本书讲了什么
本书向读者讲述了20世纪以来现代物理学的伟大理论发现。相对论、量子力学、宇宙的结构、空间的颗粒、时间的本质……在这七堂简单明了的物理课里，没有繁琐的方程，只有诗意的讲述，即使没有科学背景的人也能轻松读懂。
作者什么来头
卡洛·罗韦利，意大利理论物理学家， 圈量子引力理论的开创者之一。曾在美国、意大利工作，现在法国带领量子引力研究小组。
第一课 最美的理论
牛顿试图解释物体下落和行星运转的原因。他假设在万物之间存在一种相互吸引的“力量”，他称之为“引力”。那么这个力是如何牵引两个相距甚远，中间又空无一物的物体的呢？这位伟大的现代科学之父对此显得谨慎小心，未敢大胆提出假设。
牛顿想象物体是在空间中运动的，他认为空间是一个巨大的空容器，一个能装下宇宙的大盒子，也是一个硕大无朋的框架，所有物体都在其中做直线运动，直到有一个力使它们的轨道发生弯曲。至于“空间”，或者说牛顿想象的这个可以容纳世界的容器是由什么做成的，牛顿也没有给出答案。
就在爱因斯坦出生前的几年，英国的两位大物理学家—法拉第和麦克斯韦—为牛顿冰冷的世界添加了新鲜的内容：电磁场。所谓“电磁场”，是一种无处不在的真实存在，它可以传递无线电波，可以布满整个空间；它可以振动，也可以波动，就像起伏的湖面一样；它还可以将电力“四处传播”。
爱因斯坦从小就对电磁场十分着迷，这种东西可以让爸爸修建的发电厂里的发电机运转起来。很快他想到，就像电力一样，引力一定也是由一种场来传播的，一定存在一种类似于“电场”的“引力场”。他想弄明白这个“引力场”是如何运作的，以及怎样用方程对其进行描述。就在这时，他灵光一闪，想到了一个非同凡响的点子：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。其实，牛顿的那个承载物体运动的“空间”与“引力场”是同一个东西。
这一惊世骇俗的理论对宇宙做了惊人的简化：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、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。太阳会使其周围的空间发生弯曲，所以地球并不是在某种神秘力量的牵引下绕着太阳旋转，而是在一个倾斜的空间中行进，就好像弹珠在漏斗中滚动一样：漏斗中心并不会产生什么神秘的“力量”，是弯曲的漏斗壁使弹珠滚动的。
无论是行星绕着太阳转，还是物体下落，都是因为空间发生了弯曲。空间在有物质的地方会发生弯曲。就这么简单。这个方程只有半行的长度，仅此而已。
爱因斯坦曾预言，在高空中，在离太阳更近的地方，时间会过得比较快，而在低的地方，离地球近的地方时间则过得比较慢。这一预测后来也经测量得到了证实。如果一对双胞胎，一个住在海边，一个住在山上，只要经过一段时间，住在海边的那个就会发现，住在山上的兄弟要比自己老得快一些。
然而好戏才刚刚开始。当一个大恒星燃烧完自己所有的燃料（氢）时，它就会熄灭。残留的部分因为没有燃烧产生的热量的支撑，会因为自身的重量而坍塌，导致空间强烈弯曲，最终塌陷成一个真真正正的洞。这就是著名的“黑洞”。
整个宇宙空间可以膨胀和收缩。爱因斯坦的方程指出，空间不可能一直保持静止，它一定是在不断膨胀的。1930年，人们确确实实观测到了宇宙的膨胀。这个方程还预测，这个膨胀是由一个极小、极热的年轻宇宙的爆炸引发的：这就是我们所说的“宇宙大爆炸”。
人类再一次经历了这样的事：起初没有一个人相信这个理论，但大量证据纷纷出现在我们眼前，直至在太空中观测到了“宇宙背景辐射”，也就是原始爆炸的余热里弥漫的光。事实证明，爱因斯坦方程的预言是正确的。此外，这个理论还说，空间会像海平面一样起伏，目前人们已经在宇宙中的双星上观测到了“引力波”的这种效应，与爱因斯坦理论的预言惊人一致，精确到了千亿分之一。
总之，爱因斯坦的理论为我们描绘了一个绚丽多彩而又令人惊奇的世界，在这个世界里有发生爆炸的宇宙，有坍塌成无底深洞的空间，有在某个行星附近放慢速度的时间，还有像大海扬波一般无边无际延展的星际空间……
