为什么说我们只了解宇宙的5%

laozeijsd

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！

Q

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

Q

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

Q

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

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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。

蒼之濤

地球都沒了解透，還了解宇宙

深山

为什么说我们只了解宇宙的5%？

gostdog

好像很厉害的样子

863

5%搞了，我看0.01%都不到