宇之表，宙之端：阶梯
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关于物理学，我一直以来都认为这是最有魅力的科学。尽管我对物理的理论学习仅止步于高中（我的高中物理常常是满分，并且对经典物理学的数学理解非常透彻），此后再也没有从事过物理学研究，但这并不妨碍我作为一名科普爱好者对这门科学的痴迷。大学期间的校选课我曾经选过量子物理学，尽管最终以95分的成绩通过，但一旦猎及高等物理所涉及的高等数学，我清醒地自觉毫无消化能力，更遑论研究。我的确是个数学白痴，对数学也很不感冒。但一个数学白痴，也可以喜欢物理，而且发自内心地对描述这个世界本质的科学充满敬畏并常常为之激动。于是我很容易地抛弃了物理学艰深的数学，转而阅读一些科普文学，大学期间主要读过《上帝掷骰子吗》、《时间简史》等等一类简易的科普书。
与本书结缘，要感谢三联韬奋书店。在书店二层“人迹罕至”的一个角落的书架上，放着大量的科学类丛书。有一些很有趣的科学实践类图册类书籍，比如教你如何裸眼观星、各国宇航员的太空摄影集等等，还有就是《第一推动丛书》的一整套书籍。因为整整三排白色封皮，实在过于显眼，我凑近看了看，就看到黑洞战争、逻辑的引擎、千亿个太阳、脑中魅影、时空本性、实在终极之问、宇宙的琴弦……等等让人兴奋的字眼，当然最吸引我的就是这本宇宙的结构，全系列之最厚，但我迫不及待地扫描了一下目录，很快确认这是我想要看的书。
两个月断断续续终于看完，按顺序共记录115条笔记。看书过程中我常常会有欲罢不能的感觉。第一次，我可能真的开始理解了以前因为兴趣起意而阅读到的东西。感谢本书作者流畅的文笔、清晰的思路和优秀的引导能力，这本书让我对时间、空间、宇宙起源这些深奥问题的全貌有了真正的认识。对于本书的知识点和自己的理解，我为自己小小的记录在这里。说是书评绝对不敢。由于本书内容太宏大了，此次根据全书读完后的理解做了部分整合梳理，而非再完全按照书里的顺序，对我而言算是二次阅读，加深理解。
但此处是一公开平台，为避免误导，着实需要声明：本文记录的只是个人浅显理解，并非自大的总结和科普，其中必然会有错误或不准确。如有大神看到不要取笑，非常欢迎批评交流，欢迎直指错误，证实后一定修正。
一、 宇宙学在研究什么？
1. 想想宇宙（Cosmos）翻译的来源。中国古代哲学讲，上下四方谓之宇，古往今来谓之宙，朴素的哲学紧扣我们生存在其中的这个东西的两个重要性质，空间和时间。宇宙学就是人类在探索空间和时间这两种最普通又最神秘的事物中产生的科学。进一步说，在对实在性之舞台（空间是什么）和时间之箭（时间为什么具有不对称性）的探索中，宇宙起源似乎起了决定性作用，而宇宙学就是针对整个宇宙起源与宇宙演化的研究。
2. 广义相对论后，宇宙学作为一种现代科学才真正诞生。
二、 时间和空间到底是什么？（粗颗粒和脉络）
3. 牛顿经典力学：绝对空间。（1）绝对空间只取决于其本身性质，不需要任何外部事物作为参考，永远保持不变且不可以动。（2）��速运动是绝对的。
4. 爱因斯坦狭义相对论：绝对时空。（1）时间和空间是统一整体的一部分。（2）时间不是普适和唯一的。（3）时间是冰封之河，时间并没有流动。（4）加速运动是绝对的。
5. 爱因斯坦广义相对论：（1）时空是动态的。（2）等效原理：引力和加速运动是同一枚硬币的两面。（3）引力正是时空结构中的蜷曲和弯曲。（4）加速运动是相对的。（5）当宇宙为空，不存在引力，广义相对论简化为狭义相对论。
6. 量子力学：（1）宇宙存在非定域性关联。空间并不像我们所以为的那样，隔离这物体之间的影响，量子力学通过实验证实两个物体无论它们之间空间有多大，也不能确保它们是分离的，量子纠缠确实存在。（2）历史不可期，历史可以被抹掉，未来将塑造历史。
