七堂极简物理课

书名：七堂极简物理课

作者：【意】卡洛·罗韦利

译者：文铮 陶慧慧

这是一本比较新的畅销科普书，一般说到物理学科普，大家都说《时间简史》什么的，其实这些新书看起来才有意思。

卡洛·罗韦利，1956年生于意大利，是一名理论物理学家，也是圈量子引力理论的开创者之一。《七堂极简物理课》在意大利出版之后，立刻荣登畅销书榜首，现已被翻译成34种语言出版发行。本书译文优美流畅，读起来感觉不错。

《七堂极简物理课》是写给那些对现代科学一无所知或知之甚少的朋友们的。这七堂课将带领读者领略20世纪物理学革命中最令人着迷的领域，以及这场革命开启的疑问和奥秘。因为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。 第一课是爱因斯坦的广义相对论，这个“最美的理论”。第二课讲量子力学，其中潜藏着现代物理学最令人困惑的部分。第三课探究宇宙：我们所栖居的宇宙的构造。第四课讲宇宙中的基本粒子。第五课探讨量子引力：旨在综合20世纪物理学重大发现的一些尝试。第六课讲概率和黑洞的热（heat）。本书的最后一课则回到人类自身，提出面对物理学为我们展示的这个奇异世界，我们应当如何反思自己的存在。

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。

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。

一个世纪过去了，我们还停在原点。量子力学的方程以及用它们得出的结果每天都被应用于物理、工程、化学、生物乃至更广阔的领域中。量子力学对于当代科技的整体发展有着至关重要的意义。没有量子力学就不会出现晶体管。然而这些方程仍然十分神秘，因为它们并不描述在一个物理系统内发生了什么，而只说明一个物理系统是如何影响另外一个物理系统的。这意味着什么呢？是否意味着一个系统的真实存在是无法被描述的呢？是否意味着我们还缺少一块拼图？或者在我看来，是否意味着我们要接受“所谓的真实只不过是相互作用造成的”？

这片均匀无边的宇宙并不像看上去那么简单。就像我在第一节课中解释过的那样，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。

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。

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。

一群散布于五大洲的理论物理学家正在努力解决这个问题。这个研究领域被称为“量子引力”，其目标是找到一个理论，也就是一系列方程——但首先是一个统一的世界观——来解决现在这种“精神分裂”的局面。

物理学已经不是第一次面对两个看起来完全对立的伟大理论了。而过去每一次成功地将相互矛盾的两个理论统一时，我们的世界观都产生了巨大的飞跃。牛顿整合了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起来，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。因此，物理学家发现这种伟大理论之间的矛盾时只会兴奋不已：这是一个难得的机会。我们是否可以建立一个思考世界的概念框架，来兼容上述两种理论呢？

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。 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。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。

除了前面讲的那些描述世界基本构成的重要理论之外，物理学另有一座与众不同的伟大城堡，它提出了一个让人始料不及的问题，那就是：“什么是热？”

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。

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。

这就把一切说清楚了吗？并没有，还有好多问题有待解决。在引力、量子力学和热力学三者的交叉地带，许多问题纠缠在一起，而时间就位于这团乱麻的中心。我们还在黑暗中摸索。我们也许已经开始理解量子引力了，但它也只结合了三块拼图中的两块。我们还没有找到一个理论，把我们对世界的这三块基本理解拼到一起。