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1月 13, 2013 @ 12:34 am
负温度：颠倒了的物理世界
小孩子玩的游戏中有一种“反了的世界”，那里一切都是反着来的：说左边指的是右边，说对意味着错，说好则表示坏等等。这样颠倒了的世界并不仅仅是人们的想象，它们在物理世界中也存在着。比如大家可能听说过的反物质，它与相应的寻常物质在很多性质和行为上都是反着来的。
今年元旦刚过，德国物理学家乌尔里克·斯奈德便发布了一项新成就：实现了处于比绝对零度还低的“负温度”状态的气体。这个结果通过新闻界报道引发了对温度的好奇。其实，所谓的“负温度”并不是一项新发明，也不是不可思议的极低温。恰恰相反，那可以说是非常高的温度，以至于无法用通常的温度概念描述。这也是一个与经验相反的颠倒世界。
人类对温度的认识起始于日常生活中的体验：夏天很热、冬天很冷。日晒、火烤等可以使物质由冷变热。热的物体又可以通过接触等方式使冷的物体变热，同时自己变冷。温度便是物体冷热程度的一个度量。
初始的温度也就以大家熟悉的状态来衡量。我们沿用至今的摄氏温标和华氏温标都是早在18世纪就已发明的。前者将水结冰的状态定为0度，水沸腾为100度；后者则用水的冰点和人的体温做标度参照。这两种温标所表示的温度都只是相对性的，其数值本身没有意义。摄氏零度以下的“负温度”只是说比水结冰的温度还要低，在冬天很常见，并没有什么不寻常的地方。
19世纪中期，物理学家通过热力学研究逐渐认识到所谓的热其实是物质中分子或原子的运动，热的传导便是这种热运动能量的传递，而温度便是对该能量的度量。温度越高，分子热运动越激烈，而温度越低，热运动便趋于缓慢。由此推论，温度不是没有下限的——可以想象，在某一个极其寒冷的低温，所有的热运动都会停止，所有的原子分子都静止，这便是最低温度的极限，不可能存在比那更低的温度。
1848年，英国物理学家开尔文爵士据此提出一个更为科学的温标。所谓的开尔文温标实际上就是摄氏温标，只是重新标度了0度。开尔文温标的0度便是上述的温度极限——也就是“绝对零度”，相当于摄氏-273.15度。因此，水的冰点在开尔文温标中便成为273.15度，而水沸腾的温度则是开氏373.15度。
热力学研究还发现，不仅仅不存在绝对零度以下（负温度）的状态，绝对零度本身也是无法达到的。此后发现的量子力学之测不准原理更说明原子是不可能绝对静止，因此不可能存在处于绝对零度的系统。目前所知的最接近绝对零度的物质是在实验室里人为创造出来的。科学家通过激光制冷手段可以将处于气体状态的原子冷却到极低温，并因此实现玻色-爱因斯坦凝聚。2003年，麻省理工学院的实验室将钠原子降到450pK（1pK是10的负12次方开尔文度），是现在的最低温记录。
温度也是热平衡的标志。不同温度的物体放到一起，热的会变冷，冷的会变热，直到它们都有着同样的温度为止。但温度不是平衡态的唯一标志。两杯温度相同，但一杯染了红色一杯染了黄色的水接触后也会互相混合，直到颜色达到一致（橙色）为止。不同颜色的融和过程是一种从有序走向无序的过程。混合前两种颜色泾渭分明，混合后则一片均匀，失去了按颜色“站队”的秩序。
这两种走向平衡的过程都是所谓的“不可逆过程”。不同温度物体放一起会自动地达到同样温度，却不可能自动地恢复一头热一头冷状态；两种颜色的液体会自动混合，却绝不会自己回到分离的颜色情形。同样地，一杯水打翻在桌面上，水会自然地流散开，却不会聚拢回到杯子里，这也就是常说的“覆水难收”。
为了描述这种不可逆过程，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯在1865年提出了一个叫做“熵”的概念。这个生僻的词在希腊文中的原意是“转变的方向”。克劳修斯指出，一个孤立系统会自发地向熵值增加的方向演变，而相反方向的过程必须通过外力帮忙才能实现。
后来的统计物理学研究为熵作出了更为清楚的定义：熵值描述的是系统在可能占有的微观状态上的分布程度。如果一个系统只占有小部分的状态，比如固体中分子只在固定的晶格点附近振动或者按照颜色站好队的水，它的熵值便比较低。反之，流体中分子可以完全自由运动；不同颜色融合后的分子间的分布组合也大大增加，其熵值也就比较高。
熵还为温度本身提供了一个更为严格的定义。因为热运动并不是系统唯一的能量来源，把温度简单地看作热能的衡量并不准确。物理系学中的温度是改变一个系统的熵所需要的能量。在不同的状态下，将一个系统的熵改变一定量时所需要的能量是不同的，而这正是系统温度的不同。
在我们日常的世界中，能量和熵的变化总是步调一致的，系统在获得能量的同时熵会增加。物体获得能量（热量）后会膨胀，扩大状态空间，甚至从固体融化成液体、进而蒸发为气体，这都是趋向无序的过程。反之，能量减少时熵亦会减小。这样得出的温度数值随状态变化虽然不同，却永远是正数，也就是绝对零度以上。
然而，在量子世界里，我们却可以遇到甚至构造出一些奇异的体系，与日常经验不符乃至相反。在经典世界里，随着能量的增加，系统中粒子动能会越来越大，没有止境。它们能占据的态也因此越来越多，更加无序，所以系统的熵会随着能量增加。
而量子世界中的粒子只能占据量子化的能量态。随着能量的增加，越来越多的粒子会进入高能量态。绝大多数的量子系统有着无止境的高能量态，粒子占据越多的高能量态，系统的熵越高。这与经典系统没有区别。的确，量子系统在高温条件下通常可以用经典物理描述。
但在非常特殊的情况下，人们可以设计出只存在有限能级的量子系统。在这样的系统中，粒子所能占据的能量态有限。能量增加的结果使得越来越多的粒子集中在最高的能级上。这样集中的结果是系统趋于有序，熵反而减少了。如果所有的粒子都集中在最高能级上，系统会变得完全有序，熵因此变成零——与所有粒子都集中在最低能量态的经典意义上的绝对零度情形一样，只是完全颠倒了。因为能量增加导致熵减少，按照“改变系统的熵所需要的能量”的定义，该系统的温度是负数！
这个意义上的负温度虽然匪夷所思，它其实是很早就被科学家认识的。它之所以稀有，是因为它在经典物理世界中不可能存在，在量子世界中也需要非常特殊的条件才可能。这样的负温度系统早在1951年就被物理学家在核子自旋系统中证实了。差不多同时，科学家发明了激光。他们选择合适的材料和条件，使得其中原子只有少数几个能级可供电子跃迁，然后输入能量将大量原子激发到其中的高能激发态，使得处于高能量态的原子多于基态。这样的原子体系便处于负温度状态。而这些原子步调一致地从激发态跃迁回基态时所付出的光子便成为激光束。
核自旋和激光系统都不是“纯粹”的负温度系统。它们只是在特定的自由度（自旋和原子能级）上实现了负温度，而原子本身所处的还是平常的正温度环境。今年德国物理学家所实现的突破便在于他们把一些经过激光制冷的原子通过调制整体地进入了负温度状态，这些原子完全处于负温度，不再另有正温度环境。但这样实现的状态非常不稳定，只能存活非常短暂的时间。
如果负温度系统接触到正温度系统是会发生什么样的现象？处于负温度状态的系统是不稳定的，会自发的释放能量。激光束正是这种能量释放的表现。它们接触到正温度系统时会自发地将能量传递给对方。正温度系统接收热量后能量和熵都会增加，温度增高。同时负温度系统在损失能量时（如果没有外来能量补充的话）熵也会增加，直到失去负温度状态。因此整个系统正像热力学定律所要求的那样向熵增加的方向演变。因为这个过程中能量（热量）是从负温度一方传向正温度一方，负温度并不比正温度更“冷”，而是比任何正温度还要“热”——这正是一个颠倒了的物理世界。
今年元旦刚过，德国物理学家乌尔里克·斯奈德便发布了一项新成就：实现了处于比绝对零度还低的“负温度”状态的气体。这个结果通过新闻界报道引发了对温度的好奇。其实，所谓的“负温度”并不是一项新发明，也不是不可思议的极低温。恰恰相反，那可以说是非常高的温度，以至于无法用通常的温度概念描述。这也是一个与经验相反的颠倒世界。
人类对温度的认识起始于日常生活中的体验：夏天很热、冬天很冷。日晒、火烤等可以使物质由冷变热。热的物体又可以通过接触等方式使冷的物体变热，同时自己变冷。温度便是物体冷热程度的一个度量。
初始的温度也就以大家熟悉的状态来衡量。我们沿用至今的摄氏温标和华氏温标都是早在18世纪就已发明的。前者将水结冰的状态定为0度，水沸腾为100度；后者则用水的冰点和人的体温做标度参照。这两种温标所表示的温度都只是相对性的，其数值本身没有意义。摄氏零度以下的“负温度”只是说比水结冰的温度还要低，在冬天很常见，并没有什么不寻常的地方。
19世纪中期，物理学家通过热力学研究逐渐认识到所谓的热其实是物质中分子或原子的运动，热的传导便是这种热运动能量的传递，而温度便是对该能量的度量。温度越高，分子热运动越激烈，而温度越低，热运动便趋于缓慢。由此推论，温度不是没有下限的——可以想象，在某一个极其寒冷的低温，所有的热运动都会停止，所有的原子分子都静止，这便是最低温度的极限，不可能存在比那更低的温度。
1848年，英国物理学家开尔文爵士据此提出一个更为科学的温标。所谓的开尔文温标实际上就是摄氏温标，只是重新标度了0度。开尔文温标的0度便是上述的温度极限——也就是“绝对零度”，相当于摄氏-273.15度。因此，水的冰点在开尔文温标中便成为273.15度，而水沸腾的温度则是开氏373.15度。
热力学研究还发现，不仅仅不存在绝对零度以下（负温度）的状态，绝对零度本身也是无法达到的。此后发现的量子力学之测不准原理更说明原子是不可能绝对静止，因此不可能存在处于绝对零度的系统。目前所知的最接近绝对零度的物质是在实验室里人为创造出来的。科学家通过激光制冷手段可以将处于气体状态的原子冷却到极低温，并因此实现玻色-爱因斯坦凝聚。2003年，麻省理工学院的实验室将钠原子降到450pK（1pK是10的负12次方开尔文度），是现在的最低温记录。
温度也是热平衡的标志。不同温度的物体放到一起，热的会变冷，冷的会变热，直到它们都有着同样的温度为止。但温度不是平衡态的唯一标志。两杯温度相同，但一杯染了红色一杯染了黄色的水接触后也会互相混合，直到颜色达到一致（橙色）为止。不同颜色的融和过程是一种从有序走向无序的过程。混合前两种颜色泾渭分明，混合后则一片均匀，失去了按颜色“站队”的秩序。
这两种走向平衡的过程都是所谓的“不可逆过程”。不同温度物体放一起会自动地达到同样温度，却不可能自动地恢复一头热一头冷状态；两种颜色的液体会自动混合，却绝不会自己回到分离的颜色情形。同样地，一杯水打翻在桌面上，水会自然地流散开，却不会聚拢回到杯子里，这也就是常说的“覆水难收”。
为了描述这种不可逆过程，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯在1865年提出了一个叫做“熵”的概念。这个生僻的词在希腊文中的原意是“转变的方向”。克劳修斯指出，一个孤立系统会自发地向熵值增加的方向演变，而相反方向的过程必须通过外力帮忙才能实现。
后来的统计物理学研究为熵作出了更为清楚的定义：熵值描述的是系统在可能占有的微观状态上的分布程度。如果一个系统只占有小部分的状态，比如固体中分子只在固定的晶格点附近振动或者按照颜色站好队的水，它的熵值便比较低。反之，流体中分子可以完全自由运动；不同颜色融合后的分子间的分布组合也大大增加，其熵值也就比较高。
熵还为温度本身提供了一个更为严格的定义。因为热运动并不是系统唯一的能量来源，把温度简单地看作热能的衡量并不准确。物理系学中的温度是改变一个系统的熵所需要的能量。在不同的状态下，将一个系统的熵改变一定量时所需要的能量是不同的，而这正是系统温度的不同。
在我们日常的世界中，能量和熵的变化总是步调一致的，系统在获得能量的同时熵会增加。物体获得能量（热量）后会膨胀，扩大状态空间，甚至从固体融化成液体、进而蒸发为气体，这都是趋向无序的过程。反之，能量减少时熵亦会减小。这样得出的温度数值随状态变化虽然不同，却永远是正数，也就是绝对零度以上。
然而，在量子世界里，我们却可以遇到甚至构造出一些奇异的体系，与日常经验不符乃至相反。在经典世界里，随着能量的增加，系统中粒子动能会越来越大，没有止境。它们能占据的态也因此越来越多，更加无序，所以系统的熵会随着能量增加。
而量子世界中的粒子只能占据量子化的能量态。随着能量的增加，越来越多的粒子会进入高能量态。绝大多数的量子系统有着无止境的高能量态，粒子占据越多的高能量态，系统的熵越高。这与经典系统没有区别。的确，量子系统在高温条件下通常可以用经典物理描述。
但在非常特殊的情况下，人们可以设计出只存在有限能级的量子系统。在这样的系统中，粒子所能占据的能量态有限。能量增加的结果使得越来越多的粒子集中在最高的能级上。这样集中的结果是系统趋于有序，熵反而减少了。如果所有的粒子都集中在最高能级上，系统会变得完全有序，熵因此变成零——与所有粒子都集中在最低能量态的经典意义上的绝对零度情形一样，只是完全颠倒了。因为能量增加导致熵减少，按照“改变系统的熵所需要的能量”的定义，该系统的温度是负数！
这个意义上的负温度虽然匪夷所思，它其实是很早就被科学家认识的。它之所以稀有，是因为它在经典物理世界中不可能存在，在量子世界中也需要非常特殊的条件才可能。这样的负温度系统早在1951年就被物理学家在核子自旋系统中证实了。差不多同时，科学家发明了激光。他们选择合适的材料和条件，使得其中原子只有少数几个能级可供电子跃迁，然后输入能量将大量原子激发到其中的高能激发态，使得处于高能量态的原子多于基态。这样的原子体系便处于负温度状态。而这些原子步调一致地从激发态跃迁回基态时所付出的光子便成为激光束。
