十大物理学实验

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:原原,头图来自:unsplash

当我们提到物理学实验时,你会想到什么?

或许是发现希格斯粒子的大型强子对撞机(LHC),或许是首次直接探测到引力波的激光干涉引力波天文台(LIGO),又或许是即将发射升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)……这些都是非常复杂、先进的实验,借助它们的强大力量,我们可以窥探到许多的宇宙奥秘。

在物理学的建立过程中,实验起到根本性的作用,它检验我们的理论,为科学知识提供依据。它也可以表明一种被广泛接受的理论其实是不正确的,或者通过显现出未解的新现象来展现对新理论的需求。实验可以为理论提供线索,也可以为理论提供证据。

在历史中,有许多美妙的实验大大地推进了科学发展。下面,你能通过图片猜出它们是什么实验吗?

选题来源:《物理世界》的十大最美实验

参考来源:

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2058-7058/15/9/22

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.191101

图片素材来源:

Pixabay:insspirito, SplitShire、OpenClipart-Vectors、2500529、422737, Dieter_ Wikipedia

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:原原

关于“长尾理论”,大部分人都有这些误解_详细解读_最新资讯_热点事件

神译局是36氪旗下编译团队,关注科技、商业、职场、生活等领域,重点介绍国外的新技术、新观点、新风向。

编者按:15年前,《连线》主编Chris Anderson敏锐地观察到了互联网及数字产品供应的无限性,从而给利基产品更大的生存空间,并形象地用长尾效应来总结,《长尾理论》也成为当年火得不行的畅销书。现在,15年过去了,长尾理论所预言的东西依然得到验证。不过,也有一些普遍存在的误解需要作者的澄清。Marina Krakovsky对此进行了总结,原文标题是:What Everyone Got Wrong About ‘the Long Tail’

划重点:

长尾的集腋成裘可以跟头部匹敌

聚合者收割了长尾的好处

消费者也可以从长尾中享受到“选择的天堂”的好处

创作者必须投入越来越多的资源才能脱颖而出

风险都被平台转嫁给创作者了

长尾不能终结头部,只能终结头部的垄断

风靡一时的长尾理论

15年前,随着硅谷慢慢从互联网泡沫破灭中复苏, August Capital的长期风险投资人David Hornik开始看到一个主题在初创企业创始人当中反复出现:他们都在纷纷引用一个新的术语“长尾”。典型的pitch deck(创业介绍材料)都会放这么一张幻灯片,里面会放一张《连线》杂志主编克里斯·安德森(Chris Anderson) 2004年同名文章的销售图表的美化版。

Hornik 回忆道:“那张幻灯片是个常量。好几年我每周都会看到它。”等到安德森把他的文章改写成2006年的畅销书《长尾理论》(The Long Tail: Why the Future of Business Is Selling Less of More)时,这个术语所代表的思想在互联网初创企业界已广为人知,而且鉴于那张幻灯片出现的频度太过频繁了,以至于一位创始人把它标记成了“必选的长尾幻灯片”,他给那张图的附言是“无需多讲”。

“长尾理论”是Anderso对互联网市场经济的一系列观察起的一个好听的名字——这项观察可能跟今天“热情经济”(passion economy)有一定的共鸣,后者是说任何人都可以在把自己的特殊兴趣变成收入来源。Anderson的文章和书主要是建立在Erik Brynjolfsson、Jeffrey Hu、Michael Smith以及Anita Elberse等学者的工作基础上,他注意到,实体店受到有限的货架空间的限制,所以就会尽可能多地摆放热门商品。与此形成鲜明对比的是,Amazon和Netflix等在线平台拥有无限的货架空间。这位科技记者的观点是:从他主要关注的媒体和娱乐产业,到手工艺品,乃至于厨房用具等各种市场,这种根本性的转变会产生深远的影响。

由于如此清晰地看清了这个普遍现象,并且阐明了其对企业和消费者的实际意义,再加上给它赋予了一个醒目的名称,Anderson让“长尾”成为了流行语,并当选了《时代》杂志2007年全球百名最有影响力的人之一。(Malcolm Gladwell说这个概念描是“真正的大想法”。)

Anderson不仅捕捉到了即将到来的长尾现象,还提供了一本如何利用好它的手册,从而引起了广泛的兴趣,尤其是在互联网创业者当中的兴趣,这对那些不想随大流做“热门”业务的人来说也是一个积极的信号。

聚合者收割了长尾的好处

今天距离Anderson提出这一观点大概已经有15年了,我们可以看到他的理论是多么的出色。关于这给所谓的“聚合者”(尤其是销售数字娱乐的电子商务平台)带来的好处,他的看法绝对是正确的:他准确地看到,在没有了实物库存的成本和风险之后,Amazon或iTunes这样的平台突然之间就可以自由地提供各种电子书、歌曲和其他数字商品了。甚至那些通过众多第三方卖家(比方说eBay、Amazon Marketplace)出售实物产品的平台,也可以而且确实很容易就能提供种类繁多的产品。因此,每一个平台无限的产品目录当中的那些利基产品的组成的长尾,加到一起就形成了庞大的销售总额。

不管每年卖出的份数有多少,书籍不再需要拿去出版了,因为它们可以电子形式永久存在。

实际上,根据你给销售曲线划分头部(最受欢迎的产品的销售)和尾部(利基产品的销售)的具体情况不同,以及看这条尾巴的延伸程度如何,Anderson预测,尾部可能会跟头部一样大。任何能够把这些尾部的销售一网打尽的公司都可以形成巨大收入。就像Anderson和他的许多读者所看到的那样,其利润的潜力也十分巨大:尽管要建立起一个运行良好、可信赖的市场来吸引大量的买卖双方并非易事,但一旦建立并运营好这个平台,增加新用户和新产品的成本就可以忽略不计。

而且,长尾确实证明了可以给聚合者带来好处,从Anderson写到的大多数企业的成功经验,到自他首次发表自己的想法以来出现和兴起的众多平台(从YouTube到Spotify到Shopify和BigCommerce)的成功当中,我们都可以看到这一点。

长尾成为消费者“选择的天堂”

Anderson也看到了对消费者的好处,后者可以在长尾中享受到“选择的天堂”,这跟最小公分母的专制统治与“选择悖论”(选择太多与其说是眷顾不如说是诅咒)形成了令人愉悦的鲜明对比。Anderson在写作时, Pandora已经为听众进入了一大批独立音乐,而eBay已经在拍卖各种二手商品和收藏品。他还报道说,KitchenAid最近已经从在Target上提供三种颜色的搅拌器变成了在线出售超过50种颜色的搅拌器。比方说,在Tangerine就没有实体零售商卖这种产品,因为他们那种偏门的颜色肯定卖不了几个——但是,对于享受着集中式仓储效率的在线商家而言,销售量并不是问题。

现如今,我们当中很多人都把种类繁多视为理所当然,但只要我们停下来想一下20年前就知道,拥有互联网连接的任何人可以观看一部土耳其肥皂剧或学习如何烹饪一道津巴布韦的素食菜是多么的不可思议。所以, Anderson对长尾的文化影响的看法是正确的,尽管他对搜索工具和推荐系统跟用户的喜好匹配程度有点高估了。

尽管如此,消费者绝对是受益匪浅——他们享受到的好处已经远远超出了书籍和音乐等文化产品的范畴。今天,如果你那古老的Maytag干燥机需要新的滤网护圈的话,可以到FiltersFast.com或AppliancePartsPros.com上面去订购。如果你喜欢住蒙古包或树屋而不是酒店的话,Airbnb和Hipcamp可以帮你忙,这是那书出版以来如雨后春笋般涌现的众多长尾服务平台中的两个。

利基生产者情况不妙

除了消费者和聚合者以外,Anderson还写了第三类:所有这些利基产品的生产商,他的预测是,在很大程度上这批生产商是不经济的,主要表现为无形的形式,比方说注意力和声誉。他写道,虽然文化多样性肯定会增加,但“怎么才能赚钱以及什么时候才能赚钱有待未来几十年的揭示。”

目前,这些利基产品的生产商们看到的结果参差不齐。从好的方面来说,成千上万的人(比如博客作者和播客、TikTok网红或者Etsy手工艺人)可以靠做自己喜欢做的事至少赚一点钱。更重要的是,曾经火过的产品的卖家可以在其销量下降之后很长一段时间内继续无限期地提供这些产品。Spry Fox(通过Google Play,苹果的App Store以及其他游戏平台发行游戏的开发商和发行商)的CEO David Edery说:“现在,我们又可以玩起在零售时代已经彻底消失的游戏了。”我们可以在书籍方面看到相同的现象,不管每年卖出的份数有多少,书籍不再需要拿去出版了,因为它们可以电子形式永久存在。

但是,对于大多数创作者来说,长尾在财务方面有点言过其实。Edery 说:“Anderson的那种写法会让大家一位,个人内容创作者一下子就能赚到比以前更多的钱。我知道,那根本就不是真的。”

尽管数字货架的空间无限,但消费者的时间和注意力仍然有限,因此创作者必须投入越来越多的资源才能脱颖而出。

对于创作者而言,更糟的是,一炮走红会继续把利基产品甩在身后,娱乐行业尤其是这样。哈佛商学院(Harvard Business School)经济学家Anita Elberse收集并提供出来的数据表明,数字化分发其实让风靡一时的产品变成以往任何时候都要好的生意。一方面,推荐系统未能实现其早先的承诺,比方说Netflix还在推送已经很火的节目和电影,而不是那些迎合个人特殊口味的内容。

毫无疑问,有些生产商在长尾部分取得了成功,有的所取得的成功堪称疯狂——不妨想想YouTube和Instagram上面的网红,这些人已经赚了上百万美元,他/她们聚焦在化妆技巧、产品拆箱以及其他的专门主题上面。现在,无数的其他生产者至少有机会靠自己的爱好去赚钱。

不幸的是,对于艺术家来说,这也意味着赔钱的可能。长尾促进了利基创作者之间的激烈竞争:尽管数字货架空间是无限的,但消费者的时间和注意力仍然有限,因此创作者必须投入越来越多的资源才能脱颖而出。这就是为什么我们会看到有那么多的免费内容以及那么多的广告的原因所在。就像任何一场军备竞赛一样,每一位竞争者都有取胜的机会-但是在这场营销军备竞赛里面,唯一可以确定的赢家只有平台。

持续的营销成本是长尾平台把重大风险转嫁给创作者的几种主要方式之一。前期成本是另一个方面。从未播放过的歌曲Spotify是不用支付任何费用的,正好空置的房间Airbnb也不必支付任何费用;这些平台在里面没有切身利益。与此同时,音乐家必须创作歌曲,而Airbnb的房东还得还房贷。

长尾跟这种风险转移有什么关系?在货架空间有限的早期,发行商必须投入真金白银:零售商、发行商以及其他的中介必须是目光敏锐的看门人。他们设法通过投资组合方法降低下行风险,让其中的赢家弥补失败投资的损失。在当今的“长尾”时代,在无限库存的好处很多,而坏处几乎可以忽略不计的情况下,平台受到的激励是打开大门,来者不拒。这种做法导致创作者得相互竞争,却没有为他们提供前期支持。其结果正好是反过来的:最不能管理风险的一方(个人创作者)却是承担风险的一方。

今天,现在是3D Robotics CEO的Anderson说,他对创作者表示同情,并坚称他们所体会到的任何失望都源于对这本书的误读,里面从来都没有保证过艺术家可以靠长尾赚钱。相反,他从一开始就写道,真正的财富会流向聚合者,也就是那些可以靠控制整条长尾曲线收割回报的公司,而不是代表每一位创作者的狭窄的垂直切片。

Anderson说,他希望推荐系统能够更好地展现利基市场的内容,而不是给富者更富效应火上浇油。不过,有人认为,我们正处在一个更加靠热门驱动的世界里面,对此Anderson回应说,大家也许会对长尾时代就是大热终结的想法感到兴奋,但是自己可从来没有说过这个。他说:“这只是热门垄断的终结。”

译者:boxi。

麦克斯韦,到底有多牛?

