《七堂极简物理课》浓缩为一堂

《七堂极简物理课》封面

世界基本构成：物质，空间，时间

牛顿想象物体在空间中运动。空间是一个巨大的盒子，大到能装下整个宇宙，所有的物体都在其中做匀速直线运动，直到有一个力，使其速度加快或减慢，或拐弯。空间——牛顿想象的这个可以容纳整个世界的容器——是由什么做成的，牛顿没说。

牛顿肖像

苹果下落，行星运转，表面上大相径庭，背后根本原因却是相同的：万有引力。两个物体不互相接触，怎么会有力的作用呢？牛顿没有解释这个问题。

18世纪建立的电磁场理论为解释万有引力提供了启发。爱因斯坦想：不挨在一起的带电物体可以通过电场进行相互作用，那万有引力也应该是通过引力场进行的。引力场是如何运作的？爱因斯坦冒出一个百分百天才的想法：引力场不是弥漫于空间，引力场本身就是空间！牛顿那个承载物体运动的空间与引力场是同一个东西。空间不是有别于物质的东西，它就是物质成分之一，一种可以弯曲、变形、波动的实体。我们不再身处一个看不见的坚硬框架中，更像是深陷在一个巨大的容易变形的软体动物中。地球并不是在某种神秘力量牵引下绕太阳转，而是在一个倾斜的空间中行进，就像一个弹珠在漏斗的侧面上滚动一样：漏斗中心并不产生神秘的力，是弯曲的漏斗壁使弹珠滚动。天体转动，苹果下落，都是因为空间发生了弯曲。空间会在有物质的地方发生弯曲。恒星周围空间发生了弯曲，使行星绕着恒星转。地球周围空间发生了弯曲，使苹果下落。

时空弯曲

空间还可以像水面一样起伏，这就是引力波。实验上已经观测到引力波。

不仅空间，时间也会弯曲。住在山上要比住在海边老得快。

让我们把目光转向我们周围的世界。我们看到的物质都是由原子构成的，原子由原子核和电子组成，原子核由紧密堆积在一起的质子和中子构成，质子和中子由更小的夸克构成。 夸克靠胶子“黏”在一起。

即物质的组成单元是颗粒状的，是很小很小的粒子，是不连续的。原则上，其个数是可以数的，一个，两个，三个，……，这种情况叫做量子化。

不仅物质组成单元是量子化的，连能量也是量子化的，这个匪夷所思的说法是德国物理学家普朗克提出的，他当时研究“热匣子”里平衡态电磁场。物理学家用上各种物理理论，但是计算结果与实验数据就是对不上。普朗克突发奇想，把能量视为一个个能量包的集合，结果计算结果与实验完全符合。普朗克欣喜之余，也很懵圈，还可以这么搞？为什么可以这么搞？

普朗克还在为自己的想法犹疑，爱因斯坦就拿来用了。爱因斯坦说光的能量由有限数目的能量量子——现在称为光子——组成，光子是能量发射和吸收的最小单元。

这是量子论诞生的真正宣言！

普朗克肖像

普朗克是量子论之父，爱因斯坦是量子论的养父。不过，后来爱因斯坦不再认这个孩子。养父不如亲爹。

量子论下一个接棒者是丹麦物理学家玻尔。他说，原子内的电子的能量跟光子能量一样，也只能是特定值，电子只能在特定能量之下才能从一个原子轨道“跃迁”到另一个原子轨道，同时释放或吸收一个光子。这称为“量子跃迁”。

玻尔氢原子模型

玻尔周围聚集着20世纪最具天赋的物理青年，他们共同努力，试图为原子世界种种令人困惑的现象建立一个自洽的理论。

玻尔肖像

1925年，这个理论出现了，霎时间，一切现象都找到了归宿。立下首功的是年轻的德国天才海森堡。他所依据的理念更让人发懵。

海森堡提出，量子力学里，电子等各种东西没有固定栖身之所，甚至不会存在于一个所谓“地方”，除非它撞上了别的东西，与其他东西相撞时，以一定概率在某个地方出现，概率是可以计算出的。量子力学里的东西，从一个地方飞跃到另一个地方是随机的，不可预测，只能预测在各处出现的概率。

海森堡肖像

是不是很荒谬？爱因斯坦也这么认为。爱因斯坦尤其接受不了概率。

一百年来，量子力学的方程每天都在应用，用以理解物理、化学、生物等领域的问题，用于工程和产品改善我们的生活，但是这些方程仍然十分神秘。量子力学方程并不描述物理系统内发生了什么，而只说明一个物理系统如何影响另一个物理系统。这意味着什么？是否意味着一个系统的真实存在无法被描述？是否意味着量子力学方程还不完整？是否意味着所谓的真实只不过是相互作用造成的？是否意味着量子力学方程只是侥幸灵验的一个美丽的错误？是否意味着量子力学只是关于世界结构这样一个艰深问题的一个线索，而我们还没有参透？

