月份: 2019 年 10 月

　　撰文：

　　Chris Jeynes（薩里大學物理學教授），Michael Parker（埃塞克斯大學客座教授）

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　　天文學家開普勒是最早思考雪花結構的人：為什麼它們如此對稱？它的一邊又是如何知道另一邊已經生長了多久的？

完美對稱的雪花。 圖片來源：Pixabay

　　開普勒認為，這一切都歸結於一個被稱為“形態發生場”的概念，它指的是事物之所以擁有某種形式或形態，是因為它們想要如此。但自那之後，這種觀點就被科學界拋棄了。但是，對於雪花和類似的結構為什麼會如此對稱的問題，仍然沒有完全被理解。

　　現代科學表明，這是一個多麼基本的問題。看看所有的螺旋星系你就會知道，這些直徑可寬達 50 萬光年的星系，仍能維持着很好的對稱性。這到底為什麼？在一篇發表於《科學報告》上的新研究中，我們給出了一個解釋。

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　　我們知道，“電磁場”這個概念是由電場和磁場結合而成的。在新的研究中，我們證明了信息和熵也能以一種完全相同的方式聯繫在一起，成為“信息熵”。電流會產生磁場，而變化的磁場會產生電流；信息和熵也會以同樣的方式相互影響。

　　熵是物理學中的一個基本概念，簡單地說，它是對一個系統混亂程度的度量。例如，由於熵永遠不會減少（無序度總是增加的），所以你可以把一個生雞蛋變成炒雞蛋，但反過來卻不行。如果你要傳遞信息，熵也一定會增加——一通電話是要付出熵的代價的。

光波具有電場（E）和磁場（B）。 圖片來源：Parker & Jeynes

　　在新的研究中，我們證明了熵和信息可以被視作為場，並且與幾何有關。我們可以先來想象一下相互纏繞在一起的 DNA 雙螺旋，其實光波也具有相似的結構，只不過是用電場和磁場來代替兩條 DNA 鏈而已。通過使用一些數學方法，我們證明了信息和熵之間的關係可以用同樣的幾何圖形來表示。

　　我們想要測試的是，我們的理論是否能用於預測現實世界中的事物，於是決定試着用我們的理論來計算將一種形式的 DNA 轉化成另一種形式需要多少能量。畢竟，DNA 是一種螺旋，是信息的一種形式。

兩種形式的 DNA。 圖片來源：Parker & Jeynes / Scientific Reports

　　實際上，大約在 16 年前，就有科學家對這個問題進行過一系列非常精確的測量。在實驗中，研究人員將捲曲的 DNA 分子拉直，然後用光學鑷子夾住它的兩端，將其旋轉了 4800 圈。像上圖所示的那樣，DNA 從一種形式被翻轉成了另一種形式。然後研究人員可以計算出這兩種形式之間的能量差。

　　使用我們的理論也能計算出這個能量差：我們知道了這兩個不同版本的 DNA 分子的熵，然後通過熵和溫度的乘積從而計算出了能量，得到了完全一樣的計算結果。從這個結果來看，我們的理論似乎是成立的。

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　　從數學角度上看，螺旋星系也是一種雙螺旋，它們與 DNA 有着相同的幾何形狀。

一個螺旋星系，與之雙臂重疊的對數螺線。 圖片來源：Parker & Jeynes

　　我們的理論直接證明了為什麼螺旋星系的兩條臂是對稱的，這是因為與其他的場一樣，信息熵場也能產生力。星系中的恆星排列是由熵的力量而編排成這樣一對螺旋的，其目的是為了使熵最大化。

　　除了這種定性的論斷，我們也希望能得到一些確鑿的数字。因此，我們決定根據新的理論來計算銀河系的質量。

　　大家知道，如果根據恆星在星系邊緣移動的速度來計算，我們會得出銀河系的質量大約為 1.3 萬億個太陽質量的結果。但奇怪的是，這實際上比星系中的所有可見恆星的質量要大得多。

　　為了能夠解釋這種差異，並解釋恆星的運動速度為什麼比預期的要快得多，天文學家提出了“暗物質”的概念，認為是因為星系中存在這種看不見的暗物質，才對恆星施加了額外的引力。

　　在我們的理論中，我們需要知道星系的熵才能進行計算。好在數學物理學家彭羅斯（Roger Penrose）早就發現星系的熵主要由星系中心的超大質量黑洞的熵決定。

　　而黑洞的質量是已知的，約為 430 萬個太陽質量。當我們知道了黑洞的質量，就可以通過一個方程計算出熵，這個方程是霍金（Stephen Hawking）推導得出的，他還發現了如何計算黑洞表面（即事件視界）的“溫度”。

