科普 - 弦圈

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a month ago

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想要实现永生不太可能，但实现长生却是有可能

实现永生可以说是人类祖先的共同梦想，古代中国有秦始皇求长生不老，而各国的宗教也有关实现永生的典籍，可以说实现永生是人类的终极目标。不过在当今大部分人看来，实现永生不过是痴心妄想，然而即便如此，关于延寿的科学研究却依旧在紧锣密鼓的进行，并持续有大量的资金涌入。原因很简单，实现永生不太可能，但是人类却是可以实现长生。自大爆炸理论成为主流科学界所认为的宇宙诞生的方式，至今我们仍不知道未来宇宙究竟会以哪种方式消亡，科学家为此提出了多种猜想（见宇宙的最终结局会是什么？宇宙命运结局的三种假说）。但主流观点仍然是：自这个宇宙诞生以来，所有的事物包括宇宙本身都不可避免的走向死亡。这个世界上不存在不朽的事物，所有事物都会有其消亡的一天。因此，想要永生已经不是寿命能不能比宇宙更长的问题了，而是人类如何在宇宙最后毁灭的时候逃出这个宇宙。宇宙的边界是什么？宇宙的外面是什么？多元宇宙真的存在吗？这些问题直到现在都没有确切答案（参考宇宙无边还是有边？如果人类达到宇宙边界，会发生什么恐怖的事？与宇宙是否真的存在尽头？宇宙边界之外是什么呢？），如果宇宙外面有东西还好，逃出去至少还有一丝希望，而如果宇宙外面是一片虚无， ...

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a month ago

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数学与物理公式可以精准简洁地描述自然现象，究竟是世界本就如此巧妙，还是科学家努力简化后的结果？

这个问题有点像数学究竟是人发明的，还是人发现的？每个人基于不同理念、哲学观，会有不同的答案。而如今这个问题，可以引申出几个类似的问题。世界的底层运行规律究竟是复杂的，还是简洁的？物理定律究竟是真理，还是人类为解释宇宙而创造的？（类似于数学是否人造？）数学定理或者物理定律是绝对真理吗？或者说存在绝对真理的数学定理或者物理定律吗？这些问题都涉及到一种哲学观，没有标准答案，只是你观念的不同。回到这个问题，我是持爱因斯坦的那种观点，认为宇宙能够由简洁而优美的数学所描述，因为宇宙的底层规律本身就是足够简单的，只是人类未曾发现。换句话说，这就有点像线性空间的基底一样，只需要几条简单的定律，就可以通过线性组合，不断复杂化，最终产生如今的宇宙。这里又涉及到一个问题，即这个线性空间到底是有限维的，还是无穷维的？不过基于世界本质的简单性，从审美角度出发，我更倾向于假设这个线性空间是有限维的。因此，从这个角度看，如果数学或物理公式不够简洁和美妙，那么其本身所蕴含的奥秘也就越浅显，并且距离世界的本质就更远，即引用高斯的话“距离神更远”。故而简洁的数学或物理公式，更多的是科学家们发现的结果，是自然的，而不是刻意 ...

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a month ago

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是否存在人类大脑永远无法理解的数学结构？

是否存在人类大脑永远无法理解的数学结构？答案是存在也不存在。这个问题重点在于“理解”这个词，怎么样才算是理解？本文中，我们就将理解分为直观理解和抽象理解吧。所谓直观理解，指的是能够通过五官直接感受到。基于这个定义，数学从线性代数中最基础的n维线性空间开始，就不是人脑能够直观理解的了，毕竟人脑只能理解四维以下的空间，即只能理解三维的空间，不能理解处在第四维度的时间。到目前为止，四维时空是否存在都还存在争议，因为并没有直接证据表明四维时空真实存在。因此，从物理世界来看，人脑从四维线性空间开始就无法直观理解了。抛开四维空间是否真实存在的物理争议，考虑纯粹数学上的定义，四维空间是存在的。那么有可能通过作图的方式来直观理解高维空间呢？不能。那些所谓画出四维及以上空间的图，其实是通过投影等方法实现降维，将高维空间的东西通过三维的形式表现出来，并不是真正的高维空间。既然存在那么多大脑无法理解的数学结构，这时数学就派上用场了。数学正是人类用于理解人脑无法直观理解的工具，因为人脑有个很强大的功能——抽象化，既然你无法想象、也无法理解，那干脆就将它抽象化为一个数学对象来研究，即抽象理解。人类对于高维空间的 ...