核自旋和激光系统都不是“纯粹”的负温度系统。它们只是在特定的自由度（自旋和原子能级）上实现了负温度，而原子本身所处的还是平常的正温度环境。今年德国物理学家所实现的突破便在于他们把一些经过激光制冷的原子通过调制整体地进入了负温度状态，这些原子完全处于负温度，不再另有正温度环境。但这样实现的状态非常不稳定，只能存活非常短暂的时间。
如果负温度系统接触到正温度系统是会发生什么样的现象？处于负温度状态的系统是不稳定的，会自发的释放能量。激光束正是这种能量释放的表现。它们接触到正温度系统时会自发地将能量传递给对方。正温度系统接收热量后能量和熵都会增加，温度增高。同时负温度系统在损失能量时（如果没有外来能量补充的话）熵也会增加，直到失去负温度状态。因此整个系统正像热力学定律所要求的那样向熵增加的方向演变。因为这个过程中能量（热量）是从负温度一方传向正温度一方，负温度并不比正温度更“冷”，而是比任何正温度还要“热”——这正是一个颠倒了的物理世界。
11月 24, 2012 @ 11:44 am
穿越时空的伽马射线
天上的星星数不清。虽然我们看到的夜空是黑暗的，那无数的星星正在不断地发出无数的光，其中只有微乎其微的光线能够到达地球。而星星发出的光也只有极少数被物质吸收。如果想像一下今天的宇宙已经有了100多亿年的历史，其中存在的光似乎是一个无法描述的浩瀚概念，连“天文数字”一词都显得苍白无力。
然而，今年11月1日，美国航空航天局（NASA）召开记者会宣布人类已经能够“看到”宇宙中全部的光，而且明确指出是宇宙创始以来“所有星星所发出过的所有的光”（the total amount of light from all of the stars that have ever shone）。
NASA采用的方法是接收来自宇宙深处的伽马射线，这些穿越了宇宙全部时空的信使不仅给我们带来所有光场的讯息，还带来了宇宙演化的历史记录，甚至还可能让我们得以窃探看不见的暗物质。
伽马射线和费米望远镜
伽马射线是上世纪初首先在镭原子的放射性实验中被发现的。科学家后来才知道那是一种能量非常高的光子，也是目前所知能量最高的光。因为其能量太高，伽马射线在介质中只能被吸收，不能像普通的光或电磁波那样发生折射和反射现象。能量比较低的伽马射线被吸收时会令原子电离产生光电效应，能量高的则会蜕变为正负电子对。它对人体有害，接触时需要用比较厚的重金属材料做保护。
除了放射性原子的衰变，伽马射线也会在大气层中因为闪电、雷雨或宇宙射线的激发产生。但其最大的来源还是天外的宇宙。好在地球的大气层是天然的屏障，来自天外的伽马射线基本上全在大气层中被吸收而不会损害地球生物的健康。
也正因为如此，观测宇宙射线中的伽马射线必须走出大气层，用高空气球或人造卫星转载专门的仪器测量。为此，NASA早在1991年便发射了一颗叫做“康普顿伽马射线观测站”的卫星，初步描绘出宇宙伽马射线来源的全景。2002年，NASA发射“费米伽马射线太空望远镜”卫星，携带更为先进的仪器取代已经失效坠毁的康普顿观测站。
“望远镜”只是一个俗称。因为伽马射线不能被反射或折射，也就不可能像望远镜那样聚焦。卫星上装载的两个探测仪都只是大面积的被动接收仪器，分别通过探测正负电子对和光电效应来辨别伽马射线，并能相当准确地还原射线的来源方向、时间和能量等参数。也正因为不需要定向聚集，它们可以同时接收大范围的信号。因此，该卫星每3小时绕行地球2周时便能将整个天幕扫描一次。这样不断地扫描的结果便能得到宇宙中几乎所有的伽马射线光源分布和它们随时间的演变。
宇宙中所有的光
自然，这个“望远镜”接收到的最亮的伽马射线来自我们地球所在的银河系，大部分产生于高能的带电宇宙射线与银河系中星际物质和光子的碰撞和作用。通过对这些伽马射线的分析可以得到那些星际物质、光和电磁场等分布的数据。
更有意思的是那些来自银河系之外遥远星空的伽马射线，从那里能够来到地球的伽马射线便少得多，带来的信息也尤其珍贵。在距离我们几十亿光年之外有着大量的星系，其中心是巨型黑洞。这些黑洞在吞噬其周围的星体物质时会向外发射以伽马射线为主的能量流。如果这个发射的方向正好对着地球，便能够被费米望远镜探测到。这样的黑洞在天文学上叫做“耀变体”（blazar）。虽然我们刚刚才接收到，这些伽马光子是在几十亿年前就已诞生，在那漫长的时间中穿越了浩瀚的距离才来到我们的门前。它们不仅仅带来了远古的信息，而且在征途上经历了宇宙几乎从初始到今天的种种变迁。
我们这个宇宙是在将近140亿年前的大爆炸中产生的。大爆炸4亿年后，早期的星球逐渐形成并开始发光。从那以后，越来越多的星球乃至星系不断地诞生和死亡，并不断地将自己的光线遍洒于宇宙空间。这些经过100多亿年间积累的光至今仍在浩茫的空间中徜徉，形成主要由可见光和紫外线构成所谓的“星系背景光”。因为地球附近星光环境的干扰，我们不可能直接观测到宇宙深处相对微弱的星系背景光。而那来自宇宙边缘耀变体的伽马射线便为我们提供了一个探测的途径。
伽马射线因为其高能量在宇宙空间几乎完全畅通无阻，所以能够来到地球附近。但它们之中的一些在途中也会偶尔与无处不在的星系背景光中的光子碰撞而衰变为一对正负电子，不再能抵达地球。NASA的研究计划锁定了150颗耀变体，长期跟踪它们向地球发射的伽马射线的强度。它们之中，距离地球比较近的耀变体的伽马射线强度较高，而那些真正处于宇宙边缘的遥远耀变体的伽马射线则需要精细测量才能辨识。这些数据的总和汇集了宇宙所有区域星系背景光的密度分布。也就是NASA所称的我们得以见识宇宙创生以来所有星星所发出过的所有的光。
不仅如此，来自距离地球较近的伽马射线途中只穿过了近代宇宙所含有的背景光场，而来自遥远耀变体的射线则在那之前还经历了早期宇宙的背景光。通过对不同距离射线源数据的分析我们可以获得大爆炸后的宇宙早期星球及其发光的知识以及随时间而变的过程，为宇宙描绘出一份独特的演化历史。NASA科学家现在认为宇宙最初星球诞生的时间可能比以前所猜想的晚一些。而这些早期星球与现在的恒星也大为不同，它们主要有氢原子组成，比今天的星星更大、更热、更亮也更为短命。
暗物质
接近一个世纪以来，天文学家一直出于不同的原因怀疑宇宙中有我们看不见的物质存在。当代科学家根据现有的广义相对论计算得出的结论是我们现在所看到的星星、尘埃和气体等等只是宇宙中物质不到20%的部分，其余80%以上是尚未能观测到的所谓“暗物质”。暗物质有质量，能够影响星系的分布和运动，但本身不发光也不与光子发生作用，所以无法被人类观测到。
对暗物质的成分猜想很多，一个比较占主流的理论是它们由质量相对较大、但相互作用非常弱的某种粒子组成。这种粒子的英文名字有一个简单的缩写叫做“胆小鬼”（Weakly Interacting Massive Particle——WIMP）。它们还有一点非常特别，就是它本身便是自己的反粒子。如果两个“胆小鬼”粒子相遇就会窝囊地自行湮灭，衰变为一对高能量的光子，即伽马射线。
如果这样发生的伽马射线不是极为罕见的话，费米卫星上的“望远镜”自然也应该能接收到其信号。的确，在对费米望远镜采集的数据分析中，科学家今年发现了一些异常、来路不明的伽马射线。但他们目前还没法确定这些信号是来自神秘的暗物质还是望远镜本身的故障。
2008年发射的费米望远镜设计寿命为5年，但希望能有10年的运行时间。目前它正值壮年，已经获得显著的新成果。而新一代的“望远镜”已经在设计之中，将能够直接观测星系背景光。更多的伽马射线探测资源也将加入对可能是暗物质射线源的研究。人类对宇宙的认识在继续推进着。
然而，今年11月1日，美国航空航天局（NASA）召开记者会宣布人类已经能够“看到”宇宙中全部的光，而且明确指出是宇宙创始以来“所有星星所发出过的所有的光”（the total amount of light from all of the stars that have ever shone）。
NASA采用的方法是接收来自宇宙深处的伽马射线，这些穿越了宇宙全部时空的信使不仅给我们带来所有光场的讯息，还带来了宇宙演化的历史记录，甚至还可能让我们得以窃探看不见的暗物质。
伽马射线和费米望远镜
伽马射线是上世纪初首先在镭原子的放射性实验中被发现的。科学家后来才知道那是一种能量非常高的光子，也是目前所知能量最高的光。因为其能量太高，伽马射线在介质中只能被吸收，不能像普通的光或电磁波那样发生折射和反射现象。能量比较低的伽马射线被吸收时会令原子电离产生光电效应，能量高的则会蜕变为正负电子对。它对人体有害，接触时需要用比较厚的重金属材料做保护。
除了放射性原子的衰变，伽马射线也会在大气层中因为闪电、雷雨或宇宙射线的激发产生。但其最大的来源还是天外的宇宙。好在地球的大气层是天然的屏障，来自天外的伽马射线基本上全在大气层中被吸收而不会损害地球生物的健康。
也正因为如此，观测宇宙射线中的伽马射线必须走出大气层，用高空气球或人造卫星转载专门的仪器测量。为此，NASA早在1991年便发射了一颗叫做“康普顿伽马射线观测站”的卫星，初步描绘出宇宙伽马射线来源的全景。2002年，NASA发射“费米伽马射线太空望远镜”卫星，携带更为先进的仪器取代已经失效坠毁的康普顿观测站。
“望远镜”只是一个俗称。因为伽马射线不能被反射或折射，也就不可能像望远镜那样聚焦。卫星上装载的两个探测仪都只是大面积的被动接收仪器，分别通过探测正负电子对和光电效应来辨别伽马射线，并能相当准确地还原射线的来源方向、时间和能量等参数。也正因为不需要定向聚集，它们可以同时接收大范围的信号。因此，该卫星每3小时绕行地球2周时便能将整个天幕扫描一次。这样不断地扫描的结果便能得到宇宙中几乎所有的伽马射线光源分布和它们随时间的演变。
宇宙中所有的光
自然，这个“望远镜”接收到的最亮的伽马射线来自我们地球所在的银河系，大部分产生于高能的带电宇宙射线与银河系中星际物质和光子的碰撞和作用。通过对这些伽马射线的分析可以得到那些星际物质、光和电磁场等分布的数据。
更有意思的是那些来自银河系之外遥远星空的伽马射线，从那里能够来到地球的伽马射线便少得多，带来的信息也尤其珍贵。在距离我们几十亿光年之外有着大量的星系，其中心是巨型黑洞。这些黑洞在吞噬其周围的星体物质时会向外发射以伽马射线为主的能量流。如果这个发射的方向正好对着地球，便能够被费米望远镜探测到。这样的黑洞在天文学上叫做“耀变体”（blazar）。虽然我们刚刚才接收到，这些伽马光子是在几十亿年前就已诞生，在那漫长的时间中穿越了浩瀚的距离才来到我们的门前。它们不仅仅带来了远古的信息，而且在征途上经历了宇宙几乎从初始到今天的种种变迁。
我们这个宇宙是在将近140亿年前的大爆炸中产生的。大爆炸4亿年后，早期的星球逐渐形成并开始发光。从那以后，越来越多的星球乃至星系不断地诞生和死亡，并不断地将自己的光线遍洒于宇宙空间。这些经过100多亿年间积累的光至今仍在浩茫的空间中徜徉，形成主要由可见光和紫外线构成所谓的“星系背景光”。因为地球附近星光环境的干扰，我们不可能直接观测到宇宙深处相对微弱的星系背景光。而那来自宇宙边缘耀变体的伽马射线便为我们提供了一个探测的途径。
伽马射线因为其高能量在宇宙空间几乎完全畅通无阻，所以能够来到地球附近。但它们之中的一些在途中也会偶尔与无处不在的星系背景光中的光子碰撞而衰变为一对正负电子，不再能抵达地球。NASA的研究计划锁定了150颗耀变体，长期跟踪它们向地球发射的伽马射线的强度。它们之中，距离地球比较近的耀变体的伽马射线强度较高，而那些真正处于宇宙边缘的遥远耀变体的伽马射线则需要精细测量才能辨识。这些数据的总和汇集了宇宙所有区域星系背景光的密度分布。也就是NASA所称的我们得以见识宇宙创生以来所有星星所发出过的所有的光。
不仅如此，来自距离地球较近的伽马射线途中只穿过了近代宇宙所含有的背景光场，而来自遥远耀变体的射线则在那之前还经历了早期宇宙的背景光。通过对不同距离射线源数据的分析我们可以获得大爆炸后的宇宙早期星球及其发光的知识以及随时间而变的过程，为宇宙描绘出一份独特的演化历史。NASA科学家现在认为宇宙最初星球诞生的时间可能比以前所猜想的晚一些。而这些早期星球与现在的恒星也大为不同，它们主要有氢原子组成，比今天的星星更大、更热、更亮也更为短命。
暗物质
接近一个世纪以来，天文学家一直出于不同的原因怀疑宇宙中有我们看不见的物质存在。当代科学家根据现有的广义相对论计算得出的结论是我们现在所看到的星星、尘埃和气体等等只是宇宙中物质不到20%的部分，其余80%以上是尚未能观测到的所谓“暗物质”。暗物质有质量，能够影响星系的分布和运动，但本身不发光也不与光子发生作用，所以无法被人类观测到。
对暗物质的成分猜想很多，一个比较占主流的理论是它们由质量相对较大、但相互作用非常弱的某种粒子组成。这种粒子的英文名字有一个简单的缩写叫做“胆小鬼”（Weakly Interacting Massive Particle——WIMP）。它们还有一点非常特别，就是它本身便是自己的反粒子。如果两个“胆小鬼”粒子相遇就会窝囊地自行湮灭，衰变为一对高能量的光子，即伽马射线。
如果这样发生的伽马射线不是极为罕见的话，费米卫星上的“望远镜”自然也应该能接收到其信号。的确，在对费米望远镜采集的数据分析中，科学家今年发现了一些异常、来路不明的伽马射线。但他们目前还没法确定这些信号是来自神秘的暗物质还是望远镜本身的故障。
2008年发射的费米望远镜设计寿命为5年，但希望能有10年的运行时间。目前它正值壮年，已经获得显著的新成果。而新一代的“望远镜”已经在设计之中，将能够直接观测星系背景光。更多的伽马射线探测资源也将加入对可能是暗物质射线源的研究。人类对宇宙的认识在继续推进着。