本文来自微信公众号:鲜枣课堂(ID:xzclasscom),作者:小枣君,题图来自:维基百科

18~19世纪的欧洲,就像开了挂一样,诞生了不计其数的天才科学家。

这些天才科学家取得的辉煌成就,奠定了现代学科的理论基础,为20世纪人类科技的全面腾飞创造了条件。

以我们通信行业为例,目前我们最前沿的通信科技,不管是5G,还是Wi-Fi 6,都是基于电磁理论发展起来的技术。而电磁理论,就是18~19世纪奠基完成的。

我们今天这篇文章的主角,就是电磁理论的重要奠基人之一,大名鼎鼎的麦克斯韦。

麦克斯韦,全名是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell),英国著名物理学家、数学家。除了奠定电磁理论、开创经典电动力学之外,他还是统计物理学的奠基人之一。

麦克斯韦的生平往事

我们首先回顾一下麦克斯韦的整个人生历程。

相比于小枣君之前给大家介绍过的其他大神,麦克斯韦的人生经历可以说是非常平淡,既没有大富大贵,也没有大起大落。

1831年6月13日,麦克斯韦在苏格兰爱丁堡出生。他的父亲是一位辩护律师,名叫詹姆斯·克拉克。之所以会多出一个“麦克斯韦”姓氏,是因为克拉克家族和麦克斯韦家族关系深厚,小麦克斯韦的曾祖母就来自麦克斯韦家族。小麦克斯韦他爹还继承了麦克斯韦家族的一些地产。

幼年时期的麦克斯韦,虽然家境殷实,但因为口音浓重等问题经常遭到同龄人的嘲笑,所以性格比较孤僻,不太喜欢讲话。他的教育,主要是由他的母亲在负责。

8岁那年,麦克斯韦的母亲患病去世,导致他变得更加沉默寡言。

不过,幸运的是,麦克斯韦的父亲并没有放弃对他的关爱,积极鼓励和陪伴他成长。他父亲发现,儿子经常画一些几何图形,于是,亲自教导他学习数学。

当时,他父亲还聘请了一名家教对他进行指导。然而,这名家教对小麦克斯韦极为尖酸刻薄,经常责骂他迟钝、任性。于是,他父亲在1841年11月辞退了这名家教,将小麦克斯韦送到久负盛名的爱丁堡公学就读。

这一期间,小麦克斯韦住在他的姨母伊萨贝拉家中。这位姨母对小麦克斯韦进行了悉心的照顾和教育,给他的人生造成了很多正向的影响。姨母的女儿,也就是小麦克斯韦的表姐,杰迈玛,激发了小麦克斯韦在绘画方面的兴趣和热爱。据不可靠消息,杰迈玛也是小麦克斯韦的初恋对象。

15岁的时候,麦克斯韦在爱丁堡皇家协会学报上,发表了自己的第一篇论文——《卵形线》(Oval Curves),在当地引起了不小的轰动。

1847年,16岁的麦克斯韦如愿进入了爱丁堡大学。此时的他,是班上年纪最小的学生,但成绩却总是名列前茅。他专攻数学物理,同时也接受了实验物理学、逻辑学等学科的严格训练。

1850年,在征得父亲同意的情况下,他转入剑桥大学。起初,他就读于彼得学院,后来,按个人意愿,转入了三一学院。在三一学院,他获选加入了剑桥大学秘密的精英社团——剑桥使徒。

在三一学院就读时的麦克斯韦,手上拿的是自己发明的比色环。

1851年,他开始跟随著名数学家威廉·霍普金斯学习数学。

1854年,也就是23岁的时候,麦克斯韦以第二名的成绩从剑桥大学三一学院数学系毕业,留校任教。

1855年,麦克斯韦读到了大神法拉第的著作《电学实验研究》,被书中各种各样的电磁感应实验所吸引,正式开始研究电磁学,从此一发不可收拾(后面会详细说)

1856年,麦克斯韦来到苏格兰阿伯丁的马歇尔学院,担任自然哲学教授。当时他只有25岁,比其他教授至少年轻15岁。

1858年6月,麦克斯韦迎娶了马歇尔学院院长丹尼尔·迪尤尔的女儿——凯瑟琳·玛丽·迪尤尔(Katherine Mary Dewar)。凯瑟琳比麦克斯韦大7岁,个子也比麦克斯韦高,长相美丽且性格开朗。两人婚姻生活非常和谐美满、浪漫甜蜜,后来育有两个女儿。

1860年,马歇尔学院与阿伯丁国王学院合并成为阿伯丁大学。尽管麦克斯韦已有一定的影响力,但仍未争取到新学校的自然哲学教授职位,而且申请爱丁堡大学相同职位也未成功。无奈之下,经人介绍,麦克斯韦到伦敦国王学院任自然哲学和天文学教授。

此时的麦克斯韦,进入了自己人生阶段中最为高产的一段时期。他在电磁领域的几篇重要论文,都发表于这一时期。1861年,麦克斯韦当选为伦敦皇家学会会员。

1865年,麦克斯韦辞去教职,和凯瑟琳一起回到家乡格伦莱尔,开始系统地总结电磁学的研究成果。这一期间,他完成了电磁场理论的经典巨著——《电磁通论》,并于1873年出版。

1871年,麦克斯韦受聘为剑桥大学首任实验物理学教授,并负责筹建该校第一所物理学实验室——卡文迪什实验室。

1874年,卡文迪什实验室建成后,麦克斯韦担任实验室的第一任主任。

卡文迪许实验室后来举世闻名,对整个实验物理学的发展产生了极其重要的影响,被誉为“诺贝尔物理学奖获得者的摇篮”。

后来的麦克斯韦,一直在倾力照顾自己生病的妻子(之前是照顾生病的父亲),心力交瘁。没过多久,自己也被查出患病。

1879年11月5日,麦克斯韦在剑桥因胃癌逝世,享年仅48岁。

此时,他刚刚完成第二版《电磁通论》前九章的修订。值得一提的是,他的母亲当年也是相同年龄因为相同的癌症而去世的(也有说法是他母亲死于肺结核)

逝世后的麦克斯韦,葬于苏格兰西南部罗门湖(Loch Ken)附近的一座教堂中。

麦克斯韦的墓碑

麦克斯韦的成就与贡献

好了,接下来,我们来看看麦克斯韦的人生成就。

一直以来,在学术界和历史界,麦克斯韦都被赋予了极高的地位。他的学术贡献,被认为可以与牛顿、爱因斯坦比肩。

普通人可能会质疑,麦克斯韦真的有这么牛吗?竟然可以和牛爵爷、爱神平起平坐?他不就是捣鼓了一个麦克斯韦方程组吗?值得封神吗?

Hoho,麦克斯韦之所以民间名气不够大,就是吃了麦克斯韦方程组的亏。

你看牛爵爷的三大定律,咱们中学的时候就能看懂。公式的话,说来说去,也就是围绕着“F=ma”转,非常简单。

爱神的“相对论”嘛,反正大家都不懂,就知道很牛逼,就够了。公式的话,E=mc2,至少看起来简单好记啊。

麦克斯韦的方程组呢,Duang,就是下面这个:

你看得懂不?记得住不?写得来不?

也许你在大学的时候,曾经看得懂,我相信现在已经忘得差不多了吧?

上面这个,还是经过天才物理学家奥利弗·亥维赛“改良”的版本,原版的麦克斯韦方程组有20个方程式,更要命。

所以说,麦克斯韦属于那种一般人看不懂他为什么牛逼,而专业人士明明知道他牛逼,却解释不清楚他为什么牛逼的类型。

麦克斯韦的生平极少发生八卦新闻,他的名字也没有像安培、赫兹、特斯拉一样,成为物理学单位,这都影响了他在普通人眼里的知名度。

其实,概括来说,麦克斯韦的最大贡献,就是共同参与电磁理论的奠基,搞清了光、电、磁的真相,最终帮助人类驾驭了电磁波。

没有麦克斯韦,就没有电磁波的广泛应用(或者说会晚很多年),不会有手机、无线电、广播、微波炉、雷达、卫星、CT、B超……人类社会,完全会是另外一番景象。历史的发展,也会是另外一种结局。

我们回顾一下电磁理论的诞生过程。

1820年,丹麦科学家奥斯特通过偶然发现的磁针偏转现象,提出电流存在磁效应。

此后不久,毕奥和萨伐尔在大佬拉普拉斯的帮助下,提出了著名的毕奥—萨伐尔定律,可以算出任意电流在空间中产生磁场的大小。但是这种方法在实际使用的时候比较繁琐。

再后来,安培发现了一个更实用更简单的计算电流周围磁场的方式,这就是安培环路定理。安培还总结了一个很实用的规律,用于判断电流产生磁场的方向,这就是大家非常熟悉的安培定则(也就是右手螺旋定则)

再再后来,大神法拉第出场,经过反复实验,提出了电磁感应定律(1831年),引入了电场和磁场的概念(1837年),指出电和磁周围都有场的存在,打破了牛顿力学“超距作用”的传统观念。

然而,法拉第是一位实验物理学家,他小时候因为家庭穷困没有受过正统教育,数学能力较弱,所以无法通过数学公式对自己的理论进行证明,一直为此耿耿于怀。

法拉第的著作——《电学的实验研究》,从头到尾没有一个公式

在法拉第的默默召唤之下,上帝派来了数学兼物理双料天才——麦克斯韦,帮助法拉第了却心愿。

1855年,麦克斯韦发表了一篇论文——《论法拉第的力线》,第一次试图将数学形式引入法拉第的力线概念,从而初步建立电与磁之间的数学关系。这篇文章引起了物理学界的重视,也得到法拉第本人的赞扬。

1862年,麦克斯韦发表了第二篇论文——《论物理学的力线》。在这篇论文中,他首次提出了“位移电流”和“电磁场”等新概念,对电磁理论给出了更完整的数学表述。

1864年,麦克斯韦发表了第三篇论文——《电磁场的动力学理论》。这篇论文中不仅给出了麦克斯韦方程,还首次提出了“电磁波”的概念。

麦克斯韦认为,变化的电场会激发磁场,变化的磁场又激发电场。这种变化的电场磁场共同构成了电磁场,电磁场以横波的形式在空间传播,就是电磁波。

麦克斯韦推算出电磁波的传播速度,发现和光速非常接近,于是,他指出:“光与磁是同一物质的两种属性,而光是按照电磁定律在电磁场中传播的电磁扰动。”

以上这些突破性进展,极大地验证了法拉第的电磁感应定律,也让法拉第可以不留遗憾地离开这个世界(1867年)

法拉第是幸运的,但麦克斯韦却没有那么好命。

虽然麦克斯韦通过完美的数学公式奠定了电磁理论的基础,但是,因为理论过于精深复杂,公式过于抽象,所以并未得到公众的广泛认可。

在牛顿力学仍占主导的那个时期,麦克斯韦的理论遭到主流学术界的抵制,年轻学者也很少有人愿意追随他。

据说,在麦克斯韦去世那年,当他仍然坚持不懈地宣传电磁波理论时,只有2个听众愿意听他上课,一个是来自美国的研究生,另一个是后来发明电子管的弗莱明。

他逝世后,主流学术界依旧没有接受他的理论。

一直到他逝世的9年后,1888年,年轻的德国物理学家赫兹,通过实验首次证实了电磁波的存在,才真正验证了麦克斯韦理论的正确性。麦克斯韦的贡献和地位,得以被全世界承认。如果他泉下有知,也可以瞑目了。

在科学史上,人们普遍认为,牛顿把天上和地上的运动规律统一起来,是“第一次”大统一,而麦克斯韦把电学、磁学、光学统一起来,是“第二次”大统一。

值得一提的是,后来爱因斯坦受麦克斯韦方程组的刺激,想要以同样的方法统一力场,将宏观和微观的两种力放在同一组式子中,实现最终的“大一统理论”,结果没搞成。不然的话,这个世界估计又是另外一个样子了……

此外,麦克斯韦的《电磁学通论》,作为电磁学经典著作,也经常被拿来和牛顿的《自然哲学的数学原理》(力学)、达尔文的《物种起源》(生物学)相提并论。

所有这些,都足以证明麦克斯韦的伟大。

上面所说的贡献,还仅仅只是麦克斯韦在电磁理论方面的工作。除了电磁理论之外,麦克斯韦在光学、天文学、分子运动论和热力学等诸多领域也有非常深入的研究,对后世产生了深远影响。

例如著名的物理学四大神兽之一,麦克斯韦妖,就是麦克斯韦围绕热力学第二定律提出来的一个佯谬。

结语

回顾麦克斯韦出生和逝世年月,我们会发现两个惊人的巧合——麦克斯韦出生的那一年,法拉第发现了电磁感应;麦克斯韦去世的那一年,爱因斯坦出生。

爱因斯坦一生对麦克斯韦极为推崇,他后来取得的很多研究成果(狭义相对论等),都离不开麦克斯韦的前期贡献。也有人戏称,爱因斯坦是麦克斯韦的隔世弟子。

1931年,在麦克斯韦诞辰一百周年的纪念会上,爱因斯坦评价麦克斯韦的建树,是“牛顿以来,物理学最深刻和最富有成果的工作。”

量子论创立者普朗克也是麦克斯韦的忠实拥趸。他是这么评价麦克斯韦的:“他的光辉名字将永远镌刻在经典物理学的门扉上,永放光芒。从出生地来说,他属于爱丁堡;从个性来说,他属于剑桥大学;从功绩来说,他属于全世界。”

来自20世纪最伟大天才们的肯定,足以说明这位19世纪最伟大天才的价值。不是吗?

参考文献:

1. 《麦克斯韦对人类的贡献》,360doc;

2. 《为什么麦克斯韦没有牛顿和爱因斯坦有名?》,知乎

3. 《与牛顿、爱因斯坦齐名,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦生平简介》,趣历史

4. 《麦克斯韦传》,佚名

5. 《麦克斯韦》,刘叔物理

6. 百度百科,麦克斯韦词条

本文来自微信公众号:鲜枣课堂(ID:xzclasscom),作者:小枣君

中金公司彭文生:美国通胀风险被低估 中国需关注债务可持续性|国家货币

疫情冲击下的经济周期 与现代货币理论 文 | 彭文生

现代货币理论(MMT)是非常有争议的话题,在2018年4月的CF40年会上我的发言提示关注现代货币理论对当前的参考意义,新冠疫情冲击下,相关的讨论更多了。作为一个市场研究人士,我认为我们现在处于一个动态无效的阶段,即储蓄过剩、利率低于经济增长,这个时候,财政赤字的增加可以降低过剩储蓄、提高利率,是动态有效的,有利于长远的经济发展,由此也不用很担心政府的债务问题,我认为这是一个现代货币理论和当前现实可以结合的重要依据。

但在现实操作中,宏观政策与经济的逆周期调控是紧密结合的。所以今天我想讲一讲怎么理解现代货币理论和经济周期之间的关系,以及为什么我们说在现在这个时间点,现代货币理论的一些洞见对我们是有启发的,对我们思考当前的宏观政策是有帮助的。

适当增加对财政的依赖

利于解决当前主要矛盾

现代货币理论的源头可以追溯到凯恩斯的国家货币学说。国家货币学说和商品货币学说有两个重要的差异,对我们理解MMT有帮助。商品货币学说强调货币中性,货币发多了只影响物价,不会影响实体经济增长。另一重要的含义是,政府与私人部门一样面临财务约束。商品货币是要面临竞争的,政府大量发行货币可能使其货币面临被市场淘汰的风险,因此商品货币学说强调平衡财政。

