由物理看世界——读《七堂极简物理课》有感

物理的学习是一个从零学起的过程,就如同领悟莫扎特的《安魂曲》、荷马的《奥德赛》、西斯廷礼拜堂的穹顶画、莎士比亚的《李尔王》这些伟大作品的妙处一样,只有从头学起才能最终获得百分之百美的享受,才能领略被称为“最美的理论”的“广义相对论”给我们带来的美感和观察世界的全新视角。对我来说,之所以喜欢物理,大概是因为喜欢哲学吧,但又不甘于只从哲学的角度去认识世界,于是只能脚踏实地地研究物质科学。之所以想认识世界,大概又是想在有生之年充分领略世界之美吧。这也导致无论看哲学还是学物理亦或学音乐,都是开开心心的轻松状态,即使有压力,也仍是乐呵呵的啃书。

如我特别喜欢的王健老师所说,中国人似乎比较排斥严肃的东西,比如音乐会如果整场巴赫则很多人会坐不住、哈欠连天、提前退场,于是音乐会只能增加现代性和趣味性,例如七月合肥爱乐乐团的演出就全部定为影视金曲演奏会。生活中,如果有人时常把哲学、心理学挂在嘴边,周围的人肯定认为他是个怪人。物理,似乎也是这般处境。作为物理老师,也希望学生或是平常的上班族能领略物理之美,至少是科学之美吧。物理学的学习过程宛如魔法,似掀开一层遮蔽真实的面纱,揭示一个不同凡响却不为人知的真相,而一旦我们掌握了精髓,它又变得简洁得惊人。这本《七堂极简物理课》就是能让人简简单单的品尝到物理的甜美。

引力场不“弥漫”于空间,而它本身就是空间,这就是广义相对论的思想。这和牛顿所指的承载物体运动的“空间”、“容器”其实是一个东西。引力场本身就是空间,这让空间成为构成世界的一种实体,一种可以波动、弯曲、变形的实体,这就好比世界万物深陷于一个巨大的软体动物中。所以无论是行星绕太阳转还是物体下落,都可以理解为是这个软体动物所为。“数学王子”高斯的学生黎曼在高斯描述二维曲面公式的基础上,将其推广到三维乃至多维,得出了可以描述任何一个弯曲空间特征的黎曼曲率。爱因斯坦将黎曼曲率与物质的能量相等价,也就是说空间在有物质的地方会发生弯曲。宇宙空间是不断膨胀的,这个膨胀是由一个极小、极热的年轻宇宙的爆炸引发的,人们已经观测到了“宇宙背景辐射”(原始爆炸的预热里弥漫的光)。空间会像大海扬波一样起伏。人们已经在宇宙中的双星上观测到“引力波”效应。这些看似和我们的梦境与幻觉一样由同种材质构成,但它们的确比平日里我们模糊庸常的见解还要真实,更确切地说,是对事实的惊鸿一瞥。

普朗克在计算一个“热匣子”内处于平衡态的电磁场时,假设电磁场的能量都分布在一个一个的能量包(量子)上,五年后,爱因斯坦认识到“能量包”是真实存在的。他关于光是由光子构成的理论是量子理论诞生的真正宣言。玻尔认为原子核内电子的能量跟光能一样是特定值,并提出量子跃迁理论,即电子只有在特定的能量之下才能从一个原子轨道跃迁到另一个原子轨道并同时释放或吸收一个光子。1925年海森堡为这个新理论列出方程,我们现在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,而整个化学学科都基于这个方程。他认为,在量子力学中没有一样东西有确定的位置,只有和其他东西相互作用时它们才会存在,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。而这些跃迁是随机的、不可预测的,我们无法预知一个电子再次出现时会是在哪儿,智能计算它出现在这里或那里的“概率”。爱因斯坦不愿承认事情会如此的荒诞离奇,他认为这一切的背后一定存在着一个更为合理的解释。在玻尔去世后,人们发现在他的书房黑板上画着一幅画,正是爱因斯坦用来批驳他而进行的“光子盒”思想实验中的那个“充满光的盒子”。作为科学家,无论是爱因斯坦还是玻尔,直到生命的最后一刻,都没有停止对自己的怀疑,都在挑战自己,仍然想要知道更多。

本书第三章《宇宙的构造》这部分可用来给学生讲宇宙的构造,语言很好,逻辑条理清晰。质子和中子由更小的粒子构成,盖尔曼为它们取名为夸克,他的灵感来自于詹姆斯·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!”夸克之所以能够在质子和中子里“黏”在一起,是因为一种物理学家们称作“胶子”的粒子,它是从英文的“胶水”变化而来的。我们身边的所有物体都是由电子、夸克、光子、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,还有几种粒子如中微子布满整个宇宙但不与我们发生交互作用、日内瓦核子研究中心的大型强子对撞机发现的希格斯波色子等等,这些粒子只有不到十种。粒子物理学中的这些粒子并不是像小石子那样真实可感,而是相应的场的“量子”,比如光子是电磁场的“量子”,它们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。即使我们观察的是空间中一块没有原子的区域,还是能够探测到粒子的微小涌动,彻底的虚空是不存在的,组成世界的基本粒子在各种相互作用中不断的产生、消失。这就是量子力学和粒子理论描述的世界。

天文学家们通过观察对星体的引力和光的偏折,发现在每一个星系的周围你都存在着一团巨大的云状物,我们无法直接看到这团巨大的云也不知道它的组成,它无法用基本粒子标准模型来描述,因此称它为暗物质。虽然如此,基本粒子标准模型让然是目前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,它很好的解释了已知世界的方方面面。虽然它看起来不太优美,谁知道呢,也许只是我们还没有学会从正确的角度对待它,没有发现隐藏其中的简洁。这些屈指可数的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。它们以无穷无尽的组合讲述着星系、阳光、山川、森林以及节日里孩子们的笑脸。

广义相对论和量子力学都非常好用,但看上去又似乎完全对立,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,而每一次成功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。圈量子引力试图做此尝试,它的核心结论是:空间是不连续的,不可以被无穷分割,而是由细小颗粒或者说是“空间原子”构成,它们被称作为“圈”,环环相扣,形成相互关联的一张网,编织出空间的纹理。它认为,只有空间和物质的量子相互作用,而这些量子事件本身就是时间的源头。如果圈量子引力理论正确的话,那么物质不可能塌陷分解成无穷个点,只可能是逐渐被压缩的物质变得越来越密,直到产生一个反作用力。而这样的话,著名的大爆炸很可能实际上是大反弹,我们的宇宙逐渐扩张则是反弹过程中的不断膨胀。

物理学的研究是无穷尽的,但无论是有意还是无意,我们都希望为物理学的研究做出贡献,唯物地说,我们越了解世界,才能越了解我们自己的位置和存在。

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