《七堂极简物理课》——如诗般优美隽永的科普书

1. 《七堂极简物理课》——如诗般优美隽永的科普书

印象中，自己第一次认真思索宇宙问题，是在小学三年级。
  
  
 那时候，老师要求同学们每天写一篇日记。有一天，吃饱饭后坐在院子里发呆的我，抬头望见无比深邃遥远的星空，突然觉得神秘极了！奇妙极了！“宇宙好大好大啊……”我暗想着：“可是到底有多大呢？能大的没有边际吗？宇宙之外是什么呢？”
  
 于是，我把这些疑问写在了日记本上，满心期盼老师能给我一个答案……
  
 结果，第二天，老师在我的日记本上写下一个大大的——
  
 ……
  
 再后来，我明白了，这些问题不要说是我的小学语文老师，就是全世界最厉害的科学家们，还没弄明白呢。
  
 好吧，那我也就不去想了。
  
 不过，对宇宙、物质、时间、空间等等那些深奥而神秘的问题，我，也相信还有许许多多人，都在心底留有一份不湮灭的好奇……
  
 前几天，在当当网上无意间发现了这本《七堂极简物理课》，被“极简”吸引，又隐约记得朋友提及过，遂买入。
  
 
  
                                          
 拿到手就被吸引：黑色的精装书皮，印着金色的点点繁星，封底是一段优美如诗的文字：
  
 怎样？它的气质是不是与你读过的、印象中的科普读物都不同？
  
 这本书的作者是意大利物理学家 卡洛·罗韦利 ，圈量子引力理论的开创者之一（人家可是“严肃正经”的科学家）。此书，就是他专门写给那些对现代科学一无所知或知之甚少的朋友们。
  
 用简明的语言，诗意的讲述，将相对论、量子力学、宇宙的结构、空间的颗粒、时间的本质……这些20世纪以来现代物理学的伟大理论发现，放入七堂简洁动人的物理课中，让我们得以窥见科学的深刻与美丽，告诉我们如何更深入地理解这个世界，也向我们展示了未知的世界有多么广阔。
  
 不到100页，可以一口气读完。
  
 书中具体内容就我就不过多透露了，仅从每一课中摘录部分我喜欢的文字，分享给大家。
  
 借着这篇读书分享，又重读了一遍此书。大脑再次因惊叹与讶异而兴奋，不知此刻它其中的数十亿个神经元正在发生怎样迅速而丰富的交互……
  
 夜已深，却毫无困意，思绪有些飘渺……
  
 抱起豆包，闻闻猫味儿，嗯，好真实。

2. 读《七堂极简物理课》（一）

作者卡洛·罗韦利，是意大利的一位大物理学家。据说原版文字简洁充满诗意，但我不知道原版是意大利文还是英文的，就没纠结要不要读英文版，直接买了中文版。所幸书的最后有说，译者也是很靠谱的专家学者。
  
 ​正如书名写的，全书分七章。前六章都以一个物理学理论为题，最后一章是作者由物理学引申出对宇宙和人的思考。书很薄，中文版不到100页，而且是比16开小一点的精装书。如果全神贯注，估计两个小时能读完。但我相信，一个热爱物理，或对物理学概念有过思考的人，一定舍不得这么快读完。跟随作者的思想，在科学的海洋畅游的感觉，实在太过惬意。
  
 第一章名为“最美的理论”，指的是相对论。从字里行间看出，作者对爱因斯坦无比崇敬​——他是唯一一位在书里被提到生平的科学家。以前我从来没想过要去学习和理解相对论，如今却被作者的描述吸引，希望有生之年能深入领略一下这个“最美理论”。书中这样描述相对论：它是描述空间和引力的理论，而且把两者合二为一。空间是一个无处不在的东西，它充斥着这个世界。我们生活在这个空间里，就像“是深陷在一个巨大的容易变形的软体动物中”。它的变形是因为物体质量使其弯曲，引力其实是物体运动轨迹因空间弯曲而变化的体现。我无法完全领会作者描绘的世界，我仅能体会到一点点这个理论的“美”，我想应该是众多在过去被认为艰深难解的现象，被一个只有半行长度的公式，全部解释的一清二楚，还能先验的证明后来很多现象的原理。如此简介而蕴意深刻的理论，从一个如此聪明绝顶的脑袋里蹦出来，确实可以称得上是人类文明最重要的事情之一。
  
 另外，从爱因斯坦的生平中，我还意外的学到了一些人生智慧。爱因斯坦中学曾辍学在家一年，他无所事事的回了老家，除了阅读康德的著作外，偶尔会去附近的大学旁听讲课。他不注册学籍也不参加考试，仅仅是因为好玩。书中的原话是：“一个没有浪费过时间的人终将一事无成”。我的理解是，一个人要想有所成就，必须清楚找到自己的人生方向，找到自己真正喜欢的、想做的事情。被别人的意愿驱使着做事，或者安于现状平稳度日的人，是很难有所成就的。而且我在阅读中，也越来越发现这样一个现象：很多所谓的成功人士，他们的成功并不是源于后人总结出的那些品质、精神、习惯，而仅仅是因为他们喜欢做一件事而且一直在做，这让他们有足够的动力客服种种困难，直到幸运降临或者超越众人的那一天。爱因斯坦研究广义相对论的​十年经历，就是一个很好的案例。他和任何一个普通人一样，有了灵感，反复尝试，不断犯错，陷入混沌。他发表过错误的论文，有过各种灵光乍现的想法，也曾误入歧途。也许最终是把所有的错误都犯过了，历经十年他才找到了最后的那个答案。这与我们原以为的成功者形象完全不同，根本没有什么天生神力，也没有在快要放弃时被一个声音唤起勇气。他完全就是在做一件乐在其中的事情，不让他做，他可能还会生不如死呢。只有这样的理由，才能解释他在十年的苦思冥想后，依然对物理学热情不减。—— 成功者也许根本没有想过成功，他们只是在做自己觉得应该做的事情而已。
  
