氦兽电子科技为什么说我们只了解宇宙的5%

用户投稿 2025年08月15日 02:48:02 8 0

为什么说我们只了解宇宙的5%

浩瀚的宇宙一直令人向往，但是关于宇宙我们到底知道多少呢？

中微子被称为幽灵一般的粒子，但你知道中微子不仅神出鬼没，甚至还会变身吗？

一起让我们走进高能的世界去一探究竟吧！

为什么说我们只了解宇宙的5%？

首先我们要知道这个5%的含义到底是什么，根据目前的理解，我们的宇宙主要由三种组分构成，暗物质，暗能量和可见物质。其中暗能量大约占据了宇宙的70%，其也被认为是宇宙加速膨胀的原因，暗物质大约占据了宇宙的25%，而我们有所了解的可见物质仅仅占据宇宙的5%。

那么问题来了，面对浩瀚的宇宙，我们是如何知道这些物质的占比呢，实际上这里的比例都是建立在宇宙学标准模型ΛCDM模型上的，其中Λ表示的是宇宙学常数，用于解释宇宙加速膨胀，CDM是Cold Dark Matter(冷暗物质)的简称。暗能量，暗物质与可见物质在宇宙中的占比都是ΛCDM模型的参数，代入这些参数就可以进行模拟，并将模拟结果与实际观测结果进行比较，得出符合最好的一组模拟参数，也就是我们上面提到的比例参数。实际观测数据则是来源于“普朗克“卫星对宇宙大爆炸的余晖——宇宙微波背景辐射的观测。宇宙形成初期，温度极高，光子被各种基本粒子像踢足球一样踢来踢去，不停被吸收发射，并无法自由传播，随着宇宙的膨胀与降温，基本粒子们逐渐形成了原子等结构，原本热闹拥挤的宇宙变得安静空旷了下来，此时的光子终于可以在宇宙中自由传播了，这被称为光子退耦，这些退耦的光子带着宇宙最初的信息在宇宙中驰骋，宇宙微波背景辐射就是这些光子形成的。

By Arthas

什么是麦克斯韦妖？

麦克斯韦妖、芝诺的乌龟、薛定谔的猫和拉普拉斯兽并称为物理上的四大神兽，分别对应于热力学第二定律，微积分，量子力学与经典力学。

麦克斯韦设想了一个实验，如果有个与外界无能量交换的盒子，里面分成两个部分，每一个部分都有很多随机运动的粒子，此时系统处于较为无序状态，运动速度快的粒子和运动速度慢的粒子混在一起。在两个部分之间有一个可以开关的门，有一个妖怪负责控制这扇门，这个妖怪知道所有粒子的运动速度，之后这只妖怪可以通过有意的开关门将所有左边部分里运动速度快的粒子全部放到右边，将右边部分所有运动速度慢的粒子放到左边。最终所有的运动速度快的粒子都在右边，运动速度慢的粒子都在左边，系统处于有序状态。

这样的操作实现了将一个与外界无能量交换的体系由无序变为了有序，成功“违背”热力学第二定律。热力学第二定律表示一个与外界无能量交换的体系不会由无序到有序。所以热力学第二定律被打倒了吗？不用担心，对于麦克斯韦妖实验已经有了很多合理的解释，一种较为简单的说法是这只妖怪想要完成上述的操作，它需要“看“到每个粒子，而“看“是需要消耗能量的，也就是这个体系并不是一个真正的与外界无能量交换的体系，当然也可以从信息熵的角度去解释，具体的我们就不在这里说了。

太阳是通过什么机制释放出负熵的？

太阳通过释放太阳光供给太阳系源源不断的负熵。地球上生物的负熵来源于绿色生物的光合作用，光合作用使用低熵的太阳光将高熵的水和CO2转换为了低熵的六碳糖并释放氧气(整个过程仍然是熵增加过程，只是产物糖的熵相对水和CO2更低)。

