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西恩·凱羅： 遙遠的時間和多重宇宙的徵兆

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    宇宙
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    是浩瀚的
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    我們生活在宇宙中的一個星系裡 也就是銀河系
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    銀河系裡大約有上千億的恆星
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    如果你拿一個照相機
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    隨便對著天空的某一個角落
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    打開快門
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    如果你的照相機連接著一個哈勃天文望遠鏡的話
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    你就會看到這樣一幅景象
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    這一團一團的
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    都是是跟銀河系差不多大小的星系
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    就是說這枚一團裡都有上千億的恆星
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    並且在我們可以觀測到的宇宙範圍內
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    存在着上千億這樣的團
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    上千億——你記住這個數字就可以了
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    宇宙的年齡 也就是從宇宙大爆炸至今
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    大概是一千億“狗年”（一狗年約等於八年）
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    （笑聲）
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    我這麼說也是為了告訴你我們在宇宙中的位置
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    對於這樣一幅圖像 我們能做什麼呢？也就是純粹的欣賞景仰吧
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    多麼美麗的圖像
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    我時常會想 在星系的圖像還不存在的時候
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    是什麼進化壓力 促使我們非洲大草原的的祖先
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    不斷地適應 進化
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    並開始欣賞星系？
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    但是我們還想試圖理解它們
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    作為一個宇宙學家 我的疑惑是 為什麼宇宙是這樣的？
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    一個線索就是宇宙是隨著時間而不斷變化的
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    如果你關注一個星系 並度量這個星系變化的速率
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    你會發現這個星系是不斷離你遠去的
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    如果你再去關註一個更遠距離以外的星系
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    這個星系會以更快的速度離你遠去
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    所以我們說宇宙是在不斷膨脹的
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    這是什麼意思呢？就是說 在過去
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    物質是很緊密的聚合在一起的
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    在過去 宇宙是相對更加緊實的
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    並且其溫度也更高
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    你把東西擠壓到一起 溫度自然會升高
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    這個很好理解
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    難以令人理解的是
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    宇宙在非常早期的時候 也就是大爆炸之後不久
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    也是非常非常平滑的
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    你可能想 這沒什麼可驚訝的
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    這個房間裡的空氣就很平滑
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    你也許會說 “可能物質自然就平滑了”
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    但是要知道宇宙大爆炸之後初期的情況
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    與現在這個屋子裡的情況是非常不一樣的
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    具體來說 就是物質都很緊密
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    這些物質之間的引力
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    在大爆炸之後初期比現在要強烈得多
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    你可以這樣想
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    我們這個宇宙裡 有上千億的星系
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    每個星系裡 有上千億的恆星
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    在很早期的時候 這樣的上千億的星系
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    被擠壓到了僅僅這樣大小的一個空間裡
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    真的是這樣的 在早期的時候
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    並且 你要知道 這樣的擠壓必須
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    以一種完美的方式發生
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    沒有任何一處疏鬆
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    即使僅僅是某一處比另一處多了幾個原子
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    因為假如有任何疏鬆或不平均的話 整個宇宙就會在引力的作用下垮塌
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    從而變成一個巨大的黑洞
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    在宇宙早期保證宇宙處於一個非常平滑的狀態
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    是很不容易的 需要精心的安排
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    這就從一個側面說明了
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    早期的宇宙不是一個隨機的組合
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    有某種原因的存在導致了這樣的組合的發生
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    我們研究就是為了明白這種原因
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    路德維希 波茲曼 一個生活在19世紀的奧地利物理學家
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    向我們提供了部分的解釋
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    波茲曼的貢獻就在於他幫我們理解了“熵”這個概念
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    你應該聽說過熵
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    熵是指一種存在於某些系統中的隨意性 無序性和混亂性
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    波茲曼給出了一個方程式 ——
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    這個方程式現在是刻在他的墓碑上的——
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    來給熵定量
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    這個方程式大概就是說
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    熵是一個值 用來描述在你未發現一個系統