7. 超弦理论（M理论）假说：（1）宇宙本身是一张3膜。（2）空间和时间是某种基本组分（很可能是0膜）的量子平均（3）宇宙有11维（10维空间+1维时间）
8. 圈量子理论：不依赖于背景体系，基本层面上无空无时。
9. 近现代物理学的发展脉络：
所谓的两朵乌云引发的雷暴
一朵乌云☁️ 光 → 狭义相对论&广义相对论（统一了空间、时间和引力）→ 宇宙学（宏观）→ 大爆炸理论
另一朵乌云☁️ 辐射 → 量子力学（概率、空间非定域性）→ 宇宙学（微观）→ 暴胀宇宙学（宇宙诞生后10^-35秒内）
广义相对论与量子力学结合后在微观尺度上不相容（方程结果为无限大，方程破产）→ 探索统一理论 → 超弦理论成为佼佼者（统一描述了所有物质和所有力）
三、相对论
10. 狭义相对论：聚焦于匀速运动。绝对时空观。不考虑引力。
11. 迈克耳孙—莫雷实验发现，光速始终为3×10^8m/s，并无相对“以太”的加速或减速。
狭义相对论对于光速不变的解释：以太是不存在的，光不需要任何介质就可以传播。任何物体穿越空间和时间的合速度等于光速，因此，（1）静止的物体仅穿越时间，而（2）运动的物体将一部分穿越时间的运动转换成穿越空间的运动，运动中的物体时间会变慢，（3）光的所有运动都贡献给了空间运动而在时间上无运动，时间停止了。
12. 狭义相对论的绝对时空观：
时空是绝对的，时空是实在性的舞台。时空就像一块吐司面包，处于相对运动中的观测者，因为时间快慢不同，因而对同一时点发生的事的观测形成不同角度的切片，切片内容不同使得两者对该时间点发生的事并未达成一致。
对不会超越光速的观测者而言，切片的最大角度为45度，而因果关系事件在时空中的角度总是大于45度，因此因果不会倒置。
13. 广义相对论：统一了空间、时间和引力，是人类在探索宇宙中孤胆英雄式的壮举！
14. 等效原理：是牛顿撞上了苹果。等效原理表示引力与因加速而感受到的力是一样的，引力本身不是别的，正是时空结构的蜷曲和弯曲，如果你感受到引力，你就在做加速运动，一个下落的苹果在引力下弯曲的时空中，它顺应引力，它变成了其他物体（如牛顿）运动的参照物，因此你可以说，不是苹果砸了牛顿，而是牛顿撞上了苹果。
15. 当宇宙中什么都没有且不变化的时候，不存在引力，广义相对论就简化成了狭义相对论。
16. 相对论的时间问题：
（1）时间是流动的吗？不是。时间没有流动，时间是冰封之河。唯一真实的事物是整个时空，所有时间的过去、现在、将来都是真实存在的。你在2000年1月1日度过了一个愉快的新年，它没有过去，它一直在那儿，你始终拥有它。
在速度非常大或距离非常远的情况下，会显著放大相对论效应。
爱因斯坦将人类意识对时间流动性的体验称为“让他很头疼却不得不顺从”的“无法被科学理解的体验”。
（2）时间之箭存在吗？
时间是否存在一个固定的方向？我们现今所知道的所有物理定律都完全支持时间的反演对称性，就比如一个从右向左抛出去落下的球，我们完全可以施加相反的作用力使得该球从左向右沿原有轨迹返回，因此我们不能证明这条轨迹是从左往右还是从右往左，这叫“事件反演”或“过程反演”。同理，时间理论上也具有对称性。
四、熵与时间之箭
17. 熵是物理系统中无序度的量度。
18. 热力学第二定律：物理系统倾向于向着高熵状态演化。用作者的话说，这比死亡和纳税还要可靠。一个例子，鸡蛋落下打碎是低熵向高熵发展，但打碎的鸡蛋复原是高熵向低熵发展，前者随处可见，后者很难见到（理论上来说仍然有可能见到）。另一个例子，冰块融化成水是是低熵向高熵发展，但水变成冰块（忽略环境）是高熵向低熵发展，考虑环境因素，水变成冰需要冰箱的运转，而冰箱运转本身需要释放热量，增加了环境的熵，这样一个整体系统的熵还是增加了。
