這是一本讀著像小說(shuō)一樣的科普讀物，獲第八屆國(guó)家文津圖書(shū)獎(jiǎng)。作者按照時(shí)間順序，從伽利略、牛頓的經(jīng)典物理學(xué)理論開(kāi)始說(shuō)起，再講到光速測(cè)量，以及困擾經(jīng)典物理學(xué)界很多年的光速不變之謎。一個(gè)接一個(gè)的懸念推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展，直到愛(ài)因斯坦橫空出世，用相對(duì)論破解有關(guān)時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)和引力的謎團(tuán)，為讀者打開(kāi)一個(gè)看待世界的全新視角。
我們今天所知道的現(xiàn)代物理學(xué)知識(shí)并不是某一個(gè)科學(xué)家拍腦門(mén)的產(chǎn)物，而是一代又一代科學(xué)家們傳承的結(jié)果。新的物理學(xué)知識(shí)并不是完全推翻了舊有的物理學(xué)知識(shí)，而是對(duì)舊有知識(shí)在更高精度上的修正，新知識(shí)體系必須兼容舊知識(shí)體系?，F(xiàn)在，“上帝”留給我們的兩道新思考題又?jǐn)[在了人類(lèi)面前，等待著我們?nèi)テ平庀乱粋€(gè)自然規(guī)律之謎。
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相對(duì)論是研究時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)、引力這四者關(guān)系的理論體系的總稱(chēng)，它是這一百多年來(lái)人類(lèi)最偉大的兩個(gè)理論之一，另一個(gè)理論是量子力學(xué)。在科學(xué)史上，曾經(jīng)有一些理論沒(méi)有獲得諾貝爾獎(jiǎng)，并不是這個(gè)理論的遺憾，而是諾貝爾獎(jiǎng)的巨大遺憾，相對(duì)論就是它們的代表。
一、理解相對(duì)論的四個(gè)前置概念
第一，要判斷一個(gè)理論是不是科學(xué)理論，著名的科學(xué)哲學(xué)家波普爾提出了一個(gè)被廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)，那就是看它是不是具備“可證偽性”。也就是說(shuō)，是不是具備被證明是錯(cuò)誤的可能性。相對(duì)論也符合這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
第二，科學(xué)界有一個(gè)比較推崇的哲學(xué)原則——奧卡姆剃刀原理。原文比較文縐縐，是這樣說(shuō)的：如無(wú)必要，勿增實(shí)體。簡(jiǎn)單翻譯一下，就是想解釋一個(gè)現(xiàn)象，假設(shè)最少的解釋往往最接近真相。在相對(duì)論的發(fā)展史上，愛(ài)因斯坦充分運(yùn)用了這個(gè)原理。
第三，在物理學(xué)的發(fā)展史上，有一種特殊的實(shí)驗(yàn)起到了至關(guān)重要的作用，就是“思維實(shí)驗(yàn)”。簡(jiǎn)單解釋就是不需要任何實(shí)驗(yàn)設(shè)備，只需要在頭腦中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。相對(duì)論的最終建立，思維實(shí)驗(yàn)起到的作用可以說(shuō)是居功至偉。
第四，在物理學(xué)中，有一個(gè)很拗口的術(shù)語(yǔ)，叫“佯謬”，佯裝的佯，謬誤的謬。是說(shuō)乍一聽(tīng)肯定是錯(cuò)誤的，但是沒(méi)想到卻是正確的理論。在相對(duì)論的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)了非常多的佯謬，也就是反直覺(jué)、徹底顛覆我們?nèi)^的現(xiàn)象。
二、從這四個(gè)前置概念出發(fā)，通過(guò)三個(gè)反轉(zhuǎn)劇情來(lái)講述這個(gè)關(guān)于相對(duì)論的故事
1. 第一個(gè)反轉(zhuǎn)劇情
之前人們相信的都是牛頓和伽利略的觀點(diǎn)，認(rèn)為時(shí)間是絕對(duì)的，不受其他因素的影響。但到了19世紀(jì)末，一系列的實(shí)驗(yàn)推翻了人們的這個(gè)看法，其中最出名的就是“邁克耳遜—莫·雷”實(shí)驗(yàn)，它被稱(chēng)為“科學(xué)史上最成功的失敗”。
2. 第二個(gè)反轉(zhuǎn)劇情
