《七堂极简物理课》

🗒️我的笔记

第一课　最美的理论

• 爱因斯坦，相对论
  • “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。**那时候，爱因斯坦因为受不了德国高中的严苛教育而中 途辍学，回到了他位于意大利帕维亚的家中。那个时候正是20世纪初， 意大利工业革命刚刚开始，他的工程师父亲正在波河平原上建造第一批 发电站。而爱因斯坦则在阅读康德的著作，偶尔去旁听帕维亚大学的课 程——他听课只是为了好玩，既不注册学籍，也不参加考试。但正是这看似儿戏的行为使他成为真正的科学家。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 11) (pdf)
  • 在历史的长河中，我们的知识领域里先后出现过很多次飞跃，但爱 因斯坦完成的这次飞跃或许是无与伦比的。这是为什么呢？首先是因为 一旦我们掌握了其精髓，这个理论便简洁得惊人。下面我来简要地叙述 一下： 牛顿试图解释物体下落和行星运转的原因。他假设在万物之间存在 一种相互吸引的“力量”，他称之为“引力”。那么这个力是如何牵引两个 相距甚远，中间又空无一物的物体的呢？这位伟大的现代科学之父对此 显得谨慎小心，未敢大胆提出假设。**牛顿想象物体是在空间中运动的， 他认为空间是一个巨大的空容器，一个能装下宇宙的大盒子，也是一个 硕大无朋的框架，所有物体都在其中做直线运动，直到有一个力使它们 的轨道发生弯曲。**至于“空间”，或者说牛顿想象的这个可以容纳世界的 容器是由什么做成的，牛顿也没有给出答案。
  • “就在爱因斯坦出生前的几年，英国的两位大物理学家——法拉第 （Michael Faraday）和麦克斯韦（James Maxwell）——为牛顿冰冷的世 界添加了新鲜的内容：电磁场。所谓“电磁场”，是一种无处不在的真实 存在，它可以传递无线电波，可以布满整个空间；它可以振动，也可以 波动，就像起伏的湖面一样；它还可以将电力“四处传播”。爱因斯坦从 小就对电磁场十分着迷，这种东西可以让爸爸修建的发电厂里的发电机 运转起来。很快他想到，就像电力一样，引力一定也是由一种场来传播 的，一定存在一种类似于“电场”的“引力场”。他想弄明白这个“引力场”是如何运作的，以及怎样用方程对其进行描述。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 12) (pdf)
  • “就在这时，他灵光一闪，想到了一个非同凡响的点子，一个百分百 天才的想法：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。 其实，牛顿的那个承载物体运动的“空间”与“引力场”是同一个东 西。 这是一个惊世骇俗的理论，对宇宙做了惊人的简化：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形变的软体动物中。太阳会使其周围的空间 发生弯曲，所以地球并不是在某种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。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 13) (pdf)
• 空间弯曲方程
  • “那么我们该如何描述这种空间的弯曲呢？19世纪最伟大的数学 家、“数学王子”卡尔·弗里德里希·高斯（Carl Friedrich Gauss ）已经写出 了描述二维曲面（比如小山丘的表面）的公式。他还让自己的得意门生 将这一理论推广到三维乃至更高维的曲面。这位学生就是波恩哈德·黎 曼（Bernhard Riemann ），他就此问题写了一篇重量级的博士论文，但 当时看起来全然无用。**黎曼论文的结论是，任何一个弯曲空间的特征都 可以用一个数学量来描述，如今我们称之为“黎曼曲率”，用大写 的“R”来表示。**后来爱因斯坦也写了一个方程，将这个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。就这么简单。 这个方程只有半行的长度，仅此而已。空间弯曲这个观点，现在变成了 一个方程。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 13) (pdf)
  • 首先，这个方程描述了空间如何在恒星周围发生弯曲。由于这个弯 曲，不仅行星要在轨道上绕着恒星转，就连光也发生了偏折，不再走直 线。爱因斯坦预测，太阳会使光线偏折。在1919年，这个偏折被测量出 来，从而证实了他的这一预测。其实不仅是空间，时间也同样会发生曲。爱因斯坦曾预言，在高空中，**在离太阳更近的地方，时间会过得比 较快，而在低的地方，离地球近的地方时间则过得比较慢。**这一预测后 来也经测量得到了证实。如果一对双胞胎，一个住在海边，一个住在山 上，只要经过一段时间，住在海边的那个就会发现，住在山上的兄弟要 比自己老得快一些。然而好戏才刚刚开始。
  • 自己老得快一些。然而好戏才刚刚开始。 当一个大恒星燃烧完自己所有的燃料（氢）时，它就会熄灭。残留 的部分因为没有燃烧产生的热量的支撑，会因为自身的重量而坍塌，导 致空间强烈弯曲，最终塌陷成一个真真正正的洞。这就是著名的“黑 洞”。在我上大学那会儿，世人还不大相信这个神秘理论的预言。如 今，天文学家已观测到宇宙中大量的黑洞，并对它们进行了详尽的研 究。但还有更精彩的。 整个宇宙空间可以膨胀和收缩。爱因斯坦的方程还指出，空间不可 能一直保持静止，它一定是在不断膨胀的。1930年，人们确确实实观测 到了宇宙的膨胀。这个方程还预测，这个膨胀是由一个极小、极热的年 轻宇宙的爆炸引发的：这就是我们所说的“宇宙大爆炸”。人类再一次经 历了这样的事：起初没有一个人相信这个理论，但大量证据纷纷出现在 我们眼前，直至在太空中观测到了“宇宙背景辐射”，也就是原始爆炸的 余热里弥漫的光。事实证明，爱因斯坦方程的预言是正确的。 此外，这个理论还说，空间会像海平面一样起伏，目前人们已经在 宇宙中的双星上观测到了“引力波”的这种效应，与爱因斯坦理论的预言 惊人一致，精确到了千亿分之一。还有许多其他的例子，这里就不再细 说了。
  • “所有这一切都源自一个朴素的直觉，那就是，空间和引力场本是一 回事。这一切也可以归结为一个简洁的方程，尽管我的读者们肯定难了解它的奥妙，但我还是情不自禁地将它抄录于此，想让大家看看它到 底有多么的简洁美妙：” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 14) (pdf)