 我想，这才是最合情合理的“成功之道”。任何人只要找到这样一件，能做一辈子都乐在其中的事情，都能成功。可是这又谈何容易，最起码是需要“独立思考”能力的。因为这条路难免会让你特立独行，当身边的人都不认可时，当你显得那么另类时，是否还能坚持自我呢？是否能放弃随大流的安全感呢！

3. 3分钟读完系列——《七堂极简物理课》

卡洛·罗韦利，意大利理论物理学家， 圈量子引力理论的开创者之一。曾在美国、意大利工作，现在法国带领量子引力研究小组。他对科学哲学、科学史也颇有研究，长期在《24小时太阳报》《共和国报》等意大利报纸上发表文章。
  
  核心内容： 
  
   
  
 本书利用诗一般简洁优美的语言向读者讲述了20世纪以来现代物理学的伟大理论发现。相对论、量子力学、宇宙的结构、空间的颗粒、时间的本质…在这七堂简单明了的物理课里，作者为我们打开了一个奇妙的物理学世界，也带我们轻盈地飞过重重障碍，窥见科学的深刻与美丽。没有繁琐的方程，只有诗意的讲述，即使没有科学背景的人也能轻松读懂。
  
  第一课 最美的理论 
  
 爱因斯坦广义相对论：引力场不“弥漫”于空间，因为它本身就是空间。
  
 该理论对宇宙做了惊人的简化：空间不再是一种有别于物质的东西，而是构成世界的“物质”成分之一，一种可以波动、弯曲、变形的实体。太阳会使其周围的空间发生弯曲，所以地球并不是在某种神秘力量的牵引下绕着太阳旋转，而是在一个倾斜的空间中行进，就好像弹珠在漏斗中滚动一样，空间在有物质的地方会发生弯曲。
  
  第二课 量子 
  
 普朗克：假设电磁场的能量都分布在一个个的“量子”上，也就是说能量是一包一包或一块一块的。
  
 爱因斯坦：假设光的能量在空间中的分布不是连续的。
  
 玻尔：原子核内电子的能量跟光能一样，只能是特定值。而更重要的是，电子只有在特定的能量之下才能从一个原子轨道“跳跃”到另一个原子轨道上，并同时释放或吸收一个光子，这就是著名的“量子跃迁”。
  
  第三课 宇宙的构造 
  
   
  
 这片均匀无边的宇宙并不像看上去那么简单。空间不是一马平川的，而是弯曲的。宇宙布满了星系，所以我们想象它的纹理会想海浪一样起伏，激烈处还会产生黑洞空穴。
  
 我们今天终于知道，这个布满星系、富有弹性的浩瀚宇宙是大约150亿年前优一个极热极密的小星云演化而来的。
  
  第四课 粒子 
  
 质子和中子则由更小的粒子构成，美国物理学家Murray Gell-Mann为它们取名“夸克”（quark）。我们身边的所有物体都是由电子、夸克、光子和胶子组成的，它们就是粒子物理学中所讲的“基本粒子”。除此之外还有几种粒子，例如中微子——它布满了整个宇宙，但并不跟我们发生交互作用，还有希格斯玻色子。
  
 量子力学定律：存在的每样东西都是不稳定的，永远都在从一种相互作用跃迁到另一种相互作用。
  
  第五课 空间的颗粒 
  
 圈量子引力（Loop Quantum Gravity）试图把广义相对论和量子力学结合起来。
  
 核心结论：空间是不连续的，不可被无穷分割，而是由细小的颗粒，或者说“空间原子”构成的。
  
 圈量子引力理论的第二个结论更为极端：在“空间是连续的，物体存在其中”这个观念消失后，“时间不受事物影响、一直流逝”这个基本而又原始的想法也不复存在了。
  
  第六课 概率、时间和黑洞的热 
  
 为什么热量会从热的物体跑到冷的物体上，而不是相反呢？原因惊人地简单：这完全是随机的。
  
 从统计学的角度看，一个快速运动的热物体的原子更有可能撞上一个冷物体的原子，传递给它一部分能量；而相反过程发生的概率则很小。在碰撞的过程中能量是守恒的，但当发生大量偶然碰撞时，能量倾向于平均分布。
  
  尾声 我们 
  
 生命正是因为短暂才宝贵。
  
  金句： 
  
 1.丹麦物理学家玻尔曾经说过一句话：“物理学不告诉我们世界是什么，而是告诉我们关于世界我们能够谈论什么。”
  
 2.只有存在能量（热量发生转移）的时候，过去和未来才有区别。能将过去和未来区分开来的基本现象就是热量总是从热的物体跑到冷的物体上。

4. 七堂极简物理课

     昔日，奇葩说有期陈铭和詹青云开杠被誉为“神仙打架”，清晰记得詹青云在提到热力学时说“开尔文说过，19世界物理学的科学大厦已经建成”，陈铭“釜底抽薪”反驳“对方掩盖了半句话，还有两朵乌云飘在上面，这两朵乌云就是相对论和量子力学！”，当日，深感作为一个文科生的浅薄和无知。今日，我读《七堂极简物理课》，算是对旧日节目的致敬。
  
