（連載07）她從物理學渣變成物理學家|現研究宇宙學|虛擬宇宙
2020-12-03 牛橘橘子
她是從物理學渣變成了物理學家的劉佳。
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- 虛 擬 宇 宙
宇宙微波背景，宇宙大爆炸後留下來的熱輻射，布滿了整個宇宙。老式電視機屏幕上的雪花就是由它造成。數據來自普朗克太空望遠鏡。
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1. 宇宙
我的研究方向是宇宙學 ––– 宇宙是怎麼來的，裡面都有什麼，怎麼變成今天這個樣子的。
我最終選擇宇宙學做方向，和高中的政治課不無關係。老師教導我們，個人要服從集體，集體要服從國家。Somehow高考考到國家層面就沒有再繼續了。我於是自己延伸了一下：國家應該服從地球，地球應該服從太陽系，太陽系應該服從銀河系。
那時最大隻知道銀河系，便覺得自己是銀河系的公民，要為銀河系的安全和穩定而戰鬥。相比之下，只為月亮而戰的月野兔簡直弱爆了。
後來學了天體物理，知道了銀河系只是「本星系群」中的一員。而「本星系群」是「室女星系團」的中的一員。即使「室女星系團」，也只是「拉尼亞凱亞超星系團」中的一員……
在快要被自己家的複雜地址弄崩潰之前，我終於學到頭了 ––– 還好，超星系團暫時是我們觀測到的最大的結構。
最後，包括所有超星系團的那個最大的單位，就是「宇宙」了。
作為一個宇宙的公民，我決定要對家鄉做一個全面的了解。
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從上到下：地球、太陽系、星際鄰居、銀河系、本星系群、室女星系團、拉尼亞凱亞超星系團、可見宇宙。圖來自維基百科/Andrew Z. Colvin。
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2. 計算機模擬
我的學習方法是用電腦程式來模擬宇宙的演變。
最簡單的模擬，是在一個三維的坐標系裡，放進去幾個有重量的點（我們叫它particle）。然後根據牛頓定律來計算這些點要怎麼運動。
牛頓定律告訴我們物體會怎麼運動。在沒有受力的情況下，物體是靜止或者勻速直線運動；如果受力了，物體則會加速運動。
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例如：計算機模擬三體運動軌跡。圖來自Robert Vanderbei。
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以上的三個點是一個穩定的初始結構。當點多一些時，情況就稍微複雜一些，也會有小點點飛出去的情況。目前有解的只有雙體運動，和一些特定結構的三體運動（這些在劉慈欣的「三體」裡面有詳細描述啦）。
多於三體的系統過於複雜，目前只能用計算機來模擬。
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計算機模擬多體運動軌跡。圖來自Daniel Daley-Montgomery。
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而我們試圖模擬的是整個宇宙，所以更多點點才夠。通常的一次模擬要用到1024^3=10億個點。
即使這麼多點，我們能模擬的最小的結構，也是整個銀河系，再小的就看不到了。所以暫時對太陽系、地球之類的小東西沒有辦法。（攤手）
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千禧年模擬The Millennium Simulation Project。數據來自Volker Springel，https://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/
（發現微信不讓我連結外部網站……-_-#）
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以上動圖是德國一個小組的模擬，叫千禧年Millennium Simulation。用到100億個點點/粒子，雖然有一些古老（10+年前）但是是業界很經典和著名的一個大型模擬。
目前世界上最大的模擬，是用廣州的天河二號超級計算機算出來的TianNu項目，用到了2.97trillion（萬億）粒子，運算超過1700萬核小時。相當於用我的筆記本電腦不停歇地算兩千年。
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另一個近期的大型模擬Illustris Simulation。數據來自Mark Vogelsberger，http://www.illustris-project.org
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3. 白崎正人
六月初，日本同事白崎正人來普林斯頓。他以前在東京大學念博士，也做宇宙模擬，和我算是競爭對手。我倆相繼畢業後，分別加入了同一個宇宙觀測項目，變成了合作者。
有一天他吃中飯回來，我正在修bug（給爸媽註：bug是程序裡面的錯誤）。修了一上午，仍沒進展，我很沮喪，於是打斷了隔壁正沉著冷靜工作中的白崎，問他的人生意義是什麼。我雖然覺得宇宙很重要，可是為此每天蹲在學校一行一行地修bug到頭昏眼花，仍然忍不住懷疑起自己。
這個麼，他雙眼忽然一亮，告訴我：我非常喜歡計算機模擬，我毫不懷疑這是我的使命。每次啟動一個模擬，我都感覺自己在創造一個新的宇宙。看著我的迷你宇宙生長、變化，激動之情遠遠超過了其它技術上的瑣事。
這番話非常勵志，讓我接下來又多了一些激情去修bug 。
不！我不是在修bug。我是在維護我的小宇宙！
可是當晚回到家，睡前再回想他的話時感到背脊發涼。
如果。
如果。。
如果我住的這個宇宙，是另外一個、更高級的白崎正人……建立的呢？
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4. Are you living in a computer simulation?
