2017-06-21 暗物质的陪伴,战略的条件

万维钢 日课215丨暗物质的陪伴

咱们今天继续说尼尔·泰森的《给忙碌者的天体物理学 》。上期我们讲了关于这个宇宙,物理学家知道的很多事儿。今天要说的是一个物理学家还不完全知道,但是做梦都想知道的事儿。

咱们在《伽利略的反应速度》这期专栏讲过望远镜的起源。在望远镜刚刚出来的时候,它的放大倍数很低,既没有军事用途也没有科学用途。最早的望远镜被称为“偷窥镜”,因为人们买望远镜主要是为了偷窥邻居。

当然偷窥这个行为是很猥琐,但是这也取决于你观察邻居的时候,到底看了什么、看了多长时间,和你看的时候有多用心。我就听说过有人通过偷窥洞察了人性,还出了书,更新了世人的三观。

从某种意义上说,天文学家干的事儿和偷窥者差不多,他们都是充满好奇心地观察一些东西。也许最大区别的是,天文学家看的东西更多、看的时间更长,而且看得非常非常用心。

所以天文学家发现的结果,比偷窥邻居可刺激多了。

而今天这个内容就好比说,你发现有些邻居的行为,实在太怪异了。

1.少了很多东西

满天星斗并非是杂乱无章的。古人的思路是把星星划分成“星座”,而今天的天文学家对星星之间的关系看得更清楚,他们的划分思路是“星系”和“星系团”。

我们这个太阳,就处在“银河系”这个星系之中。从地球上看,银河是带状的 ——

但是如果你能换个远方太空中居高临下的视角,银河系其实是盘状的。它有若干条螺旋臂,太阳就位于银河系的某个不起眼的螺旋臂的某个不起眼的位置。

(俯视视角看太阳在银河系的位置……当然这个图是想象图)

每个星系中可能有千亿、甚至万亿颗恒星。就好像行星围绕恒星转一样,星系中的恒星也绕着星系的中心转 —— 这当然是因为星系内部这一大堆恒星集合在一起,给外面的恒星提供了一个向内的引力。

像银河系这样的星系,宇宙中至少有千亿个。星系们又组成星系团,然后每个星系都绕着它所在星系团的中心转。

(一个星系团)

在星系中间那广阔的空旷地带,其实也有很多物质,包括矮星系、不属于任何星系的孤单恒星、星系间气体等等。但是总体来说,结构就是这样。如果你把宇宙想象成一个国家,星系团就好像是城市,这些城市就好像一个一个的岛屿散布在宇宙之中。

天文学家看着这些星系和星系团,实在着迷。

1937年的时候,天文学家弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)仔细观察了一个星系团,叫“后发座星系团”。兹威基选择了后发座星系团里的几个星系,测量了这些星系绕着星系团旋转的移动速度。兹威基发现,这些星系的速度都太快了。

咱们可以做个实验体会一下。你拿一根比较长绳子,比如说耳机线吧,抓住一端快速甩动,让绳子绕着你手指旋转。很明显,转动速度越快,你的手指就要越用力。如果转动速度特别快以至于你的手抓不住了,这个绳子就会飞出去。地球绕着太阳转也是这个道理,中心提供的引力越大,能支持的旋转速度就越大。

星系绕着星系团中心转,也是这个道理。兹威基估算了后发座星系团内部大概有多少星系,这些星系总共有多大的质量,能提供多大的引力。他发现这个引力根本支撑不了外面星系旋转的速度!那么高的速度,那几个星系都应该被甩出去才对!

兹威基非常相信自己的计算,他据此判断,星系团内部必定还有一些我们看不到的物质,提供了多余的引力。

此后天文学家们陆续考察了别的星系团,结果每个星系团都有这个现象。

到了1976年的时候,一个叫薇拉·鲁宾(Vera Rubin)女天文学家又把目光对准了恒星围绕星系的转动。首先她注意到,在一个星系的可见部分之中,越往外的恒星,旋转速度就越快。这个是可以理解的,越往外的恒星,它里面的恒星就越多,能提供的引力就越大。

然后鲁宾在星系的最边缘找了几个恒星,结果发现这几个恒星也是越往外速度越快。这就不对了,因为从这里再往外,就已经没有多少恒星给它们提供更多的引力。

不论星系绕着星系团转,还是恒星绕着星系转,转速都比天文学家计算的快得多。

咱们打个比方。这就好像你密切观察你家的邻居,你详细记录了每一个人的出行情况,发现他们平时都不出门,只在周末出去买点食物回来吃。你仔细测量了他们每周末买回来的食物都有什么,总共能提供多少热量,结果你发现这些买回来的东西根本不够一家人吃一周。那这一家人是怎么生存的呢?