     七堂极简物理课，果真非常精简，完全适合对科学对物理一无所知或知之甚少的人，没有繁琐的方程，只有诗意的讲述，即使没有科学背景的人也能读懂，爱因斯坦的广义相对论，这个最美的理论说，空间是弯曲的，时间是相对的，宇宙是不断膨胀和收缩的；量子学说，能量不是在将空间连续分布的，而是有数量有限的能量量子组成，没有一样东西拥有确定的位置，除非他撞上了别的东西；宇宙的构造说，宇宙有无数的星系，太阳系只是总星系中的沧海一粟而已，而地球，我们呢，只是尘埃中的尘埃；粒子说，整个宇宙中，所有的物体都是有电子、夸克、光子和胶子组成，就是这些基本粒子组成了一切；空间的颗粒说，我们的宇宙可能但是自某一状态后的反弹，经历了一个过渡时期，在此期间，时间和空间都荡然无存；概率、时间和黑洞的热说，热量从热的物体跑到冷的物体上，只是随机的，是概率问题，只有热量发生转移时，才有了时间，有了过去、现在和未来；我们说，我们人类是宇宙的一部分，而且是很小的一部分，我们探索这个奇妙世界，我们与世间万物一样，都是由同样的星尘塑造的，无论我们沉浸在痛苦之中，还是焕发出喜悦的光芒，我们都必须承认，我们是世界的一部分。
  
     极简物理课说的是篇幅短小，语言精练，内容概括，绝对不代表没有内容，或者内容简单，其中每一堂课，每一个内容都有无数深奥的理论蕴含其中，如果不是专业人才，你只能似是而非，偶尔深感智商掉线。关于宇宙的构造，从地心说到日心说，到星云说，早已经是众所周知；关于粒子说和宇宙的形成，也早已经科普到位；广义相对论和量子力学尚能用有限的知识去理解去想象；但关于时间的理念，给了我最重的一掌，时间是相对的，时间只不过是热量发生转移的方向，“过去、现在、将来”都只不过是人类幻想，只不过是由于人类意识的局限性，我们只能看到一幅模糊的世界图像，才栖息于时间之中的。“看不清的比看得清的更广阔”。或许真的是由于我们对世界的模糊观察才孕育了我们时光流逝的观念。
  
     我原以为物理只是一种科学的观察方法，现在知道物理就是来源于我们的生活，来自我们生活的日月星辰和生命尘埃；我原以为物理只是一种世界观，现在知道物理还是一种人生观，必须以“无我”的状态，去忘记我们破除我们习以为常的观念和知识，保持最初的好奇和热情，才能去探索真相；我原以为物理只是一种理化知识，现在知道物理还是一种人生哲学，是关于生命意义，关于人类意义的，会教会你谦卑、臣服的；我原以为物理是枯燥的无味的，但读到爱因斯坦写给妹妹的信“米凯莱从这个奇怪的世界离开了，比我先走一步，但这没什么，像我这样相信物理的人都知道，过去、现在和未来之间的分别只不过是持久而顽固的幻觉”，我终于知道物理是最美的语言，我懂得了物理的浪漫和美好。

5. 七堂极简物理课

       《时间简史》后，从未有过如此成功的科学读物，以无法抗拒的优美，引领你了解我们所栖居世界的真相。意大利卡洛•罗韦利著《七堂极简物理课》，让自高三起就抛弃物理学的我，读得意兴畅然、不忍罢卷、一气呵成，其实书里并没有科幻小说那般引人入胜的曲折情节，但无论是解释原理还是叙述用词，都让我这等普罗大众更加深刻地理解了物理前沿的阳春白雪。作为科普书来讲，荣誉加身一点不过，无怪被称为现象级畅销书，翻译成34种语言行销全球，适用一切对科学好奇、对物理热爱、对求知有欲的你我他，更值得推荐给初中以上的孩子们阅读。
  
         今晚江苏高考分即将揭晓，听说北大清华不怎么太待见江苏学子，有只重数学，但物化不强的原因。在看了这本书后，觉得无可厚非。就像《三体》中，因为人类社会被三体派来的智子干扰，科学家们相继自杀，继而锁住了整个物理界的研究，对一切事物的认知停滞不前。所以，物理，多么重要的学科，带着我们跳出自我的局限，大踏步开眼观宇宙。
  
         七堂课，首节是爱因斯坦的广义相对论，第二课讲量子力学，第三课探索宇宙，第四课讲解了宇宙中的基本粒子，第五节课探讨量子引力，第六节课来到了概率和黑洞的热，最后一课回到人类自身，引导我们反思自己的存在。
  
         这些理论的大名有些人尽皆知，有些因为也做一些幼儿科普，甚至孩子可能都能说出些二二三三，但通篇读过后，会觉得之前的理解还是浅薄或者其实根本只知其名不知其内容，而此次阅读才有了明确清晰的概念。譬如黑洞，它一直会出现在很多科幻小说中，那它的形成、特点以及未来的走向，时间空间能量这些理论，在翻页后，瞬间有了前后的逻辑关系共存于这神秘的场，仿佛那些闻名的爱因斯坦、黎曼、霍金握手于宇宙时空中。
  
        此书中让我极有感触的片段：玻尔——爱因斯坦最针锋相对的对手，临终前被人拍下了他书房黑板的照片。黑板上的那张图，是爱因斯坦思想实验中那个“充满光的盒子”。作者说：直到生命的最后一刻，他仍在挑战自己，仍然想要知道得更多。不断存疑、互相争论、做出让步、改变看法，这两位科学家的对话通过演讲、信件往来、论文持续交流了好多年。但直到最后一刻，他仍未停止怀疑。而这种不断质疑努力求证的精神在每个科学家身上都深深体现，不然爱因斯坦不会在提出量子力学后，又不断抱怨认为不太合理，于是实验、取数、验证，周而复始……就像为了证实质子衰变，从20世纪70年代提出SU(5)理论，但至今无人观测到衰变现象。包括对“超对称”理论预言存在一类新粒子，但数十载未见超对称粒子现身。物理学史并非只有成功。
  
