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跨界阅读 | 物理的尽头是哲学

2018-08-05  天下知仓

暑假亦是充电的好辰光!孵在空调间,品一杯香茗,读一本好书,如此清凉一夏,最不虚掷光阴。


教科书读累了,工具书看乏了,来体验一下“跨界阅读”吧。


这个假期,小编定期为你推送好书,来自不同的领域,让我们一起阅读,一同进步!


今天推送的书目是来自意大利理论物理学家卡洛·罗韦利《七堂极简物理课》


说起物理课,对于大多数文科学生而言,总是让人联想起头痛和苦恼。而《七堂极简物理课》,这本极薄的书,却给我们带来了许多新的东西。


本书作者卡洛·罗韦利,意大利理论物理学家,是圈量子引力理论的开创者之一。他以仅仅一百页的篇幅,将现代物理学分为七个模块,用极为简洁的语言为我们描述了现代物理学的基本轮廓和发展脉络。


更为重要的是,他写出了物理学以及一切科学中存在的“简洁美”和人类对真理的“求知欲”,而这两点正是科学让无数人着迷的关键所在。


本书中,他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。


相对论、量子力学、宇宙的结构、空间的颗粒、时间的本质……这些听来似乎耳熟又不明所以的名词,在七堂简单明了的物理课里,为我们打开了一个奇妙的物理学世界,也带我们轻盈地飞过重重障碍,窥见科学的深刻与美丽。


开始读这本小书之前,不妨先来看看全书的思维导图,以帮助我们更好地“二次极简”阅读体验。

(点击可查看大图)

[第一课] 最美的理论

 

爱因斯坦的广义相对论被称为最美的理论。


1905年,爱因斯坦提出狭义相对论,但后来他发现这个理论与万有引力理论矛盾,经过十年孜孜不倦地探索和试错,终于得到了全新的广义相对论,简洁而完美地解决了这一问题。


之后,他由电磁场联想到引力通过“引力场”传播,这改变了完美对空间的认知。空间弯曲就是引力产生的原因,继而他又基于高斯和黎曼的曲面公式,写出了简洁而美妙的空间弯曲方程,向完美展示了绚烂的宇宙。


  • 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。


  • 后来爱因斯坦写了一个方程,将黎曼曲率R与物质的能量等价起来,也就是说:空间在有物质的地方会发生弯曲。


  • 其实不仅是空间,时间同样也会发生弯曲,在高空中,在离太阳更近的地方,时间过得比较快,在低的地方,离地球近的地方过得则比较慢。


  • 无论欣赏艺术,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。


[第二课]  量 子


量子力学起源于1900年,普朗克在计算一个“热匣子”内的电磁场时,假设能量分布在一个个“量子”上,得出的计算数据与测量一致。5年后,爱因斯坦提出光由光子组成,宣告了量子理论的诞生。


之后,由玻尔接力了这场科学探索,提出“量子跃迁”,海森堡根据量子概率分布的理念,于1925年提出了量子力学方程,量子力学的奥秘被再一次用简洁优美的方式表达出来。


  • 1925年,量子理论的方程终于出现了,取代了整个牛顿力学。很难想象什么比这更伟大的成就了。


  • 在量子力学中,没有一样东西拥有确定的位置,除非它撞上了别的东西。


  • 最后,爱因斯坦承认,量子理论是人类认识世界进程中的一个巨大的进步,但他还是坚信,事情不可能如此荒诞离奇,在这一切“背后”一定存在一个更为合理的解释。

 

[第三课]  宇宙的构造


人类对宇宙构造的认知从古至今经历了五个阶段:


  • 几千年前,古人从直观感受出发,认为天在上,地在下,地是一个平面。


  • 2600年前,阿纳克西曼通过观察日月星辰的旋转,提出天圆地方的看法。


  • 古希腊学者提出“地心说”,认为地最合理的形状是球形,随着哥伦布发现新大陆、麦哲伦环球航行一圈,用实践证明了地球是圆的。


  • 哥白尼提出“日心说”,写出《天体运行论》,改写了人类的宇宙观。


  • 随着天文科学发展,我们知道宇宙起源于150亿年前的大爆炸。


  • 空间不是一马平川,而是弯曲的。宇宙布满了星系,所以我们想象它的纹理会像海浪一样起伏,激烈处还会产生黑洞空穴。

 

