宇宙中是否可能存在一些地方,其物理规律和性质与我们这里不同?

宇宙中是否可能存在一些地方,其物理规律和性质与我们这里不同?比如各种常数,如真空光速、普朗克常数、基本电荷等。
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这是反驳性的 post,请勿进行歪楼等指责。(先召唤一下 @刘博洋 ;请帮我指正一下这篇里头可能存在的错误,多谢了)

最高票回答…… 我也是沉醉。

这种国外网友们“鸽子为啥那么大”之类半恶搞的 meme、进口之后泛滥微信朋友圈(juàn)级别的东西,往知乎上扔…… 真的呆胶布?药丸啊药丸。

在开始扯淡之前,首先提请注意一点:其他领域的事儿,咱不管;但,如果在自然科学的范畴内讨论问题,若不是陈述自己的研究结果或基于这些结果做出结论,那么,想搞大新闻,请引述可靠的参考文献。

跨界有风险,发言请谨慎。与其拿这种东西出来,不如认认真真抖个机灵:“那难道不是近在眼前——就是被你暗恋过的人的内心啊!你给我用我们的物理理论解释一个!”


首先,我们所在的银河系确实有点儿奇特地偏大:广义漩涡星系(包含了棒旋星系——银河系已经被近年来的观测认定为棒旋星系了)的质量大小,横跨了四个数量级(最大的比最小的大了一万倍);在这些星系里,银河能被归入非常大(几乎是最大)的那一批了。但,这绝不意味着更大的星系不该存在:比银河系大十倍甚至更多的星系,宇宙里头多的是。哪怕局限于宇宙里我们已经看到过的那部分,星系的数量就已经上千亿了;找两个“大力出奇迹”的,还不是轻松写意?

说近的,天文爱好者的最爱之一——M31(仙女座大星系),就有 10^{12} 个恒星,比银河系中恒星的数量大了接近一个量级(当然,算上暗物质之后的总质量倒是跟银河系差不多)。
(这图是 Mac 的壁纸。要是那个不能被物理理论解释,这个近在眼前的 M31 就为啥没人管呢~)

说远的,星系团 Abell 3827 的核心星系 ESO 146-5 的总质量差不多够银河系总质量的三十倍了(它在八十年代保持了很长一段时间的“人类发现的最大质量星系”的纪录)。

哪怕局限在漩涡星系里头,另一个天文图片界的现象级高颜值明星——NGC 6872(也叫“秃鹰星系”),就比银河系和 M31 加起来都大(事实上,至少是银河系的五倍):
(图片摘自 nasa 网站)

宇宙里比银河系大“八倍”以上的星系多了去了,但为啥人们从来不提什么“不能用物理理论解释”?我倒是经常听到“哪怕漩涡星系的质量大大小小横跨好几个数量级,但它们统统都呆在 Tully-Fisher 关系(盘状星系光度和旋转速度的幂律关系)预言的曲线附近”之类的说法。

顺带一说,有一个经常被科普工作者忽略的事实:基于宇宙的膨胀历史,在超过某个距离之后,若一个星系离我们越远,则它看上去是越大的(不过,表面亮度肯定是要降低的)。当然,这个 UDF 423 的距离并没有远到能发生这种看上去挺奇怪现象的地步(它的红移大概只有 0.29,但在 UCLA 天文系的人所做的一个海报里头被写成了 z ~ 1,估计后者是笔误)。下图摘自 Wikipedia,横轴是红移(红移越大,则离我们的距离越大,虽然红移和距离的关系在远处并不是简单的正比),纵轴是所谓的“角直径距离”(数值越大,则相同大小的天体看上去越小)。


其次,我在 Google Scholar、arxiv.org 和 ADS/ABS(行内常用的一个数据库)里头搜索了 UDF 423,得到的结果如下。

arxiv(标题、摘要和全文检索):空

ADS/ABS(标题和摘要检索):空

Google Scholar(全文检索):排除误匹配(比如有 UDF 这个关键字,再加上一个“某书第 423 页”之类的情形),只有这么一篇文章提到了这个星系:arxiv.org/abs/1312.2215 (arxiv 自己竟然搜索不到…… 那些哥们儿还是要提高姿势水平啊)