         看这些有关宇宙浩瀚无限大的书籍，总会产生人类渺小，个人得失如沙尘微小的感受。因此，科学家们不关心房价涨跌、财富增减，只在自己的实验和数据中寻找未知的答案，这是多么执着的追求和高雅的志趣。正是有了他们无畏失败与失败的累积，才会引导着人类坚定地迈出一步一步又一步。
  
         感觉作者其实也有些许的悲观主义，最后一课里对于人类必然走向灭亡有着宿命的认定。可能也正是因此，探索宇宙、走出地球从未停歇，如果地球不能是我们最后的家园，那么必须从我辈起，为人类的前途不懈追索。这也是我为何推荐此书给孩子们的原因。能通过阅读，立志存高远的人生目标，不以自身的利益得失为终极追求，摆脱些世俗风，脱离点市侩气，即使清贫些，却能沉浸在自我的满足中，不失为上品的乐趣！值得欣慰的是，很多00后娃们家庭条件丰腴，不知物质愁苦，应该能让他们有更多的能量思考更高级的课题。这是他辈之幸，更是未来之幸！

6. 七堂极简物理课

相对论
  
  
 1．          空间不再是一种有别于物质的东西，而是构成世界的“物质”成分之一，一种可以波动、弯曲、变形的实体。
  
 2．          任何一个弯曲空间的特征都可以用一个数学量来描述，即“黎曼曲率”，用大写的“R”表示。爱因斯坦将R与物质的能量等价起来，即空间在有物质的地方会发生弯曲。
  
 3．          空间在恒星周围发生弯曲。光也发生偏折。
  
 4．          在高空中，时间会走得比较快，而在低的地方，离地球近的地方时间则过得比较慢。
  
 5．          当一个恒星燃烧完自身，残留的部分因为 没有燃烧产生的热量的支撑，会因为自身重量而坍塌，导致空间强烈弯曲，最终塌陷成“黑洞”。
  
 6．          整个宇宙空间可以膨胀和收缩。1930年，人们确实观测到了宇宙的膨胀。
  
 7．          宇宙的膨胀是由一个极小、极热的年轻宇宙的爆炸引起的，即“宇宙大爆炸”。
  
 8．          空间像海平面一样起伏。“引力波”已在双星上被观测到。
  
 空间和引力场本是一回事。
  
 要先学习和消化黎曼的数学才能解读和使用这个方程，要花些功夫、付出些辛苦才能做到。
  
 无论是欣赏艺术，还是领悟科学，我们最终得到的将是美的享受和看待世界的全新视角。
  
 广义相对论是关于引力、空间和时间简洁而又统一的观点。
  
 时间并不是普适的，空间是可以弯曲的。
  
  
  
 量子力学
  
 1.     普朗克把能量视为一个个能量包块的集合，只是计算上使用的一个特殊策略。
  
 2.     爱因斯坦指出光是由成包的光粒子构成的，即光子。
  
 3.     电子在特定的能量之下从一个原子轨道“跳跃”到另一个原子轨道上，并同时释放或吸收一个光子，就是“量子跃迁”。
  
 4.     元素周期表中每一种元素都是量子力学最主要方程的一个解。整个化学学科都基于这一个方程。
  
 5.     在量子力学中，没有一样东西拥有确定的位置，除非它撞上了别的东西。电子从一种相互作用到另一种相互作用的飞跃，它只存在于抽象的数学空间，而不存在于真实空间。
  
 6.     飞跃是随机的，不可预测的。
  
  
  
 宇宙的构造
  
 1.     几千年前，人们认为：地在下，天在上。
  
 2.     2600年前阿纳克西曼德提出，太阳、月亮和星辰都围着我们转。
  
 3.     亚里士多德证明地球是圆的。（证明方法：1.地平线是弧形的；2.海平面远处先见桅杆，后见船体；3.日食、月食中地球的投影。）
  
 4.     哥白尼完成了对宇宙认知的又一次飞跃：行星运动中心不是地球，而是太阳。地球一边高速自转，一边绕着太阳旋转。
  
 5.     银河系本身只是众多星系间浩瀚星云中的一粒尘埃。世界是一片均匀的、没有尽头的疆域。
  
 6.     宇宙布满星系，像海浪一样起伏，激烈处还会产生黑洞空穴。
  
 7.     宇宙是大约150亿年前由一个极热极密的小星云演化而来的。
  
  
  
 粒子
  
 1.     基本粒子：光子、电子、质子、种子、夸克、胶子、中微子、希格斯玻色子。
  
 2.     量子力学描述了这些粒子的性质和运动方式。
  
 3.     量子力学的奇特定律：存在的每样东西都是不稳定的，永远都在从一种相互作用跃迁到另一种相互作用。
  
 4.     量子力学和粒子理论描述的世界：世界是物体连续的，永不停歇的涌动，是稍纵即逝的实体不断地出现和消失，是一系列的振荡，是一个由事件而非物体构成的世界。
  
 5.     屈指可数的几种基本粒子，不断地在存在和不存在之间振动、起伏，充斥在似乎一无所有的空间中。
  
  
  
 空间的颗粒
  
 牛顿整合了伽利略的抛物线运动和开普勒的天体椭圆运动，发现了万有引力。麦克斯韦将电和磁的理论结合起来，提出了电磁场方程。爱因斯坦在解决电磁学和经典力学的明显冲突时，发现了相对论。20世纪物理学的两颗明珠：广义相对论和量子力学目前来看也是相互矛盾的。
  
 圈量子引力的核心结论：空间是不连续的，不可被无穷分割，而是由细小的颗粒构成的。圈或环因为它们环环相扣，形成了一个相互关联的网络，编织出了空间的纹理。空间就是一个个引力量子相互勾连而成的。
  
 圈量子引力的第二个结论：在“空间是联系的、物体存在其中”这个观点消失后，“时间不受事物影响，一直流逝”这个基本而又原始的想法也不复存在了。
  
 我们的宇宙在自身重量下塌缩到非常小，然后反弹，开始膨胀，变成现在我们周围不断扩张的宇宙。
  
  
  
