像这样的卡拉比-尤流形代表了紧密卷曲的额外维度,所以它们不会被探测到。究竟有多少个维度的空间是21世纪科学家们要解决的首要科学谜团之一。
过去的几个世纪对于科学来说还是相当不错的。在17世纪,艾萨克·牛顿用他的三定律解决了关于力和运动本质的古老争论。在18世纪,本·富兰克林发现了很多关于电的知识。19世纪,达尔文解释了物种的多样性,麦克斯韦揭示了光的物理学,门捷列夫定义了化学元素的家族。在20世纪,我们有了爱因斯坦,他发现了各种各样的东西,包括重力。更不用说沃森和克里克了,他们破译了遗传学和生命学的分子基础。
但是,21世纪仍然有很多科学之谜有待解开,把它们罗列在一个列表里是,可以提醒人类对自己的世界还有多少未知。
10. 生命是如何起源的?
这个问题看起来好像不应该那么难,但它仍然无法解决。关于生命的基本组成部分是如何在原始条件下产生的,或者是如何从太空传送到地球的,不断有新的发现出现。这个问题最终会和博弈论有关,因为生物分子以竞争的方式相互作用,这可以被描述为策略,而计算最佳策略的数学就是博弈论的全部内容。
9. 暗物质的特性是什么?
自从天文学家开始注意到太空中吸引物体的引力大于能够产生这种效应的可见物质以来,大约已经有80年了。试图探测这种被认为是外来的(如未知的)亚原子粒子造成了额外的重力,但一直都很失败。在一些实验中看到的暗示已经被其他实验排除了。这个谜题可能还缺了重要的一环,但可能和博弈论无关。
8. 驱动宇宙加速的暗能量的本质是什么?
如果你认为暗物质令人沮丧,那就试着解释一下暗能量。有什么东西在驱使空间以前所未有的速度扩张。物理学家认为他们知道它是什么——存在于整个空间的永不改变的能量密度,爱因斯坦称之为“宇宙术语”,现在称为宇宙常数。但当你计算宇宙常数应该有多强时,答案就大了几十个数量级——比整个宇宙的大小与一个质子的大小之差大得多。所以暗能量的身份仍然是个谜;如果这是宇宙常数,那么物理学家认为他们知道的东西就大错特错了。到目前为止,常规理论对此完全没有帮助。
7. 如何衡量证据
这是如此的神秘以至于很多科学家都不知道其中的奥秘。但如果他们停下来想一想,他们就会意识到,从实验数据推断结论的标准方法——计算“统计学意义”——就像在比赛还剩8分钟时落后15分的情况下,在第4和第7点撑船一样有道理。一个小例子:如果你做了一个实验,得到了一个统计上显著的结果,然后重复它,再次得到一个统计上显著的结果,你会认为你有更好的证据比只做一次实验。但如果第二次的显著性水平稍低,那么第二次实验后的综合“P值”就不那么令人印象深刻了,尽管应该认为证据更强。
6. 基因、癌症和运气
你可能最近读到过,正如《科学》杂志上发表的一项研究推断的那样,大多数癌症是由运气不好引起的。(实际上,该研究得出的结论是,不同类型癌症患病率的差异很大程度上是由于运气。)随之而来的是一场抗议风暴,基本上是基于这样一种信念,即这样的研究肯定是错误的,因为它会向公众“发送错误的信息”。证明那三段论的不合逻辑应该留给读者来解读。其他的回应显示,专家们对于随机突变(坏运气)与遗传(父母的错)、生活方式(你的错)和环境暴露在不好的事情(别人的错)之间如何导致癌症的看法并不一致。理清所有这些问题,并在此过程中解开癌症的其他奥秘,应该是21世纪科学的首要任务。
5. 是否存在额外维度的空间?