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    產生了變化的前提下 可以對系統進行重組的方式的數目
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    這裡的變化是指外部大體上的變化
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    比如說這個屋子裡的空氣
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    你不會看到每個原子
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    一個低熵值的形態 是指一個
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    只能有少數的組合方式的變化來保證外在沒有變化的形態
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    一個高熵值的組合 是指在這種形態裡
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    可以有很多種排列組合的方式並不影響其外在沒有變化
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    這是一個非常重要的見解
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    因為這個見解可以幫助我們來解釋
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    熱力學第二定律
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    這個定律告訴我們 宇宙的熵值在不斷提高
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    或是說宇宙各部分的熵值在各自提高
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    熵值升高的原因很簡單
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    那就是高熵值的情況下比在低熵值的情況下
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    存在有更多的可能性
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    這是一個很好的觀點
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    但是卻不盡全面
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    順便說一下 這個熵值不斷提高的說法
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    就是我們說的單向時間軸 時間之箭
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    也就是過去與未來的區別
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    之所以有這個過去
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    與現在之間的區別
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    原因就是不斷上升的熵值
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    你能記住過去的事情 卻不能對未來的事情有印象
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    你出生 生活 然後死亡
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    這些事情都是依次發生的
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    原因都是熵值在不斷提高
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    博茨曼解釋說 如果一個初始狀態是低熵值
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    很自然的這個狀態會升高到高熵值
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    因為這樣就提供了更多種的存在可能性
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    但是博茨曼沒有解釋
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    為什麼低熵值是一個初始狀態
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    宇宙早期的熵值很低
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    這就反映了
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    早期的宇宙是非常平滑的
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    我們需要理解的就是這一現象
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    我們宇宙學家就是做這個的
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    可惜的是 我們並沒有給予
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    這個問題足夠的重視
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    如果你問一個宇宙學家
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    ”宇宙學界現在在試圖解決的哪些問題？“
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    這個問題不會是他最先給你的答案之一
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    認識到這個問題的人之一
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    便是理查德·費曼
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    五十年前 他給了一系列講座
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    他面向大眾的講座
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    被編成了一本書 叫做『物理理論的特性』
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    他給加州理工本科生做的講座
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    變成了『費曼物理講座』一書
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    他給加州理工研究生做的講座
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    被編成了『費曼引力講座』一書
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    在每本書 每組講座裡
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    費曼都強調了這個難題
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    為什麼宇宙早期有如此低的一個熵值？
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    他說——我就不學他的口音了——
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    他說”出於某種原因 宇宙曾經
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    有一個很低的熵值
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    而從那時起 熵值在不斷的升高
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    如果宇宙初期歷史這個謎團
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    沒有被我們從簡單的揣測
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    帶入到理解這個層次
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    我們便無法去完全理解時間之箭”
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    我們就是要解決這個問題
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    我們想解決——從五十年前開始　你可能會想 ”那肯定
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    這個問題現在肯定已經解決了”
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    但事實並非如此
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    這個問題現在更難解決了
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    而不是更加容易
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    原因就是在1998年
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    我們對於宇宙有了一個突破性的發現
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    我們了解到了 宇宙是在加速擴張的
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    宇宙不僅是在擴張而已
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    如果你看著那個星系 他在離你遠去
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    如果你隔了10億年後再回來看
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    這個星系會離你更遠
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    每個星係都是以加速度不斷離我們遠去的
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    所以我們說宇宙是在加速擴張的
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    與早期宇宙低熵值的狀態不同的是
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    儘管我們不知道為什麼宇宙是在加速擴張的