第二课　量子

20世纪物理学的两大支柱，一个是我第一课讲的广义相对论，另一 个就是我这里要讲的量子力学，它们之间有着天壤之别。 这两个理论都告诉我们，自然的细微结构要比我们看到的更加微 妙。广义相对论是一颗小巧的宝石：它是由爱因斯坦凭借一己之力思 考、孕育而来的，是关于引力、空间和时间简洁而又统一的观点。然而 量子力学，或者说“量子理论”则正好相反，它在实验上获得了无与伦比 的成功，其应用也改变了我们的日常生活（比如我用来写文章的电脑就 和它息息相关）。但是这个理论在诞生一百多年之后，仍然笼罩在一片神秘莫测的奇异氛围中。

• 光子

  • “对于普朗克来说，把能量视为一个个能量包块的集合只是计算上使 用的一个特殊策略，就连他自己也不明白为什么这种方法会奏效。然而 五年以后，又是爱因斯坦，终于认识到这些“能量包”是真实存在的。 爱因斯坦指出光是由成包的光粒子构成的，今天我们称之为“光 子”。

  • 他在那篇文章的引言中写道：

    “在我看来，如果我们假设光的能量在空间中的分布是不连续的， 我们就能更好地理解有关黑体辐射、荧光、紫外线产生的阴极射线，以 及其他有关光的发射和转化的现象。依据这个假设，点光源发射出的一 束光线的能量，并不会在越来越广的空间中连续分布，而是由有限数目 的‘能量量子’组成，它们在空间中点状分布，作为能量发射和吸收的最 小单元，能量量子不可再分。”” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 18) (pdf)