Many works of science fiction as well as some forecasts by serious technologists and futurologists predict that enormous amounts of computing power will be available in the future. Let us suppose for a moment that these predictions are correct.
One thing that later generations might do with their super-powerful computers is run detailed simulations of their forebears or of people like their forebears. Because their computers would be so powerful, they could run a great many such simulations.
Suppose that these simulated people are conscious (as they would be if the simulations were sufficiently fine-grained and if a certain quite widely accepted position in the philosophy of mind is correct). Then it could be the case that the vast majority of minds like ours do not belong to the original race but rather to people simulated by the advanced descendants of an original race.
It is then possible to argue that, if this were the case, we would be rational to think that we are likely among the simulated minds rather than among the original biological ones. Therefore, if we don’t think that we are currently living in a computer simulation, we are not entitled to believe that we will have descendants who will run lots of such simulations of their forebears.
––– Nick Bostrom (2003)
你是否住在計算機的虛擬世界裡？
（先用google translate翻譯，然後手動改了一點點）
許多科幻作品、技術人員和未來學家預測未來將有大量的計算機資源。讓我們先假設這些預測是正確的。
未來人類可以用超強計算機去做的一件事，就是對他們的祖先或像他們祖先的人們進行詳細的模擬。由於他們的計算機如此強大，他們可以運行數目眾多的這樣的模擬。
假設這些模擬的人是有意識的（只要模擬得足夠精細就可以，並且假設我們對意識的哲學定義是正確的）。那麼像我們這樣的絕大多數人都不屬於原始人類本身，而屬於原始人類的先進後裔所模擬的人。
如果是這樣的話，我們可以由此推論，我們更可能是被模擬出來的人，而不是原始的生物人。因此，如果我們不相信自己是生活在計算機模擬中，我們就沒理由去認為我們的後代會為他們的祖先做大量的計算機模擬。
––– Nick Bostrom
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相關焦點
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她如何從物理學渣變成物理學家？（記錄劉佳的學習歷程）
我要隆重介紹的這位天體物理學家，扎著馬尾，穿著灰色連帽衫，漂亮纖細。她就是將要讓你腦洞大開的，美國哥倫比亞、普林斯頓、伯克利等大學的天體物理系女博士後--劉佳。劉佳的博士研究方向是弱引力透鏡（weak gravitational lensing）：即是從遙遠的背景星系發出來的光，被前景星系輕微扭曲之後產生的一種像的形變效應。大致意思就是，光其實是會「轉彎」的。 -
2019物理諾獎現新穎組合,Peebles奠基現代宇宙學實至名歸
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「物理宇宙學的理論研究」到底說了啥?
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宇宙原來是被虛擬出來的?