那太阳光是怎么产生的呢？它源于太阳内部发生的核聚变反应。目前在太阳内部，聚变反应

会产生大量的高能粒子，聚变反应释放的能量很大一部分以高能光子的形式来体现，但是这些高能光子并不会被直接释放出来，而是在太阳的核心区域不断经历被吸收和释放的过程，在这个过程中能量也在逐渐降低，在几百万年之后才能到达太阳表面，到达时能量已经在可见光的量级，最终就成了我们看见的太阳光。这个过程是由科学家们收集了大量太阳的光谱学数据之后通过计算与仿真得到的，是基于观测的结果。整个过程将低熵的氢转化成熵更高的氦，中微子，正负电子等，产生了熵相对较低的可见光，构成了地球上主要的负熵来源。这种过程当然不可能是永久的，太阳也会有熄灭的一天，只不过距离太阳熄灭还需要约50亿年的时间，大家大可不必担心。

By 小高

什么是中微子振荡？（硬核预警）

假如有这么一家公司，这家公司有三类员工：董事长，产品经理和销售经理，过了一段时间，进行了人事调整，原本的产品经理中，有一部分的人变成了销售经理，有一部分的人变成了董事长。

中微子就像这个公司的三类员工一样，中微子按照参与弱相互作用的特性可以分为三种，e中微子，μ中微子和τ中微子，但是实验发现，一堆e中微子飞行一段距离之后可能有一部分变成μ中微子，再飞行一段时间可能又有部分变成τ中微子了，这个神奇的现象就是中微子振荡。

中微子之所以会振荡，跟中微子的一个特殊的性质是分不开的，那就是味道本征态与质量本征态的不重合。中微子可以分为三种，但是划分的标准却不止一种，你可以根据中微子参与弱相互作用的特性将中微子分为e中微子，μ中微子和τ中微子，这称为中微子的味道本征态；你也可以根据中微子的质量将中微子分为质量为m1,m2,m3的中微子，这个称为中微子的质量本征态。味道本征态和质量本征态并不是相互独立的，味道本征态可以表示成质量本征态的混合，反之亦然。

就好像我们可以根据人的胖瘦将人分为胖，中等和瘦三类，暂且称为人的体重本征态；同样我们也可以根据是否有猫，将人分成有猫和没猫两类，称为人的养猫本征态，在有猫的人群中，肯定有胖的人，有瘦的人也有中等的人，所以有猫这个本征态可以表示成为体重本征态的叠加。

中微子是以味道本征态产生和发生相互作用的，但是却以质量本征态来进行传播，而不同的质量决定了不同的传播速度，因此在不同的距离上去对中微子进行测量，会看到味道本征态发生了变化。比如产生的时候产生了一堆e中微子，但是e中微子同时也是3种质量本征态的混合，在传播过程中，不同的质量本征态具有不同的传播速度，所以传播一段时间后，质量本征态的混合发生了一定的变化，直接表现出来的就是部分e中微子变成了μ或者τ的中微子。

我们也准备了一个简单计算中微子振荡的几率的小例子

前方高能预警

点击空白处查看答案

我们考虑两种味道的中微子振荡的概率，e中微子和μ中微子，我们上边提到味道本征态可以表达为质量本征态的混合，具体的混合形式可以写为

等式左边为味道本征态，右边为质量本征态，U为混合矩阵，θ被称为混合角度。

现在我们单独写出味道本征态的表达式，并且考虑到时间的演化。

就是简单把矩阵乘开，然后加上时间演化因子，细心的读者可能发现这个时间演化因子是不是少了个约化普朗克常数，这是因为中微子的飞行速度非常快，接近光速（如果你的电缆没有插好中微子甚至可以超光速），因此在研究中微子的时候我们可以采用高能物理常用的自然单位制，也就是将约化普朗克常数和光速设定为1。

那么假如t=0时刻中微子为电子中微子，t时刻为μ子中微子的概率就可以表达为

从这里可以看到振荡的概率主要由中微子的能量，飞行时间以及混合角决定。

by Arthas

为什么划黑板的声音这么“动人心弦”？ No338

什么音乐百听不厌但噪音避之不及？划黑板的声音为什么会变成声之刑呢？

Q1

答：

物理学四大神兽是芝诺龟，拉普拉斯兽，麦克斯韦妖，薛定谔的猫。它们不是真实存在的动物，而是科学家们假想出来用于佐证科学理论的思想实验。篇幅有限简要介绍

芝诺龟 （Zeno's paradox）是一个悖论：假定人的速度是龟的10倍，现在让人去追100米远的龟，人到达龟的起点时龟已经向前走了10米，人再追10米龟也前进1米，还是在人的前面。如此无限循环下去，龟永远不会被人追上，但在现实中这是不可能的，这就是著名的芝诺悖论。但现在我们知道，无穷个数相加不一定等于无穷。芝诺悖论里的这个无穷数列是收敛的，芝诺的乌龟并非永远追不上。