  • 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概念时，则提及自己“犹豫不决”。伟大的天才都懂得三思而行。

• 量子跃迁

  • “起初，爱因斯坦的这项成果被同行们当成笑柄，他们认为这个年轻 才子在信口开河。后来爱因斯坦就是凭借这项研究获得了诺贝尔奖。如 果说普朗克是量子理论之父的话，那么爱因斯坦就是让这一理论茁壮成 长的养育者。
  • 就像天下所有的孩子一样，量子理论长大以后就走上了自己的道 路，后来爱因斯坦也不再承认这个孩子。**在20世纪10-20年代，丹麦人 尼尔斯·玻尔（Dane Niels Bohr）**引领了这一理论的发展，他了解到原子 核内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 在特定的能量之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”。**玻尔位于哥本哈 根的研究所里，聚集着20世纪最具天赋的年轻科学家们，他们共同努 力，试图为原子世界中种种令人困惑的现象建立秩序，以期创立一个自 洽的理论。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 19) (pdf)
  • 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。霎时间，一切现象都找到了归宿，一切 都可以被计算出来。这里只举一个例子：你们记得元素周期表吧？就是 门捷列夫的那个。它把宇宙中可能出现的所有元素都列了出来，从氢元 素到铀元素，好多学校教室里都挂着这张表。那么为什么偏偏是这些元 素被列在表上呢？为什么元素周期表的结构是这样的呢？为什么这些元 素和周期会有这样的特征呢？答案就是，每一种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。 率先为这个新理论列出方程的是一个非常年轻的德国天才——维尔 纳·海森堡（Werner Heisenberg），他所依据的理念简直让人晕头转向。
  • “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，只有和其他东西相互作用时它们才会存在。当它们与其他东西相 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”。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 19) (pdf)
  • 哥本哈根那帮意气风发的年轻科学家们非常沮丧：为什么偏偏是爱 因斯坦反对他们呢？他们的这位精神之父，曾有勇气思考那些别人想都 不敢想的问题，如今却退缩了，害怕这迈向未知世界的崭新一步，这条 道路难道不是他亲自开辟的吗？为什么偏偏是爱因斯坦呢？是他教导我 们时间并不是普适的，空间是可以弯曲的，但现在他又说世界不可能如 此荒诞离奇。
  • 玻尔耐心地给爱因斯坦解释了这些新的想法，可爱因斯坦并不认 同。为了证明这些新想法是自相矛盾的，**爱因斯坦设计出了一些思想实 验：“想象一个充满光的盒子，我们允许一个光子瞬间逃逸…”“光子 盒”思想实验就这样开始了，**这是他一系列著名例证中的一个。但最后 玻尔总能成功驳斥爱因斯坦的观点。通过演讲、信件往来和论文，两位 科学家的对话一直持续了好多年…在交流的过程中，两位伟大的人物 都不得不做出让步，改变看法。爱因斯坦不得不承认，这些新想法中并 没有自相矛盾的地方；而玻尔也不得不承认，事情并没有他最初想的那 么简单清晰。但是爱因斯坦并不愿意在最关键的地方做出让步，他坚持 认为确有独立于相互作用之外的客观存在。而玻尔也坚称新理论确定的 这种全新又深刻的存在方式是有效的。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”一定存在着一个更为合理的解释。

• “我们的知识在增长，这毋庸置疑。我们可以做一些以前连想都不敢 想的事情。知识的增长也开启了新的问题、新的奥秘。在实验室里运用 量子力学方程的人通常不太关心这些方程本身的问题，然而近几年，越 来越多的物理学家和哲学家在论文中和会议上持续探讨这个问题。量子 理论诞生至今已有一百多年，但它究竟是什么呢？是对世界本质的一次 非同凡响的深刻探究？是侥幸灵验的一个美丽错误？是不完整谜团的一 部分？还是关于世界结构这样艰深问题的一个线索，只是我们目前还消化不了？” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 21) (pdf)