為了解釋這一系列實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，愛(ài)因斯坦通過(guò)一個(gè)偉大的思維實(shí)驗(yàn)，做了一個(gè)大膽的假設(shè)：光速相對(duì)于任何觀察者來(lái)說(shuō)都是不變的。這讓他最終得出了狹義相對(duì)論的核心觀點(diǎn)：時(shí)間是相對(duì)的，沒(méi)有什么絕對(duì)的時(shí)間，它與運(yùn)動(dòng)密不可分。只要宇宙飛船運(yùn)動(dòng)得足夠快，宇宙飛船上的一年可以相當(dāng)于地球上的一百年。
3. 第三個(gè)反轉(zhuǎn)劇情
雖然我們現(xiàn)在知道，愛(ài)因斯坦提出的相對(duì)論是劃時(shí)代的理論，但是我們剛剛也說(shuō)了，在愛(ài)因斯坦去世的很多年后，他的理論才被實(shí)驗(yàn)證明。所以，當(dāng)狹義相對(duì)論剛誕生的時(shí)候，幾乎沒(méi)有引起什么轟動(dòng)。而且狹義相對(duì)論的一個(gè)明顯缺點(diǎn)是沒(méi)有將“引力”納入到方程式中，為此，愛(ài)因斯坦又奮斗了十年，終于提出了“世界上最美的理論”——廣義相對(duì)論。
愛(ài)因斯坦的研究告訴我們，我們身處的這個(gè)宇宙，它的時(shí)空結(jié)構(gòu)符合一個(gè)方程式，這個(gè)方程式就是著名的愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程，它是迄今為止人類(lèi)找到的最深刻的一個(gè)方程式。通過(guò)這個(gè)方程式人類(lèi)計(jì)算出了黑洞、宇宙大爆炸、引力波等等一系列重塑人類(lèi)宇宙觀的自然現(xiàn)象。
愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程
1. 面對(duì)顛覆認(rèn)知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，愛(ài)因斯坦沒(méi)有像其他科學(xué)家一樣，給實(shí)驗(yàn)找各種理由假設(shè)，而是揮起“奧卡姆剃刀”，刮掉了幾乎所有的假設(shè)，只剩下一條，那就是光速本身就是不變的。
2. 相對(duì)論是公理演繹思想的極致體現(xiàn)，它從三個(gè)最基本的公理出發(fā)，也就是三個(gè)無(wú)法證明，但又找不到任何反例的假設(shè)出發(fā)，一步一步，就像證明幾何題一樣推導(dǎo)出了整個(gè)理論大廈，令人嘆為觀止。
3. 我們身處的這個(gè)宇宙，它的時(shí)空結(jié)構(gòu)符合一個(gè)方程式，這個(gè)方程式就是著名的愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程，它是迄今為止人類(lèi)找到的最深刻的一個(gè)方程式。
《上帝擲骰子嗎？》是中國(guó)非常出名的科普作品之一。曾獲“吳大猷科普獎(jiǎng)”，文津圖書(shū)獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)，被譽(yù)為中國(guó)版的《時(shí)間簡(jiǎn)史》。
作者梳理了量子力學(xué)百余年來(lái)的發(fā)展史，對(duì)量子力學(xué)的基本原理，發(fā)展歷程中的重要事件以及多位頂尖科學(xué)家之間的觀點(diǎn)爭(zhēng)執(zhí)做了梳理，并詳細(xì)論述了量子力學(xué)對(duì)人類(lèi)認(rèn)知的顛覆性影響。
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一、“量子”概念沖擊了經(jīng)典物理學(xué)大廈
“量子”概念中展現(xiàn)出的不連續(xù)性，對(duì)以連續(xù)性為基礎(chǔ)的經(jīng)典物理學(xué)提出了重大挑戰(zhàn)。
1. 經(jīng)典物理學(xué)在19世紀(jì)末發(fā)展到了巔峰
在19世紀(jì)末，經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)、經(jīng)典熱力學(xué)這三大體系和諧統(tǒng)一，牢不可破，共同構(gòu)成了經(jīng)典物理學(xué)的大廈。當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為，物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到了盡頭，任何現(xiàn)象都在物理學(xué)的解釋范圍之內(nèi)。
【案例】
熱力學(xué)泰斗開(kāi)爾文爵士曾說(shuō)：“物理學(xué)的未來(lái)，只能在小數(shù)點(diǎn)第六位之后去尋找?！币馑际钦f(shuō)，物理學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)原理都已經(jīng)定型了。此外，普朗克的老師也曾勸說(shuō)普朗克別再研究物理學(xué)，認(rèn)為物理學(xué)體系已經(jīng)成熟了。
