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十大值得我們感激的科學現象,或許這就是人類存在的理由


2018年4月28日21時 今日科學 中科院物理所
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福利時間

今天我們將送出三本由圖靈新知提供的優質科普書籍《人工智慧簡史》。

本書全面講述人工智慧的發展史,幾乎覆蓋人工智慧學科的所有領域,包括人工智慧的起源、自動定理證明、專家系統、神經網絡、自然語言處理、遺傳算法、深度學習、強化學習、超級智能、哲學問題和未來趨勢等,以宏闊的視野和生動的語言,對人工智慧進行了全面回顧和深度點評。

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互動問答示例

互動:這裡就可以自由發揮你的答案啦~

作者:Ethan Siegel

翻譯:螳吉呵呵

審校:yangfz

宇宙從無生命狀態到產生單細胞生物再一路進化出人類花費了上百億年,這條路看起來危險又漫長,無數個偶然事件的發生才讓我們逐步進化出來。但是你可曾想過,在這無數偶然事件背後隱藏著必然性的力量,這就是我們今天要介紹的十個重要的物理現象,正是它們讓我們的存在成為可能。

宇宙大爆炸

可觀測宇宙歷史的時間線,當遠離大爆炸時,可觀測部分的擴大尺寸越來越大。
來源:NASA/WMAP

就我們的宇宙而言,在大爆炸之前存在一個沒有昨天的起點,那時還不存在今天這樣持續擴張的、持續冷卻的、被物質和輻射充滿的宇宙。正是起點在大爆炸以後形成了現在充滿粒子、反粒子、輻射、以及一切我們賴以生存的物質的宇宙。沒有大爆炸,我們的存在將無從談起。

非對稱性

在一個完全對稱的宇宙里,物質和反物質互相湮滅,但現實的物質世界卻表明在宇宙中有一個基本的不對稱性。
圖片來源:E. Siegel / Beyond The Galaxy

宇宙中有各種各樣的對稱,但如果所有的事物都是完美對稱的,那就意味著有等量的物質和反物質。隨著宇宙的冷卻和膨脹,它們會幾乎完全湮滅,只剩下極少的遠遠分離開的粒子和反粒子。那樣的話,宇宙的密度將比現在宇宙的百萬分之一還要低。幸運的是,我們的宇宙充滿了物質而不是反物質,這才讓我們的宇宙沒有「湮滅」。雖然有人提出了一些猜測,但宇宙中的不對稱性是怎麼形成的至今還是個謎。不過,宇宙里的不對稱性是實實在在的,正是它讓我們真實地存在著。

原子

麥哲倫星雲中發現的一些分子和原子。圖片來源:NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC/Caltech)

重核會在許多穩定的結構中起重要的作用。另外,我們還需要輕的、穩定存在的、具有相反電荷的粒子(電子)來共同組成我們的世界的基本單元。當宇宙中的輕、重粒子冷卻下來並被相互束縛在一起時,它們就組成了原子,接下來原子聚合在一起才能形成我們的宇宙現在具有的結構。

引力

在大尺度下,引力創造出星系、星系團和巨大的宇宙網絡。在小尺度下,引力創造出氣狀雲、恆星以及行星。是引力這種宇宙中最長程最普遍的力使我們的家園得以形成。沒有引力我們熟悉的世界就不會存在。

核聚變

一個巨大恆星的整個生命周期示意圖,當其核心用完核燃料後,最終形成II型超新星。融合的最後階段是矽燃燒,並在超新星爆發之前,在核心內產生鐵和類似鐵的元素。
圖片來源:Nicole Rager Fuller / NSF。

恆星內部的核聚變不光形成了宇宙中的光,它也創造出了周期表中的各種元素。在大部分大質量恆星中,氫元素聚變形成成氦元素,氦元素聚變形成碳元素,接下來又形成了氧元素、氖元素、鎂元素、硫元素、矽元素以至於鐵元素。宇宙中大部分的重元素,尤其是氧和碳都是通過這種方式形成的。

超新星和中子星爆發

兩個中子星合併的藝術化示意圖。漣漪時空網格代表碰撞中發出的引力波,而窄波束則是伽瑪射線的射流(被天文學家檢測為伽瑪射線爆發),在引力波幾秒鐘後射出。合併中子星形成了宇宙中的大多數超重元素。圖片來源:NSF / LIGO /索諾瑪州立大學/ A. Simonnet。

宇宙中的大質量恆星在最終垂死掙扎的過程給我們帶來了大量元素周期表中的元素。大部分大質量恆星在形成之後幾百年就會發生爆炸,緊接著失控的核聚變會破壞整個恆星並把包含大量重元素的外層部分拋入星際空間。同時,剩下的部分會變成中子星,之後中子星爆發會合成出在周期表中最重的元素。只要星系的質量足以束縛住這些物質(當然也是因為引力),這些重元素會重新參與新的星體的形成。

宇宙的循環

歐洲航天局赫歇爾天文台觀測新的恆星形成區域的紅外視圖。
圖片來源:ESA / SPIRE / PACS / P.André(CEA Saclay)。

我們應該慶幸我們有足夠多的時間和足夠多的星體使得引力可以讓它們重歸星系中的分子雲,這樣利用這些原料就可以時常產生新的星體。這些由星體組成的星雲包含很多原始元素的混合體以及星體殘骸。星雲不光生產星體還會生產行星盤,他們組成了氣態巨行星和我們熟悉的固態世界。如果恆星最後階段噴發的物質不能被星系俘獲,由固態星體組成的太陽系就不會存在。

地球的偶然產生

一個年輕的恆星系Beta Pictoris,有點類似於我們的太陽系的形成過程。圖片來源:NASA/Avi M. Mandell

大爆炸發生後92億年,一個包含了生命必需物質的世界在一個新形成的星體上出現了。這些物質不僅包含碳、氧、氮和氫,還包含複雜的有機分子和大量的水。太陽系包含四個潛在的適宜生存的星體:金星、地球、Theia和火星。其中Theia後來和地球合併,金星的溫室效應使得生命不能存活,火星又太冷,只有地球偶然中演化成一個濕潤的生機勃勃的星球。

地球演化的路線

現在的地球和太陽,與它們在40億年前出現的情況沒有什麼不同。然而,每天甚至每小時的變化都可以告訴我們有關我們世界的近期環境和生態威脅的難以置信的信息。
圖片來源:NASA /Terry Virts

地球經過一系列非常幸運的演化才變成今天的樣子。感謝生命的進化,感謝頑強的生命,感謝各種生物滅絕事件中的幸運之神;感謝植物、感謝動物、感謝真菌、感謝讓我們走上我們的進化道路的運氣;感謝我們的DNA,感謝我們的祖先,沒有他們就沒有我們。

感謝當下

大蒂頓國家公園的斯內克河。我們的自然界奇蹟在整個宇宙中獨一無二。圖片來源:高清桌面壁紙。

我們只是宇宙中短暫的一瞬,但正是這短暫的一瞬讓我們成為了我們。

互動問題

互動問題:如果沒有引力,我們的世界會是什麼樣子?

請大家嚴格按照 互動:問題答案 的格式在評論區留言參與互動,格式不符合要求者無效。

截止到本周四中午12點,點讚數前三名的朋友將獲得我們送出的圖書一本。

編輯:yangfz

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