第三课　宇宙的构造

• “这是亚里士多德在他的著作《论天》中描述的宇宙，这张图也代表 了从地中海文明时期到中世纪结束之前，人们对宇宙的认知。但丁和莎 士比亚在学校里学的就是这样的宇宙图。 下一个对宇宙认知的飞跃是由哥白尼完成的，**后来的“科学大革 命”也由此开启。**其实，哥白尼的宇宙观和亚里士多德的并没有多大区 别。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 30) (pdf)

第四课　粒子

• 电子、夸克、光子和胶子
  • “上节课我们说到了宇宙，里面有光和其他物质在运动。光由光子组 成，这是爱因斯坦凭直觉想出的光的微粒。我们看到的物体都是由原子 组成的。原子由一个原子核和围绕它的电子组成，原子核由紧密聚集在 一起的质子和中子构成。质子和中子则由更小的粒子构成，**美国物理学 家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）为它们取名“夸克”（quark）。**他的 灵感来自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根守灵夜》中一句没有意义的话 里的一个没有意义的词：“给马斯特·马克来三夸克！”我们触碰到的每 样东西都是由电子和这些夸克组成的。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 43) (pdf)
  • 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（neutrino）——它布满了整个宇宙，但并不跟我们发生交互作 用，还有希格斯玻色子（Higgs boson ）——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。
  • “量子力学描述了这些粒子的性质和运动方式。这些粒子当然并不像 小石子那般真实可感，而是相应的场的“量子”，比方说光子是电磁场 的“量子”。就跟在法拉第和麦克斯韦的电磁场中一样，它们是这些变化 的基底场中的元激发，是极小的移动的波包。**它们的消失和重现遵循量 子力学的奇特定律：**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。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 43) (pdf)
  • 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。 这就是量子力学和粒子理论描述的世界。这同牛顿和拉普拉斯 （Laplace）的世界相去甚远：在那里，冰冷的小石子在不变的几何空间 里沿着精确而漫长的轨迹永恒不变地运动着。量子力学和粒子实验告我们，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。
• 标准模型
  • “粒子理论的细节在20世纪50—70年代逐渐得到完善。参与这项工作 的有20世纪最伟大的物理学家，如理查德·费曼（Richard Feynman ）和 盖尔曼，还有一群举足轻重的意大利人。这些细节的建构导出了一个复 杂的理论，它建立在量子力学的基础上，被称为**“基本粒子标准模型”**， 一个不太浪漫的名字。20世纪70年代，在其所有预测被一系列实验证实 之后，这个“标准模型”终于得以确立。1984年，我们意大利现在的参议 员卡洛·鲁比亚（Carlo Rubbia ）还凭着这个模型的首批数据获得了诺贝 尔奖。2013年希格斯玻色子的发现，完成了“标准模型”确认工作的最后 一环。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 44) (pdf)
  • “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 都得到了证实。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，它很好地解释了已知世界的方方面面。 曾有人提出其他理论，试图替代标准模型，但都被实验推翻了。例 如，20世纪70年代有人提出了一个不错的理论，称为SU（5）理论，它 用一个更简洁优雅的结构取代了标准模型中无序的方程。这个理论预测 质子会以一定的概率衰变，分解成电子和夸克。科学家们造了很多巨型 仪器，来观测质子的衰变。有些物理学家为寻找可观测到的质子衰变奉 献了一生（由于衰变需要太长时间，所以不能一次只观测一个质子，人 们取来成吨的水，在周围安装灵敏的探测器观测质子衰变的效应）。可 是，唉，至今还没有人观测到质子的衰变呢。SU（5）这个漂亮的理 论，虽然简洁美妙，却得不到上帝的青睐。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 45) (pdf)