2. “量子”概念的提出沖擊了經(jīng)典物理學(xué)的連續(xù)性基礎(chǔ)
在經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到頂峰之時(shí)，兩朵看似無(wú)關(guān)緊要的“烏云”，卻最終導(dǎo)致了經(jīng)典物理學(xué)的覆滅：一朵引發(fā)了相對(duì)論革命，一朵引發(fā)了量子論革命。
普朗克發(fā)現(xiàn)，能量的發(fā)射和吸收是有一個(gè)最小單位的，并不能無(wú)限分割，是非連續(xù)的。而經(jīng)典物理學(xué)建立在微積分之上，連續(xù)性是經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)。量子論由此顛覆了經(jīng)典物理學(xué)的大廈。
【案例】
在量子論中，能量的發(fā)射和吸收就像是花錢(qián)一樣，你一次最少也要花1分錢(qián)，因?yàn)闆](méi)有比1分錢(qián)更小的面值了。能量也一樣，它有個(gè)最小單位，是不連續(xù)的。而在經(jīng)典物理學(xué)中，一切都是平滑連續(xù)的。
二、量子力學(xué)是一場(chǎng)“擲骰子”的概率游戲
在經(jīng)典物理學(xué)中，只要進(jìn)行足夠的計(jì)算，粒子的狀態(tài)都是可以完全確定的。但量子力學(xué)認(rèn)為，我們無(wú)法確定粒子的分布，只能掌握粒子出現(xiàn)的概率。
1. 粒子的分布位置不是一個(gè)確定事件，而是一個(gè)概率
薛定諤在研究原子的過(guò)程中得到了一個(gè)方程，其中的 ψ 函數(shù)代表了電子在空間中的分布。薛定諤一開(kāi)始以為，ψ 代表了電子的實(shí)際分布位置。但波恩卻指出，ψ 函數(shù)代表的是電子出現(xiàn)的概率，并不是實(shí)際位置。電子的分布是一種隨機(jī)分布。
【案例】
在光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，單個(gè)電子的出現(xiàn)位置是完全無(wú)法預(yù)測(cè)的，因?yàn)殡娮拥奈恢檬请S機(jī)分布的。但如果我們加大電子的發(fā)射量，就能看到明顯的干涉條紋。因?yàn)榇罅侩娮拥碾S機(jī)分布是符合數(shù)學(xué)規(guī)律的，我們就可以預(yù)測(cè)電子在某一處出現(xiàn)的概率。
2. 量子力學(xué)顛覆了“決定論”
在經(jīng)典物理學(xué)中，一切事物之間都是有因果聯(lián)系的。只要掌握了足夠多的規(guī)律，擁有足夠強(qiáng)的計(jì)算能力，就可以掌握所有事物的過(guò)去和未來(lái)，這種觀點(diǎn)被稱(chēng)為“決定論”。但量子力學(xué)提出，我們不可能預(yù)測(cè)一切事物，只能預(yù)測(cè)事物發(fā)生的概率，上帝是在玩“擲骰子”的概率游戲。這一觀點(diǎn)從根本上否定了決定論。
【案例】
愛(ài)因斯坦不相信上帝會(huì)“擲骰子”，他在寫(xiě)給量子力學(xué)奠基人之一馬克斯·波恩的信中明確表示，自己絕不愿意放棄因果性，他堅(jiān)信量子論的基礎(chǔ)一定有問(wèn)題，一定能挑出毛病。他在信中說(shuō)：“我毫無(wú)保留地相信，上帝是不會(huì)擲骰子的！”
三、量子力學(xué)中的“不確定性”推翻了“實(shí)在論”
“不確定性”原理指出，我們無(wú)法同時(shí)精確地測(cè)量電子或其他微觀粒子的位置和速度，并且，我們的觀測(cè)行為本身，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成干擾。所以，我們不能說(shuō)世界的本質(zhì)是什么樣的，只能說(shuō)我們觀測(cè)到的世界是什么樣的，甚至可以說(shuō)，根本就不存在一個(gè)客觀實(shí)在的世界。
1. 我們無(wú)法同時(shí)精確測(cè)量一個(gè)電子的位置和速度
海森堡在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們?cè)跍y(cè)量電子的速度和位置時(shí)，如果對(duì)速度的測(cè)量越精確，那么對(duì)位置的測(cè)量就越不精確；反過(guò)來(lái)也一樣，對(duì)位置的測(cè)量越精確，對(duì)速度的測(cè)量就越不精確。這就是大名鼎鼎的“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”，也就是“不確定性原理”。