2.黑暗的物质

最合理的解释,就是邻居吃了一些你看不到的东西。物理学家把提供多余引力的东西,称为“暗物质”。计算表明,想要维持那么高的速度,暗物质不但要提供多余引力,而且必须提供很多很多引力才行 —— 暗物质的总质量,必须是已知物质总质量的6倍。

考虑到暗物质,我们银河系的图像应该是这样的 —— 

整个星系被一层厚厚的暗物质包围。暗物质在星系中间比较浓,远离星系的地方慢慢变淡。因为我们的太阳系只是整个星系中间的一小块区域,行星和卫星都太小,运动不会受到暗物质影响,我们没感觉到。但是考察星系边缘那些恒星的运动,影响就非常明显了。

暗物质到底是什么东西呢?我们的第一反应,也许暗物质就是一些比较“暗”的正常物质,因为太暗了我们没看到而已。而物理学家已经排除了这种可能性。咱们先一个一个地数。

暗物质是黑洞吗? 黑洞其实是可以探测到的。黑洞在很小的区域内产生很大的引力,周围星体会绕着黑洞转,我们一看那些星体的轨道,就知道中间有个黑洞。

暗物质是星际间的气体云吗? 也不是。遥远的星光穿过气体云,会受到影响,但我们没有发现到这种影响。

暗物质有没有可能是一些散布在空间没有恒星“主人”的流浪行星呢?这也不太可能。你要知道,我们太阳系总重量的4/5在太阳上,而不是行星上 —— 宇宙中不太可能是行星集中那么大比例的质量。

就好像中学生解数学题要用两种不同方法求解一样,物理学家还可以从另一个方面证明暗物质不是寻常物质。物理学家计算表明,大爆炸产生的氢原子和氦原子核的比例是 10 : 1,这个比例还可以跟宇宙微波背景辐射的观测结果对上号 —— 宇宙创生中所有的核反应都在这里了。那也就是说,暗物质根本就没参与核反应!

目前所有的仪器都测不到暗物质。物理学家知道的四种相互作用,暗物质很可能除了引力之外,其他都不参与。

咱们想想这个东西。除了引力,我们在生活中,在原子核之外,所能感受到的所有“力” —— 我们能看到光、我们被什么东西打一下会疼,这些都是电磁力。可是暗物质不参与电磁力。

这就是说,你的房间里遍布着一种特殊粒子构成的气体。这种粒子可能比质子、中子都大很多,也很重。可是你摸不着它、看不到它,就算用上各种先进仪器,也完全感受不到它的存在。你任凭它在你的身体中穿过。

3.各种可能性

物理学告诉我们,所有东西都有引力。但是不是“有引力”就一定“有东西”呢?这个现在很难回答,也许我们需要在牛顿、爱因斯坦之后,再出一位神人,再给我们一个新的引力理论。

连民间科学家都可能会想到,是不是爱因斯坦的广义相对论,在星系这么大的尺度上,出错了。有人在做这个工作,但大多数物理学家对广义相对论非常有信心。广义相对论是个相当精确的理论。

事实上,物理学家把民间科学家想不到的离奇可能性也想到了。比如说有没有可能暗物质是我们感受到的来自“高维空间”的引力?也许存在多重宇宙,有一个“平行宇宙”跟我们的空间重叠在了一起,以至于这个平行宇宙中的物质的引力穿越了时空的维度,让我们感受到了。这些可能性似乎都不大。

如果暗物质根本不参与引力之外的其他相互作用,那它到底是怎么从宇宙大爆炸中产生的呢?物理学家的一个指望是也许暗物质也参与强相互作用或者弱电相互作用,只不过实在太微弱了,不容易测到。

所以现在物理学家正在上天入地,去探测暗物质。他们把专门的卫星送上太空,在地底下挖了很深很深的坑,在实验室里用最高能级的粒子加速器搞碰撞,希望能找到一两个“暗物质粒子”。

但是从1937年兹威基的发现至今八十年过去了,物理学家对暗物质的了解,仍然没有突破。

***

但是物理学家回头又算了一下。我们知道大爆炸以来,宇宙一直都在膨胀。在这个过程中有两种力量在对抗 —— 一种力量是引力,引力是把东西聚集到一起;另一种是膨胀,是要把东西分散开。

这两个力量如果平衡得不好,就不会有今天的日月星辰。引力太强,宇宙中的原子们刚刚出生就会都挤在一起;引力太弱,它们就不会有机会凝聚成恒星。

物理学家计算发现,我们已知的这些寻常物质的引力,原来根本对抗不了大爆炸的膨胀。原来非得依靠暗物质的陪伴,才有我们这个宇宙的今天。那到底需要多少暗物质,才能让宇宙膨胀成今天这个样子呢?