19. 我们可以说时间的方向就是熵增的方向吗？不能。熵增定律本身并不能区分过去和未来，热力学第二定律带来的时间之箭是双向的，时间的对称性仍不能避免。
20. 过去和未来到底代表什么？追溯到宇宙的起源，如果事实真的是目前理论所认为的，宇宙在起源之初始于低熵状态，那么熵增的方向就不可能是“过去”的方向，从而“未来”就是熵增的方向，那么我们的宇宙在起源之初偶然的低熵状态，为时间之箭指明了方向。
21. 时间之箭问题的本质：
宇宙诞生之初为什么是低熵状态？宇宙是如何诞生的，又是如何发展的？
22. 黑洞具有最大可能的熵
※ 黑洞无毛——黑洞的三个特征：① 质量 ② 电荷 ③ 自旋速度
※ 某一空间区域内，不分地点、时间，所能容纳的最大的熵等于与该区域等大小的黑洞中所能容纳的熵。20世纪70年代，雅克布·贝肯斯坦&斯蒂芬·霍金证明，在引力的作用下，黑洞的熵正比于其视界的表面积，而非体积，由此推测宇宙可能是宇宙边界的全息投影。
五、量子力学
23. 概率是量子世界的基本特征。不同于牛顿世界和相对论世界都认为的在信息充足、算力足够的情况下，事物的发展是确定的，量子力学认为测量行为本身与创造出所需测量的实在性纠结在一起，在测量发生之前，事物的实在性只是概率存在，同样的实验、同样的初始条件并不一定会得到同样的结果。
24. 非定域宇宙。量子力学允许空间中两个物体无论它们之间的空间有多大，它们不能确保就是分离的。量子世界中存在纠缠。
爱因斯坦是最早认识到量子力学允许宇宙存在非定域性存在的物理学家之一，但他却从来不是量子力学的推崇者，并称之为“鬼魂一般”。
25. 概率波。波恩（1927）提出，每件事物都同时具有粒子属性和波的属性。即事物（以电子为例）是一种概率波，空间中某点的波的大小与电子位于该点的概率成正比，最容易找到电子的地方就是概率波最大的地方。
概率波的实验检验：电子干涉实验。
概率波坍缩假说：在未观测之前，电子的存在实际上是一种混沌的概率波，一旦发生观测，电子确定地出现在某地，则该电子的概率波即坍缩为一个尖峰，即出现的地方概率为1，其余地方概率为0。观测使得物体的概率波坍缩。关于概率波坍缩还有很多未解之谜，坍缩并不能由量子理论的数学推出，它是人为放进理论中的，而且也没有妥当的实验方法来验证。
26. 不确定原理（测不准原理）。互补性质的精确度有一个确定的内在限制，如位置和速度不可能同时测准。不确定性总是存在，在只有在微观世界才有意义。
EPR悖论对不确定原理的挑战：Einstein-Podolsky-Rosen 爱因斯坦、波多尔斯基和罗森（1935）发表论文，提出了思想实验， 在毫不干扰一个体系的情况下，两个粒子的两个实在性元素（如坐标和动量）相关联，将两个粒子分开很远，互相之间不再影响，虽然对于一个粒子的坐标和动量不能同时测量，但可以先测得A的坐标，从而推测预言出B的坐标，再测得A的动量，从而推测预言出B的动量，这样就可以预言B粒子确定的坐标和动量，因而与量子的不确定原理相悖。
EPR论文的错误之处在于，EPR仍然假定宇宙具有定域性。而事实上，宇宙的非定域性让两个粒子不论相距多远都存在纠缠。
不确定原理的实验检验：贝尔-埃斯拜科特实验。
27. 量子力学显现的极端条件——超微观世界
对比：相对论效应显现的极端条件——极端速度或引力
六、量子力学与时间
28. 历史求和法：理查德·费曼提出，历史的概念需要拓展。概率波蕴藏着观测之前所有的过去，观测反映了所有可能的历史的平均。
29. 历史不可期——延迟选择实验