国家货币学说则强调货币非中性,货币可以通过金融的顺周期性和不稳定性影响实体经济。由于国家货币在该国境内不会面临竞争,因此政府无需面临财务约束,财政在这种情况下实际上是一种功能财政,即财政的目标是以宏观经济平衡为目标,而非追求自身的平衡。所以凯恩斯在《就业、利息和货币通论》中解释大萧条时强调货币非中性,并引申到功能财政。之后的明斯基是对凯恩斯思想的延伸,进一步阐述金融的不稳定性和财政可以发挥的作用。MMT则将这一思想推向极致,财政可以通过赤字货币化影响实体经济。

货币中性与非中性非常重要的一个差别在于货币的投放方式。依照国家货币学说,货币有两种投放方式,一个是财政,一个是金融,也就是信贷。这两种投放方式对经济的影响非常不同。首先,信贷投放货币带来资产泡沫,人们拿着贷款很少会去消费,而是将其大部分用于投资,如购买土地、上市公司股票、比特币、黄金等。因此,信贷投放货币太多体现出的不一定是通胀,更多的是资产泡沫。其次,信贷投放货币可能带来债务风险甚至金融危机,表面上看现在的现金流多了,但同时企业和家庭部门债务负担也增加了,未来存在隐患。第三,信贷投放货币加大贫富差距,因为银行大多是锦上添花,而非雪中送炭。

财政投放货币则不一样。财政支出是货币投放,税收是货币回笼。财政支出比如给公务员发工资、给低收入阶层的转移支付、基础设施建设等,都是拉动消费和投资、带动实体经济需求的作用。因此财政投放货币更大可能带来通胀,一般来讲对资产价格的刺激作用相对较小。财政投放货币也不会带来因私人部门债务不可持续导致的金融危机,因为它增加私人部门的净资产,改善私人部门的财务状况。财政还有天然的调节收入分配的功能,有助于降低贫富差距。

但是这并不代表财政就是完美的。它的问题一个是通胀,一个是政府部门对私人部门的挤出效应。所以,信贷与财政投放货币两种方式、两个极端都不好。过去40年全球范围内我们处于信贷投放货币的极端,由此带来资产泡沫、金融危机和贫富差距。两个货币投放方式没有绝对的对和错,只是在现在这个时间点,适当地增加对于财政的依赖,有助于解决当前社会的主要矛盾。我们可以从经济周期波动的角度来更好的理解这个问题。

美国通胀风险被低估

中国需关注债务可持续问题

一般来讲经济周期波动有两个内生的驱动力。一个是通胀,通胀高了政策紧缩,政策紧缩带来经济衰退,经济衰退导致货币政策放松,需求复苏,然后通胀再回来。通胀驱动的经济周期一般是几年一个轮回。另一个驱动机制是金融周期,信贷与房地产相互促进,房地产作为信贷抵押品的角色,它的顺周期性很强,它的一个周期不是几年的问题,可能是十五年到二十年的问题。这里面一个重要的驱动机制就是信贷投放货币。

看过去上百年的历史,战后三十年主要是财政投放货币,因此战后几十年经济短周期波动的特征很明显,每几年来一次,而且很明显是由通胀和相应的政策应对驱动的。过去四十年则越来越多体现为金融周期波动,像美国过去这四十年,其实就是两个金融周期导致经济波动。一个是80年代末的储贷危机,之后经济复苏,即使本世纪初的科技股泡沫破裂也没有对经济带来很大的冲击,直到2008年的次贷危机。次贷危机之后、今年疫情之前,美国经济持续复苏,似乎是没有结尾的,本轮是去杠杆后美国处在新的金融周期的上行阶段,导致这一次经济复苏是历史上最长的一次经济复苏。疫情冲击是一个外在的力量,暂时打断了金融和实体经济周期的联系。

结合当前的经济周期我们应该怎么理解宏观政策的操作?我认为美国现在是一个典型的现代货币理论的现实应用,但后面结果怎么样我们还要进一步观察。简单从中国和美国居民的可支配收入上看,美国今年似乎没有任何危机与经济衰退的迹象,其居民可支配收入增长率是过去二十年最高的。中国则是符合经济下行的规律,居民可支配收入增速明显下降。为什么会这样?这就要看美国广义货币M2的增长。美国广义货币的增长超过20%,而且这次的货币增长主要来自财政政策。我们把美联储和商业银行的资产负债表合并为整个银行体系的资产负债表,负债端是M2,资产端分为对政府的债权和对私人部门的债权。我们看到,美国今年M2的扩张主要是美联储在公开市场购买国债投放的基础货币,这是不是财政赤字货币化?见仁见智,我认为这起码是现代货币理论精神的一个实验。

中国的M2增长今年是温和上升,而且主要是信贷扩张,主要是企业部门债务大幅上升。按照历史的经验,这种信贷的扩张将延长金融周期,所以明年的金融周期可能进一步延伸,调整的压力可能在明年下半年开始显现。历史经验显示,每一次信贷扩张后的4-6个季度对实体经济是起支持作用的,资金将从银行体系流向实体经济。但4-6个季度之后,还本付息的负担相对新增信贷增加,资金从实体经济流回银行。这可能在明年下半年就会发生,因为按照政策,贷款展期明年一季度就结束了,我们需要关注债务的可持续问题。

这就要回到MMT对我们的启示。我自己的体会,第一个启示,政府的债务就是私人部门的资产。国债是由投资机构、家庭部门和企业持有的,政府发的债越多,理论上讲私人部门的净资产就越多。第二个启示,财政赤字对应私人部门的盈余。经济如果是封闭的、平衡的,政府的赤字对应的就是私人部门的盈余。所以一个每年都盈余的政府肯定不是一个好的政府,因为你的盈余就代表着私人部门的赤字。第三个启示,有财政投放货币的渠道,一般来讲政府债务不存在违约问题。

我们现在的问题在于,是央行扩表还是商业银行扩表。从对GDP的比例来讲,过去10多年中央银行一直在缩表,这就是从2008年到现在我们金融体系的问题。央行一直在缩表,而整个经济需要金融体系提供流动性、提供货币,这就导致商业银行资产负债表不断在扩张。2017年以后是有所调整的,但今年信贷扩张又回来了,而且加大了房地产的泡沫问题。所以我认为,未来更重要的是增加财政政策的逆周期调节力度,在金融层面央行要扩表,不能过度依靠商业银行扩表。

回到美国M2大幅扩张的后果问题。上一次M2增速超过20%是1941-42年,这么高的货币增长,会不会带来通胀,现在市场普遍不担心这个问题,但如果不带来通胀,怎么解释?今年美国通过财政发行大量货币的做法,完全符合上世纪五十到七十年代财政赤字货币化的机制。我认为,现在市场对于美国的通胀压力和风险都严重低估了。

现在美国居民可支配收入大幅增加,消费也比较强,但和M2的增速相比还是不够强,这是因为在疫情限制和社交隔离下,人们被迫储蓄。如果经济活动恢复正常,美国的消费会出现一波强劲的反弹,通胀也会起来。再结合美联储最近货币政策框架的改革,如果真的严格执行实行平均通胀目标制,将加大未来通胀预期自我实现的动力。所以我的观点是,今年的财政投放货币大幅增加了未来2-3年的通胀风险,未来不一定会像现在很多人认为的那样、永远都维持在一个低通胀的状态。

小结

总结来讲,这次疫情打断了经济内生的周期波动,使得实体经济波动和金融包括资产价格脱节,这种脱节是暂时的,未来随着疫情的缓解和消退,两者的联系将回归常态。

未来演变的路径可能不同,这和中美应对疫情冲击的政策操作的差异有关,中国主要依靠信贷,美国主要靠财政,两者都加大未来宏观经济和资产价格波动,但传导载体不同,美国更多的是通胀风险,中国更多的是非政府部门尤其企业部门的债务风险,其调整和后续的政策应对在美国更多的可能是对股市更不利,在中国更多的可能是对房地产不利,中国金融周期的调整任重道远。

现代货币理论在美国的实验能否削弱金融的顺周期性,未来的经济周期是否更多体现为通胀的波动,不仅是美国的问题,也对其他国家有参考意义,我们拭目以待。

科学好故事|无人观察时的薛定谔猫:量子解题新思路|量子理论|黑洞

撰写:丹尼尔·苏达斯基(Daniel Sudarsky)

来源:Nautilus

翻译:任天

著名物理学家理查德·费曼曽说:“我想我可以很有把握地说,没有人理解量子力学。”

物理学中一些最令人费解的课题几乎都围绕着量子理论,其中最著名的难题可能要属“薛定谔的猫”,以及黑洞蒸发过程中的信息损失问题。大多数物理学家已经习惯了这一点。毫无疑问,量子理论在实用层面是成功的,但是,当量子理论不再仅仅被视为计算可能实验结果的概率工具,而是对“外部世界”的基本描述时,严重的概念问题就会出现。

最基本的问题是,量子理论似乎只与我们测量的东西有关,而不是关于世界上存在的东西。有人可能会认为这很好,因为这个理论仅仅代表了我们关于世界的“信息”。但是,这只有在世界上存在某种我们可以被告知的东西时才有意义;在一般情况下,这样的信息必须由量子理论指定。

根据量子理论,系统的一般状态(粒子的位置或速度)没有明确的值。这种不确定性被称为“量子不确定性”(quantum uncertainty),也叫“量子涨落”(quantum fluctuation)。标准教科书中的量子理论涉及物理系统状态演变的两种不同规则:一种是英国数学物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)提到的“U过程”(U-process)。U过程由薛定谔方程表示,在给定系统当前状态的情况下,允许在未来任何时间(确定性预测),或过去任何时间(完全可逆)精确地确定系统状态。但是,这条规则只适用于系统没有受到“观察”的情况。

第二条规则在系统的某些属性被观察或测量时发挥作用,是一个随机规则,被彭罗斯称为“R过程”(R-process)。根据该规则,作为测量的结果,系统状态会跳转到疑问属性具有定义良好的值的状态之一。一般来说,这个规则不允许精确地预测将要发生的状态,也不允许对测量或观察之前的状态进行反演。人们可以用R过程来准确地预测概率,并估计大量重复实验所产生的平均值,以及结果的统计离散度,后者在数值上与上述不确定性水平是一致的。

还有一个问题是,量子理论在没有观察者的情况下,对世界本质的主张是模糊的。这个理论是否需要意识的参与才能有意义,如果需要,那是否包括老鼠或苍蝇的意识?尤其需要指出的是,量子理论中测量所包含的具体要素也非常模糊,几乎无可弥补。也许我们需要的只是一个足够大的装置,但多大才算足够大?在边界处会发生什么?所有这些问题被称为测量问题。如此种种概念上的困难往往会被物理学家在实践中忽视。

著名物理学家戴维·玻姆(David Bohm)提供了一个例外。他重新发现了一个由路易·德布罗意(Louis de Broglie)初创的理论,赋予其不同特征,认为点状粒子在任何时候都有明确的位置和速度,而量子态只是引导它们随时间演变(而且一只猫永远不会处于既死又活的状态)。另一个值得注意的例外来自支持修正量子理论的研究者,该理论将把U过程和R过程统一为单一的规则,消除了在基本层面上引入“测量”概念的需要。在这种情况下,不幸的薛定谔猫将处于要么死了,要么活着的状态,即使没有人观察它。

戴维·玻姆戴维·玻姆

这种方法形成了“自发坍缩”(spontaneous collapse)理论的基础。这些理论的特点是在整个空间和时间中触发某种微观的坍缩,类似于所有粒子自发的R过程;也就是说,不需要进行测量。更前沿的理论包括多世界诠释(many-worlds interpretation),由休·艾弗雷特(Hugh Everett)提出。在多世界诠释中,每一项测量都与现实的一个分支(或多个分支)联系在一起,这些分支类似于平行共存的世界。

仔细分析表明,这些理论本质上是处理前述问题的三种可能的逻辑途径:通过增加一些量子态以外的东西来修正量子理论(隐变量理论中的德布罗意-玻姆理论);通过让测量事件在所有时间发生,对理论中的状态演变规则进行修正(如自发坍缩理论);或是完全去掉R过程(如多世界诠释)。

许多量子物理学家都相信,这个问题,或者人们在这方面可能采取的方法,与他们所在领域的挑战无关,但也有少数研究者持有截然不同的观点,并认为“自发坍缩”是最有前景的路径,可以解决当前在理解宇宙规律时所遇到的一些最严重的困难,特别是那些必须同时涉及引力和量子理论的情况。

暴胀与测量

对暴胀时期的研究是宇宙学的中心课题之一。科学家认为,暴胀发生在普朗克时期之后的极短时间内。普朗克时期本身就非常不可思议,被认为是宇宙历史中最早的时间阶段,从0至大约10^-43秒。在普朗克时期,量子引力应该发挥着主导作用,而时空本身的概念可能不再相关或有用(量子引力理论是一种将广义相对论的基本原理、引力理论和量子理论和谐地结合起来的理论)。在暴胀的机制下,通常的时空概念被认为是足够的。而且,引力也被认为能用广义相对论很好地描述,物质则可以用我们在研究常规粒子物理现象时使用的同一类理论来解释(比如在欧洲核子研究中心大型强子对撞机中进行的实验,或是对高能宇宙射线的研究)。

主要的区别,被认为在于暴胀时期占主导地位的物质(暴胀子)处于所谓的“暴胀场”。暴胀场有点像电磁场,但简单得多,因为暴胀子没有固定的方向或自旋。暴胀时期的主要特征是,由于暴胀场的引力作用,宇宙以加速的方式极快地膨胀(总膨胀系数至少是一个10^30的因数)。结果,宇宙的空间曲率被驱使至0,所有偏离完美均匀性和各向同性的偏差都被完全稀释(剩余的10^-90阶偏差,如此之小,可以简单地取为零)。