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4 months ago

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潘禺：谷歌量子计算芯片给了国内产业界紧迫感

【文/观察者网专栏作者潘禺】12月10日，谷歌重磅推出量子计算芯片“Willow”，在公关宣传攻势下，马斯克送上了“Wow”，奥特曼也发来了贺电。Willow是一款拥有105个物理量子比特的量子芯片，亮点在于其惊人的计算速度和错误校正能力。据报道，Willow能在不到5分钟的时间内完成一个标准计算任务，而这个任务如果交给全球最快的超级计算机，可能需要超过10-25年，这个数字甚至超过了宇宙的年龄。Willow的另一个成就是其指数级减少错误率的能力。随着量子比特数量的增加，错误率通常会指数增长，但Willow通过先进的量子纠错技术，实现了错误率的指数级降低。每当晶格从3x3增加到5x5，再到7x7时，编码错误率就会以2.14的倍率降低。这种对逻辑错误的潜在抑制为运行有纠错的大规模量子算法奠定了基础。Google Quantum AI团队的工作环境权威专家的反应量子计算的教主和旗手，美国计算机科学家Scott Joel Aaronson在他的博客也做了一些点评，尽管整体上比较积极乐观，但话里话外还是有一些玄机。比如，Aaronson要读者明确，进步大体上符合多数人的预期：对于过去五年一直 ...

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4 months ago

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谷歌量子计算突破引发争议，国产科技潜力不可小觑

2024年12月9日，谷歌宣布推出新一代量子计算芯片Willow，引发了网友们的热烈讨论。在很多评论中，有人认为谷歌的技术遥遥领先，激起了外界的关注和质疑。量子计算技术作为未来科技发展的重要前沿，始终是科技界讨论的热点。一般来说，量子计算机的表现取决于其拥有的量子比特（qubits）数量及其稳定性。按照目前的研究，数量越多，出错的几率也越高。然而，谷歌的研究人员在此次发布会上自信地表示，Willow芯片通过创新的设计，成功大幅减少了错误，扭转了这一不利局面。其重要的技术突破包括量子纠错的新方法，和在更大规模的量子比特基础上实现指数级的计算效率提升。根据谷歌的说法，Willow芯片在不足五分钟内就完成了一项“标准基准计算”，而现有最快的超级计算机需要耗费一个近乎无法想象的时间——“10的25次方”年才能完成这一任务，这个数字远超宇宙的年龄。显然，在威力如此巨大的技术背后，量子计算机的实际应用也在不断拓宽，包括药物研发、聚变能研究和电池设计等领域，潜力无限。不过，谷歌的这一宣称也受到了一些业内人士的怀疑，认为其技术创新或许只是个噱头。电动汽车巨头、科技创新推动者马斯克也对此发表了意见，建议 ...

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4 months ago

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一文读懂量子计算：现已进入“实用阶段”，“量子时代”即将到来

划重点：量子计算首次出现于20世纪80年代初，主要依靠量子力学来解决复杂的、以前不太可能解决的计算问题。IBM于2019年推出了首个IBM Q System One量子计算系统，谷歌也声称其实现了“量子霸权”。尽管量子计算行业的实际同比增长率仅为1%，但该领域初创企业2022年获得的总投资达到23.5亿美元。多数首席信息官和IT领袖认为量子计算并未被过分炒作，他们希望更多地关注这项技术，以了解即将到来的颠覆。十年内具有主动纠错功能的大型量子计算机有望诞生，21世纪也将因此被视为“量子时代”。腾讯科技讯量子计算是一个新兴的科学领域，由于它在许多行业拥有着巨大的应用潜力，已经引起了许多国家和公司的兴趣。随着更多资源和资金的投入，量子计算技术正以极快的速度向前飞跃。有科学家预言，量子计算机正进入“实用”阶段，十年内具有主动纠错功能的大型量子计算机有望诞生，“量子时代的黎明”即将到来。01 量子计算将成改变人类历史进程的新里程碑量子计算这种变革性技术虽然仍处于起步阶段，但它将成为改变全球技术进程的科学趋势之一。量子计算首次出现于20世纪80年代初，是一种变革性的技术趋势，旨在通过快速有效地解 ...