拉普拉斯兽 （Démon de Laplace）也叫拉普拉斯妖，它知道宇宙中每个原子确切的位置和动量。拉普拉斯相信决定论，他认为掌握了这些信息就能计算出整个宇宙的过去和未来，但热力学第二定律和不确定性原理告诉我们，这样的恶魔是不可能存在的。

麦克斯韦妖 （Maxwell's demon）是麦克斯韦假想的，能探测并控制单个分子的运动的妖。如果一个绝热容器被分成相等的两格，中间的麦克斯韦妖只允许冷原子通过，就可以0消耗在两侧制造出温差并对外做功，从而突破热力学第二定律制造出永动机。但实际上，就算麦克斯韦妖真的存在，它处理信息的这个过程也是热力学不可逆的，必然伴随着更高的熵增，仍然无法突破热力学第二定律，也不可能造出永动机。

关于薛定谔的猫 （Schrödinger’s Cat）的讨论至今还在继续，在四大里的知名度也是最高。它本是薛定谔为质疑量子力学所制造的武器：量子力学认为，微观粒子可以处于叠加态，但如果把猫和放射性原子放在黑箱里，且原子衰变会导致猫死亡，原子处于衰变和未衰变的叠加态就会导致猫也处于既活又死的叠加态。这一实验将微观的量子态映射到宏观的猫，非常巧妙。

最后，四大神兽这个名号怎么成名的这个问题，目前并没有统一的答案。虽然除了薛定谔的猫外都已经被证伪，但这四个思想实验推动了科学的发展，在科学史上有重要意义。

by 黄水机

Q.E.D.

Q2

by Y.

答：

因为：(1)金的延展性好，容易制成很薄很薄的箔状物，厚度可以达到几个原子的量级；(2)金的原子核较重，携带的正电荷更多，对于直接撞上的α粒子散射角更大，实验效果更明显；(3)金核不会与α粒子（氦核）发生核反应。综合这三点，金箔是α散射实验的首选材料。

其他材料当然也行，当时做实验的盖革就试过过金、锡、银、铜和铝五种材料，结果当然是金的散射效果更显著。当然，理论上用铅可以达到更好的效果，但当时的工艺条件并不允许把铅箔做得很薄。

参考资料：

[1]Geiger H . The Scattering of the alpha Particles by Matter[J]. Proceedings of the Royal Society A, 1910, 83(565):492-504.

[2]阿尔法粒子散射实验为什么只能用金箔或银箔，不能用其他的呢？

by 牧羊

Q.E.D.

Q3

by lim_universe

答：

目前主要有以下几种可能的研究假设：

首先解释一下人耳听到声音做出反应的机制：我们的大脑里有一个被叫做网状结构（reticular formation）的部分，它位于脑干，由100多个小型神经网络组成，具有多种功能，大脑解释声音的方式就可以通过此结构来进行调节转换。当我们听到刮黑板这种声音的时候，会触发一个叫做战斗或逃跑反应（fight-or-flight response）的身体自卫机制，主要使杏仁核部位高度活跃，而杏仁核主宰着人们的负面情绪释放，外部表现会是瞳孔放大、心肺加速等等，同时使我们容易产生焦虑和攻击性等情绪反应。值得一提的是，这种声音（类似于木板或者盘子上的刮擦声）引起的不愉快情绪反应在西班牙语中被称作为“grima”。

另一方面，我们都知道人耳能感受到的振动频率范围约为20-20000Hz，而随着年龄的增长，听觉上限会逐渐降低，在此范围内，根据等响曲线（Equal-loudness contour）理论，人耳又对在大约2-4 kHz之间的声音最敏感，这主要是由于耳道的结构会导致此频率范围的声音会被放大，从而引发人耳疼痛。

还有一种说法是，人类对这种可怕声音的反应（还有比如小孩子的尖叫哭声）与史前时代灵长类动物接收到警告声的反应类似，属于是残留反射的一种。有人还因此研究勇夺了搞笑诺贝尔奖。

当然，以上可以算是抛砖引玉。看完了以上讨论之后现在想请大家思考一下：听到了刮黑板声音的聋子也会一样难受嘛？

参考资料：

[1]Grima: A Distinct Emotion Concept? - Frontiers

[2]Christoph Reuter; Michael Oehler (2011). "Psychoacoustics of chalkboard squeaking". Journal of the Acoustical Society of America. 130 (4): 2545.

