《七堂极简物理课》 [意]卡洛·罗韦利(发布于2022年05月11日,阅读次)

《七堂极简物理课》 [意]卡洛·罗韦利 文铮 陶慧慧译

湖南科学技术出版社 2016年5月第一版 2017年2月第六次印刷

 

就在这时，他（爱因斯坦）灵光一现，想到了一个非同凡想的点子，一个百之百天才的想法：引力场“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。 p8

 

太阳会使周围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：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。所以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。

……也就是说：空间在有物质的地方会发生弯曲。……空间弯曲这个观点，现在变成了一个方程。 p8-9

 

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”。

……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，直至在太空中观察到了“宇宙背景辐射”，也就是原始爆炸的余热里弥漫的光（不明就里的光就被命之为大爆炸后的光？难以想象的时间空间后那光还在？子皮疑问）。事实证明，爱因斯坦方程的预言是正确的。 p10-11

 

20世纪物理学的两大支柱，一个是我第一课讲的广义相对论，另一个就是我这里要讲的量子力学，它们之间有着天壤之别。

量子力学正好诞生于1900年，它几乎引领了整整一个世纪的密集思考。德国物理学家马克斯·普朗克……用了一个巧妙的方法……用这个方法计算出的结果与测量得到的数据完全吻合，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。

……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”。他在那篇文章中的引言中写道：

“在我看来，如果我们假设光的能量在空间中的分布是不连续的，我们就能更好地理解有关黑体辐射、荧光、紫外线产生的阴极射线，以及其他有关的发射和转化的现象。依据这个假设，点光源发射出的一束光的能量，并不会在越来越广的空间中连续分布，而是由有限数目的‘能量量子’组成，它们在空间中点状分布，作为能量发射和吸收的最小单元，能量量子不可再分。”

起初，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培养者。 p18-19

 

率先为这个新理论列出方程的是一个非常年轻的德国天才——维尔纳·海森堡，他所依据的理念简直让人晕头转向。

海森堡想象电子并非一直现在，只在有人看到它们时，或者更确切地说，只有和其他东西相互作用时它们才会存在。

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。 p21

 

更糟的是，这些从一处到另一处的飞跃大多数是随机的，不可预测。我们无法预知一个电子再次出现时会在哪儿，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。 p22

 

最后，爱因斯坦承认，量子理论是人类认识世界进程中的一个巨大进步，但他还是坚信，事情不可能如此荒诞离奇，在这一切“背后”一定存在着一个更为合理的解释。

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一个物理系统的。这意味着什么呢？是否意味着一个系统的真实存在是无法被描述的呢？……是否意味着我们要接受“所谓的真实只不过是相互作用造成的”？

……量子理论诞生至今已有一百多年，但它究竟是什么呢？是对世界本质的一次非同凡响的深刻探究？是侥幸灵验的一个美丽错误？……

爱因斯坦去世的时候，波尔——他最强劲的对手——表达了对他的敬仰之情。……直到最后一刻，他仍未停止怀疑。 p23-25

 

20世纪上半叶，爱因斯坦用相对论描述了空间和时间的运作方式，而波尔和他年轻的门徒们则用一系列方程捕捉到了物质奇怪的量子特性。

……科学首先是视觉活动。科学思想得益于以新的方式“看”事物的能力。 p29

 

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150亿年前由一个极热极密的小星云演化而来的……

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。（150亿年前？能知道一百多亿年前有大爆炸？那种宇宙的痕迹永远不会消失？子皮疑问。）

还有别的什么吗？宇宙爆炸之前还有什么东西存在吗？ p35-36

 

我们看到的物体都是由原子组成的……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”。他的灵感来自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根守灵夜》中一句没有意义的话里的一个没有意义的词：“给马斯特·马克来三夸克！”（也许物理学本身也是“无意义”的？子皮小问。）

夸克之所以能够在质子和中子里“黏”在一起，是因为一种物理学家们称作“胶子”的粒子，它是从英文的“胶水”变化而来的，科学家们取名时似乎并没有发现这个词有点可笑。

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”。 p39-40

 

这就是量子力学和粒子理论描述的世界。这同牛顿和拉普拉斯的世界相去甚远：在那里，冰冷的小石子在不变的几何空间里沿着精确而漫长的轨迹永恒不变地运到着。量子力学和粒子实验告诉我们，世界是物体连续的、永不停息的涌动，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。（所以现代科学整出的东西，越来越不可控，子皮如是说。） p41

 

它称为“暗物质”，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……（一个美丽的构想：科学家们想把宇宙万象包络在一个模型里面。子皮碎语）

迄今为止，标准模型仍然是解释物质世界最好的理论，它的预测全部得到了证实。除了暗物质和广义相对论中被描述为时空曲率的引力之外，它很好地解释了已知世界的方方面面。 p44

 