所有这一切都源自一个朴素的直觉，那就是，空间和引力场本是一回事。这一切也可以归结为一个简洁的方程，尽管我的读者们肯定难以了解它的奥妙，但我还是情不自禁地将它抄录于此，想让大家看看它到底有多么的简洁美妙：
就这么简单。当然了，要先学习和消化黎曼的数学才能解读和使用这个方程，要花些工夫、付出些辛苦才做得到。但这总比感悟贝多芬晚期弦乐四重奏的神秘之美要容易得多。无论是欣赏艺术，还是领悟科学，我们最终得到的将是美的享受和看待世界的全新视角。
第二课 量子
广义相对论是由爱因斯坦凭借一己之力思考、孕育而来的，是关于引力、空间和时间简洁而又统一的观点。然而量子力学，或者说“量子理论”则正好相反，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。但是这个理论在诞生一百多年之后，仍然笼罩在一片神秘莫测的奇异氛围中。
量子力学正好诞生于1900年。德国物理学家马克斯·普朗克计算了一个“热匣子”内处于平衡态的电磁场。为此他用了一个巧妙的方法：假设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一块一块的。用这个方法计算出的结果与测量得到的数据完全吻合（所以应该算是正确的），但却与当时人们的认知背道而驰，因为当时人们认为能量是连续变动的，硬把它说成是由一堆“碎砖块”构成的，简直是无稽之谈。
对于普朗克来说，把能量视为一个个能量包块的集合只是计算上使用的一个特殊策略，就连他自己也不明白为什么这种方法会奏效。然而五年以后，又是爱因斯坦，终于认识到这些“能量包”是真实存在的。 爱因斯坦指出光是由成包的光粒子构成的，今天我们称之为“光子”。
爱因斯坦的这项成果被同行们当成笑柄，他们认为这个年轻才子在信口开河。后来爱因斯坦就是凭借这项研究获得了诺贝尔奖。如果说普朗克是量子理论之父的话，那么爱因斯坦就是让这一理论茁壮成长的养育者。
1925年，量子理论的方程终于出现了，取代了整个牛顿力学。很难想象什么比这更伟大的成就了。霎时间，一切现象都找到了归宿，一切都可以被计算出来。你记得元素周期表吧？它把宇宙中可能出现的所有元素都列了出来，那么为什么偏偏是这些元素被列在表上呢？为什么元素周期表的结构是这样的呢？答案就是，每一种元素都是量子力学最主要方程的一个解。整个化学学科都基于这一个方程。
在量子力学中，没有一样东西拥有确定的位置，除非它撞上了别的东西。我们无法预知一个电子再次出现时会是在哪儿，只能计算它出现在这里或那里的“概率”。这个概率问题直捣物理的核心，可原本物理学的一切问题都是被那些普遍且不可改变的铁律所控制的。这是不是很荒谬？爱因斯坦也这么认为。一方面，他提名海森堡参选诺贝尔奖，承认其探究到了世界某些最本质的东西。但另一方面，他只要一有机会就抱怨，说这实在太不合理。
一个世纪过去了，我们还停在原点。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。
第三课 宇宙的构造
在20世纪30年代，天文学家们对星云（恒星之间近乎白色的云团）进行精确的测量后发现，银河系本身也只是众多星系间浩瀚星云中的一粒尘埃。这些星系一直蔓延到我们最强大的天文望远镜也看不到的地方。
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规模。这就是我们现在对宇宙最大程度的了解了。还有别的什么吗？宇宙爆炸之前还有什么东西存在吗？或许还有。那么还有没有与我们类似或者完全不同的宇宙呢？这我们还无从知晓。
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。
第四课 粒子
我们看到的物体都是由原子组成的。原子由一个原子核和围绕它的电子组成，原子核由紧密聚集在一起的质子和中子构成。质子和中子则由更小的粒子构成，美国物理学家默里·盖尔曼为它们取名“夸克”（quark）。
我们身边的所有物体都是由电子、夸克、光子和胶子组成的，它们就是粒子物理学中所讲的“基本粒子”。这少量的基本原料，如同大型乐高玩具中的小积木，靠它们建造出了我们身边的整个物质世界。