 概率、时间和黑洞的热
  
 19世界中叶，人们认为热是一种流体，叫做热质。
  
 麦克斯韦，波尔兹曼发现发热仅仅是因为其中的热原子运动速度更快。
  
 只有存在热量的时候，过去和未来才有区别。能将过去和未来区别开来的基本现象就是热量总是从热的物体跑到冷的物体上。
  
 热量从热的物体跑到冷的物体上并非遵循什么定律，只是发生的概率大而已。
  
 时间问题的核心：时间的流动究竟是什么？
  
 在引力、量子力学和热力学的纠葛中，时间位于中心。
  
 霍金利用量子力学证明了黑洞总是热的。黑洞的热是发生在黑洞这种物体上的量子效应，而黑洞本质上是引力性的。一个个空间量子，空间的基本颗粒，即那些振动的分子加热了黑洞表面，使黑洞放热。
  
  
  
  
 我们不仅要学习，还要更新我们的概念框架，使之与我们的认知相匹配。
  
 我们可能会不断犯错，一旦有新的迹象出现，我们要能随时改变方向，如果我们足够聪明，就会做出正确的判断，找到我们追寻的东西。这就是科学的本质。
  
 编故事和追寻踪迹发现事实是两种截然不同的人类活动，把这两者混为一谈，是当代文化中科学不被理解和信任之肇始。二者之间的分别很微妙：黎明时猎获的羚羊和前晚故事里讲的羚羊神话相距并不遥远，界限是模糊的，神话与科学相互滋养。
  
 人类是自然不可或缺的一部分，我们就是自然，是它数不胜数、千变万化的表现形式之一。
  
 让我们成为人类的那些特性并不意味着我们要与自然分离，它们也是自然的一部分。在我们这个星球上，自然可以进行无尽的组合，它不断调整，并使其各部分之间相互影响、彼此关联、交换信息，而人类只是它选取的一种形式。

7. 《七堂极简物理课》丨NOTES

本书向读者讲述了20世纪以来现代物理学的伟大理论发现。相对论、量子力学、宇宙的结构、空间的颗粒、时间的本质……在这七堂简单明了的物理课里，没有繁琐的方程，只有诗意的讲述，即使没有科学背景的人也能轻松读懂。
  
 卡洛·罗韦利，意大利理论物理学家， 圈量子引力理论的开创者之一。曾在美国、意大利工作，现在法国带领量子引力研究小组。
  
 牛顿试图解释物体下落和行星运转的原因。他假设在万物之间存在一种相互吸引的“力量”，他称之为“引力”。那么这个力是如何牵引两个相距甚远，中间又空无一物的物体的呢？这位伟大的现代科学之父对此显得谨慎小心，未敢大胆提出假设。
  
 牛顿想象物体是在空间中运动的，他认为空间是一个巨大的空容器，一个能装下宇宙的大盒子，也是一个硕大无朋的框架，所有物体都在其中做直线运动，直到有一个力使它们的轨道发生弯曲。至于“空间”，或者说牛顿想象的这个可以容纳世界的容器是由什么做成的，牛顿也没有给出答案。
  
 就在爱因斯坦出生前的几年，英国的两位大物理学家—法拉第和麦克斯韦—为牛顿冰冷的世界添加了新鲜的内容：电磁场。所谓“电磁场”，是一种无处不在的真实存在，它可以传递无线电波，可以布满整个空间；它可以振动，也可以波动，就像起伏的湖面一样；它还可以将电力“四处传播”。
  
 爱因斯坦从小就对电磁场十分着迷，这种东西可以让爸爸修建的发电厂里的发电机运转起来。很快他想到，就像电力一样，引力一定也是由一种场来传播的，一定存在一种类似于“电场”的“引力场”。他想弄明白这个“引力场”是如何运作的，以及怎样用方程对其进行描述。就在这时，他灵光一闪，想到了一个非同凡响的点子：引力场不“弥漫”于空间，因为它本身就是空间。这就是广义相对论的思想。其实，牛顿的那个承载物体运动的“空间”与“引力场”是同一个东西。
  
 这一惊世骇俗的理论对宇宙做了惊人的简化： 空间不再是一种有别于物质的东西，而是构成世界的“物质”成分之一，一种可以波动、弯曲、变形的实体。 我们不再身处一个看不见的坚硬框架里，而更像是深陷在一个巨大的容易形变的软体动物中。太阳会使其周围的空间发生弯曲，所以地球并不是在某种神秘力量的牵引下绕着太阳旋转，而是在一个倾斜的空间中行进，就好像弹珠在漏斗中滚动一样：漏斗中心并不会产生什么神秘的“力量”，是弯曲的漏斗壁使弹珠滚动的。
  
 无论是行星绕着太阳转，还是物体下落，都是因为空间发生了弯曲。 空间在有物质的地方会发生弯曲。就这么简单。 这个方程只有半行的长度，仅此而已。
  
 爱因斯坦曾预言，在高空中，在离太阳更近的地方，时间会过得比较快，而在低的地方，离地球近的地方时间则过得比较慢。这一预测后来也经测量得到了证实。如果一对双胞胎，一个住在海边，一个住在山上，只要经过一段时间，住在海边的那个就会发现，住在山上的兄弟要比自己老得快一些。
  
 然而好戏才刚刚开始。当一个大恒星燃烧完自己所有的燃料（氢）时，它就会熄灭。残留的部分因为没有燃烧产生的热量的支撑，会因为自身的重量而坍塌，导致空间强烈弯曲，最终塌陷成一个真真正正的洞。这就是著名的“ 黑洞 ”。
  