[3]Fingernails on a Chalkboard Garner Psychologist Ig Nobel Prize

by 十七

Q.E.D.

Q4

by Gemma

答：

开局元素周期表镇楼。

这可以用核外电子排布来解释。

我们知道，描述原子中的电子需要四个量子数：主量子数n、角量子数l、磁量子数和自旋磁量子数，其中与能量有关的是前两个。与主量子数关联的是电子层数，层数越低能量越低，因此电子倾向于先填充较低的电子层。与角量子数关联的是s、p、d、f等壳层。s壳层有1条轨道，p壳层有3条，d壳层有5条……每条轨道最多填充两个电子。

按照电子填充的顺序，主族元素有这样的规律：第几周期就是有几层电子，第几主族就是最外层有几个电子。也就是说，对于第n周期的主族元素，最外层电子就是按照ns--np的顺序填充。前三周期只有主族元素，依次的填充顺序也就是1s——2s——2p——3s——3p。但是到了第四周期，3d电子还没来得及填充，但是4s的能量要比3d的能量更低，因此首先填充了4s（也就是钾和钙元素）。由于4p的能量又比3d更高，所以接下来填充3d轨道——注意，这时新填充的电子并不在最外层！从钪到锌，它们的最外层都是两个4s电子，区别则是第三层填充的3d电子数目不同。因此把它们放在了副族。下面几个周期的情况类似。副族元素都是新填充的电子不在最外层。

by 藏痴

Q.E.D.

Q5

by 深海遗梦

答：

按照原著的设定，它是一种可以实时远程操控的智能粒子。制作过程大致是，将现实中存在的质子（一种微观粒子）做二维展开后，在上头刻蚀电路，写入程序，再重新回到三维。

从“二维展开”这一步起，就已经超出目前人类科学能解释的范畴了。“实时远程操控”更是突破了相对论对信息传输的限制。这里强调一下，目前的量子通讯是不能做到超光速传输信息的。当然，要想实现超光速，理论上可以构建一个三维空间中的虫洞（爱因斯坦-罗森桥），这相当于在更高维度给三维空间开一条捷径，让信息通过捷径传输，从而突破光速限制。

不过落到实处，智子的原型——质子还是有很多有趣的故事的，这其中就包含了人类对微观世界的波澜曲折的探究史。1897年，汤姆逊从阴极射线中发现质量极其微小的电子，由此揭开了人们对基本粒子的研究。1908年到1913年，卢瑟福用α粒子散射实验证实了原子的正电部分是一个在空间中只占极小部分的原子核。1918年，卢瑟福用α粒子轰击氮气，发现产生了氢原子核。这使卢瑟福意识到氮原子核中有氢原子核的成分，氢原子核是一个更基本的粒子，于是他将其命名为“proton”，取自希腊单词“πρῶτον”，意思是“第一”。

这仅仅是人们对质子研究的开始。1932年，查德威克发现中子n。1950年，安德森小组发现Λ粒子。之后人们发现了又一堆性质很相似的粒子，并将它们归类成重子八重态，另外还有重子十重态。

这18个重子为什么会有这样的规律？这种类似元素周期表的排布是否暗含了更深层次的结构？答案是肯定的。1964年，盖尔曼和茨威格将这些重子拆成由三个夸克组成的粒子，完美解释了八重态和十重态的存在。

至此我们可以肯定地说，质子是由三个夸克组成的，分别是两个上夸克和一个下夸克。但对质子的研究还远没有结束，它会衰变成更轻的粒子吗？为什么用兰姆位移的光谱学方法测得的质子半径，和用散射实验测得的质子半径会有显著差异？我想，在人类造出智子前，还是得先好好搞清楚质子才行。

by 牧羊

Q.E.D.