不知道，玻尔直到生命最后一刻也还在思索。

玻尔最后的黑板

我们还是思考物质世界吧。

前面说了，物质最底层的结构可归结到电子、夸克、胶子、光子等粒子，除此之外，还有中微子、希格斯波色子等粒子，它们被称为“基本粒子”。

量子力学描述这些粒子，是相应的场的量子——也称元激发，这可不像牛顿力学描述石子那么真实可感。比如，光子是电磁场的量子，电子是电子的物质场所对应的量子。

构成世界的各种场像海面一样，一直在波动起伏，组成世界的基本粒子在这样的波动中不断产生、消失。

基本粒子的量子世界和牛顿与拉普拉斯的世界相去甚远。牛顿与拉普拉斯的世界里，小石子在不变的几何空间里沿着精确的轨迹运动着。而在量子世界，世界是永不停歇的涌动，实物稍纵即逝，不断地出现和消失，是一系列的振荡。

粒子的理论的细节在1950-1970年代逐渐得到完善，这些细节的建构导出了基本粒子标准模型。标准模型所有预言都得到了实验的证实。尽管如此，标准模型却从未获得理论物理学家的真正的认真看待，因为标准模型美感太差，零零碎碎，东拼西凑，距离相对论和量子论那样的简洁方程还很遥远。

基本粒子标准模型

利用标准模型进行预言，方式很奇怪。直接使用这些方程预测，计算出来的结果都是无穷大，这没有意义，要得到有意义的结果，必须假定参数本身就是无穷大，以抵消荒谬的结果。这个解决问题的程序叫重整化。

标准模型不能描述暗物质和引力。

曾有人提出其他理论，试图替代标准模型，但可惜都被实验推翻了。比如1970年代曾出现的SU(5)的理论。现在的超对称理论，或许是正在重复上演的戏码，因为超对称理论预言的新粒子一直没有现身。

现在我们还只能依赖标准模型，虽然不美，但管用。

从前面的介绍可以看出，广义相对论和量子论有明显差别。广义相对论里，世界是连续的弯曲空间，而在量子论里，世界是不连续的能量量子的平直的空间。

理论物理学家正在解决这种“精神分裂”的局面。这个研究领域称为量子引力。解决此问题的有希望的道路不止一条，其中一个重要的尝试是“圈量子引力”。

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，而是有个最小的单元，称为“空间原子”。空间原子极其微小，是原子核大小的几亿亿分之一。空间的量子就像细密织成的锁子甲上的小铁环，环环相扣，形成一个相互关联的网络，因此称为“圈”或环。

这些空间的量子在哪里？不在任何地方，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。

圈量子引力理论里没有时间这个变量。“时间不受事物影响，一直流逝”这个观念不再成立。这不是说一切都保持定态，不再变化，相反，变化普遍存在，但不能以“一个瞬间接着另一个瞬间”来描述变化过程了。每一个物理过程都有各自的节奏，独立于临近的其他过程。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。

不再有“包含”着世界的空间，也不再有发生“于其中”的时间，只有空间和物质的量子持续相互作用的基本物理过程。我们感觉空间和时间是连续的，只是因为基本物理过程太过密集，就像我们看来连续的水，其实是无数离散的水分子快速舞动形成的。

圈量子引力理论目前还没有得到实验证实，但是，已经有很多尝试了。其中之一是对黑洞的研究。

现在可以观测到，恒星塌缩形成黑洞，恒星物质从我们的视野中消失，它们去哪里了？

如果圈量子引力理论是正确的，物质不可能塌缩成一个无穷小的点，因为不存在无穷小的点，存在的只有一块一块的有限空间。被自身重量压塌的物质，会变得越来越密，直到量子力学可以产生一个反作用力，来抗衡收缩的引力，处于这个阶段的恒星称为普朗克恒星。

比如我们的太阳，最后会形成直径约1.5千米的黑洞。在黑洞内部，组成太阳的物质会继续塌缩，最终都挤压在一个原子大小的空间里，形成一个如原子般大小的普朗克恒星。

普朗克恒星是不稳定的。一旦压缩到最大程度，就会回弹，重新膨胀。在黑洞内部看，回弹是一瞬间完成的，但是在黑洞外部看，回弹过程非常缓慢，黑洞在很长的时间内都看不出变化。

