《七堂极简物理课》笔记

最美的理论

• 少年时代的爱因斯坦曾度过一年无所事事的时光。很可惜，现在很多青少年的父母经常会忘记这样一个道理：一个没有”浪费“过时间的人终将一事无成。
• 世界上有许多感人至深、无与伦比的伟大作品，比如莫扎特的《安魂曲》、荷马的《奥德赛》、西斯廷礼拜堂的穹顶画、莎士比亚的《李尔王》……想要领悟这些作品的妙处，都要经历一个从头学起的过程，但最终获得的回报将是百分之百没的享受。
• 引力场不”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。
• 空间不再是一种有别于物质的东西，而是构成世界的“物质”成分之一，一种可以波动、弯曲、变形的实体。我们不再身处一个看不见的坚硬框架里，而更像是深陷在一个巨大的容易变形的软体动物中。太阳会使其周围的空间发生弯曲，所以地球并不是在某个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行进，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。

量子

• 这几句话说得简单而又清晰，是量子理论诞生的真正宣言。请注意这段话一开始“在我看来”这几个不同凡响的字眼，这不禁让人联想到，达尔文在自己的笔记中以“我认为”这几个字为开端来介绍他物种进化的伟大思想，而法拉第在其著作中第一次介绍电磁场这个具有革命意义的概念时，则提及自己“犹豫不决”。伟大的天才都懂得三思而行。
• 在20世纪10-20年代，丹麦人尼尔斯·波尔引领了这一理论的发展，他了解到原子内的电子的能量跟光能一样，只能是特定值，而更重要的是，电子只有在特定的能量下才能从一个原子轨道“跳跃”到另一个原子轨道上，并同时释放或吸收一个光子，这就是著名的“量子跃迁”。
• 每一种元素（注：元素周期表中的化学元素）都是量子力学最主要方程的一个解。整个化学学科都基于这一个方程。
• 海森堡想象电子并非一直存在，只在有人看到它们时，或者更确切地说，只有和其他东西相撞时，就会以一个可计算的概率在某个地方出现。从一个轨道到另一个轨道的“量子跃迁”是它们现身的唯一方式：一个电子就是相互作用下的一连串跳跃。如果没有受到打扰，电子就没有固定的栖身之所，它甚至不会存在于一个所谓的“地方”。

粒子

• 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”。除此之外还有几种粒子，例如中微子——它布满整个宇宙，但并不跟我们发生交互作用，还有希格斯玻色子——不久前日内瓦欧洲核子研究中心的大型强子对撞机发现的粒子。但这些粒子并不多，只有不到十种。这少量的基本原料，如同大型乐高玩具中的小积木，靠它们建造出了我们身边的整个物质世界。
• 即使我们观察的是空间中一块没有原子的区域，还是可以探测到粒子的微小涌动。彻底的虚空是不存在的，就像最平静的海面，我们凑近看还是会发现细微的波动和振荡。构成世界的各种场也会轻微地波动起伏，我们可以想象，组成世界的基本粒子在这样的波动中不断地产生、消失。
• 量子力学和粒子实验告诉我们，世界是物体连续的、永不停歇的涌动，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。
• 屈指可数的几种基本粒子，不断地在存在和不存在之间振动、起伏，充斥在似乎一无所有的空间中。它们就像宇宙字母表里的字母，以无穷无尽的组合，讲述星系、繁星、阳光、山川、森林、田地，以及节日里孩子脸上的笑容和星光璀璨的夜空的漫长历史。

空间的颗粒

• 这正是圈量子引力的核心结论：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。这些颗粒及其微小，比最小的原子核还要小几亿亿倍。圈量子引力用数学形式描述了这些“空间原子”，也给出了它们演化的方程。它们被称为“圈”或环，因为它们环环相扣，形成了一个相互关联的网络，从而编织出了空间的纹理，就像细密织成的巨大锁子甲上的小铁圈一样。
• 这些空间的量子在哪里？它们不存在与任何地方，也不再“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。
• 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。就像阿尔卑斯山上平静而清澈的湖泊，其实是无数微小的水分子快速舞动形成的。
• 我们假定在恒星生命的最后阶段，时空的量子浮动平衡了物质本身的重量，这个阶段的恒星就被称为“普朗克恒星”。如果太阳停止燃烧，形成一个黑洞，那这个黑洞的直径约为1.5千米。在黑洞内部，组成太阳的物质会继续坍缩，最终形成一颗如原子版大小的普朗克恒星。组成太阳的全部物质挤压在一个原子大小的空间里，普朗克恒星就是由这种极端的物质状态形成的。
• 普朗克恒星是不稳定的。一旦压缩到最大程度，就会回弹，重新开始膨胀。这就会导致黑洞的爆炸。假设有一个人在黑洞内部，坐在普朗克恒星上，他看到的爆炸过程其实是极高速的回弹。但是，时间流逝的速度对于他和黑洞外的人是不同的，就像时间在高山上比海边流逝得快一样。只因为是极端情况，所以这里时间流逝得速度差异极为巨大。对黑洞内部的观察者来说回弹是瞬间发生的，对外部的人来说却是一个极为漫长的过程。
• 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。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。

