秋高氣爽,把夏季陰霾一掃而空,這樣的午後適合讀書。
在安靜的圖書館,艾老師在敲代碼,我研讀了義大利物理學家卡洛先生的《七堂極簡物理課》。
這個小冊共計100頁,十分簡潔優美,7篇文章目錄如下:
第一課:最美的理論
1905年,Einstein發表了3篇文章,其中的任何一篇都足以讓他獲得諾獎。第一篇指出了原子的存在,第二篇奠定了量子力學的寄出,第三篇提出狹義相對論,即:時間不是普適的,它的流逝速度可以不一樣。
1911年,Einstein提出「廣義相對論」,被蘇聯物理學家Lev Landau成為「最美的理論」。
廣義相對論揭秘了:空間在有物質的地方會發生彎曲,空間和引力場本是一回事。
第二課:量子
量子力學誕生於1900年,Einstein提出「光的能量在空間中的分布是不連續的,而是點狀分布,作為能量發射和吸收的最小單元,能量量子不可再分。」
1925年,量子力學的方程終於出現了,使得很多問題都找到了答案。例如門捷列夫的元素周期表,之中的每個元素都是量子力學方程的一個解。
在量子力學中,沒有一樣東西有確定的位置,除非它撞上了別的東西。我們無法預知電子再次出現在哪裡,只能計算它出現在某處的概率。
一個世紀過去了,我們還停在原地。
第三課:宇宙的構造
亞里斯多德證明了地球是圓的,天空環繞著大地,星辰在天空中運行,像這樣:
接下來哥白尼出場了,他指出行星不是圍著地球轉的,而是圍著太陽轉。我們生活的地球只是那些行星中的一員,一邊高速自轉,一邊圍著太陽旋轉。像這樣:
而太陽,也只是眾多恆星中普通的一顆,是浩瀚銀河系星雲中的滄海一粟。
直到20世紀30年代,天文學家又發現:銀河系,也只是眾多星系的一粒塵埃······
浩瀚的宇宙是150億年前,由一個極熱、極密的小星雲演化而來,宇宙誕生的時候就像一個小球,大爆炸後一直膨脹到現在的規模。
第四課:粒子
我們看到的物體,都是由原子組成的。
原子由一個原子核,和圍繞它的電子組成。
原子核由緊密聚集在一起的質子和中子組成。
質子和中子則由夸克組成。
夸克之所以能夠在質子和中子之間,是由於膠子的存在。
······
量子力學描述了這些粒子的性質和運動方式。量子力學和粒子實驗告訴我們:世界是物體連續的、永不停歇的湧動,是稍縱即逝的實體不斷地出現和消失,是一系列的震蕩。
20世紀70年代,「基本粒子標準模型」得以確立。
迄今為止,標準模型是解釋物質世界最好的理論,除了暗物質和廣義相對論中被描述為「時空曲率」的引力之外,它很好地解釋了已知世界的方方面面。
第五課:空間的顆粒
廣義相對論和量子力學是相悖的,但同樣好用,這很折磨人。
廣義相對論告訴我們:空間在不斷運動,像一個移動終端巨大軟體動物,可以壓縮和扭曲,而我們被包在裡面。
量子力學告訴我們:所有這樣的場都由量子構成,具有精細的顆粒狀結構,於是理論空間也當然是「由量子構成的」。
圈量子引力研究方向就是在這樣的背景下出現的。
圈量子引力的核心結論是:空間是不連續的,不可被無窮分割,而是由細小的顆粒「空間原子」構成的。
時間的流逝發生在世界之內,從構成世界的量子事件的相互關係中產生,這些量子事件本身就是時間的源頭。我們的宇宙可能誕生於一個被壓縮後的反彈。
第六課:概率、時間和黑洞的熱
什麼是熱?
一個熱的物質並不包含熱質,發熱僅僅是因為其中的原子運動速度更快。
為什麼熱量會從熱的物體跑到冷的物體上,而不是反過來呢?答案令人驚奇:這並不是絕對的,只不過是一個概率較高的事件。
一個熱的物體撞到冷的物體,熱量不降反升,概率只是比較低而已。
只有熱量發生轉移時,才有過去和未來的差別。這樣一來,時間的流逝在物理學中就出現了,更多地體現在統計學和熱力學中。
霍金利用量子力學證明了黑洞總是熱的,像火爐一樣放熱。
尾聲:我們
我們的知識反映了真實。無論多寡,知識都反映了我們棲居的這個世界。
世間萬物都在不斷相互作用,彼此留下對方的印記,交換信息。
我們身上沒有任何東西可以逃過自然法則。
我們認為自己很自由的時間,我們確實可以做得到,因為我們的行為由大腦決定,不受外部因素左右。但是自由並不意味著我們的行為不受自然規律的支配,而是說明自然規律通過大腦的運作來決定我們的行為。
科學圖景與我們的感覺並不矛盾,我們生命中的熱情與情感,也能滋養理論物理的研究。
讓我們成為人類的那些特性,並不意味著我們要與自然分離,它們也是自然的一部分。
我們屬於一個短命的物種,所有的表親都已滅絕,而且我們一直在破壞,恐怕自己也難逃惡果。在地球上,我們恐怕是唯一一個知道自己必將滅絕、並眼睜睜看著自己末日到來的物種——對地球來說,這只是無關緊要的一個小挫折。
我們也知道如何面對自己文明的覆滅——並沒有太大不同,瑪雅文明和克裡特文明,還有許多其他文明都已成為過去,這就是我們的現實。
生命正是由於短暫才可貴。
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