Q6

by 爱因斯坦

答：

本题默认是在真空中，这是一个典型的相对论问题。在讨论接近光速运动的物体时，我们所依据的是光速不变原理：真空中的光速对任何观察者来说都是相同的，与光源的运动无关 ，因此结论往往是反常识的。所以，根据光速不变原理可以直接得出：一束光相对于另一束光的速度仍然是真空光速。

为了更清楚地讨论这个问题，我们建立三个参考系：静止的观察者S，沿x轴正方向以光速c前进的光S'和沿x轴负方向前进的S''。在S系里，我们观察到S'的速度为c，而S''的速度为-c（符号只表示方向）。接下来我们用洛伦兹变换把S''的速度变换到S'系里：

计算结果告诉我们，S''相对于S'的速度还是光速c。当然，这还是很反常识。相对论要求一切物理定律在每个惯性系中得到相同的结果，这就必然导致不同参考系中的同一物理量（比如时间流速）是不同的。我们的常识往往被牛顿的时空观所束缚，想当然地认为时空是绝对的，认为速度可以简单地线性相加，认为力的传递是瞬时的，但这些都是不符合科学的。

最后的最后，这问题真的是爱因斯坦问的吗？^_^

by 黄水机

Q.E.D.

Q7

答：

你可能会觉得棍子能瞬间把一端的推力传递过去。但事实上，这个推力在组成棍子的原子间是这样逐个传递过去的。

推力的本质是电磁力，而电磁相互作用是受制于光速限制的。上一层原子位移发生所改变的电磁场，要以光速才能传播到下一层原子。而且，固体中这种振动的传播速度很大程度上取决于原子间的紧密程度，这可以用弹性模量和密度来表示。说得更直白点，这其实就是声音的传播模型，可以套用声速的公式

来描述，其中是弹性模量或者压强，是密度，右下标的s表示对绝热等熵过程求偏导。

对于一根铁制棍子，声音的传播速度大概是5km/s。那么推一下一光年长的铁棍，另一端大概要6万年才能感觉到。

by 牧羊

Q.E.D.

Q8

by 弘毅

答：

物理学的尽头不一定是哲学，但物理学家的尽头却可以是哲学（神学）家

例如，著名的艾萨克·牛顿，其最重要的力学和运动学定律却是在一本名字里连物理都没有的书《自然哲学的数学原理》里面提出的，偏偏这个书名反而既包含哲学，又包含数学。而牛顿老先生所就读的剑桥大学三一学院，从其名称中所含的“三一”(Trinity)就可以发现其与神学的千丝万缕的联系，而这也就不难令人信服据考牛顿一生在神学方面也颇有造诣的事实了。

再来看一位伟大的物理学家，爱因斯坦，收录其思想成果的《爱因斯坦文集》中，充斥着大量的哲学讨论与哲学思想。可见，对于大神来说，研究物理的同时顺便兼职一个哲学家，好像也没什么困难的

至于物理学的尽头究竟是啥，或许就像某著名微电影《星空日记》 (豆瓣)里面老教授所说，“To Infinity and Beyond”科学的征途是星辰大海，所以小编也信口胡诌两句：“或许还为时尚早”

by Callo

Q.E.D.

Q9

by 静*露²

答：

每个提问我们都会看的，从2016年问答专栏开始起，截至写稿日我们已经收到61482条提问了。鉴于我们的答题精力有限，不可能把所有读者的提问都顾及到，所以还请理解。

在这里也抖抖咱问答团队的工作流程。一般每周我们会收到一两百条读者提问，但是：

1.有相当一部分提问是ill-defined的，无法定义成一个清晰明确的问题。比如“为什么总觉得橘子和柚子那么像”，这种问题因人而异。又比如“斥力究竟是一种什么力？有公式可以描述斥力与某种物理量之间的关系吗？”，这种问题过于宽泛，很难定位到是同种电荷的斥力还是同名磁极的斥力，所以也不好做出准确回答。

2.还有一部分把我们当成树洞提问，诸如“为啥我晚上睡不着觉，白天听老师讲课就困？”这样富有深度的提问，我只能直呼我也想知道。

3.此外有部分问题我们其实已经回答过了，比如“为什么两个影子接近时会变形吸附过去”，我们在一个月前的No.332Q3就答过了。读者们可以善用公众号的搜索功能。

这样筛下来，每周我们会形成大概三十多道题的题库，然后交给编辑部里各位喜爱头脑风暴的同学认领。一般我们会保证每期答八道题，每个回答也力求在科学准确和通俗易懂间找到平衡。有时，读者们对某个问题的留言补充也会给我们一些额外的收获。所以，每条提问和留言我们都有专人查收哒。

by 牧羊

Q.E.D.

黄水机 、牧羊、十七、藏痴、Callo