正好也是已知物质总质量的6倍。

| 由此得到

暗物质,完全是物理学家因为算数对不上,而认为必须存在的一种东西。但是我们至今对暗物质还没有任何直接的观测。

在物理学史上,这其实是司空见惯的局面。比如说十九世纪的时候,有人测量太阳光到达地球的能量,就发现太阳每时每刻产生的能量是非常巨大的。那太阳的能量来自哪里呢?太阳上到底要烧什么东西,才能产生这么大的能量呢?

当时的人还不知道核反应。甚至有人提出非常可笑的猜测,说太阳上烧的是煤!

但这个精神是一样的:我这里数字对不上,你那里必定有别的东西。

| 禅定时刻

最后我想请你看一张照片。这张照片的分辨率不高,但是非常非常厉害 ——

这是一张在地球上、晚上拍摄的太阳照片。注意,晚上,太阳可是在地球的另一面。物理学家把照相机镜头向下,透过地球,拍到了太阳!

那是因为这张照片拍的不是太阳光,而是太阳发射的中微子。中微子,是最难跟任何仪器发生相互作用的东西,它们横穿整个地球都畅通无阻……但最终还是被物理学家捕捉到了。

所以我敢说,只要暗物质存在,物理学家就一定有办法“看到”它。


罗辑思维 第282期丨战略的条件

昨天我们聊了《隆中对》,也就是公元207年,诸葛亮给刘备做的战略构想。

这个战略,前两步基本实现了,也就是刘备先占领荆州,然后进取四川(益州)。但是很可惜,第三步,以荆州和四川作为根据地,两路出兵,经略天下,建立帝业,这个没有实现。

那为什么呢?《隆中对》的战略有什么缺陷呢?

昨天提到的张守哲老师的文章,指出了一点,就是荆州的位置问题。

荆州位于今天湖南、湖北这一带,在地理位置上天然跟四川隔开了。也就是说,刘备占领的两块地方是分隔的,所谓“蜀道之难,难于上青天”嘛。

但是,荆州和孙权的江东之间,却是几乎连成一片。所以,就算有朝一日,刘备能从这两个地方同时出兵,也很难实现军事配合,只能各自为战。

这是《隆中对》的一个客观局限,后来的历史也验证了。

但是我今天重点想说的,是它的另外一个局限。这不是《隆中对》独有的局限,而是所有战略构想的共同局限。

所有的战略构想,都建立在一些前提条件的基础上。比如,自己这一方的独特优势;再比如,特定的时间窗口,等等。今天我们就聊聊《隆中对》在这个两个方面的局限。

首先,刘备这一方的独特优势是啥?是他汉室宗亲的身份,“刘皇叔”嘛。

所以,在三国群雄之中,他具有最正统的政治号召力。其他人,像曹操,名为汉相实为汉贼;孙权,只是一个割据的军阀。只有刘备,可以打出“复兴汉室”的旗号。

但有意思的是,刘备的这个光环其实经不起细琢磨。刘备本来的工作,是织席贩履,也就是编席子、卖草鞋的,社会地位很低。不过,他自称是“中山靖王刘胜之后”。

那刘备后来怎么又变成“刘皇叔”了呢?这是因为两次偶然事件。

第一个偶然事件,是他帮助曹操消灭吕布之后,跟着曹操一起到了许昌,见着了汉献帝,然后获得了正式的官位和爵位——“汉左将军”和“宜城亭侯”。

汉献帝当时很孤独寂寞,好不容易见到个姓刘的本家远亲,所以才官方认可了刘备的汉室宗亲身份。

第二个偶然事件,就是所谓的“衣带诏”事件。这个事情在历史中很难找到真相了,总之后来在刘备那里的说法是这样:汉献帝被曹操欺负得不行,就写了一封密诏,要诛杀曹操,这封密诏是藏到衣带里的,所以叫“衣带诏”。

所有参与这个事件的人,后来都被曹操杀了,只剩一个刘备,号称是手里有皇帝的“衣带诏”,要奉旨讨伐曹操。

这就产生了一个非常关键的后果。

在当时,曹操的政治地位是“挟天子以令诸侯”,没有人可以在政治上挑战他,但唯有刘备可以,因为他是惟一一个奉旨要消灭汉贼曹操的人。也就是说,在政治上,他成了曹操唯一的对手。