在我们所了解的物理世界的中心，存在着一个悖论。我说过，20世纪物理学的两颗明珠是广义相对论和量子力学。前者是宇宙学、天体物理学、引力波、黑洞以及其他许多研究的起源；后者则是原子物理、核物理、基本粒子物理、凝聚态物理等学科的基础。这两个理论带来了丰富的成果，奠定了当代科技的基石，彻底改变了我们的生活方式。但这两个理论不可能同时正确。至少依照目前的形式，它们是相互矛盾的。（多么可以的科学……子皮疑惑着） p49

 

悖论在于两个理论都非常好用。大自然就像以为年长的拉比，有两个人跑去找他解决争端。听了第一个人的话，拉比说：“你说得有道理。”第二个人坚持为自己辩解。拉比听完对他说：“你说得也有道理。”拉比夫人在另一个房间听到了他们的谈话，大声说道：“但是他们两个不会都有道理吧？”长老认真思考了一下，点点头说：“你也很有道理。” p50

 

物理学已经不是第一次面对两个看起来完全对立的伟大理论了。而过去每一次成功地将相互矛盾的两个理论统一时，我们的世界观都产生了巨大的飞跃。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…… p51

 

圈量子引力的核心结论是：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（非物质的集合？换句话说，其实就是关系的集合，这符合国人的文化，人和自然的关系，顺应自然。子皮碎语）。

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。这些描述空间和物质的颗粒的方程不再包含“时间”这个变量。

这并不是说一切都保持稳态，没有变化。想反，它说明变化是普遍存在的，但我们不再能把这个基本过程形容为“一个瞬间接着另一个瞬间”。……每一个物理过程都有自己的节奏，独立于邻近的其他过程。 p52-53

 

这个理论描述的世界和我们熟知的那个相去甚远。这里不再有“包含”着世界的空间，也不再有事件发生“于其中”的时间。这里只有空间和物质的量子持续相互作用的基本物理过程。我们周围连续的空间和时间只是这些密集发生的基本过程产生的模糊景象。 p54

 

物理开阔了人类的眼界，我们看到的东西不断地让我们惊异。我们意识到人类满脑子都是偏见，我们对世界本能的认识是片面的、狭隘的、不合时宜的。 p58

 

物理学另有一座与众不同的伟大城堡，它提出了一个让人始料不及的问题，那就是：“什么是热？”

……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。……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。

……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？

玻尔兹曼发现其中的原因惊人地简单：这完全是随机的。 p63-65

 

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身亡，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”。我们不确定某件事是否会发生，但我们可以分配给它或高或低的概率。（概率，就是不确定，把这么一个不能“确定”的概念用于原本应该确定的物理世界，被称之为“科学”——与赌博同类？也许，世界本原就是无法确定的东西，所谓“道可道非常道”是也。子皮碎语）p66

 

狭义相对论告诉我们“现在”的概念也是主观的。物理学家们和哲学家们得出结论：全宇宙共有同一个“现在”的观念是种幻觉，时间在宇宙中同步“流逝”这种概括也是行不通的。爱因斯坦在他的意大利好友米凯莱·贝索去世后给他的妹妹写了一封感人至深的信：“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。像我们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。” p71

 

德国哲学家海德格尔强调，我们“栖居于时间之中”。会不会海德格尔视为根本的时间流逝这一特征，根本不存在？

一些哲学家，其中不乏海德格尔忠实的追随者，认定物理没有能力描述现实最根本的面向，甚至斥之为误导人的知识。 p72

 

霍金利用量子力学成功地证明了黑洞总是“热的”，像火炉一样放热。（黑洞究竟存在于哪里，他可以证明是热的？子皮一笑） p74

 

德国唯心主义思想的鼎盛时期，谢林认为人是自然的顶峰，因为人类能够意识到自身。如今，从我们当下对自然界的认识来看，这个观点不禁令人莞尔。（华夏文化有天地人三才的概念，也就是说，人不过是“三才之一”而已，所以西人太“自以为是”了……子皮碎记）

 

斯宾诺莎早就一针见血地指出，与我们身体内部发生的复杂过程相比，我们的自我认知和印象实在是太粗糙了，正因如此，我们才感觉自己拥有真切的自由。令我们感到惊讶的一切，其实度来源于我们自己。（吾若无身何患之有？子皮闪念） p87

 

我认为，我们这个物种不会延续很久。我们似乎没有乌龟的那种本事，能够几亿年来一直保持着原来的样子，那可是人类存在时间的好几百倍。我们属于一个短命的物种，所有的表亲都已经全部灭绝。而且我们一直在破坏。 p91

 

古罗马哲学家卢克莱修所言：“我们对生命的胃口是贪得无厌的，我们对生命的渴求是永不满足的。” p92

 

2022年5月9日阅毕于海上无乐斋

2022年5月10日摘录