第五课　空间的颗粒

• “在我们所了解的物理世界的中心，存在着一个悖论。我说过，20世 纪物理学的两颗明珠是广义相对论和量子力学。前者是宇宙学、天体物 理学、引力波、黑洞以及其他许多研究的起源；后者则是原子物理、核 物理、基本粒子物理、凝聚态物理等学科的基础。这两个理论带来了丰 富的成果，奠定了当代科技的基石，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。至少依照目前的形式，它们是相互矛盾的。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 48) (pdf)
• 圈量子引力”（Loop Quantum Gravity ）
  • “二十年前，这个领域还是一团迷雾，现在道路已经出现，唤起了大 家的乐观与热情。然而道路不止一条，因此还不能说问题已经解决。多 样性引发了争论，但这是健康的：在迷雾完全消散之前，相互批评，各 抒己见，是有益而无害的。解决这个问题的一个重要尝试就是**“圈量子引力”（Loop Quantum Gravity ）**这个研究方向，许多国家的研究小组都 在从事相关研究。 圈量子引力试图把广义相对论和量子力学结合起来。这个尝试很谨 慎，它只使用这些理论中已有的假设，适当改写这两个理论，使它们相 容。但它的结论相当激进：它又一次深刻地改变了我们看待现实世界的 结构的方式。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 49) (pdf)
  • **它的中心思想很简单。广义相对论告诉我们空间不是一个静止的盒 子，而是在不断运动，像一个移动中的巨大软体动物，可以压缩和扭 曲，而我们被包在里面。另一方面，量子力学告诉我们，所有这样的场 都“由量子构成”，具有精细的颗粒状结构。于是物理空间当然也是“由 量子构成的”。 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。**这些颗粒极其微 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？**它们不存在于任何地方，也不在“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。
  • “圈量子引力理论的第二个结论更为极端：在“空间是连续的、物体 存在其中”这个观念消失后，“时间不受事物影响、一直流逝”这个基本 而又原始的想法也不复存在了。这些描述空间和物质的颗粒的方程不再 包含“时间”这个变量。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 49) (pdf)
  • 这并不是说一切都保持稳态，没有变化。相反，它说明变化是普遍 存在的，但我们不再能把这个基本过程形容为“一个瞬间接着另一个瞬 间”。在空间颗粒的微小尺度下，大自然的舞步不再追随唯一的乐团指 挥手中那根棒子挥出的同一节拍，每一个物理过程都有自己的节奏，独 立于邻近的其他过程。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。
• 普朗克恒星
  • 这个理论可以通过实验证实吗？我们正在进行思考和尝试，但目前 还没有得到实验的证实。然而，已经有很多不同的尝试了。 其中之一源于对黑洞的研究。我们现在可以观测到天空中由恒星坍 缩形成的黑洞。被自身的重量压垮后，组成恒星的物质坍塌，并从我们 的视野中消失了。但它去了哪里呢？ 如果圈量子引力理论正确的话，那么物质不可能坍缩成一个无穷小 的点，因为无穷小的点是不存在的，存在的只有一块一块的有限空间。 被自身重量压塌的物质，会变得越来越密，直到量子力学可以产生一个反作用力，来抗衡这个压力。
  • “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”（Planck star ）**。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般大小的普 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。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 52) (pdf)
• “我们发现，当宇宙被压缩到极限的时候，根据量子理论会产生一个 反作用力，造成大爆炸，这个著名的大爆炸很可能实际上是大反弹：我 们的宇宙在自身重量下坍缩到非常小，然后反弹，开始膨胀，变成现在 我们周围不断扩张的宇宙。宇宙被压缩到坚果壳大小，开始回弹的那一 瞬间，就真正进入了量子引力的领域：时间和空间一起消失了，世界融 化成一团涌动的概率云，尽管如此，我们还是可以用方程描述它。而第 三课的最后一幅图会变成这样：” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 53) (pdf)