 整个宇宙空间可以膨胀和收缩。爱因斯坦的方程指出，空间不可能一直保持静止，它一定是在不断膨胀的。1930年，人们确确实实观测到了宇宙的膨胀。这个方程还预测，这个膨胀是由一个极小、极热的年轻宇宙的爆炸引发的：这就是我们所说的“宇宙大爆炸”。
  
 人类再一次经历了这样的事：起初没有一个人相信这个理论，但大量证据纷纷出现在我们眼前，直至在太空中观测到了“宇宙背景辐射”，也就是原始爆炸的余热里弥漫的光。事实证明，爱因斯坦方程的预言是正确的。此外，这个理论还说，空间会像海平面一样起伏，目前人们已经在宇宙中的双星上观测到了“引力波”的这种效应，与爱因斯坦理论的预言惊人一致，精确到了千亿分之一。
  
 总之，爱因斯坦的理论为我们描绘了一个绚丽多彩而又令人惊奇的世界，在这个世界里有发生爆炸的宇宙，有坍塌成无底深洞的空间，有在某个行星附近放慢速度的时间，还有像大海扬波一般无边无际延展的星际空间……
  
 所有这一切都源自一个朴素的直觉，那就是，空间和引力场本是一回事。这一切也可以归结为一个简洁的方程，尽管我的读者们肯定难以了解它的奥妙，但我还是情不自禁地将它抄录于此，想让大家看看它到底有多么的简洁美妙：
  
 就这么简单。当然了，要先学习和消化黎曼的数学才能解读和使用这个方程，要花些工夫、付出些辛苦才做得到。但这总比感悟贝多芬晚期弦乐四重奏的神秘之美要容易得多。无论是欣赏艺术，还是领悟科学，我们最终得到的将是美的享受和看待世界的全新视角。
  
 广义相对论是由爱因斯坦凭借一己之力思考、孕育而来的，是关于引力、空间和时间简洁而又统一的观点。然而量子力学，或者说“量子理论”则正好相反，它在实验上获得了无与伦比的成功，其应用也改变了我们的日常生活。但是这个理论在诞生一百多年之后，仍然笼罩在一片神秘莫测的奇异氛围中。
  
 量子力学正好诞生于1900年。德国物理学家马克斯·普朗克计算了一个“热匣子”内处于平衡态的电磁场。为此他用了一个巧妙的方法：假设电磁场的能量都分布在一个个的“量子”上，也就是说能量是一包一包或一块一块的。用这个方法计算出的结果与测量得到的数据完全吻合（所以应该算是正确的），但却与当时人们的认知背道而驰，因为当时人们认为能量是连续变动的，硬把它说成是由一堆“碎砖块”构成的，简直是无稽之谈。
  
 对于普朗克来说，把能量视为一个个能量包块的集合只是计算上使用的一个特殊策略，就连他自己也不明白为什么这种方法会奏效。然而五年以后，又是爱因斯坦，终于认识到这些“能量包”是真实存在的。 爱因斯坦指出光是由成包的光粒子构成的，今天我们称之为“光子”。
  
  爱因斯坦的这项成果被同行们当成笑柄，他们认为这个年轻才子在信口开河。后来爱因斯坦就是凭借这项研究获得了诺贝尔奖。 如果说普朗克是量子理论之父的话，那么爱因斯坦就是让这一理论茁壮成长的养育者。
  
 1925年，量子理论的方程终于出现了，取代了整个牛顿力学。很难想象什么比这更伟大的成就了。霎时间，一切现象都找到了归宿，一切都可以被计算出来。你记得元素周期表吧？它把宇宙中可能出现的所有元素都列了出来，那么为什么偏偏是这些元素被列在表上呢？为什么元素周期表的结构是这样的呢？答案就是， 每一种元素都是量子力学最主要方程的一个解。整个化学学科都基于这一个方程。 
  
 在量子力学中，没有一样东西拥有确定的位置，除非它撞上了别的东西。 我们无法预知一个电子再次出现时会是在哪儿，只能计算它出现在这里或那里的“概率”。 这个概率问题直捣物理的核心，可原本物理学的一切问题都是被那些普遍且不可改变的铁律所控制的。这是不是很荒谬？爱因斯坦也这么认为。一方面，他提名海森堡参选诺贝尔奖，承认其探究到了世界某些最本质的东西。但另一方面，他只要一有机会就抱怨，说这实在太不合理。
  
 一个世纪过去了，我们还停在原点。量子力学对于当代科技的整体发展有着至关重要的意义。没有量子力学就不会出现晶体管。然而这些方程仍然十分神秘，因为 它们并不描述在一个物理系统内发生了什么，而只说明一个物理系统是如何影响另外一个物理系统的。 
  
 在20世纪30年代，天文学家们对星云（恒星之间近乎白色的云团）进行精确的测量后发现， 银河系本身也只是众多星系间浩瀚星云中的一粒尘埃。 这些星系一直蔓延到我们最强大的天文望远镜也看不到的地方。
  
 宇宙诞生的时候就像一个小球，大爆炸后一直膨胀到它现在的规模。这就是我们现在对宇宙最大程度的了解了。还有别的什么吗？宇宙爆炸之前还有什么东西存在吗？或许还有。那么还有没有与我们类似或者完全不同的宇宙呢？这我们还无从知晓。
  
 这片均匀无边的宇宙并不像看上去那么简单。就像我在第一节课中解释过的那样，空间不是一马平川，而是弯曲的。宇宙布满了星系，所以我们想象它的纹理会像海浪一样起伏，激烈处还会产生黑洞空穴。
  
 我们看到的物体都是由原子组成的。原子由一个原子核和围绕它的电子组成，原子核由紧密聚集在一起的质子和中子构成。质子和中子则由更小的粒子构成，美国物理学家默里·盖尔曼为它们取名“夸克”（quark）。
  