　　如果能給黑洞的視界指定一個“溫度”，為什麼不給星系也指定一個溫度呢？要知道，黑洞視界以內的任何東西都是不具有溫度的。在新的論文中，利用所謂的“全息原理”，我們認為這是一個合理的想法。因此，我們用信息熵方程來計算星系的全息溫度。

　　然後事情就變得容易了。因為星系的能量是由它的熵和溫度的乘積給出的，而一旦我們知道了能量，就能通過愛因斯坦的質能方程而計算出質量。不過這樣計算出的星系質量並不完全準確，但鑒於我們的星系模型是被高度簡化過的，因此這一結果也是在可接受的誤差範圍之內。

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　　星系的信息熵幾何不僅解釋了熵的力是如何創造並維持了這樣美麗的對稱形狀，而且還解釋了它所包含的所有質量。這意味着我們根本不需要暗物質。根據我們的模型，星系熵產生了如此大量的額外能量，以至於它改變了觀測到的星系動力學，導致星系邊緣的恆星運動速度超過預期。而這正是天文學家想用暗物質來解釋的問題。這種能量不能直接以質量的形式被觀測到，但它的存在肯定得到了天文觀測的支持，這就解釋了為什麼對暗物質的搜索至今仍一無所獲。

　　儘管支持暗物質的研究有很多。但我們的理論對觀測結果提出了另一種解釋，而且這是一種無需提出新物理學的解釋。當然，我們還需要進行更詳細的工作來證實觀測的真實複雜性也能被成功地模擬。

　　我們認為開普勒所尋找的那種“形態發生場”確實存在，它實際上是信息和熵相互交織的結果。經過四個漫長的世紀，似乎我們終於證明了，開普勒是正確的。

　　原文標題為“Kepler’s forgotten ideas about symmetry help explain spiral galaxies without the need for dark matter – new research”，首發於 2019 年 8 月 8 日的 The Conversation。原文鏈接：https://theconversation.com/keplers-forgotten-ideas-about-symmetry-help-explain-spiral-galaxies-without-the-need-for-dark-matter-new-research-121017. 中文內容僅供參考，略有修改，一切內容以原文為準。

　　論文鏈接：

 

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　　文：王喬華，編輯：秦言，來源：懂懂筆記

　　這個星期對於 Uber 來講有點兒走背字。不僅新一季財報爆出重大虧損，而且自己請來的調研公司用數據證明城市擁堵的推手——正是 Uber 自己。

　　對於共享出行領域的巨頭來說，優化城市交通配給、緩解交通擁堵狀況一直是他們的“賣點”。但是數據證明，Uber 和 Lyft 在城市交通中佔據的比重正在逐漸加大，根據 Fehr&Peers 的研究報告显示，在部分重點城市 Uber 和 Lyft 的行駛里程甚至達到了車輛總行駛里程的 14%。 

　　No.1 財報慘淡、調研打臉

　　昨日 Uber 發布 2019 年二季度的財報：數據显示 Q2 營收為 31.7 億美元，同比增長了 14％；但是營收增長的同時凈虧損也達到 52.4 億美元，同比也增加很多。這是近兩年來 Uber 正式披露財務數據以來最大的一次虧損，導致其盤后股價一度下跌了 12%。

　　在虧損進一步加大的同時，Uber 對於城市交通改善的宣傳，也如同皇帝的新衣一樣被“喊破”。

　　近日國外媒體曝光了一份 2018 年 9 月的“內部”調查報告。當時 Uber 和 Lyft 聘請了知名交通諮詢研究公司 Fehr&Peers，調查了他們在全美六個城市的總行駛里程（vmt），並將該数字與同前幾個月每個地區的總行駛里程進行了比較。不想研究結果狠狠打了 Uber 和 Lyft 的臉。

　　該報告分析了波士頓、芝加哥、洛杉磯、舊金山、西雅圖和華盛頓特區的交通數據，將研究結果分為兩部分：包括周邊城鎮和郊區的地區；以及城市中心及重要商業區為主的“核心”區域。

　　調查結果显示，在每個城市的城鎮及郊區，Uber 和 Lyft 僅佔總行駛里程比例中的1~3%。但當這些数字放大到每個城市的核心區域時，比例就會急劇增加。例如，在舊金山郡，Uber 和 Lyft 佔據了整體車輛行駛里程的 13.4%，在波士頓的佔比達到了8%，在華盛頓 DC 則是 7.2%。

