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今天分享的書籍是《現實不似你所見》。
作者卡洛·羅韋利，義大利理論物理學家，圈量子引力理論的開創者之一。曾在美國、義大利工作，現在法國帶領量子引力研究小組。著有暢銷書《七堂極簡物理課》，被譯為40多種語言，被譽為下一個「史蒂芬·霍金」。
世界的基本組成部分是什麼？時間和空間真的存在嗎？現實的本質是什麼？現象級科普暢銷書《七堂極簡物理課》作者、義大利理論物理學家卡洛·羅韋利以優雅易懂的方式帶我們踏上這場探索現實之旅：從德謨克利特到愛因斯坦，從法拉第到引力波，從經典物理到量子引力……通過介紹現實的概念是如何隨時間變遷的，今天的物理學家又是如何理解宇宙的結構的，他為我們提供了比《七堂極簡物理課》更深入的理論解釋。
01、物質的本質是什麼
20世紀下半葉最偉大的物理學家理察·費曼在他物理學講義的開頭寫道：假如由於某種大災難，所有的科學知識都丟失了，只有一句話能傳給下一代，那麼怎樣才能用最少的詞彙來表達最多的信息呢？費曼說：所有的物體都是由原子構成的——這些原子是一些小小的粒子，它們一直不停地運動著。只要稍微想一下，你就會發現，這句話包含了大量的有關世界的信息。
第一，世間的萬事萬物雖然看起來各不相同，卻是由一批相同的零部件組裝而成；第二，每一種物質都不是鐵板一塊，我們可以繼續拆分，直到找到那個最基本的、不可分割的組件；第三，既然萬事萬物都由相同的零部件組成，那麼萬事萬物之間，也一定遵循一些通行的法則。
早在兩千多年前的古希臘，德謨克利特就堅定不移地相信，物質是由原子組成的，他用一個精彩的思想實驗，就論證了原子的存在。他是如何做到的呢？他的論證源於觀察：例如，他猜想，車輪的磨損或是衣服晾乾，可以歸因為木頭或水的粒子在緩慢飛走。此外他也有哲學上的論據。我們會集中討論這一點，因為這類論據可以一直沿用至量子引力。
德謨克利特發現，物質不可能是一個連續的整體，因為「物質是連續的整體」這一命題中包含矛盾。德謨克利特說，假設物質是無限可分的，那就意味著它可以被分割無數次。想像一下你把一塊物質無限分割，會剩下什麼呢？會剩下有維度的微小粒子嗎？不會。因為我們假設物質是可以無限分割的，微小粒子可以再被分開，直到分成沒有維度的點。
現在讓我們把這些點放在一起：把兩個沒有維度的點放在一起，你無法得到有維度的東西，用三個點、四個點也不行。無論你把多少個點放在一起，都沒法得到維度，因為點本身沒有維度。這就是矛盾。唯一可能的解釋，就是一開始的假設錯了。物質不是無限可分割的，任何物質都是由一些不連續的小物質構成，這些不連續的小物質大小有限，而且沒法繼續分割下去。德謨克利特將那些不能再分割的物質命名為原子。
德謨克利特進一步推測，整個宇宙由無限的空間構成，其中有無數原子在運動。空間沒有界限；沒有上也沒有下；沒有中心，也沒有邊界。相信世間的一切，就是原子在空間中運動形成的。德謨克利特的觀點影響了此後無數的科學家，不過人類還沒有發明電子顯微鏡之前，根本無法直接觀察到原子甚至是分子的存在，直到1905年，才有一位天才科學家在人類無法觀察原子的時候，就找到了原子存在的決定性證據。這位科學家就是阿爾伯特·愛因斯坦，當年他只有 25 歲。
1、物質的本質是微粒
愛因斯坦用的方法驚人地簡單。他沒有使用複雜的科學理論，只用了一個思想實驗，再加上一點數學計算，就證明了德謨克利特所說的原子的存在，而且還能計算出原子的大小。如果我們仔細觀察非常小的粒子，比如飄浮在空中的灰塵，你會看到，灰塵在一直振動跳躍。它們會隨機運動，離開原來的位置，慢慢地漂移。這是因為，這些灰塵與空氣中的分子發生碰撞，無數的分子從東南西北撞過來，左撞右撞就把灰塵給撞偏了。