约翰·惠勒于20世纪80年代进行了延迟选择实验：让单个光子一个一个通过分束器，（1）打开探测器，无论什么时候打开——即使在某个光子已经通过分束器以后再打开——光子仍像粒子一样运动，不产生干涉图样。（2）关闭探测器，无论什么时候关闭——即使在某个光子已经通过分束器以后再关闭——光子也会表现波动性，产生干涉图样。
量子力学不否认过去，量子力学指出量子的正常态是一种不确定的、模糊的、混乱的、千丝万缕的实在性，是各种可能性的混合。
30. 抹掉过去——量子橡皮
玛兰·斯考利和凯·德鲁尔于1982年首次提出量子橡皮实验：让单个光子一个一个通过双缝装置，（1）在左右两个缝隙前设置相应的标记装置，从而标记光子从左侧或从右侧通过，屏幕未形成干涉图样；（2）其他不变，在双缝后屏幕前增设一种擦除标记的装置，所标记的光子的路径信息被擦除，屏幕上显现干涉图样。
标记装置模糊了光子概率波的右边部分或左边部分，使得本应从每条缝隙中按顺序正常出现的波峰波谷变得模糊，因此探测屏上就不会形成干涉图样，而擦除装置重新聚焦了波。理论上，这种擦除可以在其所要干扰的事件发生的几十亿年后再进行，即使这样，也会有效消除过去，甚至是久远的过去的影响。
31. 塑造过去——延迟选择的量子橡皮擦
让单个光子一个一个通过双缝装置，（1）在光子分束器中插入两个降频转换器，一边一个，可以将输入的1个光子输出2个半能量光子，其中一个光子（称作信号光子）沿原始路径飞向探测屏，另一个光子（称作闲频光子）沿不同方向发出去，观测闲频光子的路径可推测出信号光子的路径，这也是一种间接标记路径的方式，此时我们发现屏幕未形成干涉图样；（2）通过增设一个“迷宫”，扰乱闲频光子的路径信息，其相应的信号光子又可以被探测到形成干涉图样。
※ 想象一下如果我们现在测量的是10年以前10光年远的光子，如果迷宫正常，我们可以看到干涉图样，如果有人破坏了迷宫，我们就不会观测到干涉图样。
※ 这里要强调，未来进行的测量不会以任何方式改变你现在所收集的数据，但是当你接着描述今天所发生的一切时，未来的测量确实会对你所说的细节有影响。未来帮助你讲述过去的故事。
32. “阶段一——阶段二”体系
第一阶段：波函数随薛定谔方程演化。薛定谔方程并没有为时间的演化指明方向，继续保持时间的对称性。
第二阶段：测量时波函数坍缩。坍缩机制确实存在着时间之箭，但从熵的角度，依然需要关键性补充，即解释清楚为什么在遥远的“过去”熵很低。
33. 退相干历史
迪尔特·泽尔（1970）提出退相干历史：环境的退相干扰乱了波函数，抑制了量子干涉，使得量子概率变成经典物理的概率。
34. 经典物理与量子物理
七、宇宙的时间
35. 观测1：宇宙诞生的遗迹——微波辐射
50多年前，科学家观测到宇宙中弥漫着极其均匀的微波辐射，微波辐射的温度只比绝对零度高2.7开（ 开尔文，K，热力学温标， -273.15℃=0K 为绝对零度）。宇宙微波辐射被认为是大爆炸刚刚结束时极度高热环境残留至今的冷却的遗迹，而辐射温度的均匀分布证明了宇宙初期的各向同性，进而意味着低熵。
36. 观测2：哈勃观测——空间结构在膨胀
1929年哈勃观测到星系在远离且越远的星系远去的速度越快，空间结构在膨胀，对于此项观测及宇宙的各向同性，广义相对论可��完美解释。
37. 宇宙的时间是什么？
宇宙变化的量度即宇宙时间流逝的一个有效定义，微波辐射证明了宇宙变化的均匀性，那么时间流逝也具有均匀性。而在一个膨胀的宇宙中，运动仅来自于宇宙膨胀的时钟相对于空间静止，快慢一致，而超过宇宙膨胀速度的时钟将按不同的快慢运转。
八、暴胀宇宙学
38. 暴胀理论和大爆炸理论