由此，可启示我们追溯宇宙的起源。当宇宙中所有物质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。

世界基本构成的理论就介绍到这里，下面我们讨论我们习以为常却又让人始料不及的问题：什么是热？

热

19世纪中叶之前，人们通常认为热是一种物质。这种想法后来证明是错误的。经过一代代物理学家的探索，最终英国物理学家麦克斯韦和奥地利物理学家玻尔兹曼阐明了热的本质。热的物体并不包含热质，热反映的是物体中的原子或分子运动速度。热的物体之所以热，是因为物体中的原子或分子运动速度更快。冷的物体之所以冷，是因为物体中的原子或分子运动速度更慢。

玻尔兹曼肖像

我们都有这样的生活经验，热量总是从热的物体跑到冷的物体。反过来，为什么不行？

这个问题关系到时间的本质。

不发生热交换，或热交换可以忽略的情况下，未来和过去是一样的。比如太阳系内行星运转，热量几乎是无关紧要的，行星即使逆行，也不违反任何物理规律。

但是如果热量存在，未来和过去就不同了。比如，钟摆如果存在摩擦，随着摆动，底座会微微变热，摆动速度变慢。这就是摩擦生热。这时我们就可以分辨未来(即钟摆变慢的方向)和过去。我们从来没有看到过一个钟摆吸收了底座的热量，从静止突然摆动起来。

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的基本现象就是热量总是热的物体跑到冷的物体上。为什么反过来就不行呢？

玻尔兹曼发现，热量从热的物体跑到冷的物体，并非遵循什么绝对的定律，只是发生这种情况的概率非常大而已，热量原则上也可以从冷的物体跑到热的物体上，只是发生这种情况的概率太低了。

热量传递是这样的。热的物体的分子速度快，冷的物体的分子速度慢。热物体的分子与冷物体接触，它们的分子发生碰撞，一般情况下是，前者向后者传递能量，相反的情况不太常见。你可以用台球碰撞来想象一下。最后的结果是，热的物体温度降低，冷的物体温度升高，最后达到温度相同。热的物体更热，冷的物体更冷，并非完全不可能，只是发生的概率太太太太太太太太太太太太太低了。

(顺便说一下，这里的概率和量子物理里的概率没有关系。)

于是，我们有了时间流逝的经验。

根据狭义相对论，“此刻”是主观的，是相对的，全世界共有一个“现在”的观念是种幻觉，时间在宇宙中同步流逝这种观念是没道理的。

时间流逝这个经验从何而来？来自热量与时间的联系中。只有当热量发生转移时，才有过去和未来的区别。热量与概率相关。而概率决定于世界内部微观的相互作用的细节，如物体内部大量的原子或分子的微观状态。

在20世纪，热力学扩展至电磁场和引力场。

带电粒子由于热运动会产生电磁场，这就是热辐射。我们可以成功描述热辐射的电磁场。可以把热辐射电磁场看做一系列独立的电磁波（即简正模），在它们之间随机分配能量。我们还可以把电磁波想象成光子组成的气体，这些光子就像热气球里的气体分子一样运动。

热引力场是什么样的情况？那如果热量扩散到引力场，空间和时间会怎样？会振动起来？不知道！

引力、量子力学、热力学纠缠在一起，而时间就位于这团乱麻的中心，我们还没有一个理论，把这三块拼接在一起。

英国物理学家霍金提供了一条线索。他证明，黑洞总是“热”的，可以放出辐射。这是关于“热空间”性质的第一个具体迹象。黑洞辐射是量子效应，而黑洞本质上是引力性的。一个个空间量子——空间“分子”——振动加热了黑洞表面，使黑洞发出辐射。黑洞辐射如同物理学中的罗塞塔石碑，用量子、引力和热力学三种语言写成，仍需深入解读，以读懂时间的本质。

霍金肖像

我们人类

如果世界是一幅由时空和基本粒子组成的巨大拼图，那我们人类是什么？也只是由由量子和粒子构成的吗？如果是这样，那我们个体存在感和自我意识从何而来？我们的价值、梦想、情感、知识又是什么？

我们人类首先是观察这个世界的主体，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。我们由原子和光信号构成，同山上的青松和星系中群星间交换的原子和光信号并无区别。

随着知识的增长，我们越来越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。我们曾以为我们处于宇宙中心，但事实并非如此，地球是个很不起眼的天体。我们曾以为自己是独特物种，但我们后来发现，我们同所有生物由共同祖先繁衍而来。对自然界其他事物而言，我们没有什么特别。