愛因斯坦又往更深處想了一層，如果咱們假設空氣中的分子無窮小並且無窮多，那其實撞擊的作用就會被平衡掉。因為分子無窮多嘛，有多少從左邊撞過來的，就有多少從右邊撞過來，有多少從上邊撞過來的，就有多少從下邊撞過來。那在每個瞬間，那顆灰塵受到的撞擊都會被相互抵消，要是這樣的話，那顆灰塵根本就不會移動。這就和咱們觀察到的現象產生了矛盾。
同樣，這個思想實驗唯一能得出來的結論，也是一開始的那個假設就是錯的。分子是有大小的，數量也是有限的。這樣的話，撞擊只是大部分被抵消了，沒法完全被抵消。而且愛因斯坦發現，分子越小，兩次撞擊之間的間隔就越短，來自不同方向的撞擊就越容易平衡並且相互抵消，微粒移動的距離就越少。
這樣，愛因斯坦不僅證明了原子的存在，而且還找到了一種測量原子的方法，我們可以通過觀察液體中漂移的微粒，測量它們到底漂移了多少，也就是從某一位置移動多少，這樣就能計算出原子的大小。終於，在兩千多年之後，愛因斯坦用他的天才，給德謨克利特的洞見找到了證據：物質的本質是微粒。
2、世界萬物只是過程
後來人類對於物質的本質又有了新的認識。原子不再是不可分割的，科學家們可以深入到原子內部去探究，由此建立了量子力學。科學家進一步確信，物質是不可能無限分割的。
比如，數學，一條線段上有無窮多個點。但那只是數學的假設，如果我們真的在紙上畫一條一釐米的線段，然後不停地向下分割、分割、分割，並不能真的分出無限多個點來。科學家們已經證明，不管是長度還是重量，都不能無限變小，而是到了一個尺度就再也不能再向下分了。
量子力學揭示的另一個事實，在量子力學描述的世界中，世間的萬事萬物，本質並不是實實在在的物體，而是過程。
比如，大海的海面上有波浪，它們雖然形態看起來很不相同，但是其實它們都是水，從成分上看，沒有什麼不同。只不過當這些水被捲入一場運動的時候，它就變成了海浪，而當這場運動結束，它就又變成了海面上的水。同樣，大海、湖泊、小溪、瀑布，它們有成分上的不同嗎？並沒有。只是因為參與了不同的運動過程，就成了不同的形態。
量子力學告訴我們，不要從物體的角度來思考世界，而應該從過程的角度來思考世界。過程就是從一次相互作用到另一次相互作用的歷程。世間的萬事萬物，是由不可分割的微小粒子構成的。作者引用了一位哲學家寫下的詩句，總結了他心中物質的本質：「物體是一個不變的過程」。
02、空間本質是什麼
在德謨克利特的時代，他相信世間的一切，就是無限的空間和在空間中運動的原子。這個觀念一直延續了將近兩千年，到了牛頓的時代，人們雖然對於物質和運動的理解都有了天翻地覆的變化，但是對於空間的認識還是一直不變。
1、引力場
作者在書中提出了「場」的概念。場可以說給人類開啟了全新的時代，比如，收音機、電視、電話、電腦等等，如果人類沒有發現電磁場，這些改變我們生活的發明都不可能出現。
科學家們發現，場、空間、力、原子，這幾樣東西之間的關係越想越亂，怎麼捋都捋不清楚。尤其後來，科學家們提出了引力場的概念，那引力到底是原子和原子之間的相互作用，還是一種場呢？原子在空間裡的運動，和引力場的活動，這中間又是怎麼樣的一種關係呢？愛因斯坦說，用廣義相對論的角度看，世界就是粒子和場。而所謂的空間，其實就是引力場。引力場是一種場，它會運動與起伏。
太陽使其周圍的空間彎曲，地球並不是因為什麼神秘力量才圍著太陽轉，而是在傾斜的空間中沿直線運動。行星環繞太陽運動、物體下落，都是因為它們周圍的空間是彎曲的。就像在漏鬥中轉動的珠子：不存在什麼漏鬥中心產生的神秘的力，是漏鬥壁那個彎曲的特點使珠子旋轉。這是對世界的極大簡化。空間不再與物質有分別，空間成了物質產生的一種效應，就像是一枚吸鐵石擺在那裡，周圍就有磁場一樣，任何一個物質的旁邊就會產生引力場，空間成了物質自帶的一種屬性。