【案例】
科學(xué)家們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，能量和時(shí)間，也存在著這種不確定性的互補(bǔ)關(guān)系。如果能量測(cè)量的越精確，時(shí)間就越模糊；如果時(shí)間測(cè)量的越精確，能量就會(huì)開(kāi)始起伏不定。許多物理量都遵循著海森堡的不確定性原理，此起彼伏，難以捉摸。
2. “不確定性”原理意味著“實(shí)在論”的破滅
“不確定性”原理意味著，我們的觀測(cè)行為本身，會(huì)影響我們的觀測(cè)結(jié)果。采取不同的觀測(cè)方式，會(huì)觀測(cè)到不同的結(jié)果。因此，我們無(wú)法把握事物的本質(zhì)狀態(tài)，甚至可以說(shuō)，在量子世界中，根本就沒(méi)有一個(gè)絕對(duì)客觀的實(shí)體或者外部世界。
【案例】
假如你現(xiàn)在看到了一匹棕色的馬，那如果你帶上墨鏡，那這匹馬的顏色在你眼中就變了，而如果你是一位色盲患者，那馬在你眼中又會(huì)是另外一種顏色。我們其實(shí)并不知道馬在本質(zhì)上是什么顏色的，只能說(shuō)馬在我們的觀察中是什么顏色的，甚至可以說(shuō)，馬根本就沒(méi)有什么“本來(lái)的顏色”。
金句
1. 經(jīng)典物理學(xué)建立在微積分的基礎(chǔ)之上，認(rèn)為一切的自然過(guò)程都是連續(xù)不斷的，可以無(wú)限切分。但普朗克卻發(fā)現(xiàn)，能量的傳輸并不是連續(xù)的，而是有個(gè)一個(gè)最小單位，就是“量子”。整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的大廈因此搖搖欲墜。
2. 即使我們掌握了電子的初始狀態(tài)，擁有最強(qiáng)大的計(jì)算工具，考慮了所有可能的影響，也不可能準(zhǔn)確預(yù)言電子的位置。這不是因?yàn)槲覀兊哪芰Σ蛔?，而是大自然從根本性質(zhì)上就是不可預(yù)測(cè)的。
3. 電子的位置和速度，是一種互補(bǔ)關(guān)系，就像蹺蹺板一樣，按下這頭就翹起那頭，我們永遠(yuǎn)也無(wú)法同時(shí)確定一個(gè)電子的速度和位置。這個(gè)原理，就是大名鼎鼎的“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”，或者叫“不確定性原理”。
4. 我們的觀測(cè)行為本身，會(huì)影響我們的觀測(cè)結(jié)果。采取不同的觀測(cè)方式，會(huì)觀測(cè)到不同的結(jié)果。
5. 物理學(xué)或者其他科學(xué)，都沒(méi)法去研究一個(gè)所謂的“客觀實(shí)在”的世界，人類(lèi)并不知道宇宙的客觀本質(zhì)是什么，只知道我們觀測(cè)到的宇宙是什么樣的。任何事物都只有在被觀測(cè)的時(shí)候才有意義。
霍金在《時(shí)間簡(jiǎn)史》中介紹了20世紀(jì)物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，涵蓋范圍很廣，從相對(duì)論到量子力學(xué)，從宇宙膨脹到基本粒子，從黑洞到蟲(chóng)洞，霍金都有所涉及。更重要的是，霍金還介紹了“奇點(diǎn)定理”和“霍金輻射”這兩個(gè)自己最重要的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)，以及試圖解決宇宙起源問(wèn)題的“無(wú)邊界宇宙模型”。
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一、奇點(diǎn)定理
霍金和彭羅斯利用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)方法證明了，如果廣義相對(duì)論是正確的，而且宇宙中的確有我們觀測(cè)到的那么多物質(zhì)，那宇宙一定誕生于一個(gè)奇點(diǎn)之中。
1. 宇宙不是靜態(tài)的，而是在不斷地膨脹
埃德溫·哈勃等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙中的絕大部分星系都在遠(yuǎn)離地球而去，而且離地球越遠(yuǎn)的恒星，離開(kāi)地球的速度也越快。這意味著，宇宙就像是氣球一樣，在不斷地膨脹。
【案例】
愛(ài)因斯坦曾經(jīng)認(rèn)為，宇宙應(yīng)該是靜態(tài)的。為了維持靜態(tài)宇宙的假設(shè)，他還在自己的方程里加上了一項(xiàng)“宇宙常數(shù)”，這被稱(chēng)為“愛(ài)因斯坦一生中最大的錯(cuò)誤”。
2. “奇點(diǎn)定理”意味著在廣義相對(duì)論框架內(nèi)，宇宙必然有一開(kāi)端
