《Seven brief lessons on physics》／／《七堂极简物理课》

作者：Carlo Rovelli

2017年2月中旬，因为扎克伯格的一篇新闻报道，知道此书，恰好kindle 有此书的英文电子版，所以购买阅读，训练英文阅读，同时训练自己的理解力（读一点比较累和难理解的材料）

2017.3.中旬读完，介绍各章的主要内容，做以下的读书笔记。总体而言，本书介绍了物理学中的几个基本概念，比如相对论，量子物理等。

first lesson: the most beautiful of theories

本章首先介绍爱因斯坦的成长过程，尤其是发现相对论之前的经历。 1905年，爱因斯坦提交了三篇都足以获得诺贝尔奖的论文，分别阐述了“原子的存在”，“量子力学”和“狭义相对论（special relativity）”。

1905年到1915年，爱因斯坦尝试解决狭义相对论和经典牛顿力学之间的矛盾，1915年提出了广义相对论（the general theory of relativity），也就是本章的主题—— the most beautiful of theoris.

the curvature of space and time

牛顿使用万有引力定律，解释物体为何下落和星球如何运动，但是两个物体之间的万有引力是如何产生的，没有明确的解释；麦克斯韦电磁场（electrical field）理论指出一种新的力作用模式，爱因斯坦受此启发，认为重力（万有引力）也需要一种“场”来传递，即“引力场（gravitational field）”，所以爱因斯坦的目标是研究引力场的工作原理和公式表达。

爱因斯坦的一个天才想法：引力场并不是存在于空间space之中，引力场本身就是空间space（the space and gravitational field are the same thing），这就是广义相对论的核心观点。 牛顿所猜测的物体运动的空间就是爱因斯坦的引力场。

空间：空间不再是物体之外的一种存在，空间space本身就是一种物质属性（material component）。【空间不是物质之外的环境变量，而是物质本身的变量。】

物体会下落，地球绕着太阳转，是因为空间扭曲（space curves）所致。

space curves where there is matter. [注：有物质存在，就有空间扭曲。空间是物体的一种属性】

广义相对论告诉我们很多看似奇怪的现象：宇宙爆炸，空间坍塌成黑洞，靠近星球表面的时间更慢，引力波。（1）解释了星球附近的空间扭曲，除了空间，时间也被扭曲；爱因斯坦预测越靠近地球，时间跑得越快；（2）黑洞的产生：恒星燃尽燃料，自身坍塌，某一个临界点就是黑洞；（3）预测宇宙一定在持续膨胀过程中，空间不会静止不动，即大爆炸（big bang）理论，（4）广义相对论理论认为空间像海面一样波动，即引力波（gravitational waves），【16年最重要的科学发现，通过对双星系统binary stars的观察而验证】

相对论指出时间长短因人而异(时间也扭曲），比如一对双胞胎，如果一个人快速运动，两人的年龄差距就会变大。【备注：最近NASA有一个实验，就是一对双胞胎，其中一位是宇航员，在空间站中生活很长的时间，然后返回地球之后，分析两人的差异，从而检验相对论的观点。】

广义相对论公式极其简洁，所以被称为最美理论

second lesson:Quanta

二十世纪物理的两大支柱pillars：general relativity and quantum mechanics。

本章介绍量子物理的发展，从普朗克的量子quanta假说，但是备受质疑而放弃自己的观点，到五年之后爱因斯坦重新提出“能量子”（packets of energy）假说，之后二十年，波尔Bohr对这一理论进行了发展，（电子层级理论，电子层级跃迁，量子跃迁quantum leaps），1925年薛定谔给出了量子物理的公式。

测不准原理 就像原子核外的电子，只能处在几个可能的轨道中，但是只能给出概率函数，却不能明确的告知具体在哪个轨道，观察者的观察会影响电子的存在位置。 电子自旋的规律，决定了元素周期表，进而决定了元素性质等，所以一个量子物理公式就决定了整个化学领域

heisenberg： the electrons do not always exist. They only exist when someone or something watches them, or better, when they are interacting with something else. It is not possible to predict where an electrons will reappear but only to calculate the probability that it will pop up here or there. 【只能给出概率，不能确定下一时刻一定在哪儿。】

今天，量子物理的研究成果无处不在，没有量子物理，晶体管transistors就不会诞生。 Without quantum mechanics there would be no transistors.