暴胀时期结束时,暴胀场衰变,宇宙充满了如今所能见到的所有物质:普通物质,构成了我们本身,也是组成地球和太阳系的物质;借助欧洲核子研究中心(CERN)强大的粒子加速器,科学家在几分之一秒的时间内制造出了一些更奇特的物质;甚至还有难以捉摸的暗物质,似乎构成了星系和星系团的绝大部分。换句话说,暴胀时期结束后的宇宙,应该很符合提出更早、更传统和更经验主义的大爆炸理论的描述。此时,在一个膨胀的宇宙中,充满了由各种粒子组成的热等离子体,其各自的丰度主要由热力学因素决定。宇宙在膨胀过程中逐渐冷却,形成了轻核(温度下降到10亿开尔文);很久以后,形成了第一批原子(大约3000开尔文)。这后一个阶段便对应了宇宙微波背景辐射所释放的光子。

在宇宙微波背景辐射温度模式的微小变化中,我们可以看到来自均匀性和各向同性原始偏差的印记,这些偏差将继续增长直到现在,并构成我们当前宇宙的星系、恒星和行星。关键在于,在很长一段时间内,宇宙都是不均匀且各向异性的。另一方面,根据暴胀理论,宇宙的剧烈膨胀完全冲淡了所有的不均匀性(不同空间条件的差异)和各向异性(不同方向之间的差异)。这种情况是用完全均匀和各向同性状态下的时空和暴胀场来描述的。

导致所有宇宙结构形成的不均匀性,以及我们在宇宙微波背景中看到的印记,它们都是从何而来?根据目前的宇宙学正统理论,它们产生于暴胀时期的“量子涨落”和时空度量。事实上,某种量子态的场,也就是所谓的“Bunch-Davies真空”也会伴随暴胀而出现。这种状态,正如平坦时空中的真空态一样,具有100%的均匀性和各向同性;但我们本应该将这种状态的量子不确定性看作是今天宇宙不均匀性的肇因。

大多数宇宙学家在这一点上看不出问题,因为他们很容易混淆“量子不确定性”和“统计离散”(在这两种情况下,“涨落”这个词往往会掩盖概念上的偏差)。但是,只有在涉及到测量的情况下,这种观点才是合理的。关键是,根据R过程,测量可能确实会改变系统的状态,导致系统不再像初始状态那样均匀且各向同性。

那么,在星系、行星和有意识的生命形成之前的早期宇宙中,有什么可以作为一种测量呢?一些宇宙学家会回答说,我们今天正在利用卫星进行必要的测量。稍加思索,我们就可以发现这种观点的问题:人类和人类的测量设备,是导致早期宇宙具有完美均匀性的原因,改变了宇宙结构(包括星系、恒星、行星等)的形成,而这些反过来是生命出现(并自称“智能”)的必要条件!在某种程度上,我们就是自己存在的原因!这不禁让人想起一首古老的乡村歌谣所唱的,“我是我自己的爷爷”。

自发坍缩的加入

在考虑了解决“爷爷”问题的现有路径后,墨西哥国立自治大学核科学研究所的丹尼尔·苏达斯基(Daniel Sudarsky)教授等研究者提议在其中加入一种新要素:暴胀场量子态的自发坍缩。这是R过程的一个版本,不断地发生,通常会导致暴胀场的量子态发生微小而随机的变化。这种过程的随机性可以解释早期宇宙中均匀性和各向同性的破坏,而无需调用任何观察者或测量设备。此外,如果自发坍缩满足一些简单的要求,那么对这些不均匀性的结果预测就可以重现在宇宙微波背景中看到的温度变化分布特征。

自发坍缩或许是解决测量问题、黑洞悖论和其他量子难题的一种方法自发坍缩或许是解决测量问题、黑洞悖论和其他量子难题的一种方法

一开始,这种新方法似乎没有导致任何与标准预测发生重大偏离的结果。但至少在一个方面,两种预测出现了很大的分歧。结果表明,根据标准处理方法,对宇宙中物质密度不均匀性产生的预测,不可分离地与所谓的遗迹引力波产生的类似预测联系在一起。这些引力波与激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座探测器(VIRGO)观测到由黑洞和/或中子星碰撞产生的引力波相似。但与之不同的是,这些原始的引力波现在已经非常微弱,只有在宇宙微波背景辐射极化导致的特定类型的各向异性中才能检测到它们的存在。

物理学家一直很热衷于对遗迹引力波的研究,因为他们认为这可能是证实暴胀理论正确性的主要证据。然而到目前为止,科学家还没有探测到这些引力波的信号,这也被认为是暴胀宇宙学面临的严重问题之一。由于预期探测的失败,那些最简单和最有吸引力的模型也都被排除在外。

当采用苏达斯基等研究者的方法时,关于原始引力波产生的预测显著减少,以至于它们将无法被目前的方法和探测器灵敏地检测到。计算结果表明,只有在灵敏度大大提高,以及焦点在天空中从非常小的角度转换为非常大的角度的情况下,遗迹引力波才能被探测到。不幸的是,这两件事做起来都相当困难。因此,相当出乎意料的是,在苏达斯基等人开始进行这种概念上的思考时,对暴胀宇宙学的具体预测发生了戏剧性的变化,新的预测与现有的经验证据更加一致。

黑洞与量子引力

量子理论在概念上的困难也与黑洞有关。广义相对论预言,一旦黑洞形成,其内部就会发展出一个奇点,即一个几何量在名义上获得无穷大值的区域,曲率会随着该区域的接近而发散。这类奇点的性质引起了各种各样的猜测,有观点甚至认为它们代表了更多奇异物体的出现,甚至可能是通往其他宇宙的入口。不过,它们真正预示的是一种广义相对论无法适用的机制。

也就是说,如果我们想要应用广义相对论,就必须依赖于某种边界,而这个边界排除了那些奇点应该出现的区域。

物理学家普遍相信,我们目前的理论应该被一个更深层次的理论所取代,这个理论包含了广义相对论和量子力学,并以一种平滑、自洽的方式结合在一起,那就是量子引力理论。这种量子引力有望“解决”那些奇点,并消除在涉及黑洞的讨论中包含边界的必要性。这些概念的猜测性最少,而且不涉及通往其他宇宙的入口,或其他出现在奇点位置上的极度奇异的物体。

物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Beckenstein)首先指出了黑洞的一个特征,并将其作为基本线索,那就是它们与外部的能量交换受到一些规律的支配,似乎与热力学定律相同。特别是,正如斯蒂芬·霍金所展示的,黑洞通过热辐射的释放而失去能量,并且对于覆盖整个黑洞区域所需的每一个单位面积(边长为普朗克长度)都有一个由波尔兹曼常数给出的熵(在所有的热力学系统中普遍存在)。这一观点在过去几十年里引起了学界极大的兴趣,因为物理学家开始考虑构建量子引力理论的各种方法。当然,这种理论应该能解释黑洞熵的表达式。很快,在相对较短的时间内,而且是在略有不同但总是相当受限的背景下,量子引力的支持者找到了能得出相对合适的解释。

但事实上,这种从霍金的发现开始的分析,涉及到量子理论,提出了另一个一直困扰物理学家的问题。这就是所谓的黑洞信息“悖论”,一直是物理学家激烈争论和分歧的焦点。

黑洞悖论:如果一个黑洞完全蒸发,只留下热辐射,那它似乎不可能编码所有需要的信息,以重现最初产生黑洞的物质的确切量子态黑洞悖论:如果一个黑洞完全蒸发,只留下热辐射,那它似乎不可能编码所有需要的信息,以重现最初产生黑洞的物质的确切量子态

通常的解释是这样的:根据量子理论,一个孤立的物理系统的量子状态提供了关于该系统的完整描述。这种状态的演变依赖于一种演变法则,允许在未来的任何其他时间对相应状态进行准确预测,或者是对系统在过去的状态进行反演。另一方面,一个具有一定质量和角动量的黑洞可能有很多形成方式。如果黑洞完全蒸发,只剩下热辐射(可用非常简单的方法完全描述其特征),那似乎就没有方法编码所有需要的信息,精确地追溯产生黑洞的物质的量子态。因此,从最终状态的细节来看,要反演黑洞最初形成时的详细状态是不可能的,这与量子理论演变规律的特征相冲突。对许多人来说,这就表明我们面临着一个“悖论”。

仔细研究这个问题就会发现,事情并不是那么简单(这也是“悖论”一词加上引号的原因)。重点是,根据量子理论,我们应该能够追溯黑洞最初形成时的详细状态的说法是错误的。只有当人们只关注U过程而完全忽略R过程时,才会得出这样的结论。由此,黑洞蒸发和信息命运的相关问题所引起的思考就与测量问题的解决方法联系了起来。

对于测量问题,一个最有吸引力的解决方案是自发坍缩。从2015年开始,苏达斯基及其同事们在简化模型的帮助下,仔细思考并分析了在黑洞蒸发背景下,使用这样的理论能否完全解决这个问题。到目前为止,他们的分析表明,答案是肯定的,前提是自发坍缩率随时空曲率的增加而增加。如果是这样的话,则通常与自发坍缩相关的微小水平信息消除就会变得足够高效,这是由黑洞内部深处的曲率增加所导致的,也解释了在黑洞完全蒸发时,所有信息似乎也都被清除。

接下来,这项工作将继续梳理出关于该理论确切形式的未解问题,以及其中的细节,并找到可以对这些概念进行检验的其他情况。尽管事情尚未解决,但有一种可能性是存在的,那就是薛定谔的猫、黑洞信息问题以及暴胀宇宙学中一些令人困惑的问题,都可以通过考虑自发坍缩来解决。苏达斯基等人最近发现,这个方法可能会有助于解答其他一些问题,包括解释宇宙初始状态为什么具有非常低的熵,以及如何理解暗能量的性质和大小等。在涉及引力的问题中使用自发坍缩理论,似乎也是一条很有前景和令人兴奋的研究道路。

他27岁成为“平行世界”之父,却悲惨离世后才重获重视

埃弗里特提出了超越时代的多世界理论,却受到量子力学权威的嘲笑和奚落。心灰意冷的他从此一蹶不振,从物理学的世界里落荒而逃。吸烟、酗酒、冷漠无情——颓废不堪的生活,让这位才华横溢的科学家过早耗尽了生命。然而在他死后,多世界理论却受到了前所未有的重视……


本文来自微信公众号:环球科学(ID:huanqiukexue),作者:彼得·伯恩(Peter Byrne),翻译:虞骏,审校:李淼,题图来自:《复仇者联盟4:终局之战》

休·埃弗里特(Hugh Everett Ⅲ)是一位才华横溢的数学家、一位打破传统的量子理论物理学家,后来还成了一位成功的国防项目承包商,有权获知美国最敏感的军事机密。他给物理学中的“真实”(reality)概念赋予了全新的定义。对于科幻迷来说,他还是一位深入人心的英雄:这个人开创了平行世界量子理论。对他的孩子们而言,他则是另外一个形象:一位冷酷无情的父亲、“餐桌旁的一件笨重摆设”。此外,他还是一个不折不扣的酒鬼,而且烟不离手,最终早早离开了人世。

这就是他一生的写照,至少在我们所处的这个宇宙分支里,这是他一生的真实写照。20世纪50年代中期,就读于美国普林斯顿大学的埃弗里特创立了多世界理论(many-worlds theory)——假如这一理论正确的话,在数不尽的分支宇宙中,他的人生道路会出现无数不同的转折。

埃弗里特的颠覆性想法,打破了理论物理学在解释量子力学原理方面的僵局。直到今天,多世界理论也没有得到广泛认可,但他建立理论时采用的方法,却催生出量子退相干(quantum decoherence)的概念——对于量子力学的奇异随机性如何融入日常感受到的“真实”世界,量子退相干给出了一个现代理论解释。

荒诞的量子力学

按照埃弗里特本人20多年后的回忆,他是在1954年的某个夜晚,“喝了一两杯雪利酒之后”,启程踏上这条科学探寻之路的。他和普林斯顿大学的同班同学查尔斯·米什内尔(Charles Misner),以及一位名叫奥耶·彼得森(Aage Petersen)的访问学者正在设想“量子力学所涉及的荒诞之事”。就在那时,埃弗里特产生了一个想法,并在随后的几个星期内把它发展成了一篇论文——这就是多世界理论的雏形。

这个想法的核心内容是,用理论本身的数学原理来解释量子力学方程在真实世界中的意义,而不必给那些数学原理附加任何解释性的假设条件。这位年轻人用这种方式,向当时的物理学界发起了挑战,重新思考了物理学的基本问题:“真实”究竟是什么?

埃弗里特大胆地对付起量子力学中最棘手的测量问题。从20世纪20年代起,这个难题就一直困扰着物理学家。在量子世界里,一个或一团基本粒子可以处于某种叠加态中,然而,不论什么时候,只要科学家对某一性质进行精确测量,总会得到一个明确的结果。我们也从未见过宏观物体的不同状态发生叠加。这些测量问题都可以归结为一点:我们感知到的独一无二的世界,为什么会从一个多种不同状态相互叠加的量子世界中显现出来?这个过程又如何实现?