11月 3, 2012 @ 11:27 pm
美国总统大选的选举人制度及选票价值差异
每年11月份的第一个星期一之后的星期二是美国法定的选举日。这句话很绕口，简单地说，今年的11月6日是选举日，并且是四年一度的总统大选日子。虽然现在很多州已经开放提前投票，绝大多数美国选民还是会在这一天前往全国各地的投票站履行公民权利。如果不出现戏剧性的意外，当天晚上或第二天临晨，下一届总统人选便会确定。获胜者发表慷慨激昂的演说，宣告新时代的来临；失败者也会冠冕堂皇地向对方祝贺。又一场喧闹的选举戏剧就此落幕。
然而比较不为人所知的是，这天轰轰烈烈地全民投票却并不是法律上的正式选举。
“真正的”总统选举要等到一个多月之后的12月17日，那天每个州的州府将召开一个小型会议，参加者是一些不为大众所知的人物。他们在州政府负责选举的官员监督下分别投票选举总统和副总统人选。这些选票公证后以挂号信方式送到首都的参议院和国家档案馆，结果由国会认可才确定为下一任总统人选。
这些神秘的人物叫做“总统选举人”，他们履行的是美国宪法规定的总统选举程序。
总统选举人制度（Electoral College）
美国联邦政府由初始的13个独立州联合而建，故称为合众国。其初衷只是统一外交和军事，对内只是在各州间协调，内政的主权基本上还是属于州政府。因此，联邦政府的组成和规则上需要充分考虑、照顾各州的独立性和利益平衡。国父们按此思路创立了国会由按人口分配席位的众议院和每州固定两个席位的参议院而组成的制度，这样既可以代表多数人民主（众议院）又可以照顾到小州利益（参议院）。
总统也由各州为单位推举而成，起初的方案是由议会的全体议员选举，但为了保证总统相对议会的独立而放弃。折中的方案则是由各州自行决定选举人，由选举人投票产生总统。而每个州的选举人数目为该州的众议院和参议员人数总和。（1961年后，首都华盛顿所在的哥伦比亚特区也获得3个选举人名额加入总统选举，相当于一个小州。）
宪法没有详细规定选举人的产生过程，只是限制选举人不能由联邦政府官员担任。各州可以自行决定其政策。在建国初期，相当数量的州并没有为此举行民众选举，而是由州议会指定选举人参与总统大选。也有一些州按选区像选举联邦议员一样投票选举总统选举人。这样产生的总统选举人实际上是“民意代表”，他们可以按照自己的意愿决定投哪位总统候选人的票。
内战之后，各州总统选举逐渐统一为公民直接投票。每个总统候选人或其所属党派在选举前向州政府提交他们中意的选举人名单。选民投票时，选票上填写的不是总统候选人而是这些谁也不认识的总统选举人。直到20世纪以来，很多州才在选票上直接列上总统候选人，而总统选举人的名单逐渐退化为不见光的幕后操作。
除了缅因和内布拉斯卡之外的所有州都采用“赢者全赢”的方案：如果一个总统候选人（或他的选举人）在该州以多数票得胜，他的所有选举人便都获胜，也就是说他获得该州的全部选举人票。该州里投了其他人的票便算是作废了。缅因和内布拉斯卡采用的是按选举区域分配的做法，候选人按照在州内各个区域的输赢可以分享该州的选举人名额。
由候选人或其党派指定的选举人自然都是对该候选人极其忠诚的人选。在11月6日的选举日之后产生的选举人在12月17日“正式”投票选举总统时其结果便与选举日所“产生”的总统并无二致，因此这一走过场的形式不再引人注意。其实，没有任何法律或措施限制这些选举人必须按照个人的效忠或选民的意愿来投票，他们完全可以临场“倒戈”，按照自己的意愿或其它利益投上出人意料的票。事实上，近年来的选举中一再出现个别选举人临场倒戈或以弃权抗议的行为。这些行动因为未能改变选举结果而连新闻都懒得报道。
比较特殊的是在两次选举之间的一个多月时间里可能发生意外事件而导致选举结果无法预料。1872年11月29日，民主党总统候选人霍雷斯·格里雷突然因病去世。属于他的那部分选举人在随后的选举中不再有任何约束，便随心所欲地投票给其他候选人。好在那年共和党总统尤利西斯·格兰特已经赢得绝对多数，没有受其影响而顺利连任。如果离世的是格兰特，那么情形便会完全不同。美国迄今40多次总统大选，尚未出现过获得多数票候选人在选举人投票前死亡的先例。否则将会爆发严重的宪政危机。
选举人制度一直为人所诟病。这些莫名其妙的神秘选举人在选民和总统之间形成一道不必要的障碍，使得美国总统选举至少在形式上是间接选举而不是更民主的直接选举。但对这一制度的批评更多集中于针对“赢者全赢”的名额分配上，使得全民投票的计票不再拥有“一人一票”的平等。
这样的计票方式的问题突出表现在会导致全民投票的结果与选举人投票结果不相符的情况。这个在美国历史上已经出现三次，最近的便是2000年戈尔在全国范围内获得多数选票却未能当选，（小）布什虽然在选票总数上落后，却因为他在关键的几个州内获胜而得到更多的选举人票成为总统。直到今天，戈尔还在呼呼取消选举人制度。
这样的计票方法还有效地抑制了第三党或独立候选人的出现。即使是有影响的候选人，也很难赢得一个州，因此无法获取任何选举人票。1992年独立候选人佩罗是近年来最为成功者，他在全国范围内获得19%选票，在很大程度上因为分流了（老）布什的选票而导致了克林顿的当选，却也未能获取一张选举人票。
选举人制度的诸种不合理之处显而易见，但它也有一定的好处。首先它照顾了小州的利益，让小州的选民的声音得到一定放大不被大多数所淹没。另外，以州为单位决定胜负缩小了对选举结果质疑的范畴。2000年选举结果饱含争议，以至于戈尔和（小）布什在选票接近的佛罗利达州打了旷日持久的官司。该州不得不进行繁重的人工重新点票。那场争执虽然很大，却只局限于佛罗利达一个州。如果是对全民选举的票数有争议，很可能需要进行全国范围内的人工重新点票甚至重选，工程便会极为浩大了。
选票的份量和价值
无论是竞选中的政客还是有社会责任感的人士都会千篇一律地向公民宣传参加投票的重要性，强调每一张选票都同样地宝贵和重要，有可能改变历史的进程。事实却并非如此。尤其是在美国的选举人制度下，美国公民选举总统时虽然有“一人一票”的投票权，“赢者全赢”计票方式却扭曲了“一人一票”的平等。这便带来了一个有趣的问题：选民手上的那张选票价值该如何衡量？答案却并不简单。
直观而言，因为每个州无论大小都会得到相对于参议院名额的2张票，而即使是按照人口分配的众议院名额的票中，再小的州（包括首都）都保证最少另有1张，这样的选举人名额分配会大大地优惠小州、歧视大州。的确，人口最多的加利福尼亚州3千7百万人共有55个选举人票，平均69万人一张票；而人口最少的怀俄明州56万人有3张选举人票，平均18万人一票。这样，怀俄明州公民手中选票的份量几乎是加州人的4倍！（名额是按总人口分配的，与州内真实选民人数会有差异但无关比较上的大局。）
然而选票的价值并不只体现在这种计票的效果上。学术界对选票价值的定义为一张选票对最后结果影响的大小。如果我们假设只有共和党和民主党两位候选人，如果一个本来准备选共和党的选民临时变卦，改投了民主党的票，这一决定是否能促成民主党反败为胜？如果这个可能性很大，则这张选票有极大的价值；反之，这张选票对结果没有影响，也就没有什么价值。
早先的选举模型假设每个选民都像扔钢蹦一样随机地选择投票给某个候选人。在这种简单情形下，选举的结果总是极其接近的，而每一张选票都对结果有着决定性的影响。把这样的模型应用到美国的选举人制度中会看到，加州的一张选票可以左右55张选举人票，而怀俄明州的一张选票却只能决定3张。因此选举人制偏向大州，与我们的直觉相反。这是所谓“班扎夫影响指数”（Banzhaf Power Index）的结论。
不过班扎夫指数中的随机假设与现实完全不符。事实上，绝大多数选民的选举意向是早就决定了的，或者倾向共和党或者倾向民主党，一辈子也很少改变。真正随机或摇摆的选民人数相对很少，但他们的摇摆却经常决定选举的结果。
更重要的是，美国的大部分州在总统选举中也有着明确的既定倾向。大州中的加利福尼亚、纽约、马萨诸塞等是铁定的民主党根据地，其中民主党选民大大超过共和党。德克萨斯和一些中小规模的州则正相反，那里共和党选民远远超过民主党。一些小州也一样，怀俄明便是共和党的铁票州。可以说，这些州并不需要真正举行总统大选，结果都是可以预测的。换句话说，这些州里个别选民手中的选票无论是投给哪个党都改变不了该州的结果，几乎一钱不值。
反过来，选举的焦点便集中于俄亥俄、佛罗利达、弗吉尼亚等等一些所谓的“摇摆州”。这些州的特点是民主党和共和党选民人数大体相当，再加上有大量的中间派可能随时倒下某一方。这些州的选票的价值便大得惊人。（笔者所在的科罗拉多州历史上曾经是共和党的铁票，但近年来随着大量加利福尼亚人的迁入逐渐转化为摇摆州。）普林斯顿大学一位业余研究选举的神经生物学教授王身宏经过对众多民意测验数据的分析认为这些州的选票价值是那些铁票州的几千万倍！
这个结论与候选人的竞选战略完全相符。每到总统选举季节，大量的竞选资金和人力资源涌入为数很少的摇摆州，那里的电视、广播和报纸等媒体充斥候选人的广告，候选人和他们的代理人更是常来常往，到处集会，热闹非凡。对当地的经济也是一笔不小的刺激。而像加利福尼亚这样人口众多的州，候选人除了偶尔来找当地富人筹款之外几乎从不涉足。
也许有人会问，那么加州这样的地方投票率是否会很低呢？其实并非如此。这里分析的只是总统选举。美国选举日投票时每个地方的选票都不一样，除了总统选举之外，还有该选区的联邦议员选举、州和地方官员选举以及大量的州宪法修正案、民意案和地方法规投票。即使总统选举在这些州里没什么意思，其它这些选举项目往往会争议很大，促使选民踊跃投票。因此全国各地的投票率不相上下，都是60%左右。
选举人制度及其带来的各种不公平已经成为美国政坛的一大奇景。尽管改革的呼声此起彼落，要真的改动这一百年老店却也不容易。她也许会作为人类民主实践中的一个奇葩而长久存在。
然而比较不为人所知的是，这天轰轰烈烈地全民投票却并不是法律上的正式选举。
“真正的”总统选举要等到一个多月之后的12月17日，那天每个州的州府将召开一个小型会议，参加者是一些不为大众所知的人物。他们在州政府负责选举的官员监督下分别投票选举总统和副总统人选。这些选票公证后以挂号信方式送到首都的参议院和国家档案馆，结果由国会认可才确定为下一任总统人选。
这些神秘的人物叫做“总统选举人”，他们履行的是美国宪法规定的总统选举程序。
总统选举人制度（Electoral College）
美国联邦政府由初始的13个独立州联合而建，故称为合众国。其初衷只是统一外交和军事，对内只是在各州间协调，内政的主权基本上还是属于州政府。因此，联邦政府的组成和规则上需要充分考虑、照顾各州的独立性和利益平衡。国父们按此思路创立了国会由按人口分配席位的众议院和每州固定两个席位的参议院而组成的制度，这样既可以代表多数人民主（众议院）又可以照顾到小州利益（参议院）。
总统也由各州为单位推举而成，起初的方案是由议会的全体议员选举，但为了保证总统相对议会的独立而放弃。折中的方案则是由各州自行决定选举人，由选举人投票产生总统。而每个州的选举人数目为该州的众议院和参议员人数总和。（1961年后，首都华盛顿所在的哥伦比亚特区也获得3个选举人名额加入总统选举，相当于一个小州。）
宪法没有详细规定选举人的产生过程，只是限制选举人不能由联邦政府官员担任。各州可以自行决定其政策。在建国初期，相当数量的州并没有为此举行民众选举，而是由州议会指定选举人参与总统大选。也有一些州按选区像选举联邦议员一样投票选举总统选举人。这样产生的总统选举人实际上是“民意代表”，他们可以按照自己的意愿决定投哪位总统候选人的票。
内战之后，各州总统选举逐渐统一为公民直接投票。每个总统候选人或其所属党派在选举前向州政府提交他们中意的选举人名单。选民投票时，选票上填写的不是总统候选人而是这些谁也不认识的总统选举人。直到20世纪以来，很多州才在选票上直接列上总统候选人，而总统选举人的名单逐渐退化为不见光的幕后操作。
除了缅因和内布拉斯卡之外的所有州都采用“赢者全赢”的方案：如果一个总统候选人（或他的选举人）在该州以多数票得胜，他的所有选举人便都获胜，也就是说他获得该州的全部选举人票。该州里投了其他人的票便算是作废了。缅因和内布拉斯卡采用的是按选举区域分配的做法，候选人按照在州内各个区域的输赢可以分享该州的选举人名额。
由候选人或其党派指定的选举人自然都是对该候选人极其忠诚的人选。在11月6日的选举日之后产生的选举人在12月17日“正式”投票选举总统时其结果便与选举日所“产生”的总统并无二致，因此这一走过场的形式不再引人注意。其实，没有任何法律或措施限制这些选举人必须按照个人的效忠或选民的意愿来投票，他们完全可以临场“倒戈”，按照自己的意愿或其它利益投上出人意料的票。事实上，近年来的选举中一再出现个别选举人临场倒戈或以弃权抗议的行为。这些行动因为未能改变选举结果而连新闻都懒得报道。
比较特殊的是在两次选举之间的一个多月时间里可能发生意外事件而导致选举结果无法预料。1872年11月29日，民主党总统候选人霍雷斯·格里雷突然因病去世。属于他的那部分选举人在随后的选举中不再有任何约束，便随心所欲地投票给其他候选人。好在那年共和党总统尤利西斯·格兰特已经赢得绝对多数，没有受其影响而顺利连任。如果离世的是格兰特，那么情形便会完全不同。美国迄今40多次总统大选，尚未出现过获得多数票候选人在选举人投票前死亡的先例。否则将会爆发严重的宪政危机。
选举人制度一直为人所诟病。这些莫名其妙的神秘选举人在选民和总统之间形成一道不必要的障碍，使得美国总统选举至少在形式上是间接选举而不是更民主的直接选举。但对这一制度的批评更多集中于针对“赢者全赢”的名额分配上，使得全民投票的计票不再拥有“一人一票”的平等。