暴胀理论 → 宇宙诞生到10^-35秒发生了什么；标准大爆炸理论 → 宇宙诞生后如何演化。（宇宙演化时间线可参考本文图3）
暴胀理论解释了标准大爆炸理论无法解释的视界疑难和平坦性疑难。（待补充）
【注意】暴胀大爆炸并非宇宙创造事件，而是已存在的宇宙所经历的一次事件。对于宇宙的起源，我们仍一无所知。
39. 场
力与物质都存在场，场的作用通过信使粒子来传递。力场与物质场的一大区别可以表述为不相容原理（沃尔夫冈·泡利）。
40. 希格斯场（Higgs field）
宇宙本身作为一个整体也可以发生相变（水在不同温度下由固态→液态→气态的变化就称为相变，固、液、气为水的三相，实际上还有第四相，此处不讨论），宇宙相变发生凝结的“物质”就是希格斯场。希格斯场仍是一种假说。
41. 希格斯场的场值和能量
希格斯场有特殊形状，使得其场值和能量不能同时为零。也就是说，希格斯场在能量为零时，场值有非零值。所以即使消除了希格斯场（希格斯场值为零），那么空间的能量将不为零，空间将不是真空。实际上，真空中满是均匀的希格斯场。
42. 希格斯海
宇宙的温度降到足够低时，希格斯场会发生相变，希格斯场会在整个空间中凝聚成一个特别的非零场值——非零的真空期望值——这时希格斯场发生对称性自发破缺，希格斯海形成。（待完善）
43. 基本粒子的质量与希格斯海
希格斯海形成后，不同种类的粒子与其存在相互作用，希格斯海阻止不同粒子加速的能力有所不同，粒子获得了不同的质量。其中光子完全不受影响，因而也就全无质量。（后面还会提到粒子质量的弦论解释）
44. 电弱希格斯场、电弱理论与大爆炸
宇宙大爆炸之后的千亿分之一（10^-11）秒时，宇宙的温度为千万亿（10^15）摄氏度，希格斯场出现非零的真空期望值，希格斯海瞬间蒸发，此时，所有的粒子（？待考证）质量都一样，全部是零。这意味着，在温度下降希格斯海形成前，光子、W粒子、Z粒子所有的本质都一样，互换电磁力与弱核力的信使粒子无差别，那么电磁力和弱核力不过是同一种力的两面。这就是统一了电磁力和弱核力的电弱理论（electro-weak unified theory），此时的希格斯场称为电弱希格斯场。
1983年W粒子、Z粒子的发现验证了电弱理论预言的正确性。电弱理论预言体现了物理学的规范对称性。
进一步猜测，希格斯场再次发生第二次相变，是不是所有的粒子本质上都一样？找到希格斯海或许是大统一理论的关键。
45. 超冷希格斯场、排斥性万有引力与宇宙暴胀
（1）爱因斯坦在广义相对论中通过引入宇宙常数。宇宙常数被爱因斯坦精确地选出，其表现出的是排斥性的万有引力，且与吸引力精确平衡。获得了静态宇宙。
（2）超冷希格斯场是指希格斯场因量子过程带来很多随机波动使得希格斯场值不断变化，当希格斯场值恰好波动到势能碗中央时，希格斯场场值为零，处于超冷状态，但能量不为零（高于最低能量），这意味着需要在空间中填充能量，从而对空间贡献均匀负压——很像宇宙常数，但又有本质不同。超冷希格斯场所贡献的能量和负压可以被精确地计算出，在某种势能碗模型下，其取值是宇宙常数的10^100倍。
（3）暴胀是怎么发生的？
① 宇宙刚刚诞生时极端致密，全部能量由希格斯场携带 → ② 希格斯场停留在势能碗中心（处于高压负能状态，仅维持极短的瞬间）形成暴胀子场 → ③ 生成巨大的排斥性万有引力，时间仅10^-35秒 → ④ 宇宙瞬间膨胀10^30倍或甚至10^100倍
（4）宇宙的成长过程
① 宇宙诞生 → ② 某刻暴胀发生 → ③ 10^-35秒，暴胀子从中心跌落至势能碗底部 → ④能量释放且均匀填充于膨胀的空间 → ⑤ 大爆炸理论（空间继续膨胀、冷却、物质粒子聚集形成星系之类……）
46. 暴胀理论预言的宇宙密度与实验观测的验证