这篇文章的标题是“宇宙中漩涡结构的起源”。从摘要来看,它是讨论较早时候的星系的漩涡形态的(一般认为,离今日越远,则漩涡/棒旋之类的有序结构出现的比例越少)。文中提到这个星系的地方只有一处:他们把 UDF 423 当成一个典型的“近处的”多旋臂星系,将其的图像进行了高斯模糊,再用之去对比更远处(红移约为 1.5 左右因而看得不是很清楚)的星系们,发现没啥明显不同:“Evidently, the overall appearances of the nearby multiple-arm galaxies (UDF 7556 and UDF 423) are not substantially changed when the galaxies are blurred to look like the distant, woolly spiral (UDF 5417).”

最重要的是,没有任何一个地方提到这个星系的质量有!多!大!

没有!

我完全不相信,一个“物理无法解释”的事儿,会几乎找不到讨论它的文章。当年的“中微子超光速”事件发生之后,arxiv 都快被新的预印本“爆吧”了;那一阵子,人们召开了好多研讨会;会上,人们吵得唾沫横飞;会下,人们(以及我们这些不参会的“酱油大队”)整天抱着电脑刷 arxiv……

如果,这个星系的存在,真的不能被现有理论解释,那么搞天文和天体物理的人,恐怕早就跟群体磕了药一样炸锅了——大新闻!大新闻!然后,几乎所有的望远镜——从 X 射线波段的“钱德拉”、γ(Gamma)射线波段的“费米”,到光学波段的无数望远镜(包括哈勃自个儿),到红外波段的“赫歇尔”和“施皮策”、射电波段的 GBT、亚毫米波的 ALMA,甚至到高端发烧友的“私人”望远镜,都会盯着这个玩意儿看上很长很长的时间(因为增加曝光时间能提高信噪比——除非已经长到消除了泊松过程的涨落了),生产无数的或惊为天物或扯淡灌水的论文。

可是,这 UDF 423 竟然被人们认为是一个“典型”的星系,平凡到大家都懒得好好测一下它的质量?

话又说回来。北大的吴学兵老师组最近发了篇 Nature(nature.com/nature/journ,公共媒体的新闻请见 Astronomers find a shockingly ancient black hole the size of 12 billion suns),用测定活动星系核附近的星际介质被电离区域大小的办法,结合这个家伙的红移,得到了一个超级黑洞的质量——大约 120 亿倍太阳质量;相比之下,银河系中心的超大质量黑洞,“只有”四百万倍太阳质量,是那个大家伙的三千分之一。在红移 6.3 之处(意味着,我们看到的这个黑洞,是存在于宇宙的尺度只有现在的 1/7.3 之时的),竟然发现了这么大的一个黑洞,这才是对现有的超大质量黑洞形成理论构成了一定挑战的东西——人们大都认为这种黑洞“来不及那么早形成”。可惜,这样的东西,看上去是如此严肃,再加上学界内的人士大多没时间给公众煲鸡汤,谁又会关心这样的东西呢?


最后,扯点儿相关性更弱的事儿(但似乎更切合“原题”)。

有些外行的看官,以及大部分民科,很喜欢宣传“学界在通过掩盖不利的证据来维护旧理论扼杀新思想”的阴谋论。

但事实上是,经历过合格的自然科学训练的人,都会有一个理念:因为自然科学的理论原则上是不能被“证明”为真的(只能以验证结论的方式来增加我们对一个理论的信心),所以,一个理论即便很可能是好的,我们也不会放弃对它的检验。甚至,很多学界中人,穷尽其一生,都在设法寻找潜在的推翻现有理论的证据——哪怕只是一丁点儿的希望,也会有人搭上一辈子。如果真的找到一个“现有理论完全无法解释”的东西,学界的人(特别是物理学界的人)会跟打了鸡血一样为之疯狂的。为啥?经费啊!教职啊!没有“推倒现有理论”之类的突破性进展,这些东西都不会多。