这样的计票方式的问题突出表现在会导致全民投票的结果与选举人投票结果不相符的情况。这个在美国历史上已经出现三次，最近的便是2000年戈尔在全国范围内获得多数选票却未能当选，（小）布什虽然在选票总数上落后，却因为他在关键的几个州内获胜而得到更多的选举人票成为总统。直到今天，戈尔还在呼呼取消选举人制度。
这样的计票方法还有效地抑制了第三党或独立候选人的出现。即使是有影响的候选人，也很难赢得一个州，因此无法获取任何选举人票。1992年独立候选人佩罗是近年来最为成功者，他在全国范围内获得19%选票，在很大程度上因为分流了（老）布什的选票而导致了克林顿的当选，却也未能获取一张选举人票。
选举人制度的诸种不合理之处显而易见，但它也有一定的好处。首先它照顾了小州的利益，让小州的选民的声音得到一定放大不被大多数所淹没。另外，以州为单位决定胜负缩小了对选举结果质疑的范畴。2000年选举结果饱含争议，以至于戈尔和（小）布什在选票接近的佛罗利达州打了旷日持久的官司。该州不得不进行繁重的人工重新点票。那场争执虽然很大，却只局限于佛罗利达一个州。如果是对全民选举的票数有争议，很可能需要进行全国范围内的人工重新点票甚至重选，工程便会极为浩大了。
选票的份量和价值
无论是竞选中的政客还是有社会责任感的人士都会千篇一律地向公民宣传参加投票的重要性，强调每一张选票都同样地宝贵和重要，有可能改变历史的进程。事实却并非如此。尤其是在美国的选举人制度下，美国公民选举总统时虽然有“一人一票”的投票权，“赢者全赢”计票方式却扭曲了“一人一票”的平等。这便带来了一个有趣的问题：选民手上的那张选票价值该如何衡量？答案却并不简单。
直观而言，因为每个州无论大小都会得到相对于参议院名额的2张票，而即使是按照人口分配的众议院名额的票中，再小的州（包括首都）都保证最少另有1张，这样的选举人名额分配会大大地优惠小州、歧视大州。的确，人口最多的加利福尼亚州3千7百万人共有55个选举人票，平均69万人一张票；而人口最少的怀俄明州56万人有3张选举人票，平均18万人一票。这样，怀俄明州公民手中选票的份量几乎是加州人的4倍！（名额是按总人口分配的，与州内真实选民人数会有差异但无关比较上的大局。）
然而选票的价值并不只体现在这种计票的效果上。学术界对选票价值的定义为一张选票对最后结果影响的大小。如果我们假设只有共和党和民主党两位候选人，如果一个本来准备选共和党的选民临时变卦，改投了民主党的票，这一决定是否能促成民主党反败为胜？如果这个可能性很大，则这张选票有极大的价值；反之，这张选票对结果没有影响，也就没有什么价值。
早先的选举模型假设每个选民都像扔钢蹦一样随机地选择投票给某个候选人。在这种简单情形下，选举的结果总是极其接近的，而每一张选票都对结果有着决定性的影响。把这样的模型应用到美国的选举人制度中会看到，加州的一张选票可以左右55张选举人票，而怀俄明州的一张选票却只能决定3张。因此选举人制偏向大州，与我们的直觉相反。这是所谓“班扎夫影响指数”（Banzhaf Power Index）的结论。
不过班扎夫指数中的随机假设与现实完全不符。事实上，绝大多数选民的选举意向是早就决定了的，或者倾向共和党或者倾向民主党，一辈子也很少改变。真正随机或摇摆的选民人数相对很少，但他们的摇摆却经常决定选举的结果。
更重要的是，美国的大部分州在总统选举中也有着明确的既定倾向。大州中的加利福尼亚、纽约、马萨诸塞等是铁定的民主党根据地，其中民主党选民大大超过共和党。德克萨斯和一些中小规模的州则正相反，那里共和党选民远远超过民主党。一些小州也一样，怀俄明便是共和党的铁票州。可以说，这些州并不需要真正举行总统大选，结果都是可以预测的。换句话说，这些州里个别选民手中的选票无论是投给哪个党都改变不了该州的结果，几乎一钱不值。
反过来，选举的焦点便集中于俄亥俄、佛罗利达、弗吉尼亚等等一些所谓的“摇摆州”。这些州的特点是民主党和共和党选民人数大体相当，再加上有大量的中间派可能随时倒下某一方。这些州的选票的价值便大得惊人。（笔者所在的科罗拉多州历史上曾经是共和党的铁票，但近年来随着大量加利福尼亚人的迁入逐渐转化为摇摆州。）普林斯顿大学一位业余研究选举的神经生物学教授王身宏经过对众多民意测验数据的分析认为这些州的选票价值是那些铁票州的几千万倍！
这个结论与候选人的竞选战略完全相符。每到总统选举季节，大量的竞选资金和人力资源涌入为数很少的摇摆州，那里的电视、广播和报纸等媒体充斥候选人的广告，候选人和他们的代理人更是常来常往，到处集会，热闹非凡。对当地的经济也是一笔不小的刺激。而像加利福尼亚这样人口众多的州，候选人除了偶尔来找当地富人筹款之外几乎从不涉足。
也许有人会问，那么加州这样的地方投票率是否会很低呢？其实并非如此。这里分析的只是总统选举。美国选举日投票时每个地方的选票都不一样，除了总统选举之外，还有该选区的联邦议员选举、州和地方官员选举以及大量的州宪法修正案、民意案和地方法规投票。即使总统选举在这些州里没什么意思，其它这些选举项目往往会争议很大，促使选民踊跃投票。因此全国各地的投票率不相上下，都是60%左右。
选举人制度及其带来的各种不公平已经成为美国政坛的一大奇景。尽管改革的呼声此起彼落，要真的改动这一百年老店却也不容易。她也许会作为人类民主实践中的一个奇葩而长久存在。
10月 15, 2012 @ 11:06 pm
探求薛定谔之猫而得到的诺贝尔奖
近一个世纪以前，物理学家开始探索神奇的微观量子世界，相继发现了一些匪夷所思的现象。其中之一是波粒二相性，即微观粒子同时呈现粒子和波动的特性：它们可以同时在不同的地点出现，或同时占据不同的能量态。因为这样的行为与我们日常所熟悉的经典世界格格不入，这两个世界之间是否存在确定的分界线，又是如何相互影响的便成为一个难题。
为了解释这些新现象，丹麦物理学家尼尔斯·波尔等人在1920年代中期逐步发展出一套系统的理论：在纯粹量子世界中，粒子的状态完全由其波函数描述，波函数的平方值决定该粒子在某处出现的几率。我们对这个微观世界的观察和测量是通过经典世界的仪器进行的，只能测量到经典意义上的性质，而无法直接观测波函数及其演变。只有在对大量的重复实验结果做统计分析才能得到量子世界原有的几率发布。这便是量子力学的“哥本哈根诠释”。
比如一个具备放射性的原子会在某个时刻自发地放射出某种粒子而衰变成其它原子。我们在对大量同种原子的衰变过程观测后可以知道其衰变的速度（半衰期）。但对任何一个单个原子，我们只能知道它有一定几率会发生衰变，却无法确知它是否会在一个特定的时刻衰变。在量子理论中，这个原子处于一种“既衰变又没有衰变”的状态——其波函数是衰变态和未衰变态的叠加。两个态的相对比重决定其在该时刻发生（或不发生）衰变的几率。
而我们用经典世界的仪器观测这个原子时，在任何时刻都只能看到它或者尚未发生衰变，或者已经衰变了，无法看到所谓“既衰变又未衰变”的状态。在哥本哈根诠释中，这样的结果是经典世界和量子世界接触时的必然结果。量子世界的原子的波函数在被经典世界仪器观察时发生了“塌缩”：从原来的叠加态变成了其中的某一个态。而这个塌缩是瞬间完成的，其过程本身亦无法观测。
这个理论从一开始便引起许多著名物理学家的怀疑和挑战。1935年，说过“上帝不掷骰子”名言的爱因斯坦便与同行一起设想了一个在这个诠释中可能出现超光速而破坏因果关系的假想实验（即EPR悖论）。其后不久，薛定谔在与爱因斯坦讨论后提出了一个更为简明的假想实验，也就是著名的“薛定谔之猫”：设想在一个封闭的箱子里有一只猫和一个放射性原子，原子衰变时放射出的粒子可以将箱子里的一个毒气瓶打开，将猫毒死。这样，原子是否衰变与猫的生死变得息息相关，成为统一状态。我们打开箱子时，猫可能死了（原子衰变了）也可能活着（原子尚未衰变）。然而无论是死是活都只是打开箱子观察的那一瞬间猫和原子波函数塌缩的结果。在那之前，猫与原子一起却是处于“既死又活”的状态中。
薛定谔这一假想实验的意义在于把量子世界的原子与经典世界的猫直接地栓到了一起，或者说两个世界的状态发生了耦合或“纠缠”。这使得哥本哈根诠释的前提——两个世界有着泾渭分明的行为——变得模糊可疑。如果说人们对量子世界中的奇特现象比较容易接受的话，没有人会认可经典世界的猫也能处于一种既死又活的荒唐状态。
当然，物理不是哲学的思辨。几十年来，物理学家在对此问题百思不得其解的同时更加致力于将这个假想实验付诸实施，在一些不同的领域实现了与薛定谔之猫等价的物理真实。这些努力中的两个突出例子便是2012年诺贝尔物理学奖的获奖工作。
诚然，我们现在还没法在一个箱子里存放单个的反射性原子并让其放射出的粒子打开一个有毒气的瓶子。（更何况那会激怒所有的爱猫人士和动物保护者。）所谓经典世界与量子世界的耦合或纠缠还只能在很小的尺度，也就是介于微观和宏观之间的“介观世界”（mesoscopic）中实现。
美国科罗拉多大学和国家标准与技术研究院的大卫·维因兰德教授的研究组采用的是带正电的铍离子。他们通过激光制冷等手段把单个的铍离子“锁定”在一个电场势阱里，只允许它在势阱里做轻微的振动。由于铍原子质量相对较大，这样的振动基本上不具量子特征，相对于经典世界的“猫”。同时,铍离子中的电子在激光的激发下可以在两个邻近的能级之间跃迁，或被调制为处于同时具备两个能级的叠加态上，这便相当于量子世界的放射性原子。他们用一连串不同频率的激光“操纵”这个离子，先让它进入量子的叠加态，然后将这个叠加态与离子本身的振动耦合起来，便实现了经典和量子两个世界的“纠缠”。
法国巴黎高等师范学院的赛尔日·阿罗什教授则反其道而行之。他们将少量的光子引入两面金属铌制成的镜子之间。在极低的温度下，光子与周围环境几乎没有作用，镜子因为成为超导体能够完全反射光子。这样，光子可以在两个镜子之间来回反射达100多微秒的时间不被吸收。它们在这相距大约3厘米的两个镜子之间的运动成为这个实验设计中的经典世界部分（猫）。同时，阿罗什让一个处于高激发态的铷原子穿过光子的路径。因为频率的差异，铷原子无法吸收该光子，但能在与光子的碰撞过程中与光子所处的态实现耦合或纠缠。当铷原子被调制成处于两个高激发态的叠加态时，光子与其纠缠后便成了薛定谔之猫。
这两个实验不仅能够制备出相当于薛定谔之猫的“经典”与量子世界的纠缠态，还可以对这种态进行动态的测量。测量的方式与制备本身相同。美国的实验用激光再次照射处于纠缠态的离子，而法国的实验则将另一个相同的铷原子送入光子的路径，获取纠缠态的数据。
阿罗什在法国的实验中还发现，他们那些处于纠缠态的光子并不稳定。因为镜子表面不是理想的反射面，某些光子会因为散射逃出。而即使有一个光子逃逸，都会令剩下的光子失去纠缠。在宏观世界中，一只真正的猫由无数的原子分子组成，几乎没有可能让它们保持在同一纠缠态上。因此，现实的薛定谔之猫大概是无法实现的。
但在这些实验中，阿罗什却发现通过改变制备和观测的两个铷原子进入光场的时间差，他们可以测量到光子失去纠缠的经过。在他们的实验中，叠加态的塌缩并不是哥本哈根诠释中所描述的“瞬时”作用，而是有一个明确的衰减过程。这种衰减在物理上叫做“退相干”过程，与瞬时的塌缩概念相对。类似的衰减过程也在维因兰德的离子实验中观测到。
维因兰德和阿罗什的实验都打破了原始的哥本哈根诠释为量子测量规定的条条框框。他们不仅在原子和光子作用的领域实现了等价于薛定谔之猫的场景，并通过对这些原子和光子的操纵得以直接研究这一状态的演化过程。因此，诺贝尔奖委员会认为他们做到了在此之前被认为是不可能的事情，打开了实验量子物理的一个崭新时代的大门。
为了解释这些新现象，丹麦物理学家尼尔斯·波尔等人在1920年代中期逐步发展出一套系统的理论：在纯粹量子世界中，粒子的状态完全由其波函数描述，波函数的平方值决定该粒子在某处出现的几率。我们对这个微观世界的观察和测量是通过经典世界的仪器进行的，只能测量到经典意义上的性质，而无法直接观测波函数及其演变。只有在对大量的重复实验结果做统计分析才能得到量子世界原有的几率发布。这便是量子力学的“哥本哈根诠释”。
比如一个具备放射性的原子会在某个时刻自发地放射出某种粒子而衰变成其它原子。我们在对大量同种原子的衰变过程观测后可以知道其衰变的速度（半衰期）。但对任何一个单个原子，我们只能知道它有一定几率会发生衰变，却无法确知它是否会在一个特定的时刻衰变。在量子理论中，这个原子处于一种“既衰变又没有衰变”的状态——其波函数是衰变态和未衰变态的叠加。两个态的相对比重决定其在该时刻发生（或不发生）衰变的几率。
而我们用经典世界的仪器观测这个原子时，在任何时刻都只能看到它或者尚未发生衰变，或者已经衰变了，无法看到所谓“既衰变又未衰变”的状态。在哥本哈根诠释中，这样的结果是经典世界和量子世界接触时的必然结果。量子世界的原子的波函数在被经典世界仪器观察时发生了“塌缩”：从原来的叠加态变成了其中的某一个态。而这个塌缩是瞬间完成的，其过程本身亦无法观测。
这个理论从一开始便引起许多著名物理学家的怀疑和挑战。1935年，说过“上帝不掷骰子”名言的爱因斯坦便与同行一起设想了一个在这个诠释中可能出现超光速而破坏因果关系的假想实验（即EPR悖论）。其后不久，薛定谔在与爱因斯坦讨论后提出了一个更为简明的假想实验，也就是著名的“薛定谔之猫”：设想在一个封闭的箱子里有一只猫和一个放射性原子，原子衰变时放射出的粒子可以将箱子里的一个毒气瓶打开，将猫毒死。这样，原子是否衰变与猫的生死变得息息相关，成为统一状态。我们打开箱子时，猫可能死了（原子衰变了）也可能活着（原子尚未衰变）。然而无论是死是活都只是打开箱子观察的那一瞬间猫和原子波函数塌缩的结果。在那之前，猫与原子一起却是处于“既死又活”的状态中。