物理学家用数学上的波函数(wave function)来描述量子态。波函数可以被看作是一张清单,上面列出了一个量子叠加体系所有可能出现的状态,还标明了每种状态在我们测量该体系时成为检测结果的几率,不过最终出现哪种状态,似乎是随机决定的。尽管在我们看来,每种状态出现的几率不尽相同,但从波函数的角度出发,每种状态都同样“真实”。

薛定谔方程(Schrödinger equation)描述一个量子体系的波函数如何随时间发生演变,并预言这一演变过程应该平滑连续,而且符合决定论(determinism),即不含任何随机性。然而,人们用科学设备观察一个量子体系(比如一个电子)时出现的情况,却与这种优美的数学描述相矛盾。在测量的瞬间,描述多种状态叠加的波函数似乎坍缩成了叠加态中的某一种状态,中断了波函数平滑的演变过程,产生了不连续间断。

单一测量结果的出现,将其他可能的状态排除在了符合经典描述的“真实”世界之外。测量结果会选择哪种状态似乎是任意的,与测量前描述该量子体系的波函数所含的信息没有任何逻辑关系。平滑连续的薛定谔方程也推导不出波函数坍缩的数学描述。实际上,坍缩必须被当作一个基本假定,人为添加到方程之中,因为这个额外过程似乎会违背薛定谔方程。

量子力学理论的众多创立者,特别是玻尔、维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)和约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann),当时都持相同观点——他们用量子力学的哥本哈根诠释(Copenhagen interpretation)来处理测量难题。哥本哈根诠释假定,量子世界中的动力学过程可以简化为经典的可观测现象,并且只有可观测现象才有意义。

这种方法赋予了外部观测者某种特权,将观测者置于经典世界之中,这个世界与被观测物体所处的量子世界截然不同。尽管无法解释什么原因将量子世界与经典世界区隔开来,但这并不妨碍哥本哈根学派利用量子力学取得巨大的技术成就。整整几代物理学家都接受了这样的教导:量子力学方程只在微观世界中发挥作用,在宏观世界中没有意义。对大多数物理学家而言,了解这些就足够了。


人人都有“分身”

埃弗里特与哥本哈根学派的观点恰好相反,他把微观世界和宏观世界融为一体,通过这种方式来解释测量难题。他将观测者视为被观测体系不可或缺的一部分,引入了一个普适波函数(universal wave function),将观测者和被观测物体联系起来,共同构成一个量子体系。他用量子力学描述宏观世界,认为宏观物体同样存在量子叠加。在他的理论中,波函数坍缩产生的不连续性不再必不可少,这与玻尔和海森堡的观点截然不同。

埃弗里特的基本想法可以归结为一个问题:如果波函数的连续演变没有因测量行为而被打断;如果薛定谔方程总是适用,并且适用于一切物体,包括被观测物体和观测者本身;如果叠加态中的所有状态始终是真实的——这样一个世界,在我们的眼中会是什么样子?

埃弗里特发现,根据这些假设,每当观测者与处在叠加态中的物体发生相互作用时,观测者的波函数就会分岔。相互叠加的每种状态都会产生一个分支,所有分支都被包含在普适波函数中。这个观测者在每个分支里都有一个“分身”,每个“分身”观察到叠加态中的一种状态成为测量结果。根据薛定谔方程的基本数学性质,这些分支一旦形成就无法再相互影响。因此,每一个分支都会各自独立地踏上一条不一样的未来之路。

通常,只要物理体系之间发生相互作用,整个体系的总波函数就会有出现分岔的倾向。这些分支如何相互独立,每个分支又怎样呈现出我们所习惯的经典“真实”世界的模样,对这些问题的理解现在被归纳为所谓的“退相干理论”(decoherence theory)。这一理论已经成为现代标准量子理论的一部分而被广泛接受,不过并不是每个人都认同埃弗里特的解释,即每个分支都代表着一个真实存在的世界。

埃弗里特并不是第一位站出来指责波函数坍缩不合理的物理学家,但是他从量子力学自身的方程出发,提出了一套数学上自洽的普适波函数理论,开辟出了全新的局面。多重宇宙的存在成了这一理论自然而然的推论,而不是毫无由来的断言。

1956年春天,埃弗里特在普林斯顿大学的导师约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler)带着论文草稿前往哥本哈根,试图说服丹麦皇家文理科学院发表这篇论文。他在写给埃弗里特的信里提到,他和玻尔、彼得森进行了“三轮漫长而激烈的讨论”。惠勒还向玻尔理论物理研究所的其他几位物理学家介绍了埃弗里特的工作,其中就有亚历山大·W·斯特恩(Alexander W. Stern)


分裂

惠勒在信里给埃弗里特写道:“你的完美波函数公式自然无人撼动;但我们所有人都觉得,真正的问题出在这么多公式后面所附的说明性文字上面。”比如,埃弗里特用人和炮弹发生“分裂”来描述公式所隐含的科学寓意,这让惠勒十分头痛。在写给斯特恩的一封措词得当的长信里,惠勒作了详细说明,申辩说埃弗里特的理论是对量子力学主流解释(即哥本哈根诠释)的补充,而不是颠覆:

我想我可以确信,这位非常出色、很有才干、善于独立思考的年轻人已经逐渐认识到,对测量难题的现有解释是正确和自洽的,尽管目前的论文草稿中还保留了少许过去对此持怀疑态度的痕迹。因此,为了避免任何可能引起的误解,我必须说明,埃弗里特的论文并不是有意要质疑对测量问题的现有解释,而是接受了现有解释,并且推而广之。 (原文特别对此加以强调。)

埃弗里特对哥本哈根诠释的态度,应该和惠勒的描述完全相反。一年以后,埃弗里特在回应《现代物理评论》(Reviews of Modern Physics)编辑布赖斯·S·德威特(Bryce S. DeWitt)的批评意见时写道:

哥本哈根诠释的不完整性无可救药,因为它先验地依赖于经典物理学……还是一个将“真实”概念建立在宏观世界、否认微观世界真实性的哲学怪胎。

就在惠勒去欧洲为埃弗里特的论文四处游说的时候,埃弗里特的学生延期服役资格即将到期。为了不被拉到新兵训练营里踢正步,他决定到五角大楼从事一份研究工作。他搬到了华盛顿特区,离开了理论物理学界,再也没有回来。

第二年,在和惠勒通了几次长途电话之后,埃弗里特心不甘情不愿地把论文删减到了原先长度的1/4。1957年4月,埃弗里特的论文评审委员会接受了论文删节版——里面没有再提到“分裂”二字。3个月后,《现代物理评论》发表了论文缩减版,题为《量子力学“相对状态”构想》('Relative State' Formulation of Quantum Mechanics)。在同一期杂志上,惠勒附了一篇文章,对他学生作出的发现大加赞赏。

论文发表后马上石沉大海,惠勒也逐渐撇清了自己与埃弗里特理论的关联,不过他仍和这位理论物理学家保持联系,鼓励他在量子力学方面多作一些研究,结果徒劳无功。在2006年的一次采访中,已经95岁高龄的惠勒回忆说:“没有人理睬他的理论,这让埃弗里特十分沮丧,也许还有点愤愤不平。真希望当时我能和他一起坚持这项研究。他提出的那些问题非常重要。”

核武器战略

普林斯顿大学终于授予了埃弗里特博士学位,此时他已在美国国防部工作了将近一年。他在那里接手的第一个项目是,计算核战争中放射性沉降物可能导致的死亡率。不久,他就在五角大楼极具影响力的秘密机构——武器系统评估小组(Weapons Systems Evaluation Group,缩写为WSEG)里,升任数学组组长。埃弗里特给艾森豪威尔政府和肯尼迪政府的高官担任过顾问,提出了选择氢弹攻击目标的最好方法,还提出了配置轰炸机、潜艇、导弹三位一体的核攻击能力,最大程度提高核打击威力的最优化方案。

1960年,他帮助撰写了WSEG第50号报告,这份报告至今仍属机密。按照埃弗里特的朋友、他在WSEG的同事乔治·E·皮尤(George E. Pugh)的说法,WESE第50号报告促成了后来几十年里美国一直奉行的军事战略,为这些战略提供了理论依据,其中就包括了所谓的“玉石俱焚战略”(Mutually Assured Destruction)。WSEG向核战争决策者们描绘了放射性沉降物在全球范围内可能导致的可怕后果,让他们确信维持一场永恒的对峙僵局是必要的,而不是向苏联实施核打击。

关于埃弗里特理论的最后一轮交锋也发生在这一时期。1959年春天,玻尔同意在哥本哈根与埃弗里特面谈。在6个星期的时间里,他们多次碰面,但毫无进展:玻尔没有改变立场,埃弗里特也没有重拾量子物理学研究。不过,这趟旅行不能说一无所获。一天下午,埃弗里特在他入住的厄斯特波特酒店(Hotel Osterport),一边喝着啤酒,一边在酒店信纸上,对数学界另一颗璀璨明珠——广义拉格朗日乘子法,进行了一项重要改进,这一成就终于让他赢回不少声望。这种方法又叫埃弗里特运算,简化了复杂运筹问题最优方案的设计过程:不论是部署核武器,还是安排准时制工业生产,甚至于规划校车行进路线以最大程度地减少种族歧视,这种方法都可以派上用场。

1964年,埃弗里特、皮尤和WSEG的其他几位同事,共同创办了一家私营防务公司——兰布达公司(Lambda Corporation)。这家公司的业务包括,设计反弹道导弹系统的数学模型和核战争电脑模拟程序——根据皮尤的说法,这套模拟程序被美国军方使用多年。埃弗里特热衷于利用贝叶斯法则(Bayes’ theorem)开发各类应用,这种数学方法可以把未来事件发生的几率与过去的经验联系起来。1971年,埃弗里特设计出“贝叶斯机”(Bayesian machine)的雏形,这种计算机程序能从经验中吸取教训,排除一些不太可能出现的结果,从而简化决策过程——这一能力与人类的直觉非常相似。兰布达公司曾经与五角大楼签订合同,用贝叶斯方法设计开发用于追踪来袭弹道导弹飞行路线的技术。

1973年,埃弗里特离开兰布达公司,与公司同事唐纳德·赖斯勒(Donald Reisler)一起创办了数据处理公司DBS。DBS研究武器应用,但是致力于分析政府补偿性计划带来的社会经济效应。赖斯勒回忆起他们第一次见面时的情景,埃弗里特“局促不安地”问他有没有读过他在1957年发表的论文。“我一下子就想了起来,还回答说:‘噢,我的天,你就是那个埃弗里特,写出那篇疯狂论文的疯子!’我念研究生的时候就读过那篇论文,当时还嘲笑了一番,就随手丢在一边了。”他们后来成了很好的朋友,不过都同意再也不提多重宇宙了。


三杯马提尼

尽管埃弗里特的事业蒸蒸日上,他的生活却变得颓废不堪。朋友们都知道他喜欢喝酒,而且酗酒情况日益严重。赖斯勒回忆说,他的搭档总爱在午餐时喝上三杯马提尼,然后倒在办公室里睡到酒醒——不过他总有办法高效完成大量工作。

可是,他的享乐主义并非反映一种轻松愉快的生活态度。赖斯勒说:“他是一个没有同情心的人。他用一种冷酷无情的逻辑来研究问题。公民权利在他看来毫无意义。”

埃弗里特以前在WSEG的同事约翰·Y·巴里(John Y. Barry)还质疑他的道德操守。20世纪70年代中期,巴里在摩根大通公司工作,他向老板推荐了埃弗里特,雇他开发一种预测股市走势的贝叶斯方法。据一些人说,埃弗里特成功了,但他拒绝把产品交给摩根大通。巴里评价说:“这个有才气、有创意,却不可靠、不可信的酒鬼,利用了我们。”

埃弗里特是个以自我为中心的人。DBS前雇员伊莱恩·蒋(Elaine Tsiang)说:“他奉行一种极端的唯我主义。尽管他努力让自己的多世界理论与其他的心理理论和意识论保持距离,但是很明显,(对他来说)我们所有人都存在于一个因他而出现的世界之中。”

就连他自己的孩子——伊丽莎白(Elizabeth)和马克(Mark),埃弗里特也漠不关心。

就在埃弗里特投身创业的时候,物理学界又开始艰难地审视起他那一度被忽略的理论。德威特的态度发生了180度大转变,成了这一理论最忠实的拥护者。1967年,他发表了一篇论文,提出了惠勒-德威特方程——一个量子引力理论应当满足的普适波函数。他在论文中赞赏了埃弗里特,因为埃弗里特证明了这种方法的必要性。随后,德威特和他的研究生尼尔·格雷厄姆(Neill Graham)编辑出版了一本物理学论文集,名为《量子力学的多世界诠释》(The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics),主要内容就是埃弗里特那篇未经删改的论文原稿。1976年,科幻杂志《类比》(Analog)上刊登的一篇小说,让“多世界”一词迅速在大众中普及流传开来。

1977年,德威特和惠勒邀请埃弗里特到美国得克萨斯大学奥斯汀分校举办一场演讲,介绍他的多世界诠释。埃弗里特不喜欢当众演说,他穿着皱皱巴巴的黑色西装,在整个演讲过程中连续不断地抽烟。量子计算领域的奠基人之一、现在在英国牛津大学任职的戴维·多伊奇(David Deutsch)当时就在现场。在总结埃弗里特的贡献时,多伊奇说:“埃弗里特超越了他的时代。他是拒绝抛弃客观解释的代表人物。为了寻求进展和突破,不论是物理学还是哲学,都逐渐放弃了它们的最初目的——解释这个世界,这带来了极大的损害。我们无可挽回地陷入了形式主义的泥沼,事物被视为无可解释的科学进步,真空则充斥着神秘主义、宗教信仰和各式各样的胡言乱语。埃弗里特之所以重要,是因为他挺身而出反对这种‘进步’。

在得克萨斯的那场演讲之后,惠勒曾经想让埃弗里特加盟位于美国加利福尼亚州的圣巴巴拉理论物理研究所。据称,埃弗里特当时表示出了兴趣,但这一计划最终不了了之。

人生无常

1982年7月19日,埃弗里特在睡梦中死去,年仅51岁。他的儿子马克还记得那天早上发现父亲尸体时的情景,当时他只有十几岁。摸着父亲冰冷的躯体,马克意识到,在他的印象里,以前从来没有接触过父亲。他对我说:“当时,我不知道怎样面对父亲刚刚去世的事实。其实我跟他没有任何关系。”

不久以后,马克搬到了洛杉矶,成了一位成功的词曲作家、流行摇滚乐队Eels的主唱。他的许多歌曲都透出浓浓的悲伤之情——因为他父亲是一个冷酷无情、意志消沉的酒鬼。直到埃弗里特去世多年以后,马克才了解了他父亲的事业和成就。

