七堂极简物理课

宇宙的魅力

物理学著作对于大多数非专业人士来说，都是晦涩难懂的。上一本最畅销的物理学书籍应该是霍金的《时间简史》了。大一的时候我曾去图书馆借来一读，确实能领略到物理学的风采，但是对其中所谈之内容仍旧一知半解。而今天推荐的这本《七堂极简物理课》比那本更好读，语言更平顺，更朴实，至少让我们这些普通大众读起来没有丝毫障碍。

这本书短小精悍，用不到两百页的篇幅，给我们描述了21世纪物理学的发展之路，阐述了重要理论的核心思想。如果你想对物理学有一个宏观的，初步的认识，那她将会是你的不二首选。

1.最美的理论

牛顿的万有引力学说奠定了现代物理的基础。他试图解释物体下落和行星运转的原因。假设万物之间存在一种相互吸引的力量，也就是引力。牛顿想象物体是在空间中运动的，空间是一个巨大的空容器，而空间是由什么做成的，他并不知道。

之后，法拉第发现了电磁场的存在，这是一种无处不在的真实存在，布满整个空间，可振动，可波动，像起伏的湖面一样，还可以将电力四处传播。进而，爱因斯坦提出了引力场不弥漫于空间，因为它本身就是空间，这就是著名的广义相对论。

爱因斯坦认为牛顿所提出的空间和引力场是同一个东西。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、弯曲和变形的实体。空间只要在有物质的地方就会发生弯曲，当然时间也可以弯曲。最简单的例子就是，高山上的时间过得比低洼处的时间要快。

空间弯曲的一个最大的例子就是黑洞。当一个恒星燃烧完自己所有的燃料时，它就会熄灭。残留的部分由于没有燃烧产生热量的支撑，会因为自身的重量而坍塌，导致空间强烈弯曲，最终塌陷成一个真正的洞，也就是“黑洞”。

2.量子

现代物理学理论主要分为广义相对论和量子力学两大理论。广义相对论是有关引力、空间和时间的简洁而又统一的观点；而量子力学是关于粒子之间的相互作用理论。一个适用于宏观领域，一个适用于微观世界，两种理论时常发生冲突，却又在各自的领域里得到完美的运用。

普朗克发现电磁场的能量都分布在一个个的量子上。也就是说能量是一包一包或者一块一块存在的。原子核内电子的能量和光能一样，只能是特定值，而更重要的是，电子只有在特定能量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。这就是所谓的“量子跃迁”。

量子理论方程的建立不仅奠定了物理学微观世界运行机制的基础，还为化学学科作出了极大的贡献。我们可以看到化学元素周期表中的每一种元素都是量子力学最主要方程的一个解。整个化学学科都建立在量子理论的基础之上。

电子并非一直存在，只在有人看到它们，或更确切地说，只有和其他东西相互作用时，才会存在。当它们与其他东西相互碰撞时，就会以一个可计算的概率在某个地方出现。“量子跃迁”就是一个电子在相互作用下的一连串的跳跃。在量子力学里，没有一样东西拥有确定位置，除非撞上别的东西。

3.宇宙的构造

人们对宇宙的认识从“天圆地方”慢慢演化到地球是一个球体，又从地心说演化到日心说，继而发现太阳系只是众多星系中的一个，他们都属于银河系。而银河系又是宇宙中不起眼的一粒。空间不是一马平川，而是弯曲的，宇宙布满了星系，它的纹理像海浪一样起伏，激烈处还会发生黑洞空间。宇宙诞生的时候就像一个小球，大爆炸后一直膨胀到它现在的样子。大爆炸之前是什么？我们不知道。

4.粒子

整个世界是由很多的粒子构成的。这些基本粒子有电子、夸克、光子和胶子，此外还有中微子等不常为人知的粒子。量子力学描述了这些粒子的性质和运动方式。他们都和量子一样，没有绝对的位置，用它来表述这个世界，那这个世界就是物体连续的、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，就好像一个由事件而非物体构成的世界。

为了描述微观世界，物理学家提出了许多不同的模型，最为杰出的就是标准模型。这个模型完美地贴合了这个世界的许多现象，但是也有它解释不了的东西。比如说暗物质，这个东西不能被标准模型所看到，不能被标准模型所描述，所以这一团云物质里面到底是什么？里面又有怎样的运行机制？我们不得而知，而它被我们称之为“黑洞”。

5.空间的颗粒

上述我们提到了广义相对论和量子力学这两种不同的理论，甚至在很多方面他们都是截然相反的理论，却共同存在于一个世界里，相安无事。它们之中有谁是错的吗？广义相对论因为爱因斯坦的缘故远比量子力学要出名的多。广义相对论在宏观世界里，完美地揭示了物理运动，时间和空间的存在。而量子力学在近几十年里的作用更大，没有量子力学就不会有二极管的出现，更不会有现如今这样一个世界。

两个理论都可以解释各自不同领域内的运行机制，可是世界只有一个，有没有一个大统一的理论能够完美的适用这一个统一的世界呢？现在物理学家将两种理论的结合称为量子引力，其中目前最有成效的理论是圈量子引力，它遵从了两个理论的假设，认为空间是不连续的，不可被无穷分隔，而是由细小的颗粒，或者说“空间原子”构成。

空间就是一个个引力量子相互勾连而成，世界又一次显得更接近关系的集合，而非物质的集合。而且在这个集合里不再包含“时间”这个变量。并不是说一切都是恒定不变的。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”。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。

黑洞是由一个恒星坍塌成一个普朗克恒星，普朗克恒星的密度非常之大。假如太阳的燃料消耗殆尽，它就会坍塌成一个直径为1.5千米的普朗克恒星，直到量子之间产生与之相抗衡的力。然后普朗格恒星会迅速回弹，也就是所谓的大爆炸，这个回弹速度在恒星表面来看只是一瞬间的事情，但是由于时间的弯曲，它被以一个极其缓慢的速度在我们面前播放。

6.黑洞的热

起初，物理学家认为热是因为热质的存在。而现在物理学发现，一个热的物体并不包含热质，一个物体很热，是因为物体内部的原子运动速度很快。而且热量总是从热的一方传到冷的一方，热量的存在也使得过去和未来有了区别。

可为什么热量总是从热的一方传到另一方呢？原因竟然是因为这样的概率更大一些。因为热的物体内部原子的运行速度更快，更容易撞上别的原子。当两个原子相撞，能量又趋向于平均化，因此热量往往从热的一方传到另一方。而黑洞总是热的，振动的“分子”加热了黑洞表面，使黑洞放热。

7.我们

以往我们都认为，我们是宇宙里唯一可以思考的生物，我们是独一无二的。可事实证明，我们只是大千世界里很小的一部分，我们和别的生物，甚至物质相比，没有什么独特的地方。我们一直以为我们今天登上这个世界舞台，是因为自然的宠幸。可回首历史，我们会发现，这一切不过只是巧合。

我们的同类所存活的时间都极其的短暂，我们也并不比他们幸运多少，因为我们所存在的时间与他们相比并没有显得那么长。更何况我们自己还在不断的破坏，而这些破坏对于地球来说是不值一提的，在漫长的时间里，它总会恢复如初。而人类不过一页孤舟，从未受到过自然的青睐，随时都有覆灭的可能。

世界万物都在不断的相互作用，彼此身上都会留下对方的印记，所有的事物都在不断地交换信息。从这一点来看，我们真得没有什么独特之处！