第六课　概率、时间和黑洞的热

• 统计物理学，热力学

  • “直至19世纪中叶，物理学家们还认为热是一种流体，叫作“热质”， 或者是两种流体，一冷一热，这种想法后来被证明是错误的。最终，英国物理学家麦克斯韦和奥地利物理学家玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann ） 发现了热的本质。他们的发现美丽、奇异而又深刻，带领我们进入了一 个人类至今仍知之甚少的领域。 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。原子和原子团组成的分子处在不断运动的状态 中，它们快速移动、振动、跳跃…冷空气之所以冷是因为空气中的原 子，更确切地说是分子，跑得比较慢；热空气之所以热是因为空气中的 分子跑得比较快。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 58) (pdf)

  • “为什么热量会从热的物体跑到冷 的物体上，而不是反过来呢？ **这是一个关键的问题，因为它关系到时间的本质。**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。例如，对于太阳系行星的运转而言，热量几乎是无关紧要的， 所以行星即使逆向运转，也不会违反任何物理规律。可是一旦有热量存 在，未来就和过去不同了。

    举个例子，如果没有摩擦，钟摆可以永远摆 动下去。如果我们把这个摆动过程录下来，倒着播放，也不会觉得有任 何问题。但是，如果存在摩擦，钟摆微微加热了底座，损失了能量，运 动速度就会减慢。这就是摩擦生热，这时我们立刻就能分辨未来（钟摆 变慢的方向）和过去。我们从来没有看到过一个钟摆吸收了底座的热 量，从静止突然开始摆动。 **只有存在热量的时候，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。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 58) (pdf)

  • **“玻尔兹曼发现其中的原因惊人地简单：这完全是随机的。**玻尔兹曼 的解释非常精妙，用到了概率的概念。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：从统计学的角度看，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。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 59) (pdf)

  • “物理学中研究上述内容的分支叫统计物理学，它的成果之一就是从 玻尔兹曼开始研究的热量和温度的概率特性，也就是热力学。 我们的“无知”暗含着世界运行方式的某些线索，这乍看很不合理。 冷的茶匙在热茶里面会变热，气球放气的时候就会四处乱飞，与我知道 与否毫无关系。支配世界的物理原理和我们知不知道有什么关系呢？这 个问题理直气壮，答案却很微妙。

    茶匙和气球的运动遵从物理规律，具有必然性，与我们知道与否毫 不相干；它们行为的可预测性或不可预测性，与它们的具体状态无关， 只与它们和我们相互作用的那一部分属性（如温度、压力）有关。具体 是哪些属性，取决于我们与茶匙、气球相互作用的方式。**因此，概率同 物体自身的演化无关，只与物体跟我们相互作用的特定属性的变化有关。**这又一次表明，我们用以组织这个世界的概念之间有着深刻的关 联。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 60) (pdf)

• 时间

  • “在20世纪的进程中，热力学（研究热的科学）和统计力学（研究各 种运动的概率的科学）都延伸到了电磁场和量子现象的领域。 不过，当把它们延伸到引力场时，却出现了问题。温度升高时，引 力场会如何变化，仍是一个未解的难题。我们知道电磁场加热后会发生 什么：比如在用烤箱时，馅饼会被热的电磁辐射加热，我们知道怎样描 述它——电磁波会振动，随机分配能量。我们可以把电磁波想象成由光 子组成的气体，这些光子像热气球里面的分子一样运动。
  • 但是热引力场 是什么？我们在第一课说到过，引力场就是空间本身，或者说是时空， 因此，当热量在引力场扩散开来的时候，空间和时间也应该发生振 动…但是我们还不知道如何描述它，我们还没有发现可以描述热时空 的热振动的方程。这些问题把我们引向时间问题的核心：时间的流动究竟是什么？” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 60) (pdf)
  • 或者我们可以问问自己：什么是“现在”？我们说存在的事物是“现在”的事物：过去不再存在了，未来还不存在。**但是，在物理学中，没 有东西对应“现在”这个概念。对比一下“此刻”和“此处”。“此处”是指说 话人所在的位置：如果有两个不同的人，“此处”就是指两个不一样的地 方。**因此，“此处”的意思取决于说话的地点，用术语表达就叫作指示 性。“此刻”指说话的这一瞬间，也具有指示性。没有人会说“此处”的东 西是存在的，不在“此处”的东西就不存在。那么，为什么我们可以 说“此刻”的东西是存在的，不在“此刻”的东西就不存在呢？究竟“此 刻”是客观的，它的“流动”让物体一个接着一个地“存在”，还是，它 和“此处”一样，是主观的？Thoughts
  • 这似乎是个深奥的脑力题，但解决这个问题却是现代物理学的当务 之急，**因为狭义相对论告诉我们“现在”的概念也是主观的。**物理学家们 和哲学家们得出结论：全宇宙共有同一个“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（Michele Besso ）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。 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时，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 只能看到一幅模糊的世界图景，并栖居于时间之中。请容许我引用本书 编辑的一句话：“看不清的比看得清的更广阔。”正是这种对世界的模糊 观察孕育了我们时光流逝的观念。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 62) (pdf)
  • “**霍金利用量子力学成功地证明了黑洞总是“热的”，像火炉一样放 热。这是关于“热空间”性质的第一个具体迹象。**从来没有人观测到这种 热，因为在我们观测到的真实的黑洞中，这种热非常微弱。但是霍金的 计算令人信服，在各种场合被人们引用，黑洞的热也被普遍认为是真实 存在的。 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。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 63) (pdf)