第三章：the architecture of the Cosmos 宇宙的结构

本章介绍科学家对宇宙的认识的发展过程 从最开始的“天在上，地在下”，到“天在四周，我们站在长方形盒子的表面”，再到”意识到地球是圆形的”，然后从地心说到日心说，再到银河系galaxy，再到星系galaxies。 结合爱因斯坦的广义相对论，空间是弯曲的（space is not flat but curved），我们知道宇宙是曲面的, the universe furrowed by great waves. 科学家进而分析宇宙的起源，给出了大爆炸理论，宇宙起源于hot and dense small cloud，然后大爆炸形成了宇宙的雏形。

第四章：particles 粒子

物质由原子核和电子组成，原子核又细分为质子和中子，他们又是由夸克quarks组成。 质子和中子的结合作用力，用gluons来描述。 这组成了物质的基本单位。

The nature of these particles, and the way they move, is described by quantum mechanics.【这些粒子的运动方式和性质，都通过量子物理来描述。】

quantum mechanics： where everything that exists is never stable and is nothing but a jump from one interaction to another.【在量子物理中，没有绝对的稳定存在，而是处于从一个关系到另外一个关系的转化之中】

quantum mechanics and experiments with particles taught us that …。 A world of happenings, not of things.【世界是一直在变化之中】

1950-1970年，量子物理中解释粒子的公式逐渐完善，即 “the Standard Model of elementary particles.” Its final confirmation occurred in 2013 with the discovery of the Higgs boson. 该理论的问题是不够简洁，但是科学家目前还无能为力。 该理论无法解释暗物质（dark matter）的存在，这是该理论目前的一个可能缺陷。但是该理论依然是目前最完善的理论。

For now, this is what we know of matter: A handful of types of elementary particles, which vibrate and fluctuate constantly between existence and nonexistence and swarm in space, even when it seems that there is nothing there,【基于以上的理论，我们目前对物质的最完善认识是，物质由几种粒子组成，粒子一直在运动之中，运动规律符合量子物理的规律】

第五章：grains of space 空间中的粒子

本章核心观点：广义相对论描述的宏观世界和量子物理描述的微观世界之间的冲突，如何解决？

前几张介绍了广义相对论和量子物理，前者涉及到宇宙学，引力波，黑洞等。 量子物理则涉及到核能等。两个理论都与我们的生活息息相关（比如广义相对论的概念校正gps信号，因为地球表面存在空间扭曲）。 但是这两个理论在本质上存在冲突！！ 在广义相对论的理论中，世界是一个曲面，一切都是连续的。 the world is a curved space and everything is continuous.【因为空间是物质的一个内在属性，物质周围的空间是扭曲的】 但在量子物理中，世界不是弯曲的，能量存在跳跃。 the world is a flat space and quanta of energy leap. 目前物理学还没有发展出一套理论，来解释两个都正确的理论之间的矛盾（schizophrenia). 一种尝试是圈量子引力（loop quantum gravity），另外一种尝试是弦论。

第六章 probability, time, and the heat of black holes

问题1:什么是热量？

答案： 物质的冷热体现了物质中原子和分子的运动速度。

问题2:为什么热量从高温物质传递到低温物体？

答案：热量的传递方向，本质是源于概率probability，因为高温物体的分子运动快，和低温物体的分子碰撞，热量从高温物体传递给低温物体在统计上的概率更大。 这也就是“统计物理学”的研究范围the probability tht when molecules collide heat passes form the hotter bodies to those that are colder can be calculated, and turns out to be much greater than the probability of heat moving toward the hotter body.

热量和时间time之间的关系：只要有热量heat，就有时间流逝（有时间概念），比如摩擦导致钟越来越慢；【是否本质上，热量的变化是不可逆的，所以体现在时间上的不可逆变化？】 the difference between past and future exists only when there is heat. The fundamental phenomenon that distinguishes the future from the past is the fact that heat passes from things that are hotter to things that are colder.

概率是物理学中的一个核心概念。 物理学家将热力学（热量的运动）和统计物理学（运动的概率）引入到量子物理领域。 概率涉及到我们和世界之间的关系，我们的观察其实也是基于统计现象。【这可能就是为什么观察者本身会影响量子物理中的观测结果】

如何理解物理学中的现在present，是否和空间上的here一样，都是主观的subjective？【一个人的here是另外一个人的there，那一个人的present为什么不能是另外一个人的past或future，而只能是另外一个人的present】 这个问题的答案应该涉及到时间time和热量heat的关系。【热量–时间–概率】

同时需要量子物理和相对论来解释的现象，是黑洞。 霍金发现黑洞是热的 black holes are always hot. 其中的黑洞的温度源自物质的量子现象， 2017.2.21

In closing: Oursevles

前六章介绍具体的物理概念，作者在第七章探讨人类自己。

人类不是以上所探讨的物理规律和世界的外在观察者external observers，而是世界的一部分internal part，而且只是非常小的一部分。

人类通过对周围世界的了解，增进对自己的认识。 He must learn to be one among others. Mirrored by others, and by other things, we learn who we are.

We are perhaps the only species on Earth to be conscious of the inevitability of our individual mortality.

人类这一物种可能不会永远存在。尤其是看一下智人的同类。I believe that our species will not last long.【相当了《人类简史》一书的观点】