暴胀理论预言：（1）我们的宇宙近乎平坦，（2）宇宙物质或能量密度应非常接近临界密度（每立方米空间内有5个氢原子的质量，约10^-23克）
观测结果：
※ COBE、WMAP实验已强有力的支持空间是平坦的
※ 实际已勘探到可见物质的密度约占临界密度的5%
※ 根据引力效应计算，暗物质约占临界密度的25%
※ 消失的70%：对于Ia型超新星爆发后的远离速度的观测发现，宇宙在其大爆炸后70亿年间一直在减速膨胀，但70亿年后宇宙却转而一直在加速膨胀，根据精密的观测和计算，证实爱因斯坦预言的宇宙常数确实存在，而宇宙常数（称为暗能量）的密度正好是那消失的70%时，其带来的排斥性万有引力恰好满足超新星远离速度的实验观测。
【不得不说爱因斯坦老爷子的物理直觉真的惊人，除了那些孤胆英雄式的壮举，在其他朦胧范畴方面的预言，即便提出的目的或应用的方向未明确甚至错误（比如EPR佯谬），随着科学的发展和众多智慧头脑的努力就展露出其真实的威力，在关键时刻又能推动科学的发展。膜拜ing… (〃◕ᴗ◕〃✿)】
47. 天空中的量子——星系是如何形成的暴胀解释
（1）宇宙诞生之初尺度极其小，这一阶段量子涨落的效应十分显著不可忽略。暴胀发生时，将量子涨落所带来的微小不均匀性放大；
（2）由于团状结构更密实，产生更强的吸引力，最终形成了恒星和星系。
※ 现在我们看到的遍布天空的一千多亿个星系，正是量子力学在天空中的自我展示。
48. 总结：宇宙演化时间线（暴胀理论）
49. 宇宙总物质和总能量的暴胀解释
※ 早期宇宙的总物质和总能量是非常非常多的吗？如果不是，暴胀是如何产生了如此多的物质和能量？
暴胀理论表明，宇宙最初的微小空间（10^-26cm）只有20磅（可能比一只小狗还轻），暴胀子场形成后随着宇宙的膨胀，物质和辐射的能量遗失给引力，而暴胀子场则从引力获得能量。而在10^-35秒后，这些能量至少增加了10^90倍，暴胀获得的能量足以解释今日宇宙间的一切物质之起源。
【这又是一个Big Story，让我后面再想想怎么通俗又简短地解释一下…༼༎ຶᴗ༎ຶ༽】
50. 时间之箭的暴胀解释
还记得我们之前讲到的时间之箭问题的本质吗？（复习本文第21条，图1），暴胀理论为时间之箭找到了方向——
（1）它为时间之箭安排了一个极低的引力熵的过去：
① 早期宇宙（前暴胀时期，也就是图3的虚线时期）的极端特点应是极端的热以及巨大的密度，是一片狂烈又活力十足的混沌，也就是高熵原初态（还未经证明） → ② 涨落过程中的某一瞬间机会，一块小小的20磅空间达到了能引发暴胀的条件 → ③ 将引力考虑进来，暴胀发生拉平了空间的褶皱并释放能量，均匀地填满空间，使得熵降到极低（均匀代表高度有序），但新产生的粒子带来了熵增，总的熵增大了，但没那么大
（2）时间之箭的未来就是熵增的方向。
【暴胀终于写的差不多了。。。我面如菜色 (;´༎ຶД༎ຶ`) 】
九、超弦理论 Superstring Theory
51. 什么是弦（Superstring）？
传统理论 → 电子和夸克是无空间结构的点粒子
超弦理论 → 电子和夸克是细小的振动的能量丝（弦），弦的不同振动模式对应着不同粒子，不仅包括目前已知最小物质如电子、6种夸克、3种中微子及其反粒子，还包括信使粒子（如引力子）
※ 弦是一维实体，只有长度，没有厚度，弦的长度为普朗克长度。 （普朗克长度为10^-33厘米，普朗克时间为10^-43秒，在小于普朗克长度与普朗克时间的尺度上，量子不确定性使得宇宙的结构扭曲混沌，通常的空间和时间的概念不再具有任何意义）
52. 粒子质量的弦论解释
根据方程E=mc^2，粒子的质量（m）由弦振动能量（E）转化而来。