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5 months ago

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为什么可能没有体积的量子所组成的物质却有体积？

当你测量和观察周围的宇宙时，有一件事是可以肯定的：你看到、触摸到并以其他方式与之互动的物理对象都占据了一定的空间体积。无论是固体、液体、气体还是物质的任何其他形态，它都需要消耗能量来减少任何有形物质所占的体积。然而，看似矛盾的是，作为物质的基本成分，标准模型的粒子却根本没有可测量的体积；它们只是点粒子。那么，由无体积实体组成的物质如何占据空间，创造出我们所观察到的世界和宇宙呢？让我们从我们熟悉的事物开始，一步步分解，直到我们深入到支撑我们存在的量子规则。最后，我们可以从那里开始逐步向上。上图显示了对应于电磁波谱各个部分的尺寸、波长和温度/能量尺度。你必须使用更高的能量和更短的波长来探测最小的尺度。紫外线足以使原子电离，但随着宇宙的膨胀，光会系统地转移到更低的温度和更长的波长。如果你想了解体积，那么你必须了解我们测量物体大小的方式。确定宏观实体大小的方式通常是将其与已知大小的参考标准进行比较，例如尺子或其他测量棒。或者测量弹簧（或类似弹簧的物体）因该物体而位移的力、测量光穿过物体跨度所需的传播时间，甚至通过用特定波长的粒子或光子撞击物体的实验反馈来进行确定。正如光具有由其能量定义的量子力 ...

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5 months ago

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我们的宇宙并不是由纯数学构成的

在理论物理学的前沿，许多最流行的想法都有一个共同点：它们都从一个数学框架开始，这个框架试图解释比我们目前流行的理论更多的东西。我们目前的广义相对论和量子场论框架在它们所做的事情上很出色，但它们并不是万能的。它们从根本上是不相容的，不能充分解释暗物质、暗能量，也不能充分解释为什么我们的宇宙充满了物质而不是反物质，以及其他谜题。数学确实使我们能够定量地描述宇宙，如果应用得当，它是一种非常有用的工具。但宇宙是一个物理实体，而不是数学实体，两者之间有很大区别。这就是为什么单靠数学，我们永远不足以得出万物的基本理论的原因。16 世纪最大的谜团之一是行星如何以逆行的方式运动。这可以通过托勒密的地心模型（左）或哥白尼的日心模型（右）来解释。然而，要获得任意精度的细节需要我们在理解观察到的现象背后的规则方面取得理论进展，这导致了开普勒定律和牛顿的万有引力理论。大约 400 年前，一场关于宇宙本质的争论正在展开。几千年来，天文学家一直使用地心模型准确描述行星的轨道，在这个模型中，地球是静止的，其他所有物体都围绕着它旋转。借助几何数学和精确的天文观测——包括圆、等距圆、均轮和本轮等工具，天体轨道的精确数学 ...

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5 months ago

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波尔兹曼大脑：宇宙中漂浮着至少7万5千亿亿亿个意识体

在这个广袤无垠的宇宙中，我们总爱幻想自己独一无二，是万物之灵。但你知道吗？根据某个奇妙的科学理论，你、我，甚至整个地球，可能都只是宇宙中随机“涨落”出来的一个意识体——没错，这就是让人脑洞大开的“玻尔兹曼大脑”假说！熵增定律：宇宙为何越来越“乱”？你的房间如果不打扫，是不是会越来越乱？这就是“熵增定律”在生活中的体现。简单来说，熵就是系统混乱程度的量度，而熵增定律则告诉我们，一个孤立系统的熵总是趋向于增加，直到达到最大化，也就是系统变得最混乱。宇宙，作为一个巨大的孤立系统，按理说也应该遵循这一法则。但奇怪的是，我们观测到的宇宙，似乎是从一个极其有序、熵极低的状态开始的。这，是为什么呢？玻尔兹曼的“脑洞”：宇宙其实是个“随机播放器”？这时，奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼登场了。他提出，熵增定律其实是统计性的，就像抛硬币，虽然正面朝上的概率是50%，但在无限次抛掷中，正面和反面出现的次数会趋于相等。同样，宇宙在大部分时间处于高熵态，但无限的时间尺度上，偶尔也会有“小概率事件”发生，即熵的随机涨落导致低熵态的出现。换句话说，我们现在所看到的这个有序、低熵的宇宙，可能只是一次“宇宙级”的随机 ...