1982年6月,在埃弗里特去世前一个月,马克的姐姐伊莉莎白企图自杀,这是她许多次自杀尝试中的第一次。马克发现她毫无知觉地倒在浴室地板上,及时把她送进了医院。他回忆说,那天晚上回到家已经很晚了,正在看报纸的父亲“抬头看了一眼,然后说‘我不知道她有这么悲伤’”。1996年,伊莉莎白服用过量安眠药自杀身亡,她在钱包里留了一张纸条,说她要到另一个宇宙去找她父亲。

在2005年的一首名叫《孙辈们应该知道的事》(Things the Grandchildren Should Know)的歌里,马克写道:“我从未真正理解/生活在自己的脑袋里面/他会有种什么样的感觉。”他那位有着唯我主义倾向的父亲一定能够理解这种困境。在那篇未经修改的论文末尾,埃弗里特总结说:“只要我们承认,任何物理学理论实质上都只是一个模型,用来解释我们所感知到的世界,那么我们就必须断绝寻找所谓‘正确理论’的所有希望……原因很简单,我们永远无法完整经历所有的体验。”

本文来自微信公众号:环球科学(ID:huanqiukexue),作者:彼得·伯恩(Peter Byrne),翻译:虞骏,审校:李淼

熵理论:我们可以用它预测未来趋势吗?_详细解读_最新资讯_热点事件

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编者按:熵这个表示混乱程度的概念也许是最重要的概念之一了。热力学第二定律引入的这个概念指出,一切都会趋于混乱和无序。这是宇宙不可改变的事实。于是Packy McCormik试图把这个概念引入到市场,用来解释从商业理论到行业发展乃至于预测企业成败的一切。原文发表在其个人博客上,标题是:Entropy Theory

划重点

宇宙终究会变得越来越混乱,越来越无序。

每一个行业都在同时开展一场熵不断增加,不断加速的旅程。

在混乱之中创造秩序的公司和人就是Entropy Wranglers(牧熵人),就是赢家。

熵理论把行业的发展解释为一个混乱不断加剧的故事。

熵理论认为,最成功的企业是那些利用最新技术来消除这种混乱的企业,直到熵的力量释放出下一批的机会

熵为创新创造了更大的表面积。了解并应用熵理论可以帮助你在混乱中发现并抓住机会。

如果你是创始人或者经营者,就应该在行业里面寻找熵增的地方,并找出能够驯服那种熵但又不用回到老样子的办法

一切都会趋于混乱和无序。

之所以这么想不是因为隔离引起的恐慌,而是因为这是宇宙不可改变的事实。热力学第二定律指出,一切封闭系统都会趋于让熵最大化。宇宙终究会变得越来越混乱,越来越无序。

就像宇宙一样,市场也总是会变得越来越混沌和无序。

每一个行业都在同时开展一场熵不断增加,不断加速的旅程。新工具创造了更多的可选项。但更多的选择,更快的速度以及灵活性会带来更多的混乱,而这反过来又为公司(通过暂时给不断的熵增引入秩序来)捕捉价值创造了机会。在混乱之中创造秩序的公司和人就是Entropy Wranglers(牧熵人)。

熵及其相反的负熵之间不断加剧的拉扯是人类前进的动力。每一次新的熵的爆发都会为创新制造更多的表面积

这个想法能解释很多东西——从商业理论,到行业发展,乃至于企业的成功等——所以我给它起了个名字,叫做Entropy Theory(熵理论)。

熵理论把行业的发展解释为一个混乱不断加剧的故事。熵理论认为,最成功的企业是那些利用最新技术来消除这种混乱的企业,直到熵的力量释放出下一批的机会

熵理论基于我们讨论过的众多理论,并对它们进行了关联,包括:聚合理论,颠覆性理论,创造性破坏,科斯的公司理论,利润不灭定律(Law of Conservation of Attractive Profit)等等。

这给Jim Barksdale反复讲的那句话添加了一个方向向量:“就我所知赚钱只有两种办法:捆绑和解绑。” 捆绑和解绑就像西西弗斯巨人做的事情一样——捆绑,解绑,然后重新捆绑,再解绑,周而复始,徒劳无功。熵的不断增加令工作充满活力。我们不仅在捆绑和解绑,而且还释放和组织能量,然后在下一件事情上释放新的能量。

熵理论可以解释全球的进步,行业的趋势以及公司的成败。举个例子:上周我写过一篇关于Twitter的文章,我说它捕捉到自己创造的价值比全世界任何一家公司都要少。或者换种说法,因为它决定跟网络钓鱼玩打地鼠游戏而不是更好地促进搜索,对话和创造,在驾驭互联网所释放的对话性熵方面,Twitter能力不足。

要想解释这个理论需要写很多篇文章,但是为了充实这个想法,我们会介绍熵理论是如何解释这些东西的:包括聚合理论,两个长期的行业趋势,以及一个成功企业和一家失败企业:

  • 聚合。像Google、Facebook和Uber这样的聚合者之所以能成功,是因为他们驾驭了消费者互联网创造出来的供应熵。

  • 商业地产。从政府所有到远程办公,商业办公的历史就是熵增的历史。

  • 就业。个体企业的兴起是就业熵增加的自然发展。

  • Spotify。Spotify驾驭了互联网和文件共享所创造的音乐产业熵,然后对播客又再次运用了同样的手法。

  • Quibi。Quibi的失败可以用这个来解释:它没有意识到短形式的移动娱乐创作已经极大地增加了熵。

越来越混乱既不是好事,也不是坏事,这只是这个宇宙的事实。熵为创新创造了更大的表面积。了解并应用熵理论可以帮助你在混乱中发现并抓住机会。

聚合理论与熵理论

聚合理论为我们这个互联网使能的富足世界里的熵提供了一个答案。用Thompson的话说:“聚合理论描述了平台(也就是聚合者)是如何以系统性和可预测的方式统治了自己参与竞争的行业的。” 这是Thompson在2015年的时候画的第一张图示。

聚合理论只适用数字业务,不能用来解释商业地产之类的趋势。熵理论则可以同时解释这两者。以下是用熵理论来解释聚合理论。

供给侧的混乱给聚合者带来了机会

看看供应侧发生了什么。它变得更加熵化。你能看到不再只有当地报纸,而是全世界的文章。你能买到的不再只有当地书店的书,而是全世界的书。打的不再只能叫的士司机,而是可以叫任何有车有智能手机以及自由时间的人。这为下订创造了新的需求,并且为像Facebook、Google和Uber 这样的聚合者提供了利用技术来为混沌引入秩序的机会。聚集者就是牧熵人。

不妨以Google为例。互联网改变了媒体创作和消费的方式。突然之间,内容不再只是出自少数几个受信任的来源,而是来自世界各地。想找到内容很难,弄清楚什么才是好内容更是难上加难。通过为混乱带来秩序,Google成为了当今的一支强大的力量。有了Google,消费者不再需要在互联网上漫无目的地抓瞎,而是可以去搜索自己感兴趣的主题,然后马上获得一个有序的,按照相关性排名的列表。而这个列表利用的输入正是熵——由数以百万计的用户创建并由数十亿人点击的网址。

因此,如果说熵总是在增加的话,那么系统里面又在什么地方造成了无序从而抵消掉新的秩序?我这里有三个假设。

  1. 牧熵人一方面驯服了原先不断增加的熵,但同时又导致了新的熵的产生。Google驯服了早期互联网的熵,由于Google的存在,更多的人和公司创造出了更多的内容和产品。

  2. 牧熵人捕捉了这个生态体系的大量价值,多到以至于新进入者必须想办法去规避他们的优势。比方说,网红经济受到了寻求更便宜的产品推销方式的公司的支持,这样他们就不需要向Facebook和Google进贡高额的广告费(每挣一美元就要付40美分)。

  3. 竞争对手看到了机会,站到了牧熵人的对立面,也就是给系统引入了更多的熵。没人会当真想在搜索或基于意图的营销方面跟Google竞争;他们会努力把广告费用之争转移到新的竞争领域。这里如果我不提到GPT-3(编者注:马斯克的OpenAI推出的自然语言处理模型)的话我会很失落——在上下文环境中利用互联网的一切信息也许是到了某个时候完全绕开Google的手段。

随着这三件事情的发生,熵开始在新的地方增加,驾驭新出现的熵的机会也随之而来。

你可以用类似的框架来分析Thompson原先那篇文章列出的每一个聚合者——包括Google、Facebook、Amazon、Netflix、Snapchat、Uber以及Airbnb 。每一家都利用了技术给最近无序的行业带来了秩序。

我认为熵理论还可以帮助解释其他理论和框架,并进行关联,不过这些要放在今后文章去探索那些关联了。

商业地产,就业和熵理论

熵理论有一件事让我大吃一惊,那就它比聚合理论的适用范围更广,尽管分辨率也许会低一点。解释Google成功的同一种理论也可以用来解释两个发展比较缓慢的领域的趋势:分别是商业地产和就业。

商业地产

很难想象还有比商业地产的熵的更少的东西了。办公大楼又大又笨重又昂贵,一旦建成,就可持续数十年甚至几个世纪。但是,商业地产的历史其实也在追随者让Google崛起的同一股力量。

在我成为全职的thinkboi之前,我曾在房地产初创企业Breather工作过。这家公司推出的业务是让大家预订办公空间,时间可以短到一个小时或者长达两年。如果从一个250年前或者甚至50年前的人的角度来看,让成千上万的人租用一个小时的办公空间的想法似乎是不可想象的。但是,从熵理论的角度来看,这似乎是不可避免的。

第一个现代化的办公室是1726年在英国建成的,为的是让英国皇家海军有个集中办公的地方。三年后,东印度公司建立了第一栋非政府的办公楼东印度大楼(East India House)。18世纪后期,首次出现了商业地产租赁——也就是允许租户向大楼业主租用空间。通过引入承诺期不稳定的办公室使用方式,商业地产租赁极大地增加了熵。

自出现以来,商业地产的租约变得越来越短——在企业寿命急剧缩短的世界里(这也是熵增的例子),这一条是必不可少的。1958年的时候,标准普尔500指数公司的平均寿命为61年。而现在,指数公司的平均寿命已经不到18年。典型的办公室租赁期限从1950年代的30年下降到2010年代的5年。

而在过去十年的时间里,凭借着联合办公和灵活的办公空间,公司甚至可以选择短至一个月的租赁合同。令一小时预订成为可能的Breather,正是商业地产熵增不断发展趋势的自然延续,而在Breather之后甚至还出现了租期更短的选择。

商业地产的熵增

熵的每一次显著增长,就会带来新玩家如雨后春笋般的涌现,为的是给新的现实带来秩序。比方说,出现了地产经纪来帮助租户了解各种选择。全世界最大的地产经纪之一JLL  1783年成立于伦敦,这个成立的时间点跟第一批商业租赁的出现时间大抵相同。WeWork大肆购入资产壮大自己,试图成为公司获取高熵值的办公空间最低熵的方式——也就是协同办公——但也许只是给市场徒增了熵而已。

现在,新冠已经制造出大规模的熵,并为牧熵人创造了巨大的机会。远程办公现在已经初步形成了气候,虽然它还不完善,有反社会的属性,会失真,但是大的变化一般是不可逆转的。今后公司将不会急着购买自己的办公大楼,甚至再也不会考虑租约一签就是30年。同样地,远程办公一旦从瓶子里溜了出来的话,就再也不会回去了。这是办公空间迄今为止最大的熵状态,而驯服这种熵所带来的回报将是十分巨大的。所以Zoom才如此出色地跑赢了市场,所以我才那么地看好Slack,这是将来会出现利用新的远程办公优先范式的独角兽公司的原因。熵改变了办公室的定义。

就业

自从《一袭灰衣万缕情》(The Man in the Gray Flannel Suit)问世以来,就业已经走过了很长一段路。我们不再把自己的整个职业生涯全都泡在一家公司上,每天朝九晚五,每周5天,就这样一股脑工作40年,然后熬到退休领退休金和金表。实际上,很多人不仅换过多家公司,而且越来越多的人根本就不再给公司打工了。

就业市场的熵增

从一个角度来看,Uber引领了2010年代的零工经济,用意志和果敢的绝对力量颠覆了根深蒂固腐败堕落的的士业。

但是,从熵理论的角度来看,Uber、Lyft、TaskRabbit、Postmates、DoorDash以及其他的数十家公司其实是通过驯服自然就业熵来捕获价值的。按照这种观点,大家都想着从一辈子只打一份工转变成临时性地替多家公司工作。从大型机变成移动设备的这条技术熵趋势线的交集,使得零工经济领导者能够从就业熵这条趋势线当中驯服其中的混乱,捕捉到价值。

最近的趋势是,激情经济是就业熵不断增加的一种当前表现。许多才华横溢的,有创造力的人决定不再独自为一家公司工作,或者在更短的时间内一次为一家公司工作,而是决定自行奋斗以追求自己的激情。这是不可避免的。

Li Jin所写的热情经济使能型公司,比方说Substack ,Discord以及Teachable等,正试图从不断增长的人才熵中获取价值。类似地, Nikhil Basu Trivedi的《个体资本家的崛起》(The Rise of the Solo Capitalists)里面谈到了风险投资日益增加的熵,就像Brett Bivens在《一个人的公司》里面所指出的那样:

下一个欧莱雅会从一个博客起家,下一个ESPN诞生自某个宿舍里面的一个Instagram主页。下一个麦肯锡、下一个哈佛大学或者Benchmark也许会在Substack上面创立,在Teachable上课程或者就是一个播客。

那么,这种熵很高的就业形式又会造就什么样的牧熵人呢?在《Joe Rogan 会不会IPO ?》中,Mario Gabriele和Aashay Sanghvi指出了个人创作者可以利用的新工具,融资手段以及媒介。他们甚至认为GPT-3及其后续产品可以让创作者再造自我,为关键人物风险提供此前所没有的规模化的解决方案。熵理论表明,他们所列出的工具还只是个开始。