【还记得本文42条，粒子质量与希格斯海的解释吗？至于两者关系，我觉得应该是不同学说试图解释世界的不同方式吧】
53. 第一次超弦革命（约翰·施瓦茨和麦克尔·格林，1984）
※ 弦论统一描述所有物质和所有力
※ 弦论填补了广义相对论和量子力学的鸿沟
广义相对论与量子力学在“又重又小”的事物的解释上相矛盾，在无限小处概率的数学结果为无限大，但弦论的引入，使得粒子的最小长度限制在普朗克长度（因为任何粒子都由弦的振动产生，而弦的长度为普朗克长度），消除了“无限大”的情形。
※ 插一个解释，为什么叫超弦？——整数自旋与半整数自旋之间的对称性成为超对称性，所以超弦理论全称应叫“超对称弦论”，简称超弦。【似乎是一个解释了也听不懂的解释… (´థ౪థ)σ 】
54. 弦论方程的预言：空间有9个维度。隐藏维度的形状推测可能是一种卡拉比-丘空间，但到底是哪一种卡拉比-丘形构成了额外维度至今未知。
55. 又回到最初的起点：时间和空间是什么？
弦论揭示：空间和时间概念不能被推广到亚普朗克尺度，空间和时间很有可能只是某种至今尚未明晰的基本概念的近似。
十、M理论
56. 什么是M理论？
弦论从理论诞生以来出现了很多不同的版本和相应公式，这些理论可以各自解释，但得出的数据却千差万别。爱德华·威腾发现这些不同的版本之间实际可以用一种理论来进行转译，这就是M理论。M理论是已有弦论的母理论。
57. 第二次超弦革命
❤ 5种弦论近似方程 → 10维宇宙 → 9个空间维度+1个时间维度 ❤ M理论 → 11维宇宙 → 10个空间维度+1个时间维度
❤ 5种弦论近似方程 → 基本组分：一维弦 ❤ M理论 → 基本组分：P膜（1≤P≤10，代表维度）
M理论认为，高维膜不必非常重，高维膜可以同最低质量的弦的振动模式有相同的质量，这是就会对物理世界有重要的影响。
58. 膜世界
M理论提出，我们的宇宙本身可能是一张3膜。
59. 额外维度在哪？我们为什么看不见？
M理论通过计算指出，某些情况下开弦的端点只能在充满P膜的区域内运动，而只有开弦能产生光子，其端点只能在3膜上运动，这意味着光子只能在我们的三维空间运动，以光子作为信使粒子的电磁力也只能囿于我们的三维世界。因此，仅通过电磁力探测的方法，包括肉眼、电子显微镜、原子对撞机等，无论额外维度有多大，都无法探测到其存在。
此外，M理论还指出：物质粒子，强核力、弱核力的信使粒子胶子、W粒子、Z粒子也是开弦的振动模式，亦被囿于3膜之中。
60. 引力如此之弱很可能是因为引力渗透到了额外维度
M理论指出，引力子却是来自闭弦的振动模式，闭弦自由自在，既可以在膜上运动，也可以离膜而去，这意味着引力并 不会囿于三维空间，我们探测到的引力如此之弱，很可能是因为引力渗透到了额外维度导致的，而不是引力本身微弱。
※ 如何证实M理论的预言？
（1）在宏观环境下，三维空间中，我们探测到的引力与距离的平方成反比，如果M理论正确，那么在更小尺度（量子尺度）上，如果可以探测到引力与距离平方反比率的偏离，那么即意味着探测到了渗透到微小的额外维度的引力，也可以证明额外维度的存在。
（2）微观黑洞。如果小尺度上引力固有强度很大的假设成立，那么通过大型强子对撞机（日内瓦粒子加速器LHC）高能质子对撞过程可以产生足够的挤压力来制造大量的微观黑洞。当然这些微观黑洞很不稳定，产生不久就会很快瓦解，不会对宏观世界产生影响。
61. 循环宇宙模型（亦称大碰撞模型，big splat）
基于膜世界理论，我们的宇宙很可能是无数宇宙中的一个，循环宇宙模型认为，我们之前讨论的宇宙的诞生的所谓的“爆炸”，实际上是已存在的2张3膜（我们的世界是其中一张）发生碰撞，2张3膜无限循环的碰撞、反弹、再碰撞…一而再、再而三及至永远生成它们各自膨胀的三维世界。