 我们身边的所有物体都是由电子、夸克、光子和胶子组成的，它们就是粒子物理学中所讲的“ 基本粒子 ”。这少量的基本原料，如同大型乐高玩具中的小积木，靠它们建造出了我们身边的整个物质世界。
  
  量子力学描述了这些粒子的性质和运动方式。 这些粒子当然并不像小石子那般真实可感，而是相应的场的“量子”，比方说光子是电磁场的“量子”。就跟在法拉第和麦克斯韦的电磁场中一样，它们是这些变化的基底场中的元激发，是极小的移动的波包。它们的消失和重现遵循量子力学的奇特定律： 存在的每样东西都是不稳定的，永远都在从一种相互作用跃迁到另一种相互作用。 
  
 即使我们观察的是空间中一块没有原子的区域，还是可以探测到粒子的微小涌动。 彻底的虚空是不存在的，就像最平静的海面，我们凑近看还是会发现细微的波动和振荡。 构成世界的各种场也会轻微地波动起伏，我们可以想象，组成世界的基本粒子在这样的波动中不断地产生、消失。
  
 量子力学和粒子实验告诉我们， 世界是物体连续的、永不停歇的涌动，是稍纵即逝的实体不断地出现和消失，是一系列的振荡 ，就像20世纪60年代时髦的嬉皮世界，一个由事件而非物体构成的世界。
  
 广义相对论告诉我们空间不是一个静止的盒子，而是在不断运动，像一个移动中的巨大软体动物，可以压缩和扭曲，而我们被包在里面。另一方面，量子力学告诉我们，所有这样的场都“由量子构成”，具有精细的颗粒状结构。于是物理空间当然也是“由量子构成的”。这正是圈 量子引力的核心结论：空间是不连续的，不可被无穷分割，而是由细小的颗粒，或者说“空间原子”构成的。 
  
 这些颗粒极其微小，比最小的原子核还要小几亿亿倍。圈量子引力用数学形式描述了这些“空间原子”，也给出了它们演化的方程。它们被称为圈或环，因为它们环环相扣，形成了一个相互关联的网络，从而编织出了空间的纹理，就像细密织成的巨大锁子甲上的小铁圈一样。
  
 这些空间的量子在哪里？它们不存在于任何地方，也不在“空间之中”，因为它们本身就是空间。 空间就是一个个引力量子相互勾连而成的。世界又一次显得更接近关系的集合，而非物质的集合。 
  
 在空间颗粒的微小尺度下，大自然的舞步不再追随唯一的乐团指挥手中那根棒子挥出的同一节拍， 每一个物理过程都有自己的节奏，独立于邻近的其他过程。 时间的流逝发生在世界之内，从构成世界的量子事件之间的相互关系中产生，这些量子事件本身就是时间的源头。
  
 天文学家们发现，在每一个星系的周围都存在着一团巨大的云状物。我们是通过它对星体的引力和它使光发生偏折的现象才间接发现它的。我们无法直接看到这团巨大的云，也不知道它由什么组成。科学家们提出了很多假设，却没有一个说得通。很明显有东西在那儿，但它具体是什么，我们却无从知晓。今天我们把它称为“暗物质”（dark matter），一种无法用标准模型描述的东西，不然我们也不会看不见它了。它不是原子，不是中微子，也不是光子……
  
 我们发现，当宇宙被压缩到极限的时候，根据量子理论会产生一个反作用力，造成大爆炸，这个著名的大爆炸很可能实际上是大反弹：我们的宇宙在自身重量下坍缩到非常小，然后反弹，开始膨胀，变成现在我们周围不断扩张的宇宙。宇宙被压缩到坚果壳大小，开始回弹的那一瞬间，就真正进入了量子引力的领域：时间和空间一起消失了，世界融化成一团涌动的概率云。我们的宇宙很可能诞生自某一个状态后的反弹，经历了一个过渡时期，在此期间，时间和空间都荡然无存。
  
 一个热的物质并不会包含热质，它发热仅仅是因为其中的原子运动速度更快。原子和原子团组成的分子处在不断运动的状态中，它们快速移动、振动、跳跃……冷空气之所以冷是因为空气中的原子，更确切地说是分子，跑得比较慢；热空气之所以热是因为空气中的分子跑得比较快。这个解释简洁而美妙，但故事还没完。
  
 我们知道，热量总是从热的物体跑到冷的物体上。一个冷茶匙放到一杯热茶里会逐渐变热；在天寒地冻的环境里，如果穿得不够暖和，我们的身体会很快丢失热量，感到寒冷。为什么热量会从热的物体跑到冷的物体上，而不是反过来呢？
  
 这是一个关键的问题，因为它关系到时间的本质。 在所有不发生热交换，或热交换可以忽略不计的情况下，我们看到的未来和过去是一模一样的。 举个例子，如果没有摩擦，钟摆可以永远摆动下去。但是，如果存在摩擦，钟摆微微加热了底座，损失了能量，运动速度就会减慢。这就是摩擦生热，这时我们立刻就能分辨未来（钟摆变慢的方向）和过去。我们从来没有看到过一个钟摆吸收了底座的热量，从静止突然开始摆动。
  
 只有存在热量的时候，过去和未来才有区别。能将过去和未来区分开来的基本现象就是热量总是从热的物体跑到冷的物体上。那么，为什么热量会从热的物体跑到冷的物体上，而不是相反呢？
  
 玻尔兹曼发现其中的原因惊人地简单：这完全是随机的。热量从热的物体跑到冷的物体上并非遵循什么绝对的定律，只是这种情况发生的概率比较大而已。原因在于： 从统计学的角度看，一个快速运动的热物体的原子更有可能撞上一个冷物体的原子，传递给它一部分能量；而相反过程发生的概率则很小。 在碰撞的过程中能量是守恒的，但当发生大量偶然碰撞时，能量倾向于平均分布。就这样，相互接触的物体温度会趋向于相同。热的物体和冷的物体接触后温度不降反升的情况并非完全不可能，只是概率小得可怜罢了。
  