敏锐的观察者可能已经注意到,自谋职业的趋势就像是人类数百年来工作方式的一种回归,并暗示我们,熵也许是具有周期性的。我认为,在15世纪当一名铁匠跟今天做一名Instagram网红之间的最大区别是,后者的营业范围是全世界,而且有得选。一项工作从青少年开始一直干到死,并且是在一种非竞争性的环境当中服务于一群别无他选的受众,这种工作,哪怕是为自己工作,也是一种熵要低得多的职业。

语言的限制阻止了我,但其实我们可以通过相同的框架去分析众多行业的历史。媒体、餐饮、运输、金融、休息站、能源、酒店等等,莫不如此。甚至在互联网出现之前,这些行业就都已经被无情的熵的发展,以及利用当时最新技术来驾驭它的英勇尝试所定义。

用熵理论来解释企业成败

熵理论还可以帮助解释为什么有的公司成功但有的公司却失败了。这往往可以归结为公司是否是熵增的受害者(最坏),还是熵的创造者(比较好,但为时过早)或者熵的收割者(最好的情况)。而我最喜欢的公司之一Spotify正是后者的完美典范。

Spotify公司

音乐产业的熵增情况其实跟房地产和就业是一样的。纵观整个历史,音乐家大都靠现场音乐表演为生。1877年,托马斯·爱迪生发明了留声机,这为埃米尔·柏林(Emile Berliner)在1894年发明7英寸的留声机唱片铺平了道路。在1920年代,最早一批唱片公司如雨后春笋般涌现,以便驯服将同一道音轨分发给多人的能力所创造的熵增。从那时开始,唱片公司就不断地被从唱片到磁带再到8轨磁带再到CD一次次地撕裂,直到1999年,Napster的出现才让大家可以非法地免费共享和下载音乐,从而又一次极大地增加了音乐行业的熵。

Napster增加了音乐产业的熵(创造熵),然后2001年,在法律的压力下被迫关闭。音乐产业(熵的受害者)发起诉讼,试图回到原来的状态,但情况并没有好转。不管是通过Napster,Limewire 还是其他任何的在线音乐文件共享服务,那个妖怪已经被释放出来,熵还在不断增加:大家希望什么时候想听就能听,想听什么就听什么,而且是在线上。

两家公司驯服了这种熵并捕捉到价值。2001年,苹果推出了iTunes,然后0.99美元的价格向个人出售单曲。2006年,Spotify成立,令音乐的熵进一步恶化,并发展成至今仍在消费的形式:订阅制,每月缴费一次即可访问所有的歌曲。Spotify 是音乐界的牧熵人。

现如今,Spotify 已拥有2.86亿的月活跃用户,其中1.3亿为付费订户,2019年的它的收入达到了68亿美元。因为它仍继续朝着利用熵很高的播客行业进军,自今年三月份以来,Spotify的股价几乎已经翻了一番,市值达到了500亿美元。为什么Spotify 能够一而再再而三地适应和驾驭熵呢?一种理论认为奥秘在于它的组织结构,Spotify按照小分队、部落、公会来组织,这种组织架构可以迅速灵活地行动,能够应对不断的熵增。

Spotify善于驾驭熵,对播客又收割了一次

熵理论还可以解释为什么像Deezer 和Tidal 这样的订阅音乐服务竞争对手的尝试未能奏效。Spotify驯服了Napster制造出来的熵,同时又没有制造出足够多的熵来给别人创造攻击它的机会。Spotify泄漏的熵很少。

对Spotify构成威胁的不会是另一种订阅音乐流媒体服务,那应该是一家能够利用熵的下一波大增长的公司,它会用新的方式来提供来自新一批创作者的音频内容。

反例:Quibi

你还想让我再吐槽一遍Quibi吗?这是一个警示寓言,可以用来说明当你不清楚所处行业的熵到达什么水平时会发生什么。

实际上,熵理论完美地解释了为什么同样是做短视频,TikTok成功而Quibi却失败了。Quibi 尝试将娱乐业之前那种熵的水平的范式照搬过来,但是娱乐的那种熵的规模已经超出Quibi 的模式能够驾驭的范畴。光靠抓住移动化趋势本身是不够的。要想取得成功,你得驾驭那个行业特有的熵之浪潮。

Quibi 意识到,由于移动的无所不在,任何人都可以随时在手机上消费内容。但他们没有意识的是,同样的技术意味着任何人随时都可以创作高质量的短内容。这会让视频内容创作变得更加混乱,并将因循守旧的任何人(比如Quibi)的任何人抛到身后。不需要算法就可以引领时尚的工作室已经被短视频内容超越了。

但Netflix的地位仍然牢固,这主要有三个原因:

  1. 优质、长格式、大屏幕的内容并不是谁都可以创作的……。

  2. Netflix拥有多年的数据,可帮助其就要创作什么内容以及为每个用户提供什么样的内容做出明智决策。

  3. 它庞大的用户群意味着创作内容的人均摊销成败要少得多(相比之下,Quibi 每分钟的制作预算是10万美元!)。

但对于这种熵来说,TikTok也许是最合适的。TikTok 就是为当前这种视频熵的规模量身定做的。全球各地的人不断在创作越来越好的内容。TikTok的算法驾驭了这种熵,从而让信号从各种噪音当中脱颖而出,并以病毒传播,名气以及最终的网红经济来奖赏创造者的创造力。

熵理论的应用

过去三天里,在思考例子,验证其是否符合我的熵理论,然后意识到的确符合的过程中,我的大脑一直处在高速运转的状态。再强调一次,我是个书呆子。这是我在一个愉快的周末获得的想法。我的想法一部分是这样的:它们当然符合;熵增是热力学的第二定律,也是宇宙的自然定律。我的另一部分想法则认为:这其实上是了解商业和行业趋势的一种非常有用的方法。

进行回溯测试是一个重要的开始,但是要让这个东西真正发挥作用,它必须是可行动、可预测的。

那么,我们怎么将熵理论应用到我们的职业和投资当中呢?

如果你是创始人或者经营者,就应该在行业里面寻找熵增的地方,并找出能够驯服那种熵但又不用回到老样子的办法。要注意时机,不要试图自己去增加熵:试图过早强加熵进去的公司未必是先驱而有可能变成先烈;固执地因循守旧试图回到过去的老样子的公司到头来就是跟钱过不去。给熵自然增加的行业引入新工具的公司则有望收获巨大的价值。

如果你是投资者,了解宏观趋势以及你要寻找的公司所处的位置会很有帮助。这一点潜在意义就很实用:在寻找牧熵人时,你不必太过关心TAM(总可达市场)。Uber驾驭着变得越来越大的熵进入到比预期更大的共享乘车市场。Stripe在网上支付方面也做着同样的事情——它的使命是“提高互联网的GDP”。牧熵人在别人还没看到之前先发现了情况的变化。ong某种程度来说,他们是这个世界的建设者。

我们可以用熵理论来做出什么样的预测?

我们应该能够预测,随着时间的流逝,更有可能出现的结果是熵增而并不是熵减,而有价值的公司将会被创建出来,让混乱恢复秩序。

  • 新冠病毒大流行结束之后,员工未必会重返原来的办公室了,而有可能继续远程办公了,甚至可能会同时在多个公司工作。办公空间和工具的此消彼长将促进远程协作和同时打几份工。

  • 教育会变得更像点菜。最好的学生不一定只从一所学校获得学位了。取而代之的是,他们会跟着世界各地最好的教授一起学习,然后把挣到的不同学分凑成一个学位。这会为新形式的认证以及实现学生和老师的完美匹配提供机会。

我认为熵理论会成为我思考和分析业务的基础,希望你也有同感。但我现在的思路还比较乱,希望能够跟大家一起着这套理论带来秩序。我希望,在未来几周和几个月内,能够深入探讨以下一些问题:

  • 熵理论跟网络效应以及Hamilton Hemler的《商业战略的7个基础》会如何互动?

  • 熵理论对颠覆理论和既有者有何启示?

  • 随着熵的增加,像Amazon,Spotify ,Stripe和Uber 这样有着去中心化架构的企业是不是更容易演进并捕捉价值?

  • 熵理论有速度分量吗?或者说,熵的更快释放会不会带来更多的创新吗?

希望能听到您的反馈挑战与质疑,提供证实的例子或者驳斥的反例。

译者:boxi。

赶走超距作用的场|法拉第|牛顿

来源:《宇宙观》

在17世纪30年代,勒内·笛卡尔在解释行星的轨道运动时,展现出十足的想象力。在一本名为《论世界》的书中,笛卡尔提出真空(空无一物的空间)并不存在,空间里一定充满了某种流体,由流体漩涡带着行星围绕太阳旋转。在牛顿的引力理论问世以前,笛卡尔的“漩涡说”是行星轨道运动的主流解释。所以,牛顿在《原理》中提出自己的理论时,曾花了很大篇幅论述笛卡尔的理论行不通。

牛顿的引力理论准确地解释了行星运动及许多其他问题,大获全胜。只要在太阳与行星之间,还有其他大质量物体之间引入一个长程作用力,就能解释如时钟一般规律的天体运动。但牛顿并没有说明,物体是怎么传递引力的。虽然牛顿的理论取得了非凡的成功,但这种“超距作用”却遭到了哲学家如戈特弗里德·莱布尼兹等人的严厉批评。

就连牛顿自己都承认,不明白两个彼此不接触的物体如何产生力的作用。1693年在给理查德·本特利的一封信中,牛顿这样写道:

在没有什么(非物质的)东西充当媒介的情况下,没有生命的物体竟然能够影响和它没有接触的另一个物体,这真是不可思议……

引力应该是物质的先天本质属性,所以物体在真空中无须借助媒介就能影响远处的物体。物体就是这样相互作用,传递力的。在我看来,这太荒谬了,我相信有哲学思考能力的人不会沉溺其中。

几百年后,人们才解开这个谜。

法拉第的场 

19世纪上半叶,迈克尔·法拉第用一连串实验解开了电和磁的秘密。他创造性地想到,用线条去描摹一个假想的测试电荷在空间中任一点感受到的电场力,或者一个测试磁极感受到的磁力,线的疏密表示力的强弱。就这样,法拉第画出了电场力和磁力的空间分布,并把它们称作电场图和磁场图,这是法拉第的一个伟大创举。

所谓同性相斥,异性相吸。如下图a所示,一个带正电的测试电荷会受到负(正)电荷的吸引(排斥),白线画出了测试电荷在空间中任一点的受力方向。同样地,下图b里的白线显示了一个条形磁铁的北(南)极对一个测试北磁极的排斥(吸引)力。

 a)两个电荷产生的电场;b)一块条形磁铁产生的磁场 a)两个电荷产生的电场;b)一块条形磁铁产生的磁场

虽然法拉第把电场和磁场分开来画,但变化的电场产生磁场,变化的磁场又产生电场,把它们视作单一电磁场的两个组成部分也是很自然的事。

法拉第绞尽脑汁,苦苦思索这些场的真实含义,最终得出结论说它们肯定是真实的物理存在,不过他也为此而饱受批评。直到詹姆斯·克拉克·麦克斯韦给出了电磁场理论的数学表述,用数学公式囊括了法拉第的实验结果,人们才弄清楚这些场的本质。

麦克斯韦的方程组表明,电磁场受到干扰后会产生电磁波,这些波携带着能量和动量,所以,场不只是一种描述工具,更是真正的物理存在。电场和磁场互相垂直,在空间中振荡着向前行进,形成电磁波(见下图)。变化的电场产生磁场,变化的磁场又产生电场,如此往复循环,振荡的电磁波就这样自我延续下去。

电磁波(蓝色箭头代表磁场,红色箭头代表电场)电磁波(蓝色箭头代表磁场,红色箭头代表电场)

最值得注意的是,我们其实一直都知晓电磁波的存在,我们称之为“光”。法拉第做过偏振光实验后,曾经怀疑光是一种电磁现象。后来,在法拉第病重,不久于人世时,麦克斯韦前去探望并告诉他,他的怀疑没错,可惜法拉第那时已经听不懂麦克斯韦在说什么了。

我们肉眼可见的光是一种携带着较高能量的快速电磁振荡,其中蓝光比红光振动得更快一些,能量也比后者高。麦克斯韦经过计算指出,任意频率的电磁振荡都有可能存在(见下图)。

在电磁波谱中,短波振荡比长波振荡能量高在电磁波谱中,短波振荡比长波振荡能量高

无线电波 

根据麦克斯韦的电磁理论,振荡电流从导线中穿过时,会带动导线里的电子一起振动。电子一加速,就会在电磁场中激起涟漪,换句话说,电子会发出电磁波。

长波电磁振荡也叫无线电(radio),这个名字源于拉丁文radius,是车轮的意思。无线电向四面八方传播出去,形成球状波前,就像一颗石子落入池塘,激起层层水波。当波前遇到金属线或天线时,它会加速天线中的电子,产生振荡电流。由于球状波前向各个方向铺开,因此天线接收到的无线电信号十分微弱,需要放大。

以上所述就是赫兹实验的原理。1887年,海因里希·赫兹在实验室的一侧产生无线电,然后又在另一侧接收到它。

量子波 

20世纪新出现的量子力学理论,进一步阐明了场的物理含义。从量子的角度看,电磁波由光子构成。光子不同于传统意义上的粒子(好比台球),而更像是离散的波包,有时又被叫作量子或波粒子。日常生活中的粒子概念或波的概念,无法抓住它的本质。

粒子间的相互作用究竟是怎么一回事?量子场论给出了精彩的解释。它告诉我们,每种基本粒子都有一个与其对应的场,这个场遍布整个空间。比如,光子是电磁振荡,电子是电场振荡,诸如此类。更关键的是,这些场还彼此依赖。例如,带电粒子(如电子)的场与电磁场有关联。如果两个带电粒子交换光子(电磁场振荡),在它们之间就会产生出一种作用力。

如果把这个过程画出来,就是费曼图。下图展示了两个电子交换一个光子的过程,这是最简单却又十分重要的费曼图。其他费曼图会涉及更多粒子。

费曼图。在图中,自下而上代表时间的流逝。依照带箭头的直线,两个电子先是互相靠近,在交换一个光子(用波浪线表示)之后,又彼此远离费曼图。在图中,自下而上代表时间的流逝。依照带箭头的直线,两个电子先是互相靠近,在交换一个光子(用波浪线表示)之后,又彼此远离

力的这种量子阐释令人十分满意。两个电子因为电性相同而互相排斥,向着远离彼此的方向运动。电子一加速,便会产生电磁波,电磁波反过来又会加速电子。两个电子因为交换了光子(电磁振荡)而改变了自身的能量与动量,这不是再自然不过的事吗?

