七堂极简物理课

原作名: Sette Brevi Lezioni di Fisica
作者: [意] 卡洛·罗韦利
译者: 文铮 / 陶慧慧
出版社: 湖南科学技术出版社
出版年: 2016-5

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书籍简介

在本书中，意大利物理学家卡洛•罗韦利，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。

思考

你了解身处的宇宙么？
广义相对论为什么能被称作“最美的理论”？
量子力学是怎样诞生的？

金句

1. 一个没有“浪费”过时间的人终将一事无成。
2. 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。
3. 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。世界在我们的眼前不断变化，我们对它的认识也在一点一点地不断深入。
4. 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。

笔记

在《七堂极简物理课》这本书里，作者罗韦利用诗一般简洁优美的语言，介绍了20世纪以来，现代物理学的理论发现。广义相对论和量子力学是20世纪物理学两大支柱。我们会介绍这两种最基础、也是最重要的理论。

第一种理论：广义相对论。

在17世纪，牛顿发现了万有引力，又提出了空间的概念，所有物体都在空间中运动，它们的运动状态又会受到彼此间引力的影响。到了19世纪，法拉第和麦克斯韦提出了电磁场的概念。电磁场是由运动的带电物体产生的。随时间变化的电场会激发磁场，随时间变化的磁场又会激发电场，两者互为因果，形成了电磁场。

到了20世纪初，爱因斯坦把引力和电磁场这两个概念结合起来，提出了引力场的概念。引力场并不会弥漫在空间中，因为它就是空间本身。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，是一种可以波动、弯曲、变形的实体。爱因斯坦证明，引力其实就是有质量的物体把它周围的空间给压弯了，弯曲的空间又对物体产生了引力的效果。空间弯曲是引力之源，这就是广义相对论最核心的思想。

广义相对论向人们展示了一连串神奇的预言。这本书里总共提到了其中的4个。

• 广义相对论的第一个预言是时空弯曲。

由于太阳的巨大质量，使空间发生了弯曲。这个弯曲不仅会让太阳系的众多天体都绕着它旋转，从它旁边路过的光线也发生偏折。不仅仅是空间，就连时间也会受到太阳巨大质量的影响。广义相对论预言，在离太阳比较近的地方，时间会过得比较快；而在离太阳比较远的地方，时间会过得比较慢。

• 广义相对论的第二个预言是黑洞。

当一个大质量的恒星燃烧完自己所有的燃料以后，会发生一场大爆炸，把外层的物质抛射到太空中。残留的部分不再有燃烧产生的热量支撑，会在自身引力的作用下发生坍塌，导致空间发生非常强烈的弯曲，最终变成一个真正的洞。它就像一个可怕的怪物，潜伏在宇宙之中，要是离得太近，就连跑得最快的光也无法逃离它的魔掌。因为它周围的光无法逃逸，我们就看不见它。所以美国物理学家约翰·惠勒就把这种恐怖的天体称为黑洞。

• 广义相对论的第三个预言是宇宙膨胀。

利用广义相对论，物理学家亚历山大·弗里德曼和乔治·勒梅特发现，空间不可能一直保持静止。1929年，美国天文学家哈勃发现了宇宙确确实实处于膨胀的状态。既然宇宙现在正在膨胀，那么反推回去，它过去就一定处于一个很小的空间区域，宇宙的膨胀是由过去的一次大爆炸引发的。宇宙大爆炸会留下一个遗迹，那就是古老光子，也就是所谓的“宇宙微波背景”。1964年，两位工程师证实了宇宙微波背景的存在，进而证明了宇宙大爆炸理论的正确。

• 广义相对论的第四个预言是引力波。

爱因斯坦提出来，空间本身可以像海平面一样上下起伏，形成一圈圈的涟漪，这个空间的涟漪就是引力波。当引力波传来的时候，小到一把尺子，大到整个地球，都会发生周期性的伸缩。但引力波非常难测，因为它让物体伸缩的幅度特别小。在2015年，人类利用激光干涉引力波天文台，首次直接探测到了引力波的存在。

在一百年以后，广义相对论的预言都得到了实验的证实。因此，物理学家就把广义相对论，称为世界上“最美的理论”。

第二种理论：量子力学。

除了宏观世界，还有一个小到肉眼根本看不见的微观世界。微观世界里有分子、原子和一些更小的粒子，它们是组成宏观世界物体的基本单元。这些微观粒子遵循的运动规律，称为量子力学。

在《七堂极简物理课》这本书中，罗韦利介绍了量子力学发展史上的4个重要阶段。

• 第一个阶段，普朗克发现了光的能量并不连续。

公认的量子力学之父是德国物理学家普朗克。发热的物体可以向外辐射电磁波，我们熟悉的可见光，其实就是电磁波的一种。1900年，普朗克研究了一个发热的黑匣子所辐射的光。为了计算这些光的能量随频率的分布，普朗克做了一个很大胆的假设：光的能量其实分布在一个个“量子”上。用这个假设计算光的能量分布，计算结果和实际测量结果完全一致。

• 第二个阶段，爱因斯坦指出，光是由光粒子构成的。

1905年，爱因斯坦研究了光电效应。光电效应是德国物理学家赫兹在1887年发现的一个现象：用光照射金属，就可以从金属的内部打出电子。爱因斯坦认为，光本身就是由一个个叫“光子”的微粒组成。光子的能量取决于光的频率：频率越高，光子的能量就越大。如果一个光子的能量比较大，那么它传递给电子的能量也比较大，当这个能量大到足以挣脱金属原子的束缚，电子就会立刻从金属里跑出来。如果光子传递给电子的能量达不到逃出去所需要的最低能量，电子就会一直被束缚在金属内部。

• 第三个阶段，玻尔发现不只是光子，其他微观粒子同样也是量子化的。

玻尔从理论上研究了最简单的原子——氢原子的内部结构，并且提出了一个理论模型，这个模型和氢原子光谱观测数据高度吻合。在这个模型中，一个电子在绕着一个氢原子核旋转。电子的轨道是量子化的，电子只能在一些特定的轨道上运动，而且这些轨道是分立的。

不同的轨道有不同的能量：离原子核越近的轨道，能量越低，离原子核越远的轨道，能量越高。电子能从一个轨道跳到另一个轨道，同时释放或吸收一个特定频率的光子。这个过程就是量子跃迁。

• 第四个阶段，海森堡提出了不确定性原理。

海森堡认为，电子根本没有确定的运动轨道，甚至没有确定的位置。电子能同时出现在很多地方，而且在每个地方的存在都是真实的。把电子在每个地方存在的概率加在一起，就等于100%。这就是海森堡发现的不确定性原理。在不确定性原理的指引下，人们在上世纪20年代写出了量子力学的核心方程，从而找到了微观世界中种种现象的内在规律。这是人类科学史上最伟大的成就之一。

在最后一堂课，罗韦利跳出了冰冷的物理世界，聊了聊他对人类自身的一些认知。我们曾经认为自己住在宇宙的中心，但事实证明，我们不过是住在银河系的一个偏远的角落；我们也曾经认为自己是万物之灵，但事实证明，我们与周围的所有生物都有共同的祖先。那人类到底特殊在哪里呢？罗韦利认为，人类的特殊之处在于我们特别有好奇心。正是因为有好奇心，人类才会去探索世界的奥秘，最终发展出自然科学。