尾声

• 整合信息理论

  • “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。

    但这些条件并不像康德认为的那样具有普适性，他由此 错误推导出，欧几里得的空间和牛顿力学都应该是先验为真的。其实， 对我们这一物种的心智进化来说，这些东西是后验的，而且还在不断演 进。我们不仅要学习，还要逐渐更新我们的概念框架，使之与我们的认 知相匹配。我们尝试了解的是我们身处其中的这个真实世界，尽管这一 过程缓慢而又犹疑。我们构建的宇宙图景存在于我们心中，在我们的概 念空间里，但它们多多少少描绘了我们所处的这个真实世界。我们要循 迹前行，以便更好地描绘这个世界。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 67) (pdf)

  • “编故事和追寻踪迹发现事实是两种截然不同的人类活动，把这两者 混为一谈，是当代文化中科学不被理解和信任之肇始。二者之间的分别 很微妙：黎明时猎获的羚羊和前晚故事里讲的羚羊神相距并不遥远。界 限是模糊的，神话与科学相互滋养。但知识总是有价值的。捉到羚羊， 我们就能填饱肚子。 因此，我们的知识反映了真实。无论多寡，知识都反映了我们栖居 的这个世界。并不是我们与世界之间的交流使人类从自然界中脱颖而出。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，从个意义上来说，所有事物都在不断地交换信息。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 67) (pdf)

  • “**一个物理系统拥有的其他物理系统的信息，不包含任何精神的或主观的东西，只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。**一滴雨水包含着天空中一片云的信息；一束光包含着发光物质颜 色的信息；一块表包含着一日时间的信息；一阵风携带着一场即将到来 的暴风雨的信息；一个流感病毒携带着我易受感染的鼻腔的信息；我们 细胞中的DNA包含着遗传密码的所有信息，让我长得像我父亲；我的大 脑满满都是我在人生经验中积累的信息。我们思想的本质就是极其丰富 的信息的集合，它们被积累、交换和不断加工。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 68) (pdf)