费曼图在量子场论的数学表述和粒子间相互作用的概念想象之间,架起一座沟通的桥梁。不过,在理查德·费曼一开始引入费曼图时,量子理论的缔造者之一尼尔斯·玻尔曾批评说,这些图没有清楚地阐明相关的量子物理过程。后来,费曼在1965年获得诺贝尔物理学奖,玻尔向他道了歉。

爱因斯坦解决了牛顿的难题 

爱因斯坦富有洞见地用“场”赶走了引力的“超距作用”,解除了牛顿的困境。如同麦克斯韦的电磁理论是电磁学的经典理论,爱因斯坦的广义相对论也是引力的经典理论。广义相对论预言,宇宙中有引力波,也就是连续不断的时空波动。

发展引力的量子理论仍然任重而道远。这个理论把引力场量子化,提出引力子的概念,并把物体间的引力作用解释成物体交换引力子。引力子是一种假想粒子,相当于引力版的“光子”。然而,与电磁力相比,引力太微弱,探测到引力子的希望还很渺茫,而且我自己也怀疑,从原理上讲,我们是否真能探测到它们。

多重宇宙是科学吗?|宇宙

关于多重宇宙是否存在的争论由来已久,现在,宇宙学的进展能让我们重新审视这个问题。

19世纪末,奥地利物理学家、哲学家恩斯特·马赫(Ernst Mach)曾公开否认原子的存在。他讽刺地问那些原子的拥护者:“你们见过原子吗?”今天,许多科学家也在用相似的态度嘲讽着一个观点——我们所见的宇宙并非单独存在,它只是多重宇宙“泡泡”中的一个。

多重宇宙理论的反对者认为,我们无法看到其他的宇宙,因此这个理论无法被证明。此外,他们还认为用多重宇宙理论来解释现实,明显违背了奥卡姆剃刀理论(Occam‘s razor)。奥卡姆剃刀理论认为简单的解释优于复杂的解释。但马赫对原子的看法,毫无疑问是错误的。

纵观历史,反对多重宇宙的人总会被证明是错误的。事实上,最早提出多重宇宙的正是提出原子论的古希腊哲学家留基伯(Leucippus)和德谟克利特(Democritus),他们认为原子理论需要一个无限大的宇宙。然而,亚里士多德(Aristotle)坚定地认为逻辑上只需要一个宇宙。这个观点一直持续到了1277年,当时的巴黎主教认为这个观点否定了上帝的力量,宣布将传授亚里士多德观点的学者逐出教会。随后,争论又持续了几个世纪。

到了16世纪,哥白尼(Copernicus)彻底改变了这个问题的争论方向。不同于亚里士多德的宇宙模型(地球在中间,周围的天体位于绕地球运行的球面上),哥白尼把太阳放在中心,而行星(包括地球)位于绕太阳运行的轨道上。在这个“太阳系宇宙”中,恒星都位于绕太阳系运行的球面上。不久后,英国人托马斯·迪格斯(Thomas Digges)重新绘制了哥白尼的宇宙图像:恒星离太阳系远近不同,而不是固定在一个球面上。这也增加了太空中存在多个太阳系宇宙的可能性。

后来,科学家通过望远镜发现,大量的恒星在一个距离较远的区域中聚集成了一个圆盘状结构——银河系。正如哥白尼证明地球只是“太阳系宇宙”的一部分,太阳系也只是银河系众多“宇宙”中的一个。宇宙的定义再次被改写:它是一个被虚空包围、由恒星组成的巨大圆盘。

但在银河系之外,还存在一些被称为星云(nebulae)的模糊斑点。19世纪40年代,美国天文学家奥姆斯比·麦克奈特·米切尔(Ormsby MacKnight Mitchel)将它们描述为宇宙岛(Island Universes)。但此后,多重宇宙的观点再次遭到了嘲笑,一度被抛弃、遗忘。直到1924年,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)发现,一些模糊的星云(如仙女座星云)确实是像银河系一样巨大的宇宙岛。哈勃最先提出了当今宇宙的定义:宇宙就像在时空中不断膨胀的气泡,由数十亿个类似银河系的星系组成。

20世纪80年代,一种有关宇宙形成的新解释——暴胀宇宙学(inflationary cosmology)为多重宇宙的争论提供了新观点。如果在宇宙大爆炸后,宇宙极其快速地膨胀(暴胀),那么这个过程可能会在其他地方重演。如果暴胀理论被证明是正确的,那么我们的宇宙将只是众多宇宙泡泡中的一个。

当然,这并不意味着多重宇宙一定正确。但多重宇宙的反对者仅因为无法验证就认为它的存在不科学,这种说法明显是错误的。虽然我们不能直接检验多重宇宙,但它是基于其他可以验证的理论的预测结果。事实上,尽管暴胀宇宙模型还没有完全建立,但它已通过了许多检验。

另一方面,其他宇宙的存在在理论上也并非完全不可观测。如果另一个宇宙与我们的宇宙相撞,从宇宙大爆炸残留的宇宙微波背景辐射中,我们有可能找到明显的痕迹。即使没有这类直接证据,多重宇宙的存在还可以通过间接方法推断,就像1905年爱因斯坦通过分析液体中悬浮粒子的随机运动,证明了原子的存在一样。现在,科学家已经能够利用扫描隧道显微镜产生的图像真正“看见”原子了。

至于奥卡姆剃刀原理,我们能查阅到一个历史事实:在14世纪,哲学家威廉·奥卡姆(William Occam)不仅提出这一原则,他还是多重宇宙理论最热切的支持者。

为什么引力与众不同?这里有四个理由|引力|黑洞

来源:科研圈

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在四种自然力中,物理学家们已经找到了其中三种对应的微观粒子,即电磁力、强力和弱力。但第四种基本力——引力,则显得与众不同。

人类现有的理解引力的框架,是一百年前由阿尔伯特·爱因斯坦设计的。他告诉我们,苹果熟了会从树上掉落,行星会绕着恒星转,是因为物体在时空连续体中沿着曲线移动,这样的曲线就是引力。根据爱因斯坦的理论,引力是时空介质的一种属性,其他自然力基于此发生。

但在黑洞中心或者宇宙大爆炸早期这些问题上,爱因斯坦的理论崩溃了。物理学家需要更准确的引力理论来理解这些极端时刻。这理论也必须和爱因斯坦理论在其他方面的预测达到同样的效果。

物理学家认为,在这个更准确的理论体系里,引力一定也有量子态,就和其他基本力一样。研究者从 20 世纪 30 年代起就开始钻研引力的量子理论。他们有一些可能的推测,最出名的是弦理论,认为引力和其他的现象起源于及其小的弦振动。但目前为止这些推测都还是推测,也没有完全解释清楚。引力的可行量子理论也许是当下物理世界里最崇高的目标了。

什么让引力如此特别?第四种力为何如此特殊,以至于研究者也找不到它的潜在的量子描述?本文作者询问了四位量子引力研究者,得到了四种不同的答案。

引力创造了奇点

克劳迪娅·德拉姆,伦敦帝国理工的理论物理学家,研究质量引力理论,该理论认为引力的量子化单位是有质量的粒子:

爱因斯坦的广义相对论正确地描述了引力跨越近 30 个数量级的行为,从亚毫米尺度一直到宇宙距离。任何其他的自然力都未曾被描述得如此精确、如此复杂。理论预言和实验、观测结论完美匹配,广义相对论似乎提供了对引力的终极诠释。然而,广义相对论的神奇之处在于它预言了自己的缺陷。

广义相对论预测了黑洞和宇宙起源的大爆炸。然而这些地方存在神秘的“奇点”,时空曲率似乎接近无限,似乎成为了标志广义相对论崩溃的信号旗。在接近黑洞中心或大爆炸奇点的地方,广义相对论的理论预言就不再正确。应该有一个对时空更基本、深层的理论解释来取代它。如果能将物理学理论翻开这新的一页,我们或许能够对时空本身有一个新的认识。

对于引力之外的任何一种自然力,我们都有希望设计更大能量、更小距离的实验来深入探测它。但引力不是普通的力。要想超过某个临界点去揭开它的秘密,实验装置本身就会坍塌成一个黑洞。

引力产生了黑洞

丹尼尔·哈洛,麻省理工学院的量子引力理论物理学家,以将量子信息理论应用于引力和黑洞的研究而闻名:

黑洞的存在是很难把引力和量子力学结合起来的原因。黑洞只可能是引力导致的,因为引力是唯一一种作用于所有物质的力,如果有任意一种粒子不受引力作用,那么我们就可以用这种粒子从黑洞内部发出信息,那么它就不能算黑洞了。

所有物质都受到引力作用,这一事实对实验产生了限制:无论你建造什么仪器,用的什么材料,它都不能太重,否则它必然会在引力作用下坍缩成黑洞。日常情况下我们不需要考虑这样的约束,但当你试图建立一个实验来测量引力的量子力学性质时,这点就变得至关重要。

我们对其他自然力的理解建立在定域性原理的基础上。定域性原理认为,描述空间每一点性质的变量都可以独立地改变,比如电场强度。我们称这些变量为“自由度”,并且这只能直接影响到它们的近邻。定域性对于我们目前描述粒子及其相互作用的方式很重要,其中体现了因果关系:如果我所在的马萨诸塞州剑桥的自由度取决于旧金山的自由度,我们就可以利用这种相关性实现两个城市之间的即时沟通,甚至可以给过去发送信息,这可能会违反因果关系。

定域性原理的假设在一般情况下已经得到了很好的验证,假设它可以拓展到与量子引力相关的极短的距离上似乎是很自然的(这一距离很小,因为引力比其他力弱得多)。为了证实定域性原理在这些距离尺度上仍然存在,我们要建造一个装置,以检验即使两个物体之间距离这么小,它们的自由度依然是独立的。然而简单计算表明,如果一个装置足够重,能避免它所在的位置出现大的量子涨落并破坏实验,那么它也必然重得足以坍缩成黑洞!因此,在这个尺度上进行实验来证实定域性原理是不可能的。所以量子引力不需要在这种尺度上遵循定域性原理。

事实上,迄今对黑洞的研究表明,任何量子引力理论的自由度都应该大大低于我们基于其他力所预测的自由度。这一思想被纳入“全息原理”中,粗略地说,该理论认为空间区域里的自由度与其表面积而不是体积成正比。

引力能凭空创造出物体

胡安·马尔达塞纳,普林斯顿高级研究所的量子引力理论家,以发现引力和量子力学之间类似全息图的关系闻名:

粒子可以呈现出许多有趣和令人惊讶的现象。粒子可以自发产生,相距遥远的粒子之间也可以发生量子态纠缠,粒子可以存在于多个位置的叠加。

在量子引力中,时空本身表现出新的行为。这里并非创造粒子,而是创造宇宙。量子纠缠被认为能够在相距甚远的时空区域之间建立联系。这里还会发生不同时空的宇宙叠加。

此外,从粒子物理学的角度来看,真空其实是一个复杂的物体。我们可以想象许多被称为场的实体相互叠加,并延伸到整个空间。每个场的值不断发生小幅波动,真空态就出现在这些波动的场及其相互作用中。这种真空状态下粒子是一种扰动,可以把它们想象成真空结构中的小缺陷。

当考虑引力时,我们发现宇宙的膨胀似乎会凭空产生更多的真空物质。当时空被创造时,它恰好是一种没有任何缺陷的真空。真空是如何恰好以正确的排列出现的,是对黑洞和宇宙学的一致的量子解释需要回答的主要问题之一。在这两种情况下都存在一种时空拉伸,这产生了更多的真空物质。

引力无法计算

塞拉·克雷莫尼尼,里海大学理论物理学家,从事弦论、量子引力和宇宙学研究:

引力特别的原因有很多。我会具体关注一个方面:爱因斯坦广义相对论在量子意义下是“不可重正的”,这对引力在高能条件下的的行为有影响。

在量子理论中,试图计算高能粒子如何相互散射和相互作用时,会出现无限项。描述除引力以外的自然力的所有理论都属于可重正理论,在这类理论中,我们可以通过适当地加上其他的项,严谨而有效地抵消这些无限项,即所谓的反项。这个重正化过程能够得出物理上合理的答案,其结果与实验高度符合。

广义相对论量子理论的问题在于,描述高能引力子(graviton,引力的量子化单位)相互作用的计算将有无限多个无限项。这就需要永无止境地添加无限多的反项,也就是说无法进行重正化。正因如此,爱因斯坦广义相对论的量子理论版本不能很好地描述高能下的引力。这其中一定缺少了引力的一些关键特征和成分。

然而,我们仍然可以用解释自然界中的其他相互作用的标准量子技巧,对低能量下的引力做一个非常好的近似解释。关键在于,这种解释将在到达某个能量尺度时崩溃,或者等价地来说,在某个长度尺度下。

在这个能量尺度之上,或者在相应的长度尺度之下,我们期望找到新的自由度和新的对称。准确地捕捉这些特征需要一个新的理论框架。这正是弦论或其他一些合适的广义理论发挥作用的地方。弦论认为,在很短的距离内,引力子和其他粒子可以看成扩展的物体,称为弦。研究这种可能性可以告诉我们有关引力量子行为的宝贵信息。