[第四课]  粒 子


我们所处的世界由几种微小的粒子组成,包括组成物质的夸克、胶子和电子,组成光的光子。粒子理论在20世纪由物理学家进一步完善,理查德.费曼、盖尔曼和保罗.狄拉克等人提出了“基本粒子标准模型”。


  • 我们身边的所有物体都是由电子、夸克、光子和胶子组成的,他们就是粒子物理学中所讲的“基本粒子”。



  • 量子力学描述这些粒子的性质和运动方式。存在的每样东西都是不稳定的,永远都在从一种相互作用跃迁到另一种相互作用。



  • 迄今为止,标准模型仍然是解释物质世界最好的理论,它的预测全部得到了证实。除了暗物质和广义相对论中被描述为时空曲率的引力之外,它很好的解释了已知世界的方方面面。

 

[第五课]  空间的颗粒


科学探索中常常会出现矛盾的理论,当新理论将悖论统一时,通常会带来认知上的飞跃。比如牛顿融合伽利略的抛物线运动和开普勒的天体椭圆运动,发现了万有引力。麦克斯韦将电和磁的理论结合,提出了电磁场方程。


爱因斯坦在解决电磁学和经典力学的明显冲突时,发现了相对论。圈量子引力,被认为是将广义相对论和量子力学相统一的最有效手段……


  • 量子力学和相对论这两个理论带来了丰富的成果,奠定了当代科技地基石,彻底改变了我们的生活方式。但这两个理论不可能同时正确。


  • 圈量子引力的核心结论:空间是不连续的,不可被无穷分割,而是由细小的微粒或者说“空间的原子”构成的。描述空间和物质的微粒的方程不再包含时间这个变量。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。


  • 物理学开阔了人类的眼界,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。世界在我们眼前不断变化,我们对它的认识也一点一点不断深入。

 

[第六课] 概率、时间和黑洞的热


时间是主观的,宇宙中的时间流逝并不都是同步的。霍金利用量子力学成功证明了黑洞总是“热”的。


  • 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原子运动速度更快。原子和原子团组成的分子处在不断的运动状态中,它们快速移动、振动、跳跃……


  • 只有在存在热量的时候,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。热量与概率相关,而概率又决定了我们和周围世界的互动无法追究到微小的细节。


  • 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。

[尾声]  我 们


物理课的最后,作者从空间的深层结构和已知的宇宙边际,回到了人类自身。


正如他在自序中说的那样,科学不仅告诉我们如何更深入地理解这个世界,也会向我们展示未知的世界有多么广阔。


读完这本书,可能会更真切地认识到,在现代科学的巨幅画卷中,我们不懂的东西太多,而其中懂得最少的问题之一就是我们自己。我们首先是观察世界的主体,但我们只是宇宙很小的一部分。


同时也会察觉,哲学和科学的界限是模糊的。因为我们还是无法解释意识是什么,世界的本原是什么,从纯粹的物理角度来看,也许真的是屈指可数的几种基本粒子,不断地在存在与不存在之间振动、起伏?——“它们像字母表里的字母,以无穷尽的组合,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漫长史。”万物是受物理规律支配的某一事物状态与另一事物状态之间的联系吗?时间只是我们的错觉吗?


灵魂不过是一个小小的样本。我们的意识不过是我们自身银河中的地球。量子是天使的足音,没有什么确切存在着,眼前所见的不过是一片美丽滤镜之后的光彩。我们对这个世界了解什么?无知,太过无知,无知中却包含了所有的可能性。


因为概率会发生,因此爱会发生,生命也会发生。我们是唯一知道自身会灭亡的物种,那又怎么样?我就是你,你就是我。我们总有一天会再度相逢。

没有过去,没有现在,没有未来,一切都是一个巨大的宇宙的幻梦。


我们从此刻醒来,面对着时间的另一端。那里是天堂或是乐园吗?这一刻,科学也许不再那么残酷了。群星变成一首摇篮曲,许诺着另一朵但丁的花朵。

 

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