“奇點(diǎn)”是體積無(wú)限小、彎曲程度無(wú)限大、密度無(wú)限大、引力無(wú)限大的點(diǎn)。宇宙就誕生于“奇點(diǎn)”之中。
【案例】
宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)意味著，在很久以前，宇宙必然比現(xiàn)在小，所有的物質(zhì)都會(huì)緊緊地集中在一起。霍金和彭羅斯證明了，如果我們把時(shí)間往前推150億年，那所有星系之間的距離都是0，宇宙必然誕生于“奇點(diǎn)”之中。
二、無(wú)邊界宇宙模型
在描述宇宙歷史的模型中，“宇宙大爆炸”模型是當(dāng)前的主流理論，但這一理論目前無(wú)法解決宇宙起源問(wèn)題。霍金因此把量子力學(xué)和相對(duì)論結(jié)合起來(lái)，提出了“無(wú)邊界宇宙模型”，試圖解決這一問(wèn)題。
1. 宇宙大爆炸模型無(wú)法解決宇宙起源問(wèn)題
在宇宙大爆炸模型中，宇宙誕生于“奇點(diǎn)”。但包括廣義相對(duì)論在內(nèi)的所有物理定律，都會(huì)在奇點(diǎn)處失效，因此人類(lèi)無(wú)法直接研究奇點(diǎn)，這就為上帝的存在留下了空間。
【案例】
在大爆炸模型中，物質(zhì)、空間和時(shí)間，都是大爆炸之后才出現(xiàn)的。大爆炸之前的任何事件，對(duì)于我們來(lái)說(shuō)都沒(méi)有任何意義，或者說(shuō)根本就不存在。也就是說(shuō)，宇宙時(shí)空并不是無(wú)限的，而是有一個(gè)邊界和開(kāi)端。
2. 在“無(wú)邊界宇宙模型”中，宇宙沒(méi)有起源和開(kāi)端
在“無(wú)邊界宇宙模型”中，宇宙是“有限無(wú)界”的，沒(méi)有邊界和奇點(diǎn)?；艚鹫J(rèn)為，這個(gè)宇宙是完全自給自足的，不受任何外來(lái)事物影響，沒(méi)有創(chuàng)生和消滅的時(shí)刻，它就是存在本身，不需要上帝來(lái)創(chuàng)造它。
【案例】
“無(wú)邊界宇宙模型”里的宇宙，是一個(gè)空間和時(shí)間交織在一起所組成的四維宇宙。在這個(gè)宇宙中，時(shí)空就像是地球的表面，在范圍上是有限的，但卻沒(méi)有形成邊界，也沒(méi)有形成奇點(diǎn)?？茖W(xué)規(guī)律在任何一個(gè)時(shí)空點(diǎn)上都適用，不會(huì)發(fā)生崩潰。
三、霍金輻射
“霍金輻射”也就是“黑洞輻射”。霍金利用量子力學(xué)中的“不確定性原理”提出，黑洞也會(huì)發(fā)出輻射，并不是完全黑的。
1. 黑洞引力極大，連光都不可能逃出黑洞
當(dāng)恒星的內(nèi)部燃料耗盡之后，在自身的引力作用下，就可能坍塌成黑洞。黑洞質(zhì)量大，體積小，引力極高，任何物質(zhì)，包括光在內(nèi)，只要進(jìn)入某個(gè)臨界區(qū)域，就永遠(yuǎn)不可能逃出黑洞。
【案例】
黑洞吸引一切的性質(zhì)，跟熱力學(xué)第二定律產(chǎn)生了沖突。所有有溫度的物體，都應(yīng)該發(fā)出輻射和粒子，但如果連光都逃不出黑洞的引力，黑洞怎么能發(fā)出輻射呢？
2. 霍金利用“不確定性”原理提出了“黑洞輻射”
霍金提出，黑洞的邊緣在一刻不停地產(chǎn)生成對(duì)的粒子，其中帶有負(fù)能量的粒子會(huì)被吸到黑洞里去，但還有一些帶正能量的粒子，可以從黑洞的邊緣逃脫。在外界看來(lái)，就好像是黑洞在不斷地向外發(fā)射粒子，這就是黑洞輻射，也叫“霍金輻射”。
【案例】
在“不確定性原理”的限制下，即使是看似毫無(wú)一物的虛空，在微觀上也是波瀾起伏的。會(huì)不斷地產(chǎn)生成對(duì)的粒子和反粒子，再碰撞到一起發(fā)生湮滅。
金句
1. 霍金的一位博士后半開(kāi)玩笑地評(píng)論說(shuō)，霍金的科普，要比麥當(dāng)娜談性的書(shū)還好賣(mài)。
2. “奇點(diǎn)”的出現(xiàn)證明了，廣義相對(duì)論也只是一個(gè)不完全的理論，因?yàn)樵谟钪孀铋_(kāi)始的那一刻它失效了，廣義相對(duì)論預(yù)言了自身的崩塌。
3. 霍金提出的“無(wú)邊界宇宙模型”意味著，宇宙沒(méi)有開(kāi)端，也沒(méi)有誕生的時(shí)刻，所以也沒(méi)有上帝的位置。
4. 黑洞的確會(huì)發(fā)射出粒子，但這些粒子，并不是從黑洞里面跑出來(lái)的，而是從黑洞邊緣的空虛的空間里，無(wú)中生有變出來(lái)的。