量子力学描述了这些粒子的性质和运动方式。这些粒子当然并不像小石子那般真实可感，而是相应的场的“量子”，比方说光子是电磁场的“量子”。就跟在法拉第和麦克斯韦的电磁场中一样，它们是这些变化的基底场中的元激发，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，还是可以探测到粒子的微小涌动。彻底的虚空是不存在的，就像最平静的海面，我们凑近看还是会发现细微的波动和振荡。构成世界的各种场也会轻微地波动起伏，我们可以想象，组成世界的基本粒子在这样的波动中不断地产生、消失。
量子力学和粒子实验告诉我们，世界是物体连续的、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，就像20世纪60年代时髦的嬉皮世界，一个由事件而非物体构成的世界。
第五课 空间的颗粒
广义相对论告诉我们空间不是一个静止的盒子，而是在不断运动，像一个移动中的巨大软体动物，可以压缩和扭曲，而我们被包在里面。另一方面，量子力学告诉我们，所有这样的场都“由量子构成”，具有精细的颗粒状结构。于是物理空间当然也是“由量子构成的”。这正是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。
这些颗粒极其微小，比最小的原子核还要小几亿亿倍。圈量子引力用数学形式描述了这些“空间原子”，也给出了它们演化的方程。它们被称为圈或环，因为它们环环相扣，形成了一个相互关联的网络，从而编织出了空间的纹理，就像细密织成的巨大锁子甲上的小铁圈一样。
这些空间的量子在哪里？它们不存在于任何地方，也不在“空间之中”，因为它们本身就是空间。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。
在空间颗粒的微小尺度下，大自然的舞步不再追随唯一的乐团指挥手中那根棒子挥出的同一节拍，每一个物理过程都有自己的节奏，独立于邻近的其他过程。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。
天文学家们发现，在每一个星系的周围都存在着一团巨大的云状物。我们是通过它对星体的引力和它使光发生偏折的现象才间接发现它的。我们无法直接看到这团巨大的云，也不知道它由什么组成。科学家们提出了很多假设，却没有一个说得通。很明显有东西在那儿，但它具体是什么，我们却无从知晓。今天我们把它称为“暗物质”（dark matter），一种无法用标准模型描述的东西，不然我们也不会看不见它了。它不是原子，不是中微子，也不是光子……
我们发现，当宇宙被压缩到极限的时候，根据量子理论会产生一个反作用力，造成大爆炸，这个著名的大爆炸很可能实际上是大反弹：我们的宇宙在自身重量下坍缩到非常小，然后反弹，开始膨胀，变成现在我们周围不断扩张的宇宙。宇宙被压缩到坚果壳大小，开始回弹的那一瞬间，就真正进入了量子引力的领域：时间和空间一起消失了，世界融化成一团涌动的概率云。我们的宇宙很可能诞生自某一个状态后的反弹，经历了一个过渡时期，在此期间，时间和空间都荡然无存。
第六课 概率、时间和黑洞的热
一个热的物质并不会包含热质，它发热仅仅是因为其中的原子运动速度更快。原子和原子团组成的分子处在不断运动的状态中，它们快速移动、振动、跳跃……冷空气之所以冷是因为空气中的原子，更确切地说是分子，跑得比较慢；热空气之所以热是因为空气中的分子跑得比较快。这个解释简洁而美妙，但故事还没完。
我们知道，热量总是从热的物体跑到冷的物体上。一个冷茶匙放到一杯热茶里会逐渐变热；在天寒地冻的环境里，如果穿得不够暖和，我们的身体会很快丢失热量，感到寒冷。为什么热量会从热的物体跑到冷的物体上，而不是反过来呢？
这是一个关键的问题，因为它关系到时间的本质。在所有不发生热交换，或热交换可以忽略不计的情况下，我们看到的未来和过去是一模一样的。举个例子，如果没有摩擦，钟摆可以永远摆动下去。但是，如果存在摩擦，钟摆微微加热了底座，损失了能量，运动速度就会减慢。这就是摩擦生热，这时我们立刻就能分辨未来（钟摆变慢的方向）和过去。我们从来没有看到过一个钟摆吸收了底座的热量，从静止突然开始摆动。