概论、时间和黑洞的热

• 他们发现，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。
• 在所有不发生热交换，或热交换可以忽略不计的情况下，我们看到的未来和过去是一模一样的。
• 只有热量存在的时候，过去和未来才有区别。能将过去和未来区分开来的基本现象就是热量总是从热的物体跑到冷的物体上。
• 热量从热的物体跑到冷的物体上并非遵循什么绝对的定律，只是这种情况发生的概率比较大而已。原因在于：一个快速运动的热物体的原子更有可能撞上一个冷物体的原子，传递给它一部分能量；而相反过程发生的概率则很小。在碰撞的过程中能量是守恒的，但当发生大量偶然碰撞时，能量倾向于平均分布。就这样，相互接触的物体温度会趋向于相同。热的物体和冷的物体接触后温度不降反升的情况并非完全不可能，只是概率小得可怜罢了。
• 物理学家们和哲学家们得出结论，全宇宙共用一个“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。
• 那么，时间流逝，这个鲜活的经验从何而来？
  我认为答案就在热量和时间的紧密联系中：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，而又决定了我们和周围世界的互动，无法追究到微小的细节。
  这样一来，时间的流逝便在物理学中出现了，但并不是在精确地描述物体的真实状况，而是更多地出现在统计学与热力学中。这可能就是揭开时间之谜的钥匙。“此刻”并不比“此处”更加客观，但是世界内部微观的相互作用促使某系统，比如我们自己，内部出现了时间性的现象，这个系统只通过无数变量相互作用。
  我们的记忆和意识都建立在这些概率性的现象之上。假如存在一种超感觉的生物，那么对它来说就不存在时间的流逝，宇宙会是没有过去、现在、未来之分的一整块，但是由于我们意识的局限性，我们只能看到一副模糊的世界图景，并栖息于时间之中。请允许我引用本书编辑的一句话，“看不清的比看的清的更辽阔。”正是这种对世界的模糊观察，孕育了我们时光流逝的观念。
• 黑洞的热是发生在黑洞这种物体上的量子效应，而黑洞本质上是引力性的。一个个空间量子，空间的基本颗粒，即那些振动的“分子”加热了黑洞表面，使黑洞放热。这个现象同时涉及问题的三个方面：量子力学、广义相对论和热力学。
  黑洞的热如同物理学中的罗塞塔石碑，它用量子、引力和热力学三种语言写就，仍在等待解读，以告诉我们时间的本质。

我们

• 我们建构的宇宙图像存在于我们心中，在我们的思维之中。在这些图像——我们能够借助有限的手段重构和理解的事物——和我们身为其组成部分的真实世界之间，存在着无数滤镜：我们的无知，感官和智力的局限。正因为我们是主体，而且是特殊的主体，才会让这些条件影响了我们的经验。
• 事实上，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，从这个意义上来说，所有事物都在不断地交换信息。
• 自由并不意味着我们的行为不受自然规律的支配，而是说明自然规律通过我们的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，其交互极为丰富，无比迅速。我们的抉择固然自由，但却不可能超出神经元的相互作用。
  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太粗糙了，正因如此，我们才感觉自己拥有自由。
• 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，在我们这个星球上，自然可以进行无尽的组合，它不断调整，并使其各部分之间相互影响，彼此关联，交换信息，而人类只是它选取的一种形式。天晓得在宇宙中无穷无尽的空间中存在着多少或哪些特殊的复杂性？也许是我们无法想象的形态… 地球上的生命只是宇宙中可能发生的一个尝试，我们的灵魂也许只是一个小小的样本。
• 自然塑造了我们，指引着我们，我们沉浸其中，并非无家可归，并非悬在两个世界之间，以为自己只有一部分属于自然，眷恋着旁的东西。不，我们就在家中。