《宇宙的琴弦》是布賴(lài)恩·格林的成名之作，是關(guān)于弦理論的最好的科普書(shū)籍之一。這本書(shū)曾在當(dāng)年的《紐約時(shí)報(bào)》暢銷(xiāo)榜上排名第四，還獲得了2000年的英國(guó)皇家學(xué)會(huì)科普?qǐng)D書(shū)獎(jiǎng)。根據(jù)本書(shū)改編的紀(jì)錄片曾三次被美國(guó)電視界的最高獎(jiǎng)項(xiàng)“艾美獎(jiǎng)”提名，并獲得美國(guó)廣播電視文化成就獎(jiǎng)“皮博迪獎(jiǎng)”。
布賴(lài)恩·格林，世界頂尖的物理學(xué)家，牛津大學(xué)物理學(xué)博士，哥倫比亞大學(xué)數(shù)學(xué)和物理學(xué)博士。他始終處于弦理論研究的第一線(xiàn)，對(duì)弦理論中空間形狀和形態(tài)的研究做出過(guò)重要貢獻(xiàn)。
布賴(lài)恩·格林從現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱理論——量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的沖突說(shuō)起，介紹了弦理論的誕生背景。隨后對(duì)于弦理論的基礎(chǔ)概念、精妙之處、發(fā)展歷史進(jìn)行了描述，并展望了弦理論的未來(lái)。
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一、弦理論誕生于廣義相對(duì)論和量子力學(xué)之間的沖突
廣義相對(duì)論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱理論，但在普朗克尺度以下，二者產(chǎn)生了不可避免的矛盾。弦理論就誕生于這樣的背景之下。
1. 廣義相對(duì)論認(rèn)為,空間是平滑的
廣義相對(duì)論認(rèn)為：物質(zhì)告訴空間如何彎曲，空間告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)。在這一圖景中，宇宙就像是一張巨大的膜，是平滑的。
【案例】
像太陽(yáng)這樣的大質(zhì)量物體，會(huì)使空間產(chǎn)生彎曲?？臻g會(huì)影響物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，彎曲的空間因此改變的地球的運(yùn)動(dòng)方式。
2. 量子力學(xué)認(rèn)為，空間在微觀層面是瘋狂漲落的
量子力學(xué)中的“不確定性”原理認(rèn)為：如果我們把觀察范圍縮小，那即使是在看似一片虛無(wú)的空間里，也存在著大量的活動(dòng)。宇宙在微觀尺度上是一個(gè)混沌、瘋狂的世界。
【案例】
“不確定性”原理認(rèn)為：粒子的位置和速度、能量和時(shí)間，都不可能同時(shí)被確定。假如在一個(gè)很大的盒子里裝著一個(gè)電子，如果把盒子慢慢往里擠壓，越擠越小，那電子在位置上的確定性就變高了，但電子的行動(dòng)軌跡會(huì)越來(lái)越難以預(yù)料，速度也會(huì)變得越來(lái)越不確定。
二、弦理論認(rèn)為物質(zhì)的基本構(gòu)成元素是“弦”
主流的“標(biāo)準(zhǔn)模型理論”認(rèn)為：物質(zhì)是由各種點(diǎn)一樣的粒子構(gòu)成的。但弦理論認(rèn)為，物質(zhì)的基本構(gòu)成元素是一根根震動(dòng)的“弦”，并由此解決了相對(duì)論和量子力學(xué)之間的沖突。
1. 物質(zhì)是由振動(dòng)的“弦”組成的
弦理論認(rèn)為，如果我們把基本粒子放大，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們是由一個(gè)個(gè)小環(huán)構(gòu)成的。每個(gè)粒子都像是一根無(wú)限細(xì)的、一維的橡皮筋。“弦”的不同震動(dòng)方式產(chǎn)生了不同的粒子。
【案例】
我們可以把弦理論中的“弦”想象成樂(lè)器的弦：通過(guò)不同的彈奏力度，可以讓同樣的弦產(chǎn)生不同的振動(dòng)，發(fā)出不同的聲音。弦理論里的弦也是這樣，雖然所有的弦都是一樣的，但這些弦有不同的振動(dòng)模式，所以可以產(chǎn)生不同的粒子。比如說(shuō)，如果弦的振幅大，波長(zhǎng)小，那產(chǎn)生粒子攜帶的能量就高。
2. 弦理論解決了量子力學(xué)和廣義相對(duì)論之間的沖突
量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的沖突，只有在普朗克尺度下才會(huì)展現(xiàn)出來(lái)。而在弦理論中，空間并不是可以無(wú)限切割的：由于物質(zhì)的基本構(gòu)成元素是弦，而弦的平均長(zhǎng)度大約是普朗克尺度，因此在普朗克尺度以下的空間里所發(fā)生的事是無(wú)法影響到任何事物的。也就是說(shuō)，量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的沖突在弦理論中其實(shí)是不存在的。