我们人类还是有些特殊性的。我们可以在思维中建构的宇宙图像，还能不断突破我们的感官和智力的局限，不断学习和更新我们的概念框架，使之与我们的认知相匹配。我们建构的宇宙图像并非完全客观，但多多少少描绘了我们所处的这个真实世界。我们还要在现有基础上，循迹前行，以便更好地描述这个世界。

方我们讨论宇宙大爆炸或空间肌理时，与几十万年来人们坐在篝火旁讲述天马行空的故事的传统是不同的。我们要延续的是另外的传统：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。比如先人在大草原上发现一只羚羊留下的足迹，推断出羚羊所在，并猎取羚羊。

我们还能认识到，我们可能会不断犯错，因此，一旦有新迹象出现，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。

第谷的天文观测仪器

编故事和循迹发现事实是两种截然不同的人类活动，把两者混为一谈，是当代文化中科学不被理解和信任的肇始。二者之间的分别很微妙：白天猎获的羚羊和篝火旁故事里的羚羊神相距并不遥远，界限是模糊的，科学与神话相互滋养。但知识总是有价值的，捉到羚羊，我们就能填饱肚子。我们的知识，无论多寡，都反映了我们栖居的这个世界。

我们能建构自然界的图像，自然界反过来也会塑造我们和我们的思想。如何塑造呢？这是科学中最有趣的前沿之一，目前还没有确定的答案。科学家相信，我们的意识归根结底，来自大脑物理层面的规律。尽管还在探索中，答案好像正在浮现。

这里就有另外一个令我们困惑的问题：如果我们的行为只能遵循自然的法则，那么自由意志意味着什么？不是与世间万物运行的严谨规律矛盾吗？也许我们有一些东西能逃避自然法则，让我们可以用自由思考来扭转或偏离自然法则？

不，我们没有任何东西能逃避自然法则。整个现代科学都在巩固这一认知。

自由并不意味着我们的行为不受自然规律支配，而是说明自然规律通过大脑的运作来决定我们的行为。我们的自由决定是我们大脑中数十亿个神经元相互作用的结果。我们的意志固然自由，但不可能超出神经元的相互作用。

做决定的是“我”还是“我大脑的神经元”？这两者是一码事。一个人就是一套程序，复杂而又极其完备。我们的大脑中有亿万神经元，它们之间可能产生的关联与组合更是一个天文数字。然而，对于这些，我们都是没有意识的。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太粗糙了。构成“我们”的是整个错综复杂的过程，而不仅仅是我们能意识到的那一小部分。也因此我们才感觉自己拥有真切的自由。

人脑海马组织神经元

世界的科学图景与我们对自身的感觉并不矛盾，与我们的情绪和感情也不矛盾。世界是复杂的，我们用各种语言来捕捉它。通过了解大脑中的生物化学过程，我们的心理学更精进了。我们生命中的热情与情感也能滋养理论物理的研究。

我们的道德价值、情感、爱都是实在的，是自然界的一部分，是人类与动物界共享的财富，是我们这个物种通过千百万年的进化确定下来的。我们的社群和情感都是构成我们存在的真实事物，由我们共同创造的错综复杂的常识网络构成。这一切都是我们描述的“自然”的一部分。

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，并且不一定是多稀奇特殊的部分。宇宙中也许存在着更多我们无法想象的复杂形态。

我们是一个好奇心很重的物种，并且是由至少十来个好奇心强的物种组成的人属中，我们是唯一存活下来的一支，并且有些物种灭绝的时间并不长，尼安德特人，也就灭绝了三万多年。我们这个物种从非洲起源。十万年前，我们这个物种或许就是在好奇心驱使下，走出非洲，走得很远，远到月亮之上。

尼安德特人

但现在，我们这个物种或许快走到头了。我们这个物种所有的表亲都灭绝了。我们一直在破坏气候和环境，恐怕已经在劫难逃。雪上加霜的是，我们人类依然像鸵鸟一样，把头埋在沙子里，对危险视若无睹。我们也许是地球上唯一看着自己末日到来的物种，或至少是见证自己文明灭亡的物种。但对地球来说，这只是一个无关紧要的小挫折。

自然塑造了我们，指引着我们。我们探索的这个世界令人惊异。这里的空间是颗粒状的，时间是不存在的，物体也可能不在任何地方。我们的好奇心向我们展示了我们的栖居之地，展示了我们由什么构成。我们天生渴望不断学习。我们对世界的认知不断增长。在知识的边界，我们的求知欲在燃烧。我们渴望探索空间纹理的细微之处，探索宇宙的起源，时间的本质，黑洞的现象，以及我们思维的运行。

现在，在人类已知事物的最前沿，我们将要航行于未知的海洋……