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    我們有一個還沒有確認的理論
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    如果這個理論是正確的話
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    這就是暗能量理論
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    根據這個理論 一個空的空間裡也是有能量的
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    在空間的每一個立方厘米裡
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    不管有沒有東西存在 都是有能量的
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    不管有沒有粒子 物質 放射 還是別的什麼
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    空間 就因為空間本身 也是有能量的
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    這個能量 愛因斯坦認為
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    會對於宇宙施加一個推力
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    這個推理是一個永存的推力
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    推動著星系互相遠去
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    這個暗能量 與物質或者放射性不同的是
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    不會因為宇宙的擴張而被稀釋
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    每立方厘米裡能量
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    是不變的
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    即使宇宙變得越來越大
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    這個對於解釋宇宙走向何方
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    有很關鍵的意義
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    首先 宇宙將會永遠擴張
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    當我想你們這個年級的時候
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    我們不知道宇宙將會怎樣
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    有人說宇宙將會又一次垮塌
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    愛因斯坦很喜歡這個理論
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    但是 如果有暗能量的話 並且它不會消失的話
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    這個宇宙將不斷 永遠的擴張下去
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    在過去與的140億年裡
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    也就是一千億狗年
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    但是我們不能估計未來還有多少年
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    同時 不管怎麼看
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    空間對於我們都看起來是有限的
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    空間可能是有限的 也可能是無限的
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    但是因為宇宙是加速度擴張的
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    有一部分宇宙 我們是看不到的
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    並且永遠都看不到
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    我們能夠接觸到的宇宙只是很有限的一部分
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    在一個有限的視線範圍之內
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    所以即使時間不斷前行
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    空間對於我們來說仍然是有限的
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    最後 空的空間裡是有一個溫度的
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    在上世紀70年代 史蒂芬·霍金告訴我們
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    黑洞 即使你認為它是黑壓壓的一片
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    也是有放射性的
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    如果你從量子力學的角度來考慮問題
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    黑洞周圍的時間-空間曲率
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    帶來了量子力學意義上的波動
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    並且黑洞開始具有放射性
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    霍金跟加利 吉布森有一個很類似的計算
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    這個計算顯示 如果你在一個空的空間裡有暗能量
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    那麼整個宇宙都是會有放射性的
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    空的空間裡的能量
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    帶來量子波動
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    並且即使宇宙永遠存在
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    普通物質跟放射性被稀釋
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    宇宙中總是會有一些放射性存在的
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    還有熱波動
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    即使是在這樣一個空的空間裡
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    這就說明
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    宇宙就像一個永遠存在的
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    装满的气体的盒子
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    那麼這說明了什麼呢
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    博茨曼在19世紀就對此進行了研究
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    他說 熵值增加
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    因為相比起低熵值的狀態
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    宇宙有更多方式達到一個高熵值的狀態
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    但這是一個概率問題
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    熵值很有可能升高
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    並且這個可能性是非常巨大的
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    但是你不用擔心說
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    這個房間裡所有的空氣將聚集到房間的一個角落 讓我們窒息
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    這是非常非常不可能的
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    除非門被鎖上
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    我們真的永遠的在這里呆下去
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    剛才所說的情況才能有可能發生
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    所有可能發生的情形
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    所有這個屋子裡的原子所可能形成的所有的組合
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    最後總會被實現
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    所以博茨曼說 你看 宇宙可以從一個
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    熱平衡的狀態開始發展
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    他不知道宇宙大爆炸理論 更不知道宇宙擴張理論
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    他以為牛頓對於時間空間的解釋是正確的 那就是