可惜,问题不是我们的理论出了问题,问题是那些看上去像突破性进展的东西到最后都被证实是闹了乌龙。OPERA 组闹出的“中微子超光速”到最后被证明是光纤没插紧(233),去年搞出大新闻的 BICEP2 组发现(幅度大得超乎想象的)原初引力波的事儿到最后也被证明是没有正确考虑星际尘埃对偏振和消光造成的影响——然而到今年年初,David Spergel(敝系中相当于系主任者)因为正确指出这一事实而当选 Nature 2014 年度十大科学人物之后,国内还有许多人和许多媒体认为这玩意儿要得奖。

我们比谁都盼望大新闻,直至盼望着从大新闻中出点儿“能推翻现有理论”的东西。

这种盼望的饥渴,到了什么地步呢?去年七月份的一个半夜,我们突然收到 David Spergel 的邮件,说你们都别睡觉了,SWIFT 探测到一次巨大的爆发,很可能在银河系内,但人们此前却没有探测到任何与这次爆发有关的潜在的“前身”——这对现有的关于 Gamma 暴的各种理论构成了不小的挑战。结果,第二天一早,大家发现,这不过是又一次乌龙。但在“这是乌龙”的消息传开之前,我身边就有好几个人,还真就一宿没睡……

事实上,直到目前为止,人们没有发现任何关于宇宙中的物理定律各处不同的可观测证据。虽然有很多人提出此类理论,但那些理论都有或多或少的问题:要么不能解释太多现象(常常只能 case by case),要么提不出可被观测检验的事情。

举个很多人都喜欢举的例子。

在 20 世纪初,河外星系的红移刚被证实时,有人提出,这个红移并不是因为宇宙的膨胀造成的,造成它的原因也许是那一时代的物理学定律与现在不同。因为,“红移”牵涉的是“发出光子”的电磁学过程,有人便怀疑,“红移”是否有这样一种“替代性解释”:在宇宙的更早时候(或曰“远方”),电磁相互作用的强度与现今不同,造成了电子能级跃迁时放出的光子能量不同。

这个理论看上去真是很吸引人的。但很遗憾地,没过多久,它便被否决了。在进行了更精细(确切地说,更多波段)的观测之后,人们发现,原子的精细和超精细能级跃迁所发射光子所受到的红移,与不同主量子数之间跃迁发射的光子所受到的红移完全一致。如果电磁相互作用的强度与现今不同,则唯一表征电磁相互作用强度的无量纲常数——精细结构常数\alpha——就会完全不一样。“主量子数跃迁”时,放出光子的能量,正比于\alpha^2;而“精细结构跃迁”放出的光子能量,则正比于 \alpha^4;若红移是由\alpha的变化造成的,则这两种光子将受到不同量的红移。

从亚里士多德到开普勒,从牛顿到哈勃,人类在自然科学的领域里摸爬滚打了那么多年,付出了无数的或正常或荒唐的代价,得到了一个重要的教训:我们所在的,只不过是宇宙中一个普普通通的位置而已。哪怕排开现有的证据,单从“元问题”的意义上说,说宇宙中存在“物理定律不同之处”,都是与这一趋势背道而驰的。

以及,自然科学原则上只是方法论(最多加上这套方法论所能得出的事实),根本不是信仰(所以它和非极端的各种信仰都不冲突),更不是玄学;像这样“诉诸情感冲击”的做法,可以说,是最糟糕的“接近科学”的方式之一了。这种典型朋友圈鸡汤的做法,跟传销相似:先用完全无关的东西松懈读者的心理防线(哈勃超深场做了好多年了,虽然重要,但并不是什么惊天动地的东西;而且,超深场有多“深”、为了这个“深”把视野局限在多小的范围之内,与论题又有什么关联?),再把似是而非的东西抬出来大捧(具体到这一篇,甚至“连错误都算不上”),以使得读者放弃思考(事实是很多朋友圈的读者一点儿思辨能力都没有),进而坐收“洗脑”之效。

想搞大新闻,我们当然是兹磁的;但是,也请尊重事实。否则,请勿声称自己与自然科学相关。
目前观测到的证据支持,「在足够大的尺度下,宇宙是均匀且各向同性的。」
为什么?