仍坚持不辍。

    友人问他:“为什么这么痛苦,还要坚持画下去?”

    雷诺阿回答:“痛苦会过去,而美丽永存。”

  • 你的小说没什么了不起,不过说真的,你的胡子倒十分好看,你为什么要留这么个大胡子呢?

    一位贵族夫人傲慢地对法国作家莫泊桑说:“你的小说没什么了不起,不过说真的,你的胡子倒十分好看,你为什么要留这么个大胡子呢?”

    莫泊桑淡淡地回答:“至少能给那些对文学一窍不通的人一个赞美我的东西。

  • 在你们中国,明明是人走的路,为什么却要叫‘马路’呢?

    周恩来总理:“我们走的是马克思主义道路,简称‘马路’。”

  • 你为什么要试图让他们成为朋友呢?你应该想办法去打击他们,消灭他们才对

    林肯:

    我难道不是在消灭政敌吗?当我使他们成为我的朋友时,政敌就不存在了。

  • 你长大想成为什么样的人?

    约翰 列侬:老师问我长大想做什么,我说“快乐的人”,老师说我不懂问题,我告诉老师,是他不懂人生。

     

    When I was 5 years old,my mother always told me that happiness was the key to life.

    When I went to school,they asked me what I wanted to be when I grew up.

    I wrote down ‘happy’.

    They told me I didn’t understand the assignment,and I tole them they didn’t understand life.

    ——John Winston Lennon

     

  • 工程既是我的老婆又是我的情人,可我还是考不好,为什么?

    因为你是懦夫,害怕未来,看看这个,戒指比手指头还多。为考试戴,为姐姐嫁妆戴,为工作戴……你这么害怕明天,怎么能过好今天?又怎么能专注于学业?两个怪兄弟,一个害怕,一个虚伪……”
    ——《三傻大闹宝莱坞》

  • 知道我为什么第一名吗?

    因为我热爱机械 工程学就是我的兴趣所在。

    知道你的兴趣吗? 这就是你的兴趣……跟工程学说拜拜,跟摄影业结婚 发挥你的才能。想想迈克尔杰克逊的爸爸硬逼他成为拳击手,拳王阿里的爸爸非要他去唱歌 想想后果多可怕?”

    《三傻大闹宝莱坞》

  • 为什么学习?

    学习是为了完善人生,而非享乐人生!

    ——《三傻大闹宝莱坞》

  • 为什么,巴勃罗?你不喜欢自己的画?

    毕加索的绘画得到世人的公认,就在他有生之年,所作的画已被收藏家们以高价收买。价格之高,令常人怯步,连作者本人也买不起了。

    一天,一些好友来到法国南部毕加索家里做客时,他们发现墙上挂着的全是别人的作品,自己的倒一幅也没有。

    “为什么,巴勃罗?”有人问,”你不喜欢自己的画?”

    “不是,恰好相反,”画家说:”我非常喜欢,不过太贵了,我买不起。”

  • 我真不明白,为什么我画一幅画只消一天功夫,可是卖掉它却要等上整整一年?

    阿道夫-门采尔:”亲爱的,请倒过来试试,要是你能花一年功夫去画它,那么只用一天,就准能卖掉了。”

  • 既是飞来峰,为何不飞去?

    据《灵隐小志.高僧传略》记载,济公的师傅是西湖灵隐寺的高僧慧远禅师,又称瞑堂禅师。慧远禅师德行高尚,幽默风趣。

    一次,他陪同宋孝宗游览飞来峰,孝宗问:“既是飞来峰,为何不飞去?”

    慧远不加思索地回答:“一动不如一静。”

    孝宗到上天竺去,看到观音菩萨手持念珠,便问慧远大师:“人持念珠念观音,观音持念珠念谁?”

    慧远禅师答道:“仍念观音。”

    孝宗问:“这是为什么?”

    慧远禅师立刻答道:“求人不如求己。”

  • 一个贫穷的国家为什么也有富人?

    柏拉图回答:“如果你把一个国家当作一个纯粹的国家那就大错特错了。因为任何一座城市都是两座城市:即富人的城市和穷人的城市。”

  • 为什么作恶的人往往富裕,而善良的人却往往贫穷?

    梭伦:我们不愿把我们的道德和他们的财富交换,因为道德是永远的,而财富每天都在更换主人。

  • 为什么和女朋友在一起总是想和她做爱,所有男生都这样吗?还是心理变态?

    孩子,你的这种冲动是人类生生不息的源头,你GF的矜持是人类文明的基石。

    知友:Luxenius

  • 为什么很多女生都觉得会做菜的男生很有魅力?

    有个蛋蛋魅力!!你认为她们会觉着一个黑胖子光着膀子满头大汗地炒面很有魅力么?她们只是觉得帅哥身穿一尘不染的厨师服面带微笑地做甜点牛排很有魅力。

    知友:邹明宇

  • 你以后想成为什么样的人?

    什么意思?我将来不能做我自己了吗?

    阿甘正传