复旦大学-华盛顿大学EMBA校友田畅：《七堂极简物理课》是意大利理论物理学家卡洛·罗韦利的科普著作,出版之后立刻荣登畅销书榜首,已经被翻译成34种语言出版发行.

这本书很薄,在Kindle上只有60页,几天的时间就被我翻看了两遍;这本书又很厚,帮我把过往40年学到的知识,又向前延伸了不知道多少年.只是读过之后,不免有些沮丧,因为寥寥几十页的书,颠覆了我本就不太完整的知识体系;但又有些欣喜,因为过往几十年的武侠科幻修真小说阅读经历,仿佛找到了科学依据。

卡洛·罗韦利Carlo Rovelli

1956年5月3日-

意大利理论物理学家

接下来的这些文字,不解读,也不剧透,因为没有这个道行,只是为了记录自己澎湃的心潮和联翩的浮想.

物理世界的三原色

回想中学和大学的物理课,印象最深的应该是牛顿三大定律了.但在卡洛·罗韦利的七堂课里(实际上是6堂课+尾声),让每个学生爱恨交加的三大定律都是错的.那什么是对的?神秘莫测、奇妙瑰丽的物理世界又是由什么构成的呢?

广义相对论

在牛顿的世界里,物体在彷佛巨大容器的空间中运动,万物之间通过引力连接在一起.但什么是空间?什么又是引力?牛顿没有给出答案.

爱因斯坦凭借他的勤奋与灵感,不但找出了答案,还一不小心推翻了问题本身.他的广义相对论的核心思想就是:引力是由引力场来传播,引力场不"弥漫"于空间,因为它就是空间本身.

"空间不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.

爱因斯坦的广义相对论世界建立在一个方程之上,而这个方程又是建立在高斯定律和黎曼曲率之上.

牛顿、高斯、黎曼、爱因斯坦,这些人无容置疑都是天才.我们和天才的区别也许就在于一句古话:"知其然,知其所以然".普通人即使再优秀,也只是知其然的把经典理论应用在工作和生活中,但理论本身对我们来说是一个黑盒子,我们对它的本质一无所知.而天才的大师们,却知其所以然,或者穷其一生来寻求知其所以然.

天才是孤独的,他们求知的路上没有可做参照的前行者,甚至身旁没有同行者.他们需要不断的自我激励,才能克服未知的恐惧和独行的寂寞.曲径通幽的喜悦感、一览众山小的成就感,都是穿破黑暗的自我奖励.

在黑暗中反复摸索,踌躇前行,无人参照和验证的时候,需要内心无比的强大才能坚持下去.就像范尼凯克,在里约奥运会400米比赛中,从最外道起跑,一骑绝尘,全程看不到对手,完全是靠着和自己赛跑,打破了约翰逊保持多年的世界纪录.

量子力学

"知难行易"还是"知易行难"的争论自古有之.几乎由爱因斯坦凭一己之力思考、孕育而来的广义相对论,在理论层面已经清晰明了,但科学家们始终无法超越光速、逆转时空,属于"知易行难"的典范.然而量子力学却正好相反,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,但这个理论自1900年诞生至今,仍然蒙着一层神秘的面纱,颇有些"知难行易"的感觉.

1925年,量子理论的方程出现了,取代了整个牛顿力学.不同于经典力学世界的周而复始、稳定如一,量子力学的世界难以捉摸、变幻莫测.在这里,世界是物体连续的、永不停歇的涌动,是一系列的震荡;在这里,没有一样东西拥有确定的位置,除非它撞上了别的东西.

量子理论方程的另一个伟大之处,就是它对化学学科发展的推动:我们熟悉的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.

量子理论方程的另一个伟大之处,就是它对化学学科发展的推动:我们熟悉的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.

(这句话的奇妙之处在于它把物理、化学和数学三门基础学科以一种我似懂非懂的方式联系在了一起.)

世界如此奇妙,科学家们却非常烦躁.随着研究的深入,人们发现20世纪物理学的两大明珠一颗属阴,一颗属阳,无法融合.广义相对论告诉我们,空间不是一个空空的盒子,而是巨大的软体动物,时时移动,常常扭曲;量子理论却说,我们被场包围,而所有的"场"都由量子构成,具有精细的颗粒状结构.两个单独看起来都很美的理论却互相矛盾,这个世界也太疯狂了!

不要担心,经验告诉我们,矛盾并不可怕,往往会带来机会.无论是科学研究,还是哲学体系,甚至是武功秘籍,都存在融合对立事物而取得重大突破的实例.接下来登场的"圈量子引力"(Loop Quantum Gravity)就是合阴阳为太极的关键.

圈量子引力的核心结论是:空间是不连续的,不可被无限分割,而是由细小的颗粒,或者说"空间原子"构成的.结合上面广义相对论和量子力学的描述,在空间中的我们,不是住在软体动物中,而是睡在泡沫颗粒填充的大抱枕里,这些颗粒本身就是空间,而且它们环环相扣、圈圈相连,形成了一个相互关联的网络,所以才会叫"圈"量子引力.神不神奇?意不意外?

在圈量子引力的世界里,空间不是由什么物质构成的,空间是由空间构成的.空间之间的关系是交集、子集、合集和并集,空间问题某种程度上从物理问题变成了数学问题.这让我想起大学时"近世代数"课中的一道习题:证明两个"理想"的交集是一个"理想".一样的说不出哪里错,一样的不知道为什么对.

热力学

顾名思义,热力学就是研究"什么是热"的科学.它之所以厉害,能够跟广义相对论和量子力学相提并论,成为物理世界三原色之一,就是因为它关系到了时间的本质:

"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.

为什么热量会从热的物体跑到冷的物体上?玻尔兹曼给出了答案:无他,唯概率高尔.热物体的原子运动的快,有更高的概率撞到冷物体的原子,并传递给它一部分能量.相反的过程也会发生,只是概率很小.这个原理不但简单,还很"荒谬",所以直到玻尔兹曼在1906年9月5日自缢身亡,也没有被世界认可.

读到热力学这堂课,我突然理解了一些生活小窍门的原理.洗油污用热水,就是让带着油污的原子燥起来,跑出去回不来的概率就高了;怕褪色用冷水,就是让染着颜色的原子冷静下来,留下来不出去的概率就高了.真是人生处处皆科学!

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