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    時間空間是絕對的 永遠不變的
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    所以博茨曼的自然宇宙的理論
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    認為空氣分子就是平均分散在各處的
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    構成各種東西的分子
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    但是如果你是博茨曼 你會想 如果你足夠耐心
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    隨意的分子波動
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    會時不時的把分子
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    帶入一個較低熵值的構造
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    當然 之後 按照事物的自然發展規律
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    分子會重新回到之前的狀態
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    所以並不是說熵值必須不斷地增加——
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    有可能波動使熵值降低
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    帶來一個更加齊整的情況
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    那麼 這個說法是正確的話
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    博茨曼進而將會提出
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    兩個聽起來非常領先的看法
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    多層宇宙和人擇原理
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    他說 熱平衡狀態的問題是
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    我們無法生活在這個一個平衡的狀態裡
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    你應該還記得 生命本身是依賴於時間軸的存在而存在的
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    如果在熱平衡的狀態下
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    我們將無法處理信息 新陳代謝
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    走路 說話
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    所以你可能想像一個非常非常大的宇宙
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    一個無限大的宇宙
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    裡面的粒子隨機的互相碰撞
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    在這裡宇宙裡將會在較低熵值的狀態中有一些小規模的波動
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    然後這些波動會回到原來的狀態
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    但同時也會有大規模的波動
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    時不時的 這些波動會造出一個行星來
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    或者一個恆星 或者一個星系
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    或者一千億個星系
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    所以博茨曼說
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    我們只是生活在這個多重宇宙的一個部分裡
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    一個無限大的不斷波動的粒子堆裡的一部分
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    這部分粒子恰巧有可以有生命存在的條件
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    這個區域也就是有低熵值的一個區域
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    可能我們的宇宙 就是偶爾在這個多重宇宙中出現的
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    這麼一個低熵值的宇宙
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    所以 現在我們來佈置家庭作業
  • 10:41 - 10:43
    那就是認真想這個問題 到底這個多重宇宙與波動意味著什麼
  • 10:43 - 10:45
    卡爾·薩根曾經提出過一個很有名的說法
  • 10:45 - 10:47
    那就是 “你要想做一個蘋果派
  • 10:47 - 10:50
    你必須首先做一個宇宙”
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    但是他說的不對
  • 10:52 - 10:55
    在博茨曼的假設情況下 如果你想要做一個蘋果派
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    你只需要耐心等這些隨機的原子
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    運動來給你做一個蘋果派
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    這個要比這些隨即無序的粒子運動
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    現在給你造出一個蘋果園
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    再給你造出一些糖跟一個火爐
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    然後用這些東西給你做一個蘋果派
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    更容易發生
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    所以這個假設情況下 我們可以做出一些推測
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    包括
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    這些造就了我們的波動是很小的
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    即使你可以想像 這個我們現在所在的屋子
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    事實上存在著 真實存在著 並且我們也存在著
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    我們不僅有記憶 還有一個感知
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    可以知道在我們的存在之外
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    還存在著加州理工 美國 銀河系
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    比起這些東西真正的隨機波動
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    組成加州理工 美國 跟銀河系
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    更有可能發生的是你腦子裡的這些印象感知隨意波動
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    好消息是
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    這個假設情況行不通 是不對的
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    這個假設情況推測說 我們應該是微微的波動的
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    即使你不考慮我們的星系
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    你也不會得到一千億個其他的星系
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    費曼也這樣認為
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    費曼說 “假設世界是波動著的
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    並且我們的推測都是基於這個想法
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    那麼如果我們去觀察一個新的區域
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    我們將會發現它是混雜的 不像我們剛剛看到的
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    因為熵值變高了
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    如果我們存在秩序基於這個波動
  • 12:07 - 12:09
    那我們將不會在除了剛才看到的那個地方之外找到這種秩序
  • 12:09 - 12:13
    這樣 我們就會認為宇宙並不是一個波動的存在
  • 12:13 - 12:16
    好的 那麼個問題的答案到底是什麼
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    如果宇宙不是一個波動的存在
  • 12:18 - 12:21
    為什麼早期宇宙有這樣低的一個熵值
  • 12:21 - 12:24
    我很樂意告訴你們這個問題的答案 但是我時間不夠了
  • 12:24 - 12:26
    （笑聲）
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    這樣我們就有一個我們給你描述的宇宙 還有
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    一個真實存在的宇宙