 将“概率”引入物理学的核心，直接用它来解释热动力学的基础，这一做法起初被认为荒谬至极，所以没人把玻尔兹曼当回事。这样的事在历史上屡见不鲜。1906年9月5日，玻尔兹曼于的里雅斯特的杜伊诺镇附近自缢而亡，他没有等到自己的理论被全世界认可的那一天。
  
 在某种程度上，将概率引入热力学是由于我们的“无知”。我不确定某件事是否会发生，但我可以分配给它或高或低的概率。例如，我不知道马赛这里明天会下雨、天晴，还是会下雪，但我知道马赛8月下雪的概率很低。同样，对于绝大多数物体，我们都只是略知一二，并非完全了解，所以只能基于概率做出预测。
  
 同样，当分子发生碰撞时，热量从热的物体传递到冷的物体上的概率是可以计算的，结果显示，这个概率比热量从冷的物体传递到热的物体的概率要大得多。
  
 如果世界是一大团转瞬即逝的空间和物质的量子，一幅由空间和基本粒子组成的巨大拼图，那么我们是什么？难道我们也只是由量子和粒子构成的吗？如果是这样，那我们的个体存在感和自我意识从何而来？我们的价值、梦想、情感以及拥有的知识又是什么呢？在这个无边无际又五光十色的世界里，我们到底算什么？我根本没想过在这寥寥数页中真正回答上述问题。在现代科学的巨幅画卷中，我们不懂的东西太多，而其中懂得最少的问题之一就是我们自己。
  
 “我们”，也就是人类，首先是观察这个世界的主体，是我试图完成的这幅实景照片的集体创作者。我们每个人都是交流网络上的节点，图像、工具、信息和知识就通过这张网传递，这本书就是一个例子。但我们也是我们所感知的这个世界不可或缺的一部分，而非置身事外的旁观者。
  
 我们身在其中，我们的观察来自内部。我们由原子和光信号构成，同山上的青松和星系中的群星间交换的原子和光信号并无区别。 随着知识的不断增长，我们越来越了解自己在宇宙中的地位—我们只是宇宙的一部分，而且是很小的一部分。在过去的几个世纪里，这一事实日渐清晰，而在近一百年间尤为明显。
  
 我们曾经以为自己居住的星球位于宇宙中心，但事实并非如此。我们曾经以为自己是动植物家族之外的独特物种，后来却发现我们同我们周围所有生物由共同的祖先繁衍而来，我们与蝴蝶和落叶松有着共同的祖先。我们就像独生子一样，在长大的过程中逐渐懂得，世界并非像我们小时候以为的那样，只围着我们转。我们必须接受自己只是万事万物中的一员这个事实，参照他者来认识自己。
  
 当我们谈及宇宙大爆炸或空间的机理时，并不是在延续几十万年来，人们围坐在夜晚篝火旁讲述的天马行空的故事。我们要延续的是另外的传统：先人们注视黎明第一缕曙光的眼力，他们可以借此发现热带大草原尘埃之上一只羚羊留下的足迹，通过观察真实世界中的蛛丝马迹来发现那些我们无法直接看到却有迹可循的东西。认识到我们可能会不断犯错，因此，一旦有新的迹象出现，我们要能随时改变方向，同时我们也清楚，如果我们足够聪明，就会做出正确的判断，找到我们追寻的东西。这就是科学的本质。
  
 编故事和追寻踪迹发现事实是两种截然不同的人类活动，把这两者混为一谈，是当代文化中科学不被理解和信任之肇始。二者之间的分别很微妙： 黎明时猎获的羚羊和前晚故事里讲的羚羊神相距并不遥远。界限是模糊的，神话与科学相互滋养。 但知识总是有价值的。捉到羚羊，我们就能填饱肚子。
  
 因此，我们的知识反映了真实。 无论多寡，知识都反映了我们栖居的这个世界。 并不是我们与世界之间的交流使人类从自然界中脱颖而出。事实上，世间万物都在不断相互作用，彼此身上都会留下对方的印记，从这个意义上来说， 所有事物都在不断地交换信息。

8. 《七堂极简物理课》-广义相对论之美

“爱因斯坦的广义相对论”这个名字，相信大家都不陌生，今天在看了作者“卡洛·罗韦利”的描述后，才对其有些了解。
  
 广义相对论的观点：空间不再是一种有别于物质的东西，而是构成世界的“物质”成分之一，一种可以波动、弯曲、变形的实体。完美解释了马克思主义哲学的观点：物质的存在存在方式是运动，物质运动的存在方式是空间；物质的唯一特性是客观实在性。
  
 广义相对论的观论：太阳会使其周围的空间发生弯曲，所以地球并不是在某种神秘力量的牵引下绕着太阳旋转，而是在一个倾斜的空间中进行，就好像弹珠在漏斗中滚动一样。这样来解释地球绕着太阳公转，好像更容易理解和接受。当然用牛顿的万有引力定律来解释也可以：毕竟在整个宇宙中有那么多的球体相互吸引，同时太阳不是均匀的质量，也可以比较容易能理解为什么地球绕太阳运动是椭圆轨道。
  
 得到证实的爱因斯坦语言：在高空中，时间过的比较快，而低的地方，离地球近的地方时间则过的比较慢。更加有趣，仔细想来，我们的一天24小时是按照地球自转来计算的，离地球远的地方转一圈的速度要快于离地球近的地方；所以住在赤道附近的人随着地球自转一圈的速度要快于住在靠近两极的人，那么住在赤道附近的人经历的时间变化就要慢于住在靠近两极的人；这样可以部分解了我国南方人比北方人显年轻的原因了。