薛定谔这一假想实验的意义在于把量子世界的原子与经典世界的猫直接地栓到了一起，或者说两个世界的状态发生了耦合或“纠缠”。这使得哥本哈根诠释的前提——两个世界有着泾渭分明的行为——变得模糊可疑。如果说人们对量子世界中的奇特现象比较容易接受的话，没有人会认可经典世界的猫也能处于一种既死又活的荒唐状态。
当然，物理不是哲学的思辨。几十年来，物理学家在对此问题百思不得其解的同时更加致力于将这个假想实验付诸实施，在一些不同的领域实现了与薛定谔之猫等价的物理真实。这些努力中的两个突出例子便是2012年诺贝尔物理学奖的获奖工作。
诚然，我们现在还没法在一个箱子里存放单个的反射性原子并让其放射出的粒子打开一个有毒气的瓶子。（更何况那会激怒所有的爱猫人士和动物保护者。）所谓经典世界与量子世界的耦合或纠缠还只能在很小的尺度，也就是介于微观和宏观之间的“介观世界”（mesoscopic）中实现。
美国科罗拉多大学和国家标准与技术研究院的大卫·维因兰德教授的研究组采用的是带正电的铍离子。他们通过激光制冷等手段把单个的铍离子“锁定”在一个电场势阱里，只允许它在势阱里做轻微的振动。由于铍原子质量相对较大，这样的振动基本上不具量子特征，相对于经典世界的“猫”。同时,铍离子中的电子在激光的激发下可以在两个邻近的能级之间跃迁，或被调制为处于同时具备两个能级的叠加态上，这便相当于量子世界的放射性原子。他们用一连串不同频率的激光“操纵”这个离子，先让它进入量子的叠加态，然后将这个叠加态与离子本身的振动耦合起来，便实现了经典和量子两个世界的“纠缠”。
法国巴黎高等师范学院的赛尔日·阿罗什教授则反其道而行之。他们将少量的光子引入两面金属铌制成的镜子之间。在极低的温度下，光子与周围环境几乎没有作用，镜子因为成为超导体能够完全反射光子。这样，光子可以在两个镜子之间来回反射达100多微秒的时间不被吸收。它们在这相距大约3厘米的两个镜子之间的运动成为这个实验设计中的经典世界部分（猫）。同时，阿罗什让一个处于高激发态的铷原子穿过光子的路径。因为频率的差异，铷原子无法吸收该光子，但能在与光子的碰撞过程中与光子所处的态实现耦合或纠缠。当铷原子被调制成处于两个高激发态的叠加态时，光子与其纠缠后便成了薛定谔之猫。
这两个实验不仅能够制备出相当于薛定谔之猫的“经典”与量子世界的纠缠态，还可以对这种态进行动态的测量。测量的方式与制备本身相同。美国的实验用激光再次照射处于纠缠态的离子，而法国的实验则将另一个相同的铷原子送入光子的路径，获取纠缠态的数据。
阿罗什在法国的实验中还发现，他们那些处于纠缠态的光子并不稳定。因为镜子表面不是理想的反射面，某些光子会因为散射逃出。而即使有一个光子逃逸，都会令剩下的光子失去纠缠。在宏观世界中，一只真正的猫由无数的原子分子组成，几乎没有可能让它们保持在同一纠缠态上。因此，现实的薛定谔之猫大概是无法实现的。
但在这些实验中，阿罗什却发现通过改变制备和观测的两个铷原子进入光场的时间差，他们可以测量到光子失去纠缠的经过。在他们的实验中，叠加态的塌缩并不是哥本哈根诠释中所描述的“瞬时”作用，而是有一个明确的衰减过程。这种衰减在物理上叫做“退相干”过程，与瞬时的塌缩概念相对。类似的衰减过程也在维因兰德的离子实验中观测到。
维因兰德和阿罗什的实验都打破了原始的哥本哈根诠释为量子测量规定的条条框框。他们不仅在原子和光子作用的领域实现了等价于薛定谔之猫的场景，并通过对这些原子和光子的操纵得以直接研究这一状态的演化过程。因此，诺贝尔奖委员会认为他们做到了在此之前被认为是不可能的事情，打开了实验量子物理的一个崭新时代的大门。
9月 17, 2012 @ 5:29 pm
对称性自发破缺与希格斯粒子
朋友们出去聚餐时有时候会遇到一点小尴尬：不知道自己座位边上的水杯或餐具是给自己还是旁座用的。但这点麻烦很容易解决，因为我们作为人类有自己做判断、决定的智力和与别人交流的能力。如果没有自主意识的自然界遇到了同样的问题，它是否也能找到解决方法？这个问题听起来匪夷所思，但正是这方面的研究导致了20世纪物理学最辉煌的成就——对称性自发破缺。
其实，早在14世纪，人类便开始思考这个问题。一个以法国哲学家让·布里丹命名的“驴子悖论”设想有一头位于两堆草料之间的驴子。因为草料相对于驴子完全对称，驴子没有任何理由选择是吃左边还是右边的草料，最终只能眼睁睁地看着美味食品饿死。（“布里丹之驴”是作为道德和理性选择的困境提出的，但其根源在于对称性。）
在1950年代前后，物理学家在基本粒子领域里也遇到了同样的难题。但与哲学家不同的是，物理学家不会满足于思辨悖论本身的“奇妙”，而是寻求解决的途径。他们更感兴趣的问题是，假如驴子饿极了“冒昧”吃了左边（或右边）的草料，因此打破了原有的对称性，会发生什么样的情况？而这样的情形是否确实是在自然界发生着？
这一研究过程非常不顺利，很多物理学家在距离答案咫尺之遥时裹足不前痛失良机，最后的成功则是在走了大量的弯路后才取得的。在那之前，物理学界已经意识到对称性的重要性。一个能够描述自然界的理论必须保证做到“规范”对称，否则会导致发散，也就是得出荒唐的结果。但在规范对称的方程里，传递作用力的粒子质量必须是零，因此以光速传播，造成作用力是长距离的。这对于电磁相互作用天然吻合——该作用由无质量的光子传递。但核子的强、弱相互作用都是非常短距的，传递这些相互作用的粒子必然有质量，才会在短距离（时间）内衰变，不能将作用力传递很远。但几乎一切在规范场方程中引进质量的尝试都因为破坏了对称性而导致结果发散的失败而告终。
设想一张圆形的餐桌，沿着桌边为每个座位摆放了供人就餐的食品。假如座位和餐具摆放得精细，它会有一种非常优美的旋转对称性：我们如果从上而下俯视桌面，把桌子旋转一定角度后，所有座位、餐具均与原来位置重叠，就像没有旋转过一样。这便是旋转对称的一个表现形式。旋转便是这个例子中的“规范”，这张餐桌便具备了一种规范对称性。食客坐下后可以按部就班地享受自己面前的美味，不需要与邻座或他人打交道——相对于质量为零的规范粒子。
接着设想摆桌子的人正好把水杯放在两个座位的中间位置，这样并没有破坏原有的旋转对称性。但坐下来的食客发现自己左右各有一个水杯，却无法决定哪一个是为自己准备的——他们陷入了那头驴子的困境。如果就此不喝水的话显然不是一件很爽的事情。这在物理学的语言里叫做该系统没有处于能量最低的基态，因此具有一定的不稳定性，会自己找到并转换到更合适的基态。
如果餐桌上的食客都与那头驴一样犟，我们无疑会陷入僵局。但如果能有一个渴极了的家伙不顾社交礼仪，伸手去取右边的水杯。这个随机的动作会立刻解决桌上所有人的困境——大家都会随之看出自己右边的水杯是属于自己的，可以伸手取之。（如果那个人是左撇子，拿的是左手边的水杯，其他人也会跟着他取左边的水杯，结果是一样的。）这样，就餐的食客的行为突然与邻座相关了。
其实，这样的对称破缺在现实世界中比比皆是。一个放置在尖顶上的大球有可能平衡在针尖上面，但极其不稳定，总会自己滚下来，虽然该球本身没有依据选择往哪个方向滚。液体中的分子是均匀分布的，也就是具备完全的空间平移和旋转对称性。足够冷却之后，液体会突然凝固成固体，分子只能出现在特定的晶格点上，不再具备当初的对称性。液体与固体之间的这种变化叫做相变，而很多相变都会伴随着类似对称性的永久破缺。这一事实原先没有引起太大注意，因为在经典物理中并不存在理想的对称性。一丝微风的轻拂便能够为尖顶上的大球提供滚落的方向，而液体中的杂质和边界环境主宰了晶体结构形成的方式。微风、杂质、边界等等的存在表明这些系统本身并没有具备完全的对称性，而是早就已经破缺了。
后来，相变的研究进入了量子效应在宏观世界的表现，尤其是固体中的超导（也就是金属在低温时电阻突然消失的）现象。1957年，超导现象由一个被称作BCS理论的模型完全解释。后续的研究发现，BCS理论实际上就是规范场论的一种特殊形式，其中也包含了对称的破缺。更神奇的是，该理论中的对称破缺不依赖于杂质等外在因素的存在，而是系统本身完全自发的作为。这一发现令物理学家豁然开朗：原来我们的自然世界并不是一头蠢驴。
但规范场论的问题并没能因此解决。我们进一步想像一下那个餐桌上的人反应比较迟钝的情形。第一个人拿起水杯的动作首先被他身边的人注意到，他们也随之拿起（现在知道是）属于自己的杯子。这个行动再度影响他们的邻居而持续下去。这样在外人看来大家的动作并不是同时的，而是取水的行为像一个“波”一样从第一个人那里向外传播，直到所有人都拿起水杯。波动在相应的数学语言中代表一个“场”的存在。也就是说，我们发现了一个新的场，也相应地发现应该有一种新的粒子作为这个场的激发子。
如果就餐的人记忆不好，他们还可能一会儿用右边的水杯，一会儿用左边的水杯。只要大家不顾忌由此带来的卫生问题并保持步调一致的话，我们可以看到刚发现的这个粒子不断地出现和消失，却没有改变系统的状态。在物理模型中，不改变系统能量状态的粒子质量为零。这个零质量的新粒子初始是由物理学家南部和杰弗里·古德斯丁通过数学推导发现的，被称为“古德斯丁玻色子”。古德斯丁还证明了在规范对称的理论中必须存在这样的玻色子。
问题是这样的粒子在我们这个现实世界中并不存在。古德斯丁的发现一度宣判了规范场论的死刑，尽管其理论本身很漂亮。其后几十年中的理论上的诸多突破（其中一些后来获得诺贝尔奖）在发表时都因此未能引起注意。
回到我们的餐桌上。现在设想餐桌很大，人很多。能够自作主张打破对称性取水的可能不止一个人。如果餐桌某处的“第一个人”取了右手的水杯，而另一处却有另一人取了左手的水杯，他们邻近的人分别随他们的选择行事，这样出现的两个波必然会在某些地方相遇，造成有人两边的水杯都被邻座取走没有水喝，而另有人却面对左右两杯水都属于自己的尴尬局面。这显然不爽，也就是我们没有能够到达所要的基态。
要解决这个不愉快的场面，餐桌上的人不能再保持绅士风度默默地取水。他们必须与他人商量，调换水杯。这样，原来的对称便完全被打破了，造成了一个局部的“混乱”。如果就餐的人足够理智，每一次混乱都是暂时的，很快便能平息。但如果他们不能吸取教训，这样的混乱便会此起彼伏，成为一个常规的现象。
乱却也有乱的好处。在数学上，原来井然的秩序对应于规范场论的那个重要特征：其中所有的粒子都是零质量的。被搅乱的情形则相当于这些粒子被迫与所处的环境发生作用，而在这过程中改变了自己的性质：它们的效应变成暂时的、短距的，也就是它们获得了质量。
那么，这个“混乱”本身又是什么呢？想像一下那个从尖顶上轰隆隆地滚下来的大球。如果底部并不是平面，而是一个凹槽，这球不会一下子停留在凹槽的底部，而是在底部附近的槽面上来回振荡。这和餐桌上的冲突使得系统不能实现能量最低的基态是同样的情形。这种在基态附近的振荡便是“混乱”的根源。而振荡本身也是一种波动，说明还存在有一个新的场，是这个场与规范粒子的相互作用而使后者获取了质量。这个场便是现在大家所听说的“希格斯场”，它相应的激发子便是那神秘的“希格斯粒子”。
希格斯粒子与规范粒子作用使其获取质量的同时也破坏了当初古德斯丁发现其定理的前提条件——在存在混乱的餐桌上不可能再有步调一致的取杯子动作，也就是说，那鬼魅一般的古德斯丁粒子其实的确并不存在。
希格斯场是在1960年代中期由多名物理学家几乎同时提出的。希格斯本人并不是首先提出者。该场和粒子后来以他命名其实是一个历史的巧合或误会。但这一机制的提出，既解决了规范场论中粒子零质量的难题，也清除了子虚乌有的古德斯丁粒子，可谓一举两得，为后来的弱电统一理论以及一举统一弱、电磁和强相互作用的所谓“标准模型”奠定了坚实的基础。
“标准模型”的成功当然并不只在于上面描述的模型之自洽和漂亮，而是该理论可以精确预测其中诸多规范粒子的质量。过去几十年来，高能物理试验实际上便是在按图索骥，一个个地发现了所预测的粒子，一次次地证明该理论的正确和准确。就连因为质量最大而最难捕获的希格斯粒子本身也在今年7月被观测到（虽然尚未完全证实）。在这个重大发现之前，许多物理学家曾评论道，找到希格斯粒子并不稀奇，如果找不到才是稀奇。
这一系列实验证明，自然界的确能够自发地作出会导致对称破缺的选择，而这样的选择机制完全能够被智慧的人类所理解。这才是比“悖论”更为奇妙之所在。
也就是这样，在近10个世纪的哲学家盯着一头垂死的蠢驴苦思冥想之际，物理学家已经以不断地新发现将人类对自然的认知推进到新的境界。
其实，早在14世纪，人类便开始思考这个问题。一个以法国哲学家让·布里丹命名的“驴子悖论”设想有一头位于两堆草料之间的驴子。因为草料相对于驴子完全对称，驴子没有任何理由选择是吃左边还是右边的草料，最终只能眼睁睁地看着美味食品饿死。（“布里丹之驴”是作为道德和理性选择的困境提出的，但其根源在于对称性。）
在1950年代前后，物理学家在基本粒子领域里也遇到了同样的难题。但与哲学家不同的是，物理学家不会满足于思辨悖论本身的“奇妙”，而是寻求解决的途径。他们更感兴趣的问题是，假如驴子饿极了“冒昧”吃了左边（或右边）的草料，因此打破了原有的对称性，会发生什么样的情况？而这样的情形是否确实是在自然界发生着？
这一研究过程非常不顺利，很多物理学家在距离答案咫尺之遥时裹足不前痛失良机，最后的成功则是在走了大量的弯路后才取得的。在那之前，物理学界已经意识到对称性的重要性。一个能够描述自然界的理论必须保证做到“规范”对称，否则会导致发散，也就是得出荒唐的结果。但在规范对称的方程里，传递作用力的粒子质量必须是零，因此以光速传播，造成作用力是长距离的。这对于电磁相互作用天然吻合——该作用由无质量的光子传递。但核子的强、弱相互作用都是非常短距的，传递这些相互作用的粒子必然有质量，才会在短距离（时间）内衰变，不能将作用力传递很远。但几乎一切在规范场方程中引进质量的尝试都因为破坏了对称性而导致结果发散的失败而告终。
