至簡之美:讀《七堂極簡物理課》

一個沒有“浪費”過時間的人終將一事無成。

這是一本很薄的書,喜歡書中開頭的這句話,雖然和物理沒什么關系。愛因斯坦少年時代正是度過一段無所事事的時光,高中輟學,為了好玩去旁聽大學課程,后來1915年發表了“廣義相對論”,被譽為最美的理論。

作者通過七個篇幅用簡單、通俗而有趣的語言解釋了一些晦澀難懂的物理概念:

第一課,最美理論。愛因斯坦的廣義相對論的思想就是,引力場不“彌漫”于空間,它本身就是空間。而空間不再是一種有別于物質的東西,它是構成世界的“物質”成分之一,一種可以波動、彎曲、變形的實體。

第二課,量子。海森堡的量子力學的基本思想就是,電子并非一直存在,從一個軌道到另一個軌道的“量子躍遷”是它們現身的唯一方式:一個電子就是相互作用下的一連串跳躍。如果沒有受到打擾,電子就沒有固定的棲身之所,它甚至不會存在于一個所謂的“地方”。量子理論方程:每一種元素都是量子力學最主要方程的一個解。整個化學學科都基于這一個方程。

第三課,宇宙的構造。人們對宇宙的認識由原始的天地人,到地心說,再到哥白尼提出的日心說,最后科學證實,太陽系只是不計其數的星系中的一個,而我們的太陽也只是眾多恒星中普普通通的一顆,是浩瀚銀河系星云中的滄海一粟而已。而銀河系本身也只是眾多星系間浩瀚星云中的一粒塵埃。

第四課,粒子。我們看到的物體都是由原子組成的,原子由一個原子核和圍繞它的電子組成,原子核由緊密聚集在一起的質子和中子構成。質子和中子則由更小的粒子(夸克)構成,這些粒子的消失和重現遵循量子力學的奇特定律:存在的每樣東西都是不穩定的,永遠都在從一種相互作用躍遷到另一種相互作用。

第五課,空間的顆粒。

空間是不連續的,不可被無窮分割,而是由細小的顆粒,或者說“空間原子”構成的。這些顆粒極其微小,比最小的原子核還要小幾億億倍。圈量子引力用數學形式描述了這些“空間原子”,也給出了它們演化的方程。它們被稱為“圈”或環,因為它們環環相扣,形成了一個相互關聯的網絡,從而編織出了空間的紋理,就像細密織成的巨大鎖子甲上的小鐵圈一樣。
這些空間的量子在哪里?它們不存在于任何地方,也不在“空間之中”,因為它們本身就是空間。空間就是一個個引力量子相互勾連而成的。世界又一次顯得更接近關系的集合,而非物質的集合。

第六課,概率、時間和黑洞的熱。

一個熱的物質并不會包含熱質,它發熱僅僅是因為其中的原子運動速度更快。原子和原子團組成的分子處在不斷運動的狀態中,它們快速移動、振動、跳躍……冷空氣之所以冷是因為空氣中的原子,更確切地說是分子,跑得比較慢;熱空氣之所以熱是因為空氣中的分子跑得比較快。

統計學的角度看,一個快速運動的熱物體的原子更有可能撞上一個冷物體的原子,傳遞給它一部分能量;而相反過程發生的概率則很小。在碰撞的過程中能量是守恒的,但當發生大量偶然碰撞時,能量傾向于平均分布。就這樣,相互接觸的物體溫度會趨向于相同。熱的物體和冷的物體接觸后溫度不降反升的情況并非完全不可能,只是概率小得可憐罷了。

黑洞的熱是發生在黑洞這種物體上的量子效應,而黑洞本質上是引力性的。一個個空間量子,空間的基本顆粒,即那些振動的“分子”加熱了黑洞表面,使黑洞放熱。這個現象同時涉及問題的三個方面:量子力學、廣義相對論和熱力學。
黑洞的熱如同物理學中的羅塞塔石碑,它用量子、引力和熱力學三種語言寫就,仍在等待解讀,以告訴我們時間的本質。

第七課,我們。
我們是誰?我們本質也是由量子和粒子構成的。但我們的個體存在感和自我意識是哪里來的?我們是觀察這個世界的主體,試圖完成的這幅實景照片的集體創作者。我們每個人都是交流網絡上的節點,圖像、工具、信息和知識就通過這張網傳遞。

我們都是宇宙的一份子,應時刻保持對世界的好奇心,不斷求知不斷探索,那樣就不只是“粒子”那么簡單,而在不斷變化的世界中,我們也應該多一份熱愛,少一點破壞……

后話:讀完后,感覺內容是挺極簡的,都是點到為止,但理解得還是不夠深入呀,幸好專業沒選物理 -_-

END

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