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8 months ago

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宇宙无边还是有边？如果人类达到宇宙边界，会发生什么恐怖的事？

人类做过最伟大的事什么？不同的人可能有不同的答案，有人认为是火种的掌控，有人认为是语言的发明，有人认为是贸易的诞生，但笔者认为还有另一个答案，就是抬头仰望星空。以前的人们认为地球就是宇宙的中心，后来随着科技的进步，人类发现，我们只是偏安银河的一隅。一旦知道自己所处的起点，就会想知道自己的终点，即——宇宙有边界吗？如果有边界的话，我们人类能不能到达那里？宇宙的尽头目前我们对宇宙学的了解，基于两个知识体系，一个是用天文望远镜看到的可观测宇宙，另一个就是用当前最为先进的科学理论和计算推导得出的。当然也有第三种，就是假设理论，也是有根据的猜测。我们先来看看可观测宇宙，简单的说，可观测宇宙是我们从地球上可以看到的宇宙的一部分，受到光速和宇宙年龄的限制。可观测宇宙的边缘直径约为 900 亿光年。其实我们可以肯定的是，在超越可观察的范围外，宇宙还是那个宇宙。那么无限还是有限？有限的话，尽头又在哪里？宇宙学家争论宇宙是无限还是非常大。如果它是无限的，它就没有边缘，没有边界。如果它是有限的呢？曲率理论给我们一种新的理解宇宙形状的方式，就像我们看到的球体表面一样。想象一下，我们把地球等比例缩小到一个篮球的 ...

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8 months ago

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如何看待费米悖论？最可怕的事实：宇宙或许根本没有外星人

导语外星人一直以来都是人类想象和科研探索的对象，从电影作品中精彩纷呈的外星生物形象，到电影中的“外星探险”剧情，这一来源于极具想象空间的探索，也来源于人类对自己孤独的遐想，而外星生命的存在与否，一直是一个模糊的概念。而“费米悖论”则对外星文明的存在提出质疑，是由美国物理学家费曼在20世纪50年代提出的一种思想实验，正是这一悖论揭示了一个现实可能，那就是“宇宙中可能根本就没有外星人”。而更令人担忧的是，关于外星文明一直有一种“黑暗森林法则”，那么人类应该如何面对这种未知?一、“费米悖论”外星文明存在的困惑。作为黑洞爆发论的先驱，物理学家费米可以说已经非常了解宇宙这一自然可能性，所以当他在计算外星生命的存在性时，却发现了一些问题，一个有如此多星系和行星居然没有痕迹可循的外星生命，这让费米非常费解。于是费米就对外星文明存在的这一疑惑，进行了一系列的计算，并最终得出了这样一个结论，那就是宇宙中存在着数以百万计的外星文明，这也引起了人类对外星文明的极大兴趣。但是费米的这一结论却遭遇到了巨大的困难，那就是为什么人类尚未发现外星文明?也让人类对于外星文明的存在性产生了极大的怀疑。正是这种怀疑间，让外 ...

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8 months ago

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太阳系最大的风暴：木星大红斑可能最终消失

木星大红斑是一个巨大的漩涡，已经存在了至少 190 年。最近的研究表明，它有别于早期观测到的红斑，模拟探索了木星风是如何塑造它的。木星红斑一直在缩小，未来的研究将侧重于它的可持续性和未来可能的解体。木星大红斑（GRS）是一个很容易看到的反气旋漩涡，也是太阳系中最大的此类漩涡，自从几个世纪前首次通过望远镜观测到它以来，科学家们就对它产生了浓厚的兴趣。最近的研究，包括模拟和太空任务数据，对它的形成、稳定性以及未来缩小或消失的可能性进行了调查。资料来源：NASA、ESA、A. Simon（戈达德太空飞行中心）和 M.H. Wong（加州大学伯克利分校）木星大红斑（GRS）是太阳系中最具标志性的特征之一。这个巨大的大气结构目前的直径相当于地球的直径，由于其醒目的红色，与木星苍白的云顶形成鲜明对比，因此很容易辨认出来。即使是小型望远镜也能捕捉到它的独特外观。GRS 是一个巨大的反气旋漩涡，其外缘的风速可达 450 公里/小时。它是太阳系所有行星大气层中规模最大、持续时间最长的漩涡。然而，GRS 的确切年龄仍有争议，其背后的形成过程仍是一个谜。天文学家乔瓦尼-多梅尼科-卡西尼（Giovanni D ...

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