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。那么，为什么热量会从热的物体跑到冷的物体上，而不是相反呢？
玻尔兹曼发现其中的原因惊人地简单：这完全是随机的。热量从热的物体跑到冷的物体上并非遵循什么绝对的定律，只是这种情况发生的概率比较大而已。原因在于：从统计学的角度看，一个快速运动的热物体的原子更有可能撞上一个冷物体的原子，传递给它一部分能量；而相反过程发生的概率则很小。在碰撞的过程中能量是守恒的，但当发生大量偶然碰撞时，能量倾向于平均分布。就这样，相互接触的物体温度会趋向于相同。热的物体和冷的物体接触后温度不降反升的情况并非完全不可能，只是概率小得可怜罢了。
将“概率”引入物理学的核心，直接用它来解释热动力学的基础，这一做法起初被认为荒谬至极，所以没人把玻尔兹曼当回事。这样的事在历史上屡见不鲜。1906年9月5日，玻尔兹曼于的里雅斯特的杜伊诺镇附近自缢而亡，他没有等到自己的理论被全世界认可的那一天。
在某种程度上，将概率引入热力学是由于我们的“无知”。我不确定某件事是否会发生，但我可以分配给它或高或低的概率。例如，我不知道马赛这里明天会下雨、天晴，还是会下雪，但我知道马赛8月下雪的概率很低。同样，对于绝大多数物体，我们都只是略知一二，并非完全了解，所以只能基于概率做出预测。
同样，当分子发生碰撞时，热量从热的物体传递到冷的物体上的概率是可以计算的，结果显示，这个概率比热量从冷的物体传递到热的物体的概率要大得多。
尾声 我们
如果世界是一大团转瞬即逝的空间和物质的量子，一幅由空间和基本粒子组成的巨大拼图，那么我们是什么？难道我们也只是由量子和粒子构成的吗？如果是这样，那我们的个体存在感和自我意识从何而来？我们的价值、梦想、情感以及拥有的知识又是什么呢？在这个无边无际又五光十色的世界里，我们到底算什么？我根本没想过在这寥寥数页中真正回答上述问题。在现代科学的巨幅画卷中，我们不懂的东西太多，而其中懂得最少的问题之一就是我们自己。
“我们”，也就是人类，首先是观察这个世界的主体，是我试图完成的这幅实景照片的集体创作者。我们每个人都是交流网络上的节点，图像、工具、信息和知识就通过这张网传递，这本书就是一个例子。但我们也是我们所感知的这个世界不可或缺的一部分，而非置身事外的旁观者。
我们身在其中，我们的观察来自内部。我们由原子和光信号构成，同山上的青松和星系中的群星间交换的原子和光信号并无区别。 随着知识的不断增长，我们越来越了解自己在宇宙中的地位—我们只是宇宙的一部分，而且是很小的一部分。在过去的几个世纪里，这一事实日渐清晰，而在近一百年间尤为明显。
我们曾经以为自己居住的星球位于宇宙中心，但事实并非如此。我们曾经以为自己是动植物家族之外的独特物种，后来却发现我们同我们周围所有生物由共同的祖先繁衍而来，我们与蝴蝶和落叶松有着共同的祖先。我们就像独生子一样，在长大的过程中逐渐懂得，世界并非像我们小时候以为的那样，只围着我们转。我们必须接受自己只是万事万物中的一员这个事实，参照他者来认识自己。
当我们谈及宇宙大爆炸或空间的机理时，并不是在延续几十万年来，人们围坐在夜晚篝火旁讲述的天马行空的故事。我们要延续的是另外的传统：先人们注视黎明第一缕曙光的眼力，他们可以借此发现热带大草原尘埃之上一只羚羊留下的足迹，通过观察真实世界中的蛛丝马迹来发现那些我们无法直接看到却有迹可循的东西。认识到我们可能会不断犯错，因此，一旦有新的迹象出现，我们要能随时改变方向，同时我们也清楚，如果我们足够聪明，就会做出正确的判断，找到我们追寻的东西。这就是科学的本质。
编故事和追寻踪迹发现事实是两种截然不同的人类活动，把这两者混为一谈，是当代文化中科学不被理解和信任之肇始。二者之间的分别很微妙：黎明时猎获的羚羊和前晚故事里讲的羚羊神相距并不遥远。界限是模糊的，神话与科学相互滋养。但知识总是有价值的。捉到羚羊，我们就能填饱肚子。
因此，我们的知识反映了真实。无论多寡，知识都反映了我们栖居的这个世界。并不是我们与世界之间的交流使人类从自然界中脱颖而出。事实上，世间万物都在不断相互作用，彼此身上都会留下对方的印记，从这个意义上来说，所有事物都在不断地交换信息。