【案例】
如果用手去摸一塊精心加工過(guò)的花崗石，你會(huì)感覺(jué)它特別光滑順手。但如果用放大鏡或者顯微鏡來(lái)觀察它的表面，就會(huì)發(fā)現(xiàn)花崗石的表面有許多顆粒，只是這些顆粒太小，手根本感覺(jué)不到。
在這個(gè)例子中，花崗石表面的小顆粒已經(jīng)超出了手的感知范圍，對(duì)于手來(lái)說(shuō)它是沒(méi)有意義的。同樣的道理，如果我們把手換成弦的話(huà)，那就意味著，如果一個(gè)東西比弦還小，對(duì)弦都產(chǎn)生不了影響，那它對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，也是沒(méi)有意義的。
三、弦理論推翻了許多對(duì)于宇宙的傳統(tǒng)的認(rèn)知
科學(xué)家通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，弦理論中的宇宙應(yīng)該是11維的。利用弦理論，科學(xué)家們還在黑洞和基本粒子之間建立了無(wú)懈可擊的聯(lián)系。
1. 弦理論中的宇宙是11維的
科學(xué)家通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，弦理論中的宇宙應(yīng)該有10個(gè)空間維度和1個(gè)時(shí)間維度，一共11維。10個(gè)空間維中，有3個(gè)維度是展開(kāi)的，也就是我們所感受到的三維世界，而其余的7個(gè)維度是蜷曲起來(lái)的，目前還觀測(cè)不到。當(dāng)然，這一理論目前還不成熟。
【案例】
如果我們離得遠(yuǎn)一點(diǎn)觀察一根水管，會(huì)認(rèn)為這根水管是一維的，螞蟻只能進(jìn)行一維運(yùn)動(dòng)。但如果我們湊近了看，就會(huì)發(fā)現(xiàn)水管還是有粗細(xì)的，螞蟻不光可以順著水管的方向爬，它也可以在水管上轉(zhuǎn)圈爬。轉(zhuǎn)圈的那個(gè)方向，也是一個(gè)維度。我們的宇宙就像這根水管，有些維度是展開(kāi)的，有些維度是蜷曲的。
2. 黑洞和基本粒子之間存在著聯(lián)系
任何兩個(gè)黑洞如果有相同的質(zhì)量、力荷和自轉(zhuǎn)，那它們就是完全相同的，這跟基本粒子的性質(zhì)是一樣的。此前科學(xué)家們就試圖在黑洞和基本粒子之間建立聯(lián)系，弦理論的出現(xiàn)完成了這一構(gòu)想。但目前這一理論也尚未成熟。
金句
1. 物理學(xué)家恵勒曾經(jīng)用一句非常簡(jiǎn)潔的話(huà)，概括了廣義相對(duì)論的核心內(nèi)容：“物質(zhì)告訴空間如何彎曲，空間告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)?！?/p>
2. 一個(gè)粒子的位置和速度，不可能同時(shí)被確定。如果它的位置越確定，那它速度的不確定性就越高；如果速度越確定，那位置的不確定性就越高。
3. 廣義相對(duì)論關(guān)注的是宏觀的問(wèn)題，量子力學(xué)關(guān)注的是微觀的問(wèn)題，一般情況下它們是相安無(wú)事的。但如果我們?cè)谝粋€(gè)很小很小的尺度上來(lái)進(jìn)行計(jì)算，這兩套理論就會(huì)發(fā)生沖突。
4. 弦理論認(rèn)為，我們的宇宙不是由點(diǎn)狀的粒子組成的，而是由一根根振動(dòng)的弦構(gòu)成的。弦的不同振動(dòng)模式，就產(chǎn)生了不同的粒子。
5. 在標(biāo)準(zhǔn)模型理論中，空間是可以無(wú)限分割的。但在弦理論的世界中，空間只能小到弦的尺度，不能再小了。
《引力波》介紹了 LIGO 項(xiàng)目半個(gè)世紀(jì)以來(lái)的發(fā)展史，由于掌握了大量的一手資料，因此被稱(chēng)為“最權(quán)威”“最受 LIGO 項(xiàng)目官方認(rèn)可”的引力波著作?？破兆骷艺淠取とR文，哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)教授，采訪(fǎng)了諸多一線(xiàn)人員，記錄了 LIGO 項(xiàng)目所面對(duì)的種種內(nèi)外部風(fēng)險(xiǎn)，包括如何從外部爭(zhēng)取資金，內(nèi)部的管理困境和領(lǐng)導(dǎo)人員之間的人性沖突等種種“八卦”，展現(xiàn)了人類(lèi)在探索世界的過(guò)程中所付出的種種努力。
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一、探測(cè)引力波的科學(xué)價(jià)值和難度