不知道为什么人们一直认为这是一个谜,因为已经多次被指出,没有额外的维度。不管有多少,它们都是绝对必要的。这个问题应该是有多少维度的空间?(就此而言,你也可以问有多少个时间维度,但这可能与第4个有重叠。)许多物理学家认为,物理学需要比普通的3维更多的维度来理解宇宙。(甚至不要问他们谈论的是玻色子维度还是费米子维度。)理解这个问题的关键是卡拉比丘的数学,它可以以无数种不同的方式蜷缩起来,以防止容易检测到额外维度的存在。这使得我们很难弄清楚在这无数种可能性中,哪一种符合我们所居住的宇宙(除非存在某种不动点定理,它会选择一种,就像博弈论中的纳什均衡)。无论如何,任何想要解开这个谜题的人都应该先读读埃德温·阿伯特的《平面世界》,书中的主人公阿·方克证明了一个额外维度的存在,并立即被关进了监狱。
4. 时间的本质
这么多谜题,解决它们的时间却这么少,除非解决这个谜题就能发现一些巧妙的花招来玩弄时间。这个词背后隐藏着许多亚神秘性,几乎对应了字典中所有44种时间的定义(这只是一个名词)。时间的持续和流动的本质是什么——它是虚幻的还是以某种难以捉摸的方式“真实”的?那么时间的方向呢?它总是向前的吗?为什么?时间旅行是可能的吗?或者信息至少可以回到过去?(未来很容易——只要把这篇文章打印出来,一年之后再读就行了。)也许最大的谜团是所有这些关于时间的问题是相关的还是完全独立的问题。
3.量子引力
量子物理学和广义相对论(也就是爱因斯坦的引力理论)似乎都以令人信服的准确性描述了宇宙及其组成部分,但它们似乎完全互不兼容。试图将它们整合成一个连贯统一的理论,就像在美国国会中希望斡旋妥协一样无法成功。然而,还是有一些线索的。1930年,爱因斯坦试图反驳量子力学(特别是海森堡测不准原理),他建议在一个挂在天平上的盒子上安装一个时钟,既可以测量光子的质量,又可以测量光子从盒子中逃逸的精确时间。(海森堡说你不能同时测量两者)。但是尼尔斯·玻尔指出,时钟上的时间是不确定的,因为当盒子在引力场中向上移动时,爱因斯坦的相对论要求时间的改变,而这种改变只会在海森堡要求的时间上引入不确定性。那么,你可能会问,测不准原理是如何知道广义相对论的这个效应的?也许如果专家们以这种方式提出这个问题,他们就能解开量子引力之谜。下一个最好的选择是进行量子博弈论的研究,在这方面还没有得到充分的利用。
2. 其他地方是否存在智慧生命?
删除“其他地方”是很诱人的,但考虑到地球上被认为是智能生物的场所,我们有理由怀疑,是否有类似的东西在某个遥远的星球里游荡。考虑到宇宙有那么多其他的星球,这似乎是有可能的。但要想确定答案,可能需要收到真正的信息。SETI等项目一直在倾听这类信息,但迄今尚未成功。有两种(至少)可能的解释:一是没有任何信息(也许外星人是博弈论专家,认为与人类接触是一个糟糕的策略)。第二,信息是存在的,但没有人知道如何检测或识别它们。也许在推特上加强审查是有必要的,那里每天都有大量的推文似乎是外星人的杰作。
1. 量子纠缠的意义
所有种类的量子之谜都还没有得到令人满意的解决,但如果量子纠缠得以解决,那么其他的谜团或许就会迎刃而解了。纠缠发生在有着广泛分离部分的系统中,这些部分有着共同的历史;测量其中一个部分,就会发现当你测量它的远亲时,你会发现什么。纠缠是一种自然现象,通过实验得到证实。它表明,时间和空间不会像限制普通人类活动那样限制量子现象。关于纠缠的最新有趣研究涉及到黑洞。黑洞似乎可以被缠结,这显然相当于它们被虫洞连接起来。相关研究表明,空间、时间和引力都是巨大量子纠缠网络的一部分。由于网络的进化和量子纠缠都很适合博弈论,解决各种谜题可能归结为从博弈论的角度看世界。但这对人脑来说可能还是太难了——它可能需要先进的人工智能,正如这篇论文所指出的,这种人工智能可能在量子博弈论的某些版本的帮助下产生。
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