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什麼是宇宙學？能揭開宇宙的終極奧秘嗎？
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宇宙重量的最新研究:物理學家挑戰了宇宙學的標準模型
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2019諾貝爾物理學獎回顧：皮布爾斯和物理宇宙學
Peebles）獲得一半獎金，以獎勵他在物理宇宙學中的理論發現；瑞士日內瓦大學的馬約爾（Michel Mayor）和瑞士日內瓦大學及劍橋大學的奎洛茲（Didier Queloz）分享了另一半獎金，以獎勵他們發現一顆環繞類似太陽恆星的行星。 -
宇宙的命運——專訪美女天體物理學家凱蒂·麥克
她說，當她在普林斯頓大學攻讀博士學位時，威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)的第一個結果出來了，為我們提供了關於宇宙的第一個真正詳細的記錄。由於WMAP部分是由普林斯頓的人領導的，它是那裡生活的重要組成部分，非常令人興奮;我感覺自己正處在宇宙學發展最激動人心的時代。 在她的學術生涯中，她目前在北卡羅來納州立大學任教，她研究暗物質的本質，早期宇宙的物理學，星系的演化和黑洞的本質。 -
「如果再早幾年，霍金應該也能得諾獎」（轉載）
·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德裡亞·格茲（Andrea Ghez），因其「發現銀河系中心的超大質量黑洞」。今年的諾貝爾物理學獎頒給三位天體物理學家，因為他們對宇宙中最奇特現象——黑洞的理論和觀測研究。 -
2019諾貝爾物理學獎回顧：皮布爾斯和物理宇宙學 | 賽先生
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新宇宙學模型認為 宇宙膨脹與暴脹源自同種機制
科技日報訊 （通訊員李沙沙 記者王春）近日，中國科學院上海光學精密機械研究所中科院量子光學重點實驗室提出了一種新的宇宙學模型，該模型把驅動宇宙現今加速膨脹的物理機制和宇宙早期暴脹的物理機制統一描述為同一個標量場，並用空間曲率為正的封閉空間解釋了普朗克衛星在2018年報導的天文觀測結果。相關研究成果發表於最新一期《物理評論D》上。 -
現代宇宙學的開端
如今，我們已經進入了精確宇宙學時代，大爆炸宇宙論、宇宙微波背景輻射（CMB）、宇宙加速膨脹（愛因斯坦當時遇到的問題在於：他發現引力場方程在宇宙是均勻且各向同性的（宇宙學原理：宇宙從任意一點上看都是相同的以及從任何方向上看都是一樣的，這適用於大尺度範圍上的宇宙），這個假設下的解暗示宇宙是膨脹的，然而這個結果與當時靜態宇宙這一主流觀點相悖，愛因斯坦本身也很喜歡宇宙靜止不變的觀點，因為物理學家認為對稱是優雅、簡單而美麗的 -
最近，物理學家重現了宇宙大爆炸的核反應，證實了宇宙大爆炸模型
他們對反應速率的測量結果發表在昨天的《自然》雜誌上，確定了被稱為大爆炸核聚變的一系列步驟中最不確定的因素（大爆炸核聚變產生了宇宙中第一顆原子核）。據英國杜倫大學天體物理學家萊恩·庫克說，研究人員對這個結果「欣喜若狂」。「會有很多人對粒子物理、核物理、宇宙學和天文學感興趣，」他說。 -
早期的暗能量模型可以解決不斷膨脹的宇宙學難題
宇宙不僅在膨脹，而且還在以加速的速度膨脹。然而，儘管天文學家、宇宙學家和物理學家已經意識到這一點已有二十年了，但推動這種膨脹的力量仍然是未知的。作為該力的佔位符或代理，暗能量（一種光滑的類流體成分，用負壓填充宇宙）已插入具有定義該加速度的宇宙常數（用符號Lambda表示）的標準宇宙學模型中。但是，宇宙這一重要元素的真實本質仍在逃避我們。 -
系外行星和宇宙學研究先驅共享諾貝爾物理學獎
」斯德哥爾摩大學的分子物理學家、2019年諾貝爾物理學獎委員會主席Mats Larsson在揭曉獲獎者時說。「這是早就應當頒發的獎項。」巴黎天體物理研究所的天體物理學家François Bouchet如此評論Peebles的獲獎。他說Peebles幾乎在宇宙學的所有分支上都留下了印記，他使用基於物理學的計算，幫助為這一學科打下了堅實的基礎。 -
中國科學家提出宇宙學新模型—新聞—科學網
中國科學家提出宇宙學新模型 -
【連載】趣說中微子（七）
歐洲核子研究中心（CERN）的大型正負電子對撞機LEP上的實驗說明中微子有三種類型。至此，自然界存在的三種類型的中微子已全部找到，完善了標準模型中三代中微子的框架。這種探測思路是美籍華人物理學家陳華生（Hebert Hwascn Chen）1984年提出的，用重水代替探測器中的高純淨水，記錄高速粒子通過重水時發出的切倫科夫光輻射，就可以同時探測三種中微子，這樣就可以探測出太陽中微子是真的丟了，還是通過振蕩變成了其它中微子。以前的實驗只能探測一種中微子，例如氯俘獲、鎵俘獲只對電子中微子敏感，純淨水中能探測到電子中微子，但對另兩種中微子僅有一定的敏感性。 -
宇宙從何而來（下）（宇宙系列之一）
1842年奧地利物理學家都卜勒，發現了一種後人以其名字命名的都卜勒效應：物體輻射的波長，因為波源和觀測者的相對運動而產生變化。如光源面向觀測者運動，觀測者接受的波長越來越短，光色藍移；光源背向觀測者運動，觀測者接受的波長越來越長，光色紅移。而且光源的速度越高，藍移或紅移的效應越大。