但廣義相對論和量子力學之間也有巨大的矛盾。比如，在空間的問題上，廣義相對論和量子力學兩種理論有很大的問題，廣義相對論說，空間是一種場，就像是一個巨大的軟體動物，可以彎曲伸展。這個場是連續不斷的。但是量子力學告訴我們，連長度都有最小的、不可分割的單位，所以根本就沒有連續不斷的東西。那這種矛盾怎麼調和呢？
2、量子引力理論
量子引力理論的核心可以讓我們更好的進行理解。作者說，引力場像是一塊布料，乍一看，它是一大片，連綿不斷的，但是如果你更細緻地觀察，你會發現這一片布料是由無數根線編織出來的。空間也是如此，它看起來是連續的，只不過是因為我們無法感知更細小的尺度，看不到那些細小的線。而那些細小的線，其實就是微小的粒子形成的微小的場，疊加在一起，就成了大的引力場。這就是空間的本質。
物質的本質是微小粒子相互作用的過程，物質的本質是微小粒子相互作用的過程，空間的本質是微小粒子形成的微小的場。於是，從量子引力理論，也能導出那個結論：空間和物質沒有區別，都是微小粒子的產生出來的。於是，量子引力理論就說，其實無論是光、能量、空間、物質，世間的萬事萬物，其實都只不過是一種實體的不同表現形式，物理學家給這種實體起了個名字，叫協變量子場。
03、時間的本質是什麼
作者認為，時間其實是不存在的。也就是說，時間不過是我們人類在理解世界時，產生的一種幻覺。物理學家說，時間就是熱量。為什麼呢？因為時間流逝的一切現象都與溫度有關。時間的顯著特點是向前移動，不會向後移動，也就是不可逆的。但是大多數物理現象都是可逆的。
比如，我們拍攝一個擺動的鐘擺，或是被向上拋出後又落下的石頭，然後倒著放影片，看起來也沒有問題，鐘擺從左到右還是從右到左，石頭向上還是向下，都是合情合理的。
石頭接觸了地面，並且停了下來，那石頭的能量去了哪兒呢？撞擊產生了熱量，加熱了地面。在熱量產生的那個時刻，過程就不可逆轉了。所以，是熱量的變化，把過去和未來區別開來。
比如，燃燒的木炭會轉化為煙，但是煙無法變回木炭，這中間是熱量的變化；太陽內部發生著劇烈的核聚變，不停向外釋放著熱量。
沒有熱量，時間就沒有的方向。什麼是熱量，什麼是溫度呢？其實也是一個極其粗糙的概念。從微觀上來講，溫度表示的是一大群分子運動的劇烈程度。也就是說，溫度是我們造出來的一個概念。所謂溫度，所謂熱量，只不過是我們在信息不夠精確的時候，對世界一種粗糙的認識。只要我們的信息足夠精確，溫度和熱量的概念自然就消解了。因此，時間並不是世界的基本組成部分。
比如，做幾何題，為了更好地理解問題，求解答案，我們會在題目上畫輔助線。但是，輔助線不是那個圖形的組成部分，那個圓形是真實存在的，那個三角形是真實存在的，但是那條輔助線，並不是真的在題目裡邊，只是我們為了更好地理解題目，在後來加上去的。如果有個特別聰明的學霸，單靠想，就能把這道幾何題想明白，那在他的草稿紙上，就沒有這道輔助線。
我們人類認識世界也是，如果我們可以細緻地觀察，進入量子的世界，看到更細微的粒子怎樣運行，看到物質和空間的本質，時間的概念自然就消解掉了。所以，作者為時間做了一個定義：時間是我們忽略了事物微觀物理狀態的結果。時間是我們所沒有的信息。時間是我們的無知。
最後的話：
世界的基本結構正在顯現，它由一群量子事件生成，其中時間和空間都不存在。量子場繪製了空間、時間、物質與光，在事件之間交換信息。實在是由獨立事件構成的網絡，概率使它們相互關聯，在兩個事件之間，空間、時間、物質與能量消融在一團概率雲中。