• 自由意志

  • “不，我们身上没有任何东西可以逃过自然法则。假如真有那样的东 西，那我们早该发现了。我们身上并没有违背事物自然表现的东西。整个现代科学，从物理学到化学，从生物学到神经科学，都在巩固我们的 这一认知。 这个困惑的解答在别处。当我们认为自己很自由的时候，我们确实 做得到，因为我们的行为由身体内部的大脑决定，不受外部因素左右。 但是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。 这是否意味着当我做出决定的时候，那个决定的人就是“我”呢？ 对，当然是这样，难道“我”还能做出与我的神经元不同的决定吗？那也 太荒谬了。正如**17世纪荷兰哲学家斯宾诺莎（Baruch Spinoza ）**极为清 楚地认识到的那样，这二者是一回事。其实并没有“我”和“我大脑的神 经元”之分，这两者本是一码事。一个人就是一个程序，复杂而又极其 完备。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 69) (pdf)
  • 当我们说人类的行为难以预料时，我们没说错，因为人类的行为过 于复杂，尤其是让我们自己来预测就更难了。**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 在是太粗糙了，正因如此，我们才感觉自己拥有真切的自由。令我们感 到惊讶的一切，其实都来源于我们自己。我们的大脑中有亿万个神经 元，多得如同银河中的繁星，而这些神经元可能产生的关联与组合会是 一个更加庞大的天文数字。然而对所有这些我们都是没有意识的。构 成“我们”的是这整个错综复杂的过程，而不仅仅是我们能意识到的那一 小部分。 那个做出决定的“我”就是这个通过自我观照而形成的“我”，**这个通 过在世界中自我呈现而形成的我，这个以不同视角来理解自身而形成的 我，这个通过能处理信息、情景再现的强大大脑形成的我，虽然形成方 式尚不能完全明确，但我们已经能够隐约看到了。

• 终将毁灭

  • “我们是一个好奇心很重的物种，在一个由至少十来个好奇心强的物 种组成的属（人属）中，我们是唯一存活下来的一支。种群中的其他物 种都已经灭绝。其中有些物种消失的时间并不长，比如尼安德特人，也 就灭绝了三万多年。我们这个种群在非洲进化，近似于等级分明、相互 争斗的黑猩猩，而更接近倭黑猩猩（bonobo），也就是小而安静的黑猩 猩，它们愉快地聚居一处，地位平等。作为一个不断走出非洲、去探索 新世界的种群，我们走得很远，远到巴塔哥尼亚高原，远到月亮之上。 好奇并不违反自然，我们的天性就是会好奇。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 70) (pdf)
  • “我认为，我们这个物种不会延续很久。我们似乎没有乌龟的那种本 事，能够几亿年来一直保持着原来的样子，那可是人类存在时间的好几 百倍。我们属于一个短命的物种，所有的表亲都已经全部灭绝。而且我 们一直在破坏。我们已经造成气候和环境的恶化，恐怕自己也难逃恶 果。对地球来说，这只是一个无关紧要的小挫折，但我认为，人类将很 难安然无恙地渡过这个难关。更糟的是，公众舆论和政治观点倾向于把 头深埋在沙子里，无视我们正在面临的危险。在地球上，我们也许是唯 一知道我们的个体必将死亡的物种，我害怕在不久的将来我们也会成为 唯一一个眼睁睁看着自己末日到来的物种，或至少是见证自己文明灭亡 的物种。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 71) (pdf)
  • 就像我们或多或少都知道该如何面对个体的死亡一样，我们也知道 如何面对我们文明的覆灭。并没有太大的不同，这当然不会是第一个覆 灭的文明。玛雅文明和克里特文明，还有许多其他文明都已经成为过 去。我们的生死如同星辰的生灭，个体如此，全人类也是如此。这就是 我们的现实。生命正是因为短暂才宝贵。诚如古罗马哲学家卢克莱修 （Titus Lucretius Carus）所言：“我们对生命的胃口是贪得无厌的，我们 对生命的渴求是永不满足的。”（《物性论》卷三，第1084行）Quote
  • “自然是我们的家，在自然中我们就是在家。我们探索的这个奇妙世 界，五光十色，令人惊异，在这里空间是颗粒状的，时间是不存在的， 物体也可能不在任何地方，但它并未使我们远离真实的自我，只是与生 俱来的好奇心向我们展示了我们的栖居之地，展示了我们由什么构成。 我们与世间万物一起，是由同样的星尘塑造的，无论我们沉浸在痛苦之 中，还是焕发出喜悦的光芒，我们都必须承认，我们是世界的一部分。” ((意)卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli), 2016, p. 71) (pdf)