设想一张圆形的餐桌，沿着桌边为每个座位摆放了供人就餐的食品。假如座位和餐具摆放得精细，它会有一种非常优美的旋转对称性：我们如果从上而下俯视桌面，把桌子旋转一定角度后，所有座位、餐具均与原来位置重叠，就像没有旋转过一样。这便是旋转对称的一个表现形式。旋转便是这个例子中的“规范”，这张餐桌便具备了一种规范对称性。食客坐下后可以按部就班地享受自己面前的美味，不需要与邻座或他人打交道——相对于质量为零的规范粒子。
接着设想摆桌子的人正好把水杯放在两个座位的中间位置，这样并没有破坏原有的旋转对称性。但坐下来的食客发现自己左右各有一个水杯，却无法决定哪一个是为自己准备的——他们陷入了那头驴子的困境。如果就此不喝水的话显然不是一件很爽的事情。这在物理学的语言里叫做该系统没有处于能量最低的基态，因此具有一定的不稳定性，会自己找到并转换到更合适的基态。
如果餐桌上的食客都与那头驴一样犟，我们无疑会陷入僵局。但如果能有一个渴极了的家伙不顾社交礼仪，伸手去取右边的水杯。这个随机的动作会立刻解决桌上所有人的困境——大家都会随之看出自己右边的水杯是属于自己的，可以伸手取之。（如果那个人是左撇子，拿的是左手边的水杯，其他人也会跟着他取左边的水杯，结果是一样的。）这样，就餐的食客的行为突然与邻座相关了。
其实，这样的对称破缺在现实世界中比比皆是。一个放置在尖顶上的大球有可能平衡在针尖上面，但极其不稳定，总会自己滚下来，虽然该球本身没有依据选择往哪个方向滚。液体中的分子是均匀分布的，也就是具备完全的空间平移和旋转对称性。足够冷却之后，液体会突然凝固成固体，分子只能出现在特定的晶格点上，不再具备当初的对称性。液体与固体之间的这种变化叫做相变，而很多相变都会伴随着类似对称性的永久破缺。这一事实原先没有引起太大注意，因为在经典物理中并不存在理想的对称性。一丝微风的轻拂便能够为尖顶上的大球提供滚落的方向，而液体中的杂质和边界环境主宰了晶体结构形成的方式。微风、杂质、边界等等的存在表明这些系统本身并没有具备完全的对称性，而是早就已经破缺了。
后来，相变的研究进入了量子效应在宏观世界的表现，尤其是固体中的超导（也就是金属在低温时电阻突然消失的）现象。1957年，超导现象由一个被称作BCS理论的模型完全解释。后续的研究发现，BCS理论实际上就是规范场论的一种特殊形式，其中也包含了对称的破缺。更神奇的是，该理论中的对称破缺不依赖于杂质等外在因素的存在，而是系统本身完全自发的作为。这一发现令物理学家豁然开朗：原来我们的自然世界并不是一头蠢驴。
但规范场论的问题并没能因此解决。我们进一步想像一下那个餐桌上的人反应比较迟钝的情形。第一个人拿起水杯的动作首先被他身边的人注意到，他们也随之拿起（现在知道是）属于自己的杯子。这个行动再度影响他们的邻居而持续下去。这样在外人看来大家的动作并不是同时的，而是取水的行为像一个“波”一样从第一个人那里向外传播，直到所有人都拿起水杯。波动在相应的数学语言中代表一个“场”的存在。也就是说，我们发现了一个新的场，也相应地发现应该有一种新的粒子作为这个场的激发子。
如果就餐的人记忆不好，他们还可能一会儿用右边的水杯，一会儿用左边的水杯。只要大家不顾忌由此带来的卫生问题并保持步调一致的话，我们可以看到刚发现的这个粒子不断地出现和消失，却没有改变系统的状态。在物理模型中，不改变系统能量状态的粒子质量为零。这个零质量的新粒子初始是由物理学家南部和杰弗里·古德斯丁通过数学推导发现的，被称为“古德斯丁玻色子”。古德斯丁还证明了在规范对称的理论中必须存在这样的玻色子。
问题是这样的粒子在我们这个现实世界中并不存在。古德斯丁的发现一度宣判了规范场论的死刑，尽管其理论本身很漂亮。其后几十年中的理论上的诸多突破（其中一些后来获得诺贝尔奖）在发表时都因此未能引起注意。
回到我们的餐桌上。现在设想餐桌很大，人很多。能够自作主张打破对称性取水的可能不止一个人。如果餐桌某处的“第一个人”取了右手的水杯，而另一处却有另一人取了左手的水杯，他们邻近的人分别随他们的选择行事，这样出现的两个波必然会在某些地方相遇，造成有人两边的水杯都被邻座取走没有水喝，而另有人却面对左右两杯水都属于自己的尴尬局面。这显然不爽，也就是我们没有能够到达所要的基态。
要解决这个不愉快的场面，餐桌上的人不能再保持绅士风度默默地取水。他们必须与他人商量，调换水杯。这样，原来的对称便完全被打破了，造成了一个局部的“混乱”。如果就餐的人足够理智，每一次混乱都是暂时的，很快便能平息。但如果他们不能吸取教训，这样的混乱便会此起彼伏，成为一个常规的现象。
乱却也有乱的好处。在数学上，原来井然的秩序对应于规范场论的那个重要特征：其中所有的粒子都是零质量的。被搅乱的情形则相当于这些粒子被迫与所处的环境发生作用，而在这过程中改变了自己的性质：它们的效应变成暂时的、短距的，也就是它们获得了质量。
那么，这个“混乱”本身又是什么呢？想像一下那个从尖顶上轰隆隆地滚下来的大球。如果底部并不是平面，而是一个凹槽，这球不会一下子停留在凹槽的底部，而是在底部附近的槽面上来回振荡。这和餐桌上的冲突使得系统不能实现能量最低的基态是同样的情形。这种在基态附近的振荡便是“混乱”的根源。而振荡本身也是一种波动，说明还存在有一个新的场，是这个场与规范粒子的相互作用而使后者获取了质量。这个场便是现在大家所听说的“希格斯场”，它相应的激发子便是那神秘的“希格斯粒子”。
希格斯粒子与规范粒子作用使其获取质量的同时也破坏了当初古德斯丁发现其定理的前提条件——在存在混乱的餐桌上不可能再有步调一致的取杯子动作，也就是说，那鬼魅一般的古德斯丁粒子其实的确并不存在。
希格斯场是在1960年代中期由多名物理学家几乎同时提出的。希格斯本人并不是首先提出者。该场和粒子后来以他命名其实是一个历史的巧合或误会。但这一机制的提出，既解决了规范场论中粒子零质量的难题，也清除了子虚乌有的古德斯丁粒子，可谓一举两得，为后来的弱电统一理论以及一举统一弱、电磁和强相互作用的所谓“标准模型”奠定了坚实的基础。
“标准模型”的成功当然并不只在于上面描述的模型之自洽和漂亮，而是该理论可以精确预测其中诸多规范粒子的质量。过去几十年来，高能物理试验实际上便是在按图索骥，一个个地发现了所预测的粒子，一次次地证明该理论的正确和准确。就连因为质量最大而最难捕获的希格斯粒子本身也在今年7月被观测到（虽然尚未完全证实）。在这个重大发现之前，许多物理学家曾评论道，找到希格斯粒子并不稀奇，如果找不到才是稀奇。
这一系列实验证明，自然界的确能够自发地作出会导致对称破缺的选择，而这样的选择机制完全能够被智慧的人类所理解。这才是比“悖论”更为奇妙之所在。
也就是这样，在近10个世纪的哲学家盯着一头垂死的蠢驴苦思冥想之际，物理学家已经以不断地新发现将人类对自然的认知推进到新的境界。
9月 14, 2012 @ 7:46 pm
美国公务员的“政策”与“政治”活动之别
今年二月份，美国卫生及公众服务部部长凯瑟琳·赛博露丝应邀出席一个人权运动组织的晚会并发表主题讲话。其间她离开讲稿，即兴讲了一句话：“非常重要的是我们要努力保证【奥巴马】总统获得连任和在北卡罗来纳州选上一名民主党州长。”
出乎意料的是，这句看来只是出于她自己的感慨的话彻底改变了她的讲话、甚至她参与晚会的性质。大半年后，政府的一个专门办公室于本星期宣布他们调查后认定赛博露丝的讲话违反了禁止公务员在官方场合做政治性讲话的联邦法律。作为回应，卫生部不得不将她那次活动重新界定，不算是官方正式活动。全部旅程费用由赛博露丝本人承担，补交给政府。
早在1930年代，美国政府的公务员制度刚开始成型。那时联邦政府在富兰克林·罗斯福总统治下急剧膨胀，大批的年轻公务员雄赳赳气昂昂地推行其“新政”的同时也极力宣传总统的政治理念。这情形引起了在野的共和党的不满和一些民主党有识之士的警惕。1939年，国会通过了一项名叫“哈奇法案”的联邦法，禁止联邦雇员利用职务之便和公款从事政治性活动。
因为这个法律的因素，美国政界官员的言行被分成两类：“政策”（policy）性和“政治”（politics）性。前者是他们的本职工作，为政府和人民服务。后者则是增强或推广个人理念以及竞选等私人活动。二者水火不相容。
哈奇法案适用于总统之外的几乎所有公务员，包括部长级的内阁成员和幕僚。几十年来，这个法律大大限制了美国政府职员利用职位参政的自由，保证纳税人的钱不被政客用于结党营私。它具体地禁止公务员在上班时间、在政府办公室里、穿着官方制服时或使用政府车辆时参与竞选一类的政治活动。上班时也禁止佩戴任何竞选或其它政治性的徽章标志。在执行公务之外，也就是下班后，职员的言论、行动则属于个人自由，可以任意参加竞选活动。（出于安全保护考虑，总统或其它高级官员参加竞选活动时可以使用空军一号等政府设备，但全部费用必须由其本人或竞选组织承担。）
为了遵从法律要求，总统在选举期间手下会有两个泾渭分明的班子：一个主管“政策”，在白宫协助总统执政的日常工作；另一个主管“政治”，则是通常所说的竞选班子。后者的费用完全由总统自己筹集的竞选捐款支付，自己找地方办公活动。总统的讲话、出访等等也会严格的界定为“政策性”的还是“政治性”的，前者是正常的职务活动，但不能出现与竞选有关的言论和行为。后者则是竞选活动，不能动用纳税人公款。
由国会通过的哈奇法案是针对政府执行机构的。但国会也给自己的议员制定了类似的限制，由国会的道德委员会负责。国会议员们在自己的本职工作之外需要花相当的时间为自己连任竞选筹款，但这些活动不能使用自己的办公设备。在过去没有手机的时代，衣冠楚楚的众议员、参议员们时常必须走出自己宽敞的办公室、国会大厦或办公楼，穿过街道来到一处很不起眼的楼房，到里面挤在狭小的格子间里给自己的支持者打电话谋求资助和选票。现在有了手机稍微方便一些，但也还是需要离开政府办公楼才能用自己的手机、计算机等设备竞选。经常有人一不小心用了政府的设备或电邮地址发出筹款信件而被调查和惩治。也是在今年初，密苏里州的一位参议员就因为在国会大厦的圆屋顶下接受电视节目采访时顺带提到自己的竞选网站，希望观众捐款而遇到麻烦。
在金钱横行的美国政界，这些法律规章下出现的一些案例常常会让人觉得实在是小题大做。但正是在这些小事上的认真保护了纳税人的利益不被政客随意侵占。
出乎意料的是，这句看来只是出于她自己的感慨的话彻底改变了她的讲话、甚至她参与晚会的性质。大半年后，政府的一个专门办公室于本星期宣布他们调查后认定赛博露丝的讲话违反了禁止公务员在官方场合做政治性讲话的联邦法律。作为回应，卫生部不得不将她那次活动重新界定，不算是官方正式活动。全部旅程费用由赛博露丝本人承担，补交给政府。
早在1930年代，美国政府的公务员制度刚开始成型。那时联邦政府在富兰克林·罗斯福总统治下急剧膨胀，大批的年轻公务员雄赳赳气昂昂地推行其“新政”的同时也极力宣传总统的政治理念。这情形引起了在野的共和党的不满和一些民主党有识之士的警惕。1939年，国会通过了一项名叫“哈奇法案”的联邦法，禁止联邦雇员利用职务之便和公款从事政治性活动。
因为这个法律的因素，美国政界官员的言行被分成两类：“政策”（policy）性和“政治”（politics）性。前者是他们的本职工作，为政府和人民服务。后者则是增强或推广个人理念以及竞选等私人活动。二者水火不相容。
哈奇法案适用于总统之外的几乎所有公务员，包括部长级的内阁成员和幕僚。几十年来，这个法律大大限制了美国政府职员利用职位参政的自由，保证纳税人的钱不被政客用于结党营私。它具体地禁止公务员在上班时间、在政府办公室里、穿着官方制服时或使用政府车辆时参与竞选一类的政治活动。上班时也禁止佩戴任何竞选或其它政治性的徽章标志。在执行公务之外，也就是下班后，职员的言论、行动则属于个人自由，可以任意参加竞选活动。（出于安全保护考虑，总统或其它高级官员参加竞选活动时可以使用空军一号等政府设备，但全部费用必须由其本人或竞选组织承担。）
为了遵从法律要求，总统在选举期间手下会有两个泾渭分明的班子：一个主管“政策”，在白宫协助总统执政的日常工作；另一个主管“政治”，则是通常所说的竞选班子。后者的费用完全由总统自己筹集的竞选捐款支付，自己找地方办公活动。总统的讲话、出访等等也会严格的界定为“政策性”的还是“政治性”的，前者是正常的职务活动，但不能出现与竞选有关的言论和行为。后者则是竞选活动，不能动用纳税人公款。
由国会通过的哈奇法案是针对政府执行机构的。但国会也给自己的议员制定了类似的限制，由国会的道德委员会负责。国会议员们在自己的本职工作之外需要花相当的时间为自己连任竞选筹款，但这些活动不能使用自己的办公设备。在过去没有手机的时代，衣冠楚楚的众议员、参议员们时常必须走出自己宽敞的办公室、国会大厦或办公楼，穿过街道来到一处很不起眼的楼房，到里面挤在狭小的格子间里给自己的支持者打电话谋求资助和选票。现在有了手机稍微方便一些，但也还是需要离开政府办公楼才能用自己的手机、计算机等设备竞选。经常有人一不小心用了政府的设备或电邮地址发出筹款信件而被调查和惩治。也是在今年初，密苏里州的一位参议员就因为在国会大厦的圆屋顶下接受电视节目采访时顺带提到自己的竞选网站，希望观众捐款而遇到麻烦。
在金钱横行的美国政界，这些法律规章下出现的一些案例常常会让人觉得实在是小题大做。但正是在这些小事上的认真保护了纳税人的利益不被政客随意侵占。
9月 10, 2012 @ 10:12 pm
古老的阳光