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    我剛剛向你描述了這個圖像
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    宇宙已經在過去的一百億年中不斷的擴張
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    宇宙現在在冷卻下來
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    但是我們現在對於宇宙的未來知道的足夠多
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    來進行更多的陳述
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    如果暗能量還是存在
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    如果我們周圍的恆星用完它們的核燃料 它們將會停止燃燒
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    這個恆星那是將會變成黑洞
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    我們將會生活在一個·除了黑洞
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    什麼都沒有的宇宙裡
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    宇宙將會持續存在於這樣的狀態裡大概10的100次方年
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    比我們的小宇宙存在的時間長很多
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    未來 比過去 要長很多
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    但是即使是黑洞也不會永遠存在
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    他們會蒸發掉
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    然後我們就發現宇宙裡除了空無一物的空間之外 什麼也沒有
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    空的空間可以說是永遠存在的
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    但是 你注意到 即使是空的空間 也是有放射性的
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    事實上還是有熱波動的
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    然後如此循環
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    各種不同的在空的空間中存在的
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    不同程度的”空無一物“的組合
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    所以即使宇宙永遠存在
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    只有有限的情況
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    會發生在宇宙裡
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    這些情況都會發生在
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    10的10的120次方年的一個時間段裡
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    我有兩個問題
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    第一個問題 如果宇宙存在了10的10的120次方年
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    為什麼我們人類出現在
  • 13:39 - 13:42
    初始的一百四十億年裡
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    在這個溫暖 舒適的宇宙大爆炸的餘輝裡？
  • 13:45 - 13:47
    為什麼我們不是生活在空無一物的空間裡？
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    你可能會回答說 “那是因為那裡沒有任何東西可以讓我們依賴而生存”
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    但是 不是這樣的
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    你可以作為一個隨機的無物的波動的產品
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    你為什麼不是這麼一個東西呢？
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    這就是你們另一個家庭作業
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    就像我說的 我也不知道答案
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    我可以告訴你我最喜歡的假設
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    有一個可能的解釋是 沒有任何解釋
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    關於宇宙的一個很難讓人接受的事實
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    就是你必須學會接受現實 停止問問題
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    或者也有可能 宇宙大爆炸
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    並不是宇宙的最初開始
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    一個雞蛋 一個完好無損的雞蛋 是一個低熵值的存在
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    然而 我們打開冰箱的時候
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    我們不會說 “啊哈 這太令人驚訝了
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    我在冰箱裡發現了這麼一個低熵值的玩意”
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    因為雞蛋不是一個封閉的系統
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    一隻雞下了這個雞蛋
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    可能宇宙就是一個漁舟雞下的蛋
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    可能有一東西 很自然的
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    根據一些物理生長法則
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    造就了我們的宇宙
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    成為一個低熵值的存在
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    如果這是真的的話 這樣的情況會發生不止一次
  • 14:44 - 14:47
    我們會是一個更大的多重宇宙的一部分
  • 14:47 - 14:49
    這是我最喜歡的假設
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    組織者要我以一個大膽的設想來結束我的談話
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    我的大膽的設想就是
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    歷史毫無疑問的將會證明我的理論是無比正確的
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    從現在起 五十年後
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    我現在的所有瘋狂的理論都會被奉為是真理
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    不僅是在科學界 也包括在社會上
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    我們都會相信我們的小小宇宙
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    只是一個更大的多重宇宙的一小部分
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    還有更好的 在理論層面上
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    我們將會理解宇宙大爆炸的時候發生了什麼
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    我們就可以跟我們的觀察結果做對比
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    這只是一個推測　我可能猜錯
  • 15:19 - 15:21
    但是人類已經思考了很多年
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    為什麼宇宙是現在這樣的
  • 15:23 - 15:26
    為什麼它變成現在這樣樣子
  • 15:26 - 15:29
    令人激動的是 我們可能會在某一天終於找到答案
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    謝謝大家
  • 15:31 - 15:33
    （掌聲）
Title:
西恩·凱羅： 遙遠的時間和多重宇宙的徵兆
Speaker:
Sean Carroll
Description:

在TED加州理工分舵大會，宇宙學家西恩·凱羅以一種有趣並且引人思考的方式，帶領聽眾回顧了時間跟宇宙的屬性，並深入探討了一個貌似很簡單的問題：時間為什麼存在？解釋這個問題，首先需要理解一個令人驚訝的對於宇宙性質的看法，以及對於我們在宇宙中位置的看法。
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Video Language:
English
Team:
closed TED
Project:
TEDTalks
Duration:
15:34
Yakun Li added a translation

Chinese, Traditional subtitles

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