十一、超距传输
62. 单个粒子已经实现超距传输
※ 量子超距传输是怎样的过程？——
① 准备一对纠缠的光子对（光子B、光子C）在两个远距离地点，准备要传输的光子A，与光子B放在一起进行联合测量 → ② 测量结果（通过电话、传真、Email等低于光速的传输工具）告知光子C的所在地，根据这些测量结果对C进行相应操作，复制出光子A的量子态 → ③ 量子的超距传输完成
63. 从以上过程不难看出，量子纠缠无法实现超光速通信，但可以实现在低于光速下的粒子传输。
64. 宏观物体的超距传输所需信息量极其巨大，以现有能看到和预见的科技水平很难实现。【But who knows? 也许40年前很多人也不能预见电子计算机和人工智能的普及吧，可那是的科幻大部分已成现实】
十二、时间机器（Time Machine）
65. 飞向未来还是回到过去？
（1）飞向未来是狭义相对论的预言，并且已经被实验证实（μ子在高速运动的状态下寿命变长）
（2）回到过去会产生很多悖论，如回到过去阻止你父母的相遇你又是怎么存在的呢？而回到过去的你应该在那一时刻就已经存在这个事实不会改变（还记得时间是冰封之河吗？）。相似的悖论很多，但量子力学的多重世界诠释解决了回到过去所带来的的悖论，在每一个平行宇宙中发生的事件都是物理上自洽的事件，如回到过去的你实际上已经到了另一个世界，而不是原来没有你的世界。因此，回到过去的时间旅行的可能性并不会因为其存在悖论而被排除，因为还未有明确的证明，但没被排除远不等于承认它的可能性。
66. 虫洞：空间和时间可能的捷径
（1）虫洞是什么？打个比方，有一座高山，虫洞就类似于中间打通的隧道，直接连接两点。但与隧道的比喻不同的是，隧道连接的两点可能原本就在山上存在一条路径相连，只是比较长，但虫洞连接的两点原本可能并不存在任何路径可以连接。即便虫洞的两端进行相对运动，虫洞的长度并不会发生变化，而根据相对论我们知道，相对运动的两点会存在时间的差异，因此虫洞的端口不仅穿越了空间，也穿越了时间。举个栗子：如果一个飞船上载有一个虫洞端口，该虫洞另一端在地球某处，不考虑极限速度下物体会被瓦解，当该飞船以99.9999999999999999%（小数点后16个9）光速的速度飞行4小时到达仙女座，再飞行4小时回到地球，此时虫洞的地球端口外的世界已经是600万年以后，但飞船上的端口仅是8小时以后，这个过程中，虫洞的长度始终不变，飞船到达地球时，一旦从飞船跨越虫洞到地球上，就穿过了600万年的时间。
※ 虫洞是广义相对论的数学所允许的内容
（2）虫洞稳定吗？20世纪60年代，惠勒等就曾用广义相对论证明虫洞是不稳定的，虫洞壁会一瞬间向内塌陷。后来索恩等发现，如果虫洞中含有外推力物质——奇异物质（exotic matter），虫洞就有可能持续开放并稳定。而维瑟等计算，想要打开1米宽的虫洞，所需负能差不多等于太阳在过去100亿年间产生的总能量。霍金等提出真空涨落可能会在虫洞变成时间机器时摧毁它，因为真空涨落也可能会穿越虫洞循环往复穿梭，使虫洞中出现一直增加的能量，据推测，这种能量会摧毁虫洞。
十三、时间和空间是什么的继续探索
67. 近些年来，很多物理学家相信时间和空间这样的概念不过是埋藏在物理真实性中的更加精细、丰富的基本理论的一种幻想。
※ 空间和时间也许源于我们尚不清楚的基本成分的集群性质
※ 空间和时间是某种基本组分的量子平均
※ 几何对偶性也意味着时空很可能是个次级现象，而不是基本结构
68. 寻找时间的基本组分存在2个大有希望的方向：弦论和圈量子引力
（差不多更完了…后续再修修补补吧）