对科学知识有一定了解的人都知道，我们抬头看到的太阳实际上是8分钟以前的太阳。这是因为我们是通过太阳发的光来看的，而光从太阳来到地球需要大约8分钟的时间。但如果追根问底，我们所看到的“阳光”，却远远不是8分钟以前产生的。其年龄其实非常久远，最低估计有1万年之久，甚至可能超过十几万年。
这是因为阳光并不是在太阳表面产生的。
人类很早就认识到地球上几乎所有的能量都来源于太阳光，但对太阳本身的能量来源却一直只能猜测。19世纪中叶，达尔文的生物进化论受到的挑战之一便来自于对太阳年龄的推测。物理学家、现代温度测量标准的创立者开尔文勋爵认为太阳的能量主要来自引力，并根据热力学原理估计太阳的年龄为3千万年，远小于达尔文对生物进化过程大致需要3亿年的估计。这一冲突曾经让达尔文大为困惑，不得不在其《物种起源》最后一版中删除了有关进化时间的讨论。
但那时的开尔文勋爵不可能知道太阳的能量其实另有来源。这个直到1930年代在相对论质量和能量转换关系的建立和对核反应的认识才揭晓：在太阳内部，高温的质子（氢原子核）经过一连串的聚变反应产生氦原子核，并随之释放光子和中微子。这个过程与氢弹爆炸的原理相似，但在太阳或其它恒星中是一个可持续发生几亿年的稳定过程。我们看到的阳光便是处于可见光频率范围的光子。而根据这个理论推算，太阳的年龄已经有50亿年，远远大于地球上生物进化需要的时间。
现在知道，太阳中心的内核部分温度高达1千5百万摄氏度。正是这样的高温使得带正电的质子能够克服它们之间的排斥力实现聚变反应。而太阳表面温度相对低得多，“只有”5千摄氏度。因此，核反应完全是在内核区域进行的。然而，在那里发生的聚变所产生出的光子和中微子其后的经历却大相径庭。
中微子是否有质量目前尚有争议，但即使有的话在微观粒子中也属于微乎其微。如果中微子质量为零，那么它与光子一样是以光速运动的。（今年初有报告说探测到超光速的中微子，一度引起轰动，但后来被证实是仪器问题。）与光子不同的是，中微子与其它物质几乎不发生任何作用，无论在哪里都没有阻碍，畅通无阻。据估算太阳内核中产生的中微子只需要2秒多的时间便到达太阳表面。然后在8分钟左右来到地球。
同时产生的光子就没那么顺利。聚变所产生的光子起初是能量非常高的伽玛射线。太阳内部主要是有氢和氦组成的高温高密度气体，在那里面，光子平均走不到1毫米的距离就会与气体中的离子发生碰撞而改变方向，或者被吸收。被吸收的光子很快会被再度发射出来，而发射的方向又是随机的。这样，“寸步难行”的光子不断地被吸收和再发射，所走的路径便是漫无目的的四处流窜，需要经过长久的跋涉才能到达太阳表面而逃出来。而在这一过程中，光子的能量也有所下降，形成太阳光的光谱分布，包括我们肉眼能够看到的可见光以及红外、紫外线等。
光子从内核到太阳表面的这个过程可以用数学上的“醉汉行走”模型描述。但推算其所花的时间则需要知道太阳内部气体的密度和分布。目前的估算结果是在1万年至17万年之间。
因此，虽然同样来自太阳，我们在地球上探测到的中微子的确是8分钟之前的产物。而我们看到的阳光却不是这些中微子的兄弟，而是它们极为古老的祖辈。通过对直接来自太阳内核的中微子的测量，我们可以了解太阳中心的状态。而光子在太阳内部几万年的漫长旅途中早已失去了其出生地的特征。我们对太阳光的观测只能还原出太阳表面的影像和性质。在这个意义上，我们也可以说看到的阳光是8分钟以前的，尽管它们的实际年龄——或者说它们的祖先——要古老得多。
这是因为阳光并不是在太阳表面产生的。
人类很早就认识到地球上几乎所有的能量都来源于太阳光，但对太阳本身的能量来源却一直只能猜测。19世纪中叶，达尔文的生物进化论受到的挑战之一便来自于对太阳年龄的推测。物理学家、现代温度测量标准的创立者开尔文勋爵认为太阳的能量主要来自引力，并根据热力学原理估计太阳的年龄为3千万年，远小于达尔文对生物进化过程大致需要3亿年的估计。这一冲突曾经让达尔文大为困惑，不得不在其《物种起源》最后一版中删除了有关进化时间的讨论。
但那时的开尔文勋爵不可能知道太阳的能量其实另有来源。这个直到1930年代在相对论质量和能量转换关系的建立和对核反应的认识才揭晓：在太阳内部，高温的质子（氢原子核）经过一连串的聚变反应产生氦原子核，并随之释放光子和中微子。这个过程与氢弹爆炸的原理相似，但在太阳或其它恒星中是一个可持续发生几亿年的稳定过程。我们看到的阳光便是处于可见光频率范围的光子。而根据这个理论推算，太阳的年龄已经有50亿年，远远大于地球上生物进化需要的时间。
现在知道，太阳中心的内核部分温度高达1千5百万摄氏度。正是这样的高温使得带正电的质子能够克服它们之间的排斥力实现聚变反应。而太阳表面温度相对低得多，“只有”5千摄氏度。因此，核反应完全是在内核区域进行的。然而，在那里发生的聚变所产生出的光子和中微子其后的经历却大相径庭。
中微子是否有质量目前尚有争议，但即使有的话在微观粒子中也属于微乎其微。如果中微子质量为零，那么它与光子一样是以光速运动的。（今年初有报告说探测到超光速的中微子，一度引起轰动，但后来被证实是仪器问题。）与光子不同的是，中微子与其它物质几乎不发生任何作用，无论在哪里都没有阻碍，畅通无阻。据估算太阳内核中产生的中微子只需要2秒多的时间便到达太阳表面。然后在8分钟左右来到地球。
同时产生的光子就没那么顺利。聚变所产生的光子起初是能量非常高的伽玛射线。太阳内部主要是有氢和氦组成的高温高密度气体，在那里面，光子平均走不到1毫米的距离就会与气体中的离子发生碰撞而改变方向，或者被吸收。被吸收的光子很快会被再度发射出来，而发射的方向又是随机的。这样，“寸步难行”的光子不断地被吸收和再发射，所走的路径便是漫无目的的四处流窜，需要经过长久的跋涉才能到达太阳表面而逃出来。而在这一过程中，光子的能量也有所下降，形成太阳光的光谱分布，包括我们肉眼能够看到的可见光以及红外、紫外线等。
光子从内核到太阳表面的这个过程可以用数学上的“醉汉行走”模型描述。但推算其所花的时间则需要知道太阳内部气体的密度和分布。目前的估算结果是在1万年至17万年之间。
因此，虽然同样来自太阳，我们在地球上探测到的中微子的确是8分钟之前的产物。而我们看到的阳光却不是这些中微子的兄弟，而是它们极为古老的祖辈。通过对直接来自太阳内核的中微子的测量，我们可以了解太阳中心的状态。而光子在太阳内部几万年的漫长旅途中早已失去了其出生地的特征。我们对太阳光的观测只能还原出太阳表面的影像和性质。在这个意义上，我们也可以说看到的阳光是8分钟以前的，尽管它们的实际年龄——或者说它们的祖先——要古老得多。
8月 26, 2012 @ 4:54 pm
阿姆斯特朗的“一个人”与“人类”
1969年7月20日，人类第一个踏足月球表面的美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗在迈出那历史性的一步时说了一句大家耳熟能详的名言：“这是个人的一小步，却是人类的一个巨大跨越。”这句话的原文是“That’s one small step for a man, one giant leap for mankind.”这句话和当时动人心魄的情景通过电视实况转播为全世界几百万观众和听众所熟悉（因为历史原因，中国大陆的观众当时未能共享盛况）。
但如果仔细听当时的录音，会发现阿姆斯特朗的第一句话与记录的稍有偏差，更像是“That’s one small step for man,”少了一个冠词“a”。这个看起来不起眼的冠词，可以改变整个句子的意思。
英语里不加冠词的“人”（man）与“人类”（mankind）是同义词。如果上面这句话缺失了这个冠词，语法上并没有问题，但意思变成了“这是人类的一小步，也是人类的一个巨大跨越”。很有点莫名其妙的自相矛盾。而表述上更是缺乏力量。加了冠词后，“a man”便毫无疑义地是指“一个人”，两句话中的对比才表现出强烈的历史感。
因此很多人认为阿姆斯特朗当时说错了话，并引起了争议。一些语言学家对原始录音做过相当的音频分析，也未能取得一致共识。有人从语句中的停顿时间计算猜想阿姆斯特朗当时的那个“a”音发在喉咙底部，没有完全出声，有人则猜测是与前面的“for”连读而听不出来。而阿姆斯特朗自己则强调他是说了那个冠词的，其发音可能是在转播中失落了，因此他希望书面引用时用括号标示出这个冠词，以正历史。
这个小小的争议为这一伟大的历史时刻增添了一点花絮，但不影响这句名言的历史意义。
但如果仔细听当时的录音，会发现阿姆斯特朗的第一句话与记录的稍有偏差，更像是“That’s one small step for man,”少了一个冠词“a”。这个看起来不起眼的冠词，可以改变整个句子的意思。
英语里不加冠词的“人”（man）与“人类”（mankind）是同义词。如果上面这句话缺失了这个冠词，语法上并没有问题，但意思变成了“这是人类的一小步，也是人类的一个巨大跨越”。很有点莫名其妙的自相矛盾。而表述上更是缺乏力量。加了冠词后，“a man”便毫无疑义地是指“一个人”，两句话中的对比才表现出强烈的历史感。
因此很多人认为阿姆斯特朗当时说错了话，并引起了争议。一些语言学家对原始录音做过相当的音频分析，也未能取得一致共识。有人从语句中的停顿时间计算猜想阿姆斯特朗当时的那个“a”音发在喉咙底部，没有完全出声，有人则猜测是与前面的“for”连读而听不出来。而阿姆斯特朗自己则强调他是说了那个冠词的，其发音可能是在转播中失落了，因此他希望书面引用时用括号标示出这个冠词，以正历史。
这个小小的争议为这一伟大的历史时刻增添了一点花絮，但不影响这句名言的历史意义。
8月 21, 2012 @ 8:57 pm
所谓“合法强奸”
最近美国一位正在竞选参议员席位的共和党众议员在强奸和堕胎问题上说话出格，引起轰动。中文媒体报道此事时大多将其言词翻译为“合法强奸不会导致怀孕”。对这个突兀的“合法强奸”措辞没有做进一步解释，很让人摸不着头脑——难道强奸还会合法？实际上，这里所谓的“合法强奸”意义与字面上恰恰相反。
该词的原文是“legitimate rape”，这在英文本身也有歧义。“legitimate”通常的意思的确是“合法”、“具备合法性”等等。但该词同时也有“真正意义上的”或“法律意义上的”之含义。这位议员采用的是后一种意思，也就是说他所认为不会导致怀孕的不是什么“合法的强奸”，而是“真正意义上的”、“会被法庭认可的”强奸行为。这种说法的言外之意是很多强奸案例中受害方是顺从了的，便不算是“真正的强奸”，甚至认为一些受害者是因为种种原因报假案。比这更极端还有人干脆说如果女人拼死反抗的话，男人是无法完成强迫性交的。
无论是什么样的强奸，受害者可能无辜怀孕是不争的事实。更重要的是，这种试图将罪责转嫁到受害者身上的言辞在美国也没有多大市场。这位议员言论刚出笼便不仅遭到反对派的全面谴责，而且也立即被自己的阵营抛弃。共和党总部宣布不再支持其选战（他所竞选的席位在本次选举中对共和党是否能够夺得参议员多数至关重要），该党总统候选人罗姆尼干脆呼吁他放弃竞选。该议员也被迫一再公开道歉，但至目前为止仍然坚持竞选。
堕胎是美国一个争议异常激烈的社会话题。支持的一方认为那是妇女的正当选择，反对派则认为那是谋杀（未出生的）生命的罪恶。目前，堕胎在美国是合法的，但在一些州里受到一些限制。而各种禁止或限制堕胎的法律提案层出不穷。双方相持不下时，争论的焦点集中于一些大多数普遍认可的中间地带，比如在怀孕对母亲的健康和生命有威胁时，或者怀孕是乱伦、强奸的结果等极端情况下应该允许堕胎。在这样的情况下，反对堕胎的保守派便极力谋求缩小其允许范围。他们制造出一些莫名其妙的说法，其中便包括这位议员所谓的妇女身体内有自发的防御机制，在遭到“真正的强奸”时不会导致怀孕的谬论，试图证明其限制强奸导致怀孕的堕胎之合理性。
8月 11, 2012 @ 9:38 pm
宾州州大的危机
笔者在美国读研究生的宾夕法尼亚州州立大学在名望和历史上虽然无法与“常青藤”那些私立院校相比，但在作为美国高等教育主力军的州立大学里也算赫赫有名，尤其在历史渊源上。早在1855年2月，州议会便决定用一位前国会议员捐献的土地建立一所“农民高中”，后来逐步发展成一农业和技术为主的高等学院，成为19世纪中期美国利用私人捐献土地大举兴办公立大学的先驱。
这些公立大学在第二次世界大战之后由于接受大量由政府资助的退伍军人入学以及其后跟随而来的婴儿潮中得到大规模扩展。宾州的这所学院也在1953年正式改名为宾州州大（当时的校长艾森豪威尔正是二战联军首领、美国总统的弟弟），成为一所规模庞大、名副其实的综合性大学。今天的宾州州大学生和研究生总数接近100万之众，年度预算25亿美元，是州内影响力占据第二的经济实体——尽管这是一所非营利机构。同时，学校的预算只有不到百分之十来自州政府的拨款，其余部分来自私人捐款、学费和政府及企业机构的科研投资。因此该校早已不是传统意义上的“州立大学”，与私立学校的差别越来越小。
宾州的地理形状几乎是一个规规矩矩的长方形，该州的两个大城市费城和匹兹堡分别处于两个下角。而拥有4万多学生的宾州州大主校园位于中心附近，远离大都市。所在的小镇也只有4万人口，大多直接间接地为学校提供各种服务。这里人心古朴，生活安逸。校园和镇中心几条街之外便是由山丘和树林为主的田园，颇有世外桃源风采。附近的人都把那里昵称为“快乐谷”。
然而，最近大半年来快乐谷不再快乐。
乔帕
宾州州大在江湖上最为出名的还是她那支美式足球（橄榄球）队和该队的老教练。早在1950年，年仅24岁的乔·帕特诺受其原教练之邀来到那时还寂寂无名的山野之处担任球队助理教练，1966年接任主教练。很快，他就把球队带进一流强队的行列，在1980年代两度赢得全国冠军。