当然更重要的是,经过这个事件之后,刘备拥有了一个崇高价值的使命愿景,就是“复兴汉室”。当他有了这个价值愿景的时候,就成了整合和吸引资源的一个枢纽。

比如,“赤壁之战”之后,刘备攻打荆州,所到之处是望风而降,很轻松的就控制了半个荆州。再比如,很多人才,像张松、法正等等,甚至诸葛亮本人,也因此聚集在他这。这倒不是说,他们都是为“复兴汉室”而来,也可能就是为刘备这个独特的政治优势而来。

而且,有了这个使命愿景之后,刘备就可以快速的完成内部整合。比如,“赤壁之战”之前,孙权那边为了是战是降的问题吵翻了天,而刘备就不存在这个问题。这个时候的刘备,已经成了除汉献帝之外,大汉正统的代言人。

好了,这就是诸葛亮《隆中对》战略构想的重要条件,就像文中写的:“将军既帝室之胄,信义著于四海”嘛。刘备虽然兵少将寡,但手里是政治正确。

但是,诸葛亮给刘备出的主意是啥?是要去取四川,也就是益州。益州当时在谁手里?刘璋。刘璋也是得到国家认可的汉室宗亲啊,你这么大的刘皇叔,不去打曹操不去打孙权,去打另一个汉室宗亲,在政治合法性上怎么解释得通呢?

当然,我这里并不是说,刘璋不能打,四川不能取,而是说,凡是战略构想,都有前提条件。但是战术行动,往往是背离了这些条件的,那原来的战略构想,就要付出代价,效果上就难免要打折扣。

后来果然,刘备偷袭刘璋,拿下四川之后,内部很不容易搞定。本来是最有政治号召力的一支力量,反而成了“三国”中,内部最不稳定的一支力量。

“夷陵之战”失败之后,刘备死在了白帝城。在此之前,刘备身体不好的消息一传出去,益州的一个郡守叫黄元,就立即起兵反叛,费了好大力才平息下去。刘备去世后,最南边的三个郡也反叛了,而且还拉着边疆的少数民族一起,就是后来所谓的“七擒孟获”。

你看,一先一后,有四个郡叛乱,占到当时益州面积的五分之一到四分之一。这就可见,刘备政治合法性的光环,在益州本地似乎不大起作用。这跟他很不光彩地利用汉室宗亲之间的信任,偷袭刘璋,是很有关系的。

我们再来看《隆中对》作为战略构想,另一个条件限制,就是时间窗口问题。

《隆中对》有一个预设前提,那就是汉朝政府还存在。只要政府还在,有朝一日,天下有事——就是曹魏内乱,刘备就可以手拿“衣带诏”,号召天下,两路北伐,消灭曹魏,复兴汉室。

但是,就在《隆中对》提出十三年后,曹操的儿子曹丕,把汉献帝给废了,自己当了皇帝。而且,曹丕还留了一手,他没杀汉献帝,而是供养起来。

这下刘备的政治处境就非常尴尬。你说要“复兴汉室”,但是现在汉室没了,你还复兴什么呢?“衣带诏”是汉献帝给的,但是汉献帝现在不是皇帝了,你该怎么办呢?

因此,为了巩固自己的“正统”,刘备只能强行称帝。为什么说是“强行”?因为,汉献帝没死他是不能称帝的。所以他只能制造汉献帝已死的传闻,然后公开发丧,走完这一套之后才能称帝。

但是,汉献帝还活着,这事你也没法一手遮天地瞒着。说白了,刘备手下的人都心知肚明,这是睁眼说瞎话。但是没办法,为了政治博弈,只能这么办。

这么做的后果,就是“大汉”变成了“蜀汉”,除了在益州,刘备已经丧失了政治上的号召力。诸葛亮十几年前预想的,什么刘备一旦发兵,中原老百姓就会“箪食壶浆以迎将军”的情景,就再也不会出现了。

而这一切,十几年前的诸葛亮是无法预想的。他不知道,历史就给了他十三年的时间,时间一过,他原先看到的机会,和实现机会的前提,都消失了。

总结一下,这就是我们从《隆中对》的最终失败,得到的教训。

第一,凡是战略构想,都有它的基础条件。一旦战术行动背离了这些条件,战略效果就要打折扣。

第二,凡是战略构想,都有它的时间窗口。一旦时过境迁,实施战略的机遇也就不复存在了。

今天就聊到这里,明天我们接着看,此后诸葛亮面对的处境。

好,明天见。

推荐阅读更多精彩内容