　　Uber 和 Lyft 在歐美的共享出行市場已經成為雙寡頭格局。長期以來，這兩家企業一直堅信叫車應用程序有能力通過減少交通流量和私人汽車擁有量，進而改善城市交通。

　　但實際上隨着 Uber 和 Lyft 影響力的逐漸上升，不斷有新的研究表明，共享出行服務實際上對交通擁堵造成了進一步的惡化。雖然每次兩家公司都會對相關研究結果提出質疑，但是對於共享出行服務造成交通環境惡化的爭論，至今都沒有停止過。

　　No.2 利弊並存、值得警醒

　　美國肯塔基大學的土木工程教授格雷戈里·埃爾哈特（Gregory Erhardt），在過去一年多時間一直研究 Uber 和 Lyft 對公共交通流量的影響。他表示根據 Fehr&Peers 和其他機構的調查結果進行分析發現，這一數據“幾乎是先前估計的兩倍”。

　　當然相關行駛里程佔比在不同的城市可能會呈現出不同的結果。有些城市所受到的影響不像其他城市一樣那麼大，比如芝加哥、洛杉磯和西雅圖這些城市，Uber 和 Lyft 在總行駛里程所佔比例較低。

　　而紐約市則被完全排除在數據分析調研目標之外，因為紐約市是這兩家公司在美國最大的市場，而且紐約市擁有廣泛的公共交通網絡以及較低的私人車輛擁有率。 

　　Fehr&Peers 的研究報告還分析了不同階段的打車情況：從一位放空車的司機找到乘客，並把乘客送往目的地，整個流程對交通擁擠的影響。

　　數據显示，Uber 和 Lyft 的平均行駛里程中，只有 54% 到 62% 的車輛是載客狀態的，也就是說“未載客”的空駛車輛行駛里程，佔據了兩者總車輛行駛里程的三分之一。值得一提的是，這個問題並不是近期才被輿論注意到。據悉紐約市正試圖通過新的途徑——將司機工資與他們的實際載客時間捆綁在一起，來解決過多空駛車輛“滿大街跑”的問題。

　　對於輿論的質疑，Uber 全球公共交通政策主管 Chris Pangilinan 在博客中側面做出了回應：“研究表明，儘管過去十年中共享出行服務的使用量有了巨大增長，但與所有其他交通量相比，網約車應用程序的使用量仍然相形見絀。儘管目前看來網約車應用程序的使用，可能會給交通流量帶來壓力，但是與私家車和商業交通用車量所帶來的壓力相比還是小了很多。” 

　　Lyft 對於相關質疑則展示出了更积極的態度，Lyft 政策和分析主管彼得·戴對此表示，“們認為私人車輛是最大的問題，76% 的美國人獨自上下班。但是隨着共享概念的進一步推行，我們可以解決城市在交通領域面臨的挑戰。”

　　可以肯定的是，Uber 和 Lyft 多年來一直飽受外界對其增加空氣污染和交通擁堵的批評。在此期間，他們也進行了不少嘗試，試圖通過其他渠道和方式來解決這一問題。

　　目前，這兩家共享出行服務企業都推出了共享自行車和踏板車服務，將公共交通調度和票務整合到其應用程序中，同時提出了鼓勵司機轉向電動汽車的激勵計劃。Uber 還支持了紐約市最近推出的擁堵收費政策。 

　　但實際上，僅僅將私家車的擁有量去對比 Uber 和 Lyft 的“運營車輛”，並不能作為外界質疑和批評的重點，駕駛里程總量的增加才是需要着重關注的。

　　交通專家們大多都對 Uber 和 Lyft 的解釋和說辭感到厭煩，前紐約市交通專員 Janette Sadik Khan 在推特上批評到：“由於 Uber&Lyft 增加了城市交通的壓力，已經造成了數十億美元的損失。他們已經破壞了現有的交通模式。請問他們到底解決了哪些交通難題？”

　　從一系列的調研數據可以看出，Uber 和 Lyft 只是提供了更方便的“第三方”出租車，而不是 Uber 和 Lyft 所承諾的出行革命。因為一旦有利可圖，越來越多的的人就會瘋狂加入到網約車的運營中。

　　值得思考的是，當這樣的網約車服務進一步普及並造成了城市交通擁堵惡化后，人們是否還會選擇“網約車”這種出行方式呢？所謂共享出行服務的初心又有誰會記得？

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