美国的大学橄榄球是一个万众着迷、竞争异常激烈的小世界。绝大多数教练在一个学校呆不上几年就或者另谋高就或者被解雇。像帕特诺这样在同一所学校里执教61年（担任主教练45年）的实在是凤毛麟角。而帕特诺自己又确实是一位不同寻常的教练。他从一开始就明言要在宾州州大实践一场“大试验”，以学业、品格、作风等为主——而不是一味追求身体素质和打球的天赋——选择球员，来证明品质好、重学习的球队同样也能赢球。
的确，几十年来，宾州州大的球队不仅在球场上称雄，在毕业率上也一直名列前茅（美国大学里相当多球员上学只是为了打球，很少上课学习以致无法毕业）。球队的比赛制服是几十年一贯的蓝、白色球衣，没有任何花哨装饰，上面只有号码没有球员大名。球员很少惹是生非，出了事便立刻会遭到降级、停赛甚至被开除的惩罚。1986年赛季末宾州州大与迈阿密大学之间的冠军赛是至今仍被人津津乐道的历史上最精彩的赛事之一。那场比赛之吸引人不仅在于场上争抢之激烈，更表现于两只球队风格的鲜明对比。迈阿密那支队伍里有很多后来的职业明星，球艺精湛，但动作粗野犯规不断。该队在比赛前的各种场合就屡屡挑起事端。相比之下，实力很逊一筹的宾州州大球员则处处表现出中西部稳重、保守的传统。结果，宾州州大以其坚韧的防守挫败了迈阿密狂野的进攻，赢得了冠军。那场胜利奠定了帕特诺的历史地位，并为学校挣来无价的声望。
帕特诺本人也以身作则。他领取的工资与同类教练相比少得可怜，还将其相当一部分捐回给学校建设图书馆等设施。虽然早已是百万富翁，他们一家几十年一直住在镇上一间不起眼的小平房里，养育了众多的子孙。帕特诺为人低调，从来没有绯闻轶事。而他的成就也是无以伦比的。在两次全国冠军之外，他是唯一一个赢过4个最主要的季后杯赛的教练（近似于网球或高尔夫中的全满贯）。在主要的大学球队里，他是赢球场次最多的教练。
不知道从什么时候起这所大学的学生和校友都习惯地使用起“乔帕”的昵称，教练的真名便只在正式的报道中才出现了。近年来，因为乔帕的威望是如此可敬、可靠，大学和其它机构都开始将传统上是等人退休若干年之后才颁发的荣誉“提前”颁发于他。2006年，他成为入选大学橄榄球名人堂的唯一现任教练。国会和白宫也开始讨论授予他平民最高荣誉的自由奖章。而在宾州州大，为他树立的塑像从2001年起就屹立在校园体育场的一侧。他的名字更是随处可见，包括以他命名的图书馆和“全国闻名”的校园冰淇淋店里的一款冰淇淋。
令人意想不到的是，就连乔帕这样的圣人背后也藏有秘密。
桑达斯基
2002年3月1日晚上，球队以前的四分卫、后来留校当助理教练的迈克·麦奎瑞独自来到应该是空无一人的球队更衣室，意外地听到淋浴间里传出不寻常的声响。他过去查看时发现已退休的原助理教练杰瑞·桑达斯基和一个10岁左右的男孩在里面，两人均赤身裸体，似乎正在进行同性性行为。依照法律，成年人与儿童之间性行为均属于成年人强奸儿童的暴力犯罪。当时26岁的麦奎瑞大为震惊不知所措，没有及时报警而是第2天才向主教练乔帕做了口头汇报。因为没有记录，至今无法确认麦奎瑞当时汇报的是包括强奸的细节还是乔帕后来所称的只是“与性有关的不恰当行为”。但事实是乔帕也没有报警，而是两天之后向他的上级——大学体育总管提姆·克雷和副校长盖瑞·舒尔兹做了报告。两位领导查问后决定取消桑达斯基使用学校体育设施的特权，却对其涉嫌犯罪行为不了了之。那个禁令其实也形同虚设，桑达斯基后来还常常带孩子进更衣室等设施。
这位桑达斯基在当地也是一位非同小可的人物，可以说声望仅次于乔帕。他是1960年代初期的球员，后留校任助理教练。从1977年起，他一直主持球队的防守，是宾州州大以坚韧的防守傲立于世的第一功臣。1986年那场冠军赛便是他防守设计的巅峰之作。几十年来，他一直被公认为乔帕的首席接班人。但他却在1999年出乎意料地突然宣布退休，而他比毫无退休意愿的乔帕要年轻18年。
桑达斯基在任职教练之外还热衷于慈善活动。他在1977年还创立了一个叫做“第二英里”的组织，自己捐款和筹款为当地贫穷家庭的孩子提供读书、上进，尤其是参与橄榄球训练的机会。他经常带这些孩子参加校园内外的训练和比赛活动，还把一些孩子接到自己的家里居住，甚至领养了其中几位。从学校退休后，他更是全身心地投入这一慈善事业，也因此获得学校的支持，得以继续使用学校的体育设施。
危机爆发
麦奎瑞、乔帕等人对2002年那一事件一直守口如瓶，外界毫无知晓。直到10年后的2011年11月4日，州府的总检察长突然宣布以侵犯儿童为主的多项罪名逮捕桑达斯基并同时以伪证罪逮捕克雷和舒尔兹。原来州检察院在2008年初接到一位遭受桑达斯基伤害的男孩母亲报案后组织了大陪审团调查。历时3年的调查发现在1994到2009那15年间，至少有8名男孩遭到桑达斯基性侵犯，包括麦奎瑞亲眼目睹的那一起。正是在调查那一起案件过程中，乔帕、克雷和舒尔兹均否认麦奎瑞曾告诉他们所看到的性行为的性质。大陪审团的结论认为克雷和舒尔兹没说实话，因此犯了伪证罪。而对乔帕网开一面，没有发现他直接违反法律要求的行为。
宾州州大校方对这起轰动新闻的第一反应显得异常迟钝。当时的校长格雷姆·斯伯尼尔当天还声明他对下属克雷和舒尔兹“有完全的信心”，认为他们的工作极其诚实，却对案件中的受难者遭遇只字未提。这一声明立刻激起反对的声浪，大学生纷纷在社交媒体上发言、联署要求立即罢免校长。几天之后，校董事会宣布斯波尼尔辞去校长职务。
乔帕的形势则比较微妙。他在球队赛季中的例行记者会被取消后便三缄其口，埋头于教练工作。也是在几天之后，他看到丑闻正在滚雪球般扩大，便发了一个低调的声明希望大家耐心等待法庭调查结果，并表示他本人将在该赛季结束后退休以期平息事态。然而，校董事会却没有给他这样一个体面离别的机会，就在校长辞职的同时也宣布立即解雇乔帕的教练职务。他们的理由是作为球队主教练，乔帕应该能在阻止桑达斯基犯罪上负起更大的责任却未能采取应有的行动。
这个决定一宣布，当晚几千大学生便聚集在小镇中心骚乱发泄，抗议董事会，支持他们心目中的圣人老教练。警察不得不使用催泪喷雾驱散人群。但两天后，比较清醒的学生开始组织为受害儿童守夜和募捐等活动。很快，该校学生便为一个反性暴力的组织募集到50多万美元捐款。
调查
这时，宾州州大已经成为众矢之的。尽管桑达斯基矢口否认所有指控，坚持自己无辜，几乎没有人相信他的自辩。但乔帕和学校其他领导在该案件中的角色却疑点重重。从联邦政府、州政府以降的各种与大学有关的组织都声言要来调查学校涉及的失职甚至犯罪行为。各界媒体更是在那小镇上安营扎寨，快乐谷一时鸡犬不宁。
不幸的是，被解雇的乔帕很快被诊断出癌症住院治疗，仅两个月后于2012年1月22日撒手人寰，终年85岁。他逝世前没有对这万众瞩目的案件发表任何详细谈话，只是强调相信法庭程序和对自己人格的自信。他没能等到法庭结论，可能也使某些真相再也无法澄清。
宾州州大也不可能等待旷日持久的法庭程序。学校董事会和新任的校长都急于尽快摆脱危机中的被动局面，卸下这个沉重的负担。于是他们决定由学校自己出重金聘请前联邦调查局局长、联邦法官路易斯·弗利组建特别委员会对此案进行独立、完全、彻底的调查。学校则保证全面合作，不隐瞒任何资料。
于是，一方面是警方对桑达斯基性暴力和两位校领导伪证罪的侦查，一方面是弗利的人马在学校的文件档案里大海捞针式的搜索，而关心这一案件真相的人都焦虑地等待着结果。
惩罚
半年过后，结果开始揭晓。首先，该案的主犯桑达斯基被检察官以50多起性侵、对少儿暴力案起诉。法庭审判极为顺利：坚持自己无辜的被告方没能提供有力的辩护，陪审团很快便做出绝大多数罪行成立的判决。法官将在几月份做出刑事判决，毫无疑问桑达斯基的整个余生将在监狱里度过。
弗利的调查报告于7月12日正式对外发布。在记者会上，弗利毫不留情地抨击乔帕、克雷、舒尔兹和斯帕尼尔四人在得悉桑达斯基犯罪行为之后仍然为其百般掩盖，完全未能顾及受害者的福祉，因而导致桑达斯基持续犯罪十几年之久，得以残害更多的未成年少年。最为严重的是，弗利发现乔帕早在1998年就知悉桑达斯基因为虐童被警察调查的案件（这可能与后者那时突然退休有关）。他们还找出了文字证据：斯波尼尔、舒尔兹和克雷之间的几封电子信件表明他们在麦奎瑞报信后曾一度决定报警，却在与乔帕商谈后改变了决定（乔帕本人一辈子都没使用过电子信件，因此没有其直接笔证）。这一证据如果被法庭认可，不仅坐实了舒尔兹和克雷两人的伪证罪，也足以将斯波尼尔和乔帕送上同样的审判席——只是乔帕此时已经离世。
虽然名义上还只是宾州州大出资的内部调查，弗利的报告因其权威性很强而得到了普遍的认可。记者会后，舆论再度大哗。原来对乔帕仍然信心十足、认为他不过是在对桑达斯基罪行实质不知情的情况下犯了不够重视的过错的大多数人很快转变了态度。虽然斯人已逝，要求剥夺他所获得的各种名誉的呼声甚嚣尘上。在此之前，一些以乔帕命名的奖杯、赛事已经除去了他的名字。现在，新校长很快决定拆除校园里乔帕的塑像，但保留以他命名的图书馆名称。一个周末早晨，工人将塑像移走时，现场只有寥寥无几的旁观者在场告别。当初为了乔帕被解雇而骚乱的学生群体没有再度出现。
当事人在接受法律制裁的同时，涉嫌包庇、纵容的学校应该承担什么样的责任却很难界定。倒是专门管辖大学院校间体育比赛的美国大学体育联盟以该案出现在橄榄球队为由介入。他们经过极其短暂的讨论便宣布了一系列史无前例的惩罚措施，主要包括
- 橄榄球队在1998至2012年间的全部赢球记录被从历史记录本中删除，乔帕因此失去赢球最多的教练称号而在排名中“屈居”第12位。
- 橄榄球队在未来4年内被禁止参与赛季后优秀队参与的各种杯赛，也就完全无缘任何冠军赛事。
- 橄榄球队在未来4年中可以为学生球员提供的奖学金数目遭到大幅度削减。
- 学校将交纳高达6千万美元的罚款，贡献给保障儿童安全和福利的慈善事业。（这个数额差不多是橄榄球项目一年的总收入。）
争议
弗利的调查和体育联盟的惩罚虽然得到大多数人的认可，却也不是没有争议。弗利的人员得到学校方面的全面合作，因此发现了新的证据。但他们似乎采用了“有罪认定”的态度，没有在“被告方”花时间精力。乔帕的家人对此尤其不满，认为他们没有能够得到任何辩解机会，甚至无法看到弗利赖于做结论的证据本身。最遗憾的当然是乔帕本人已经离世，再也不可能为自己做出任何辩护或说明。
大学体育联盟是一个管理体育竞赛的组织，管辖范围原本是训练和比赛中的可能违规现象。宾州州大姑息职员性犯罪行为虽然严重，但并不属于体育范畴。联盟在宣布惩罚措施时，援引了其章程中抽象的“道德行为”条款（这与奥运会上羽联援引“体育精神”同出一格），认为宾州州大发生这一事件的根源在于橄榄球队在学校中地位过高，违反了大学体育以教书育人为主的宗旨。这恰恰是很有讽刺意义的：宾州州大的球队一直是以球员品格和学业为重的正面典型，这并不因为某些教练和校领导在单一案件上的作为而改变。而球队高于学业在拥有一流球队的大学里其实很普遍，联盟却一直束手无策或听之任之。
针对橄榄球队的惩罚措施将在未来多年内极大地降低宾州州大的竞争力，奖学金的削减和季后赛机会的剥夺会导致该校无法吸引最优秀的中学选手加盟，因此可以预料地很快将降格为二流甚至更差的球队。受此影响最大的无疑是球队的现任队员，尤其是低年级球员，他们的竞争环境突然恶化。而这些球员完全是无辜的。大学体育联盟虽然试图补救，再开先例允许宾州州大的球员转学它校而不必按要求停赛一年，但转学毕竟不是那么容易的。
宾州州大被迫接受惩罚后，乔帕家人、校董事会部分成员以及一些比赛成绩被莫名其妙地剥夺的前球员已经开始投诉，试图重新审理。投诉本身希望不大，但可能是诉诸法庭的前奏。与此同时，案件中的一些受害者也着手起诉学校要求赔偿。因此，这一事件虽然在大众媒体上已经趋于平息，实际上还远远没有风平浪静。
与此同时，遭受严惩的橄榄球队在新教练的努力之下重新站住了脚跟，只有少数球员选择转学。球队决定打破百年老传统，在球衣上印出球员的名字以表彰留下来的学生对这个集体的支持。很快，新的赛季便要开始了。
乔帕轶事
乔帕一生教练几十年，留下不少令人难忘之事，略摘一二：
- 乔帕所带领的宾州州大球队以防守见长，进攻时也以保守的持球跑阵为主，较少采用观众喜爱的传球进攻。几十年来，记者一直追问教练什么时候会“开放”，打一些精彩的传球。乔帕总是千篇一律地回答，“等到苏联垮台以后吧。”——意即这辈子不会有指望。后来，苏联却出乎意料地解体了。1994年秋，乔帕突然推出一支令人耳目一新的球队，满场传球全面开花，经常是不到半场就领先对方三四十分。该球队整个赛季获得全胜战绩，只因为在后来的投票中失利未能获得全国冠军称号。但众多主力进攻队员毕业后获选职业队，在宾州州大历史上很少见。
- 乔帕老夫妇感情甚笃，是少有的模范夫妻。即便如此，有一次在输了一场球之后教练被问及心情时脱口来了一句，“我觉得我要回家揍我老婆一顿！”这句难得的粗话被女权人士抓住大作文章，要求他为姑息家庭暴力道歉。乔帕拒绝回应，但后来又一次输球面临同样问题时，他回答，“我觉得我要回家揍我……弟弟一顿！”
- 历史有着惊人的巧合。宾州州大1998年以后的赢球被取消之后，正式记录里中乔帕的最后一场胜利发生于1997年11月22日。那场比赛的四分卫和队长便是后来揭开了整个丑闻的迈克·麦奎瑞。
- 乔帕最喜欢说的一句话是“你永远不会是像赢球时看起来的那么强，你也永远不会是像输球时看起来的那么弱。You are never as good as you look when you win; You are never as bad as you look when you lose.”
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