序

Only two things are infinite, the universe and human stupidity, and I'm not sure about the universe.
——Albert.Einstein

一

如果把每个人的知识面画成一个圆圈，当这个圆圈越大，那么能接触到的未知越多。然而对于未知人们不仅仅产生了强烈的求知欲，也产生了恐慌，而着恐慌的来源就是认知到人类的渺小无知。

牛顿在前半生用科学来解释真理，而后半生40年却选择神学，也许因为有些真理已经无法用科学解释，最后只能寄托于上帝的身上。

爱因斯坦提出的光量子理论和普朗克的量子假说、玻尔的原子理论，为量子力学奠定了基础。然而在量子理论在走上正轨时，爱因斯坦却开始认为其不合理性。

因为在量子理论中“粒子”并不是真正意义上存在，只有它撞到了其他东西才会在某个概率下在某个地方出现，如果撞不到，可能就永远都不会存在。注意前面中提到的某个概率，这意味着不确定，随机，无法预测。

然而在物理学中“概率”这个词往往是和物理学的核心所相违背，只有那些是普遍通用并不会改变的规律才是算得上真正的物理学。

距离量子理论诞生至今已经有一百多年了，可是我们还停留在原点，无法解释量子理论究竟意味着什么，这大概也是爱因斯坦的一个遗憾吧。

二

前面在量子理论中提到了“粒子”，粒子可不仅仅只包含一种粒子，电子、夸克、光子、胶子、中微子、希格斯玻色子等等都是属于粒子之一。

但粒子和中子、质子不同的是它们并不是实际存在的物质，目前只能说是一种理念，但它们又被认为是这个世界基本构成的元素。就像《道德经》中所提到的“三生万物”那样，粒子构建了整个世界。

而量子力学正是描述粒子的性质和运动方式。粒子从某种方式可以看做是各类“场”的基本“元素”，例如电磁场的基本元素是光子。但粒子本身是不稳定的，总是在不断地在不同的相互作用中进行跃迁，只有在碰撞下才能算得上存在并能被发现。

有些尴尬的是关于粒子的标准模型方程和量子理论没有达到完美的程度，在某些地方甚至还存在一定的缺陷，如暗物质就无法用粒子标准模型方程很好地进行解释。

三

大千世界无奇不有，目前在我们所在的物理世界里面，还存在一个理论和量子理论上相互矛盾，却又非常好用。——那就是广义相对论。

广义相对论结合了牛顿的万有引力、法拉第和麦克斯韦的电磁场还有黎曼的黎曼曲率。

这个理论让我们认识到了空间不再只是一个硬邦邦的不同于“物质”的框架， 而是可以弯曲变形的实体，并且还在不断地运动。从简单来讲，就像木板和单细胞生物之间的差别。

大家耳熟能详的“黑洞”、“宇宙大爆炸”，甚至前几年很火热的引力波也都来源于这个理论。

最精彩的部分是广义相对论仅仅通过一个简单的方程就描绘了空间和引力场的关系。当然，方程背后的涉及到知识量不小。在这里也只能推荐广义相对论的经典教材MTW的Gravitation。

方程.jpg

四

矛和盾，两者相互对立，然而当它们同时存在却成为最强大的力量。就像抛物线运动和天体椭圆运动结合，就有了万有引力；电和磁的理论结合，有了电磁场方程；电磁学和力学结合，有了相对论。

那么是不是将广义相对论和量子力学相结合也能有重大发现呢。《七堂极简物理课》的作者卡特·罗韦力便是圈量子引力理论的开创者之一。

他这个理论非常有意思，量子不再存在于任何空间之中，它本身就是构成空间的基本元素。这不仅解决了广义相对论中空间是不断运动中的变形实体，也解决了量子力学中粒子是各类场的基本元素这个问题。

除此之外，这个理论中更极端的是没有“时间”这个概念，“时间”的首要条件是连续的，并且具有一定的相关性，也就说在这一分钟必须是基于上一分钟才存在的。但是在圈量子引力理论中，“时间”变成了一个个独立的个体，这一分钟和上一分钟没有任何相关性，不再是连续的。

更有趣的是在这个理论下还推演出了现在的宇宙其实是过去的宇宙不断被压缩到某一程度后失去时间和空间，然后又开始反弹，而不是宇宙大爆炸。

当然关于广义相对论和量子力学的研究，除了圈量子引力理论之外还有超弦理论和M理论等理论。

五

之前提到了“时间”这个概念具有连续性，那么是什么让我们认知到了它的连续，并有未来和过去之分呢？

时间有个基本现象：热量总是从热的物体跑到冷的物体上，热量的流动让我们感知到了时间的流逝。

然而有意思的是热量不仅仅会从热的物体跑到冷的物体上，它还会从冷的物理上跑到热的物体上，只不过这个的概率比上个概率更低而已。

但正如之前第一章所提到的概率这个概念和物理学本身是相违背的，让我们无法真正认知到“时间”，甚至只能看到模糊的世界图景。

六

在不同的年龄看待事物皆不同，这是人获取的经验所带来的。不同时代看待宇宙的结构也是如此，我们不能说古人愚昧，那只是被时代所局限而已，难道此时的我们不会被未来的人类所嘲笑吗？

中国古代喜欢讲的是天方地圆，盘古破开混沌，轻而清为天，重而浊为地。此时人们的认知是整个宇宙是上为天下为地。

在2600年前，阿那克西曼德绘制了一幅球状的天空图，于是人类对宇宙结构的认知变为了地在中间，天在地的四周环绕。

很快就有人意识到既然大地变成了一块漂浮在空中、不会坠落的大石头，那么对其最为合理形状应该是圆形的，这就解释了我们会在海平面上能先看见的是船的旗杆而不是整艘船。亚里士多德也用了很多具有说服力的科学论述证明了地球是圆的，天空环绕着大地，星辰在天空中行走。

之后哥白尼提出了星系不是绕着地球转的，而是以太阳为中心旋转。不可否认的是地心说和日心说都是成立的，无非是一个相对位置的问题，而日心说能更好更简便地去计算行星的运动轨迹而已。

随着科技的不断发展，人们很快认识到太阳系只是银河系中的沧海一粟。等到20世纪30年代时，天文学家们发现了银河系也只不多是宇宙的一粒小尘埃。

如今人们知道了这个宇宙大约是150亿年前由一个极热极密的小星云膨胀到如此规模，如果再结合之前所提到的圈量子引力理论，那么先是由宇宙被自身重量下坍缩到非常小，然后反弹膨胀到目前正在不断扩张的宇宙。

七

谈了那么多关于科学和宇宙的事情，现在回到本身——“我们”。

身体限制了我们对宇宙的感观，科技限制了我们对世界的认知。再大的自由还是被自然法则所约束，再伟大的思想依然被时代所影响。即使如此，我们依然在不断进步，不断探求真正的自由。

可曾想过，在仰望星空时几万年前我们的祖先也在仰望着同一片星空，畅想着未来。也许人类这个物种不会延续太久，甚至没准不久以后我们就能看见文明的颠覆，但永远不会停下迈向知识的脚步。

凡属人类都生而具有求知欲，去航行于未知的浩瀚星河，探索大自然的神奇奥秘。