探測(cè)引力波具有理論和實(shí)用上的雙重科學(xué)價(jià)值，但由于引力波極其微弱，因此對(duì)測(cè)量精度的要求極高。
1. 引力波的科學(xué)價(jià)值
愛(ài)因斯坦曾在廣義相對(duì)論中預(yù)言過(guò)引力波的存在，但由于引力波過(guò)于微弱，因此一直未能被探測(cè)到。如果能捕捉到引力波，就相當(dāng)于找到了“廣義相對(duì)論缺失的最后一塊拼圖”。
2. 探測(cè)引力波對(duì)精度的要求極高
兩個(gè)黑洞碰撞所產(chǎn)生的引力波，只會(huì)讓兩根干涉臂的長(zhǎng)度產(chǎn)生十萬(wàn)億分之一的變化。相當(dāng)于要在地球周長(zhǎng)1000億倍的范圍內(nèi)，測(cè)量出比頭發(fā)絲直徑還要小的變化，且測(cè)量時(shí)間不到一秒鐘。
【案例】
為了達(dá)到高精度要求，就必須排除干擾。LIGO 兩根長(zhǎng)4公里干涉臂都被抽成了真空，是地球上最大的真空區(qū)域，甚至比太空中的某些真空區(qū)域的物質(zhì)密度還要低。
二、LIGO 項(xiàng)目艱難的資金爭(zhēng)取過(guò)程
LIGO 項(xiàng)目在一開(kāi)始并不被看好，且耗資很高。在運(yùn)氣和多位領(lǐng)導(dǎo)者的不懈努力之下，才最終爭(zhēng)取到了足夠的資金。
1. 從美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)爭(zhēng)取資金
探測(cè)引力波的先驅(qū)之一雷納·韋斯在軍方停止支持后，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都未能獲得任何資金。在彈盡糧絕之時(shí)，雷納跑到華盛頓，找到了國(guó)家科學(xué)基金會(huì)萬(wàn)有引力項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人艾薩克森，才終于要到了錢(qián)。如果沒(méi)有艾薩克森，LIGO 項(xiàng)目可能早就胎死腹中了。
【案例】
艾薩克森之所以會(huì)支持引力波探測(cè)項(xiàng)目，也有很大的運(yùn)氣成分：一是因?yàn)?，艾薩克森自己就是研究引力波的，因此對(duì)該項(xiàng)目很感興趣；另一方面，他也想憑借該項(xiàng)目，提升國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的聲譽(yù)。
2. 說(shuō)服國(guó)會(huì)同意撥款
1989年，LIGO 項(xiàng)目組想要申請(qǐng)2億美元的資金支持，但這筆撥款必須得到國(guó)會(huì)的同意。當(dāng)時(shí)無(wú)論是國(guó)會(huì)議員還是科學(xué)家，都對(duì) LIGO 項(xiàng)目的前景不甚看好，因此不同意撥款。此后沃格特帶著說(shuō)客助手跑到華盛頓展開(kāi)游說(shuō)，在經(jīng)歷了兩年努力之后，國(guó)會(huì)才終于批準(zhǔn)了這筆資金。
【案例】
一位來(lái)自利文斯頓的參議員答應(yīng)給沃格特20分鐘的時(shí)間來(lái)談自己的項(xiàng)目，沃格特使出渾身解數(shù)，努力讓參議員對(duì)宇宙學(xué)產(chǎn)生興趣，最后兩人整整交談了兩個(gè)小時(shí)，爭(zhēng)取到了參議員的支持，為 LIGO 項(xiàng)目在利文斯頓地區(qū)的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。
三、LIGO項(xiàng)目組早期的管理問(wèn)題
LIGO 項(xiàng)目早期由“三巨頭”共同領(lǐng)導(dǎo)，但由于其中的羅納德·德雷弗性格古怪，不懂得與他人合作，因此管理狀況極差，內(nèi)部矛盾尖銳。羅納德·德雷弗最終被項(xiàng)目組開(kāi)除，也失去了獲得諾貝爾獎(jiǎng)的機(jī)會(huì)。
1. “三巨頭”的管理方式降低了團(tuán)隊(duì)效率
羅納德·德雷弗沒(méi)有合作意識(shí)，雖然想象力豐富，但做事缺乏條理，這與雷納等人的工作方式產(chǎn)生了嚴(yán)重沖突。兩人湊到一起之后，完全沒(méi)法兒推進(jìn)工作，管理問(wèn)題因此成了項(xiàng)目組內(nèi)部的最大問(wèn)題。最終，美國(guó)國(guó)家基金會(huì)指派了沃格特作為領(lǐng)導(dǎo)人，結(jié)束了“三巨頭”的管理體制。
【案例】
羅納德·德雷弗認(rèn)為，項(xiàng)目組不應(yīng)該急著去建大型機(jī)器，而是應(yīng)該先建中等規(guī)模的機(jī)器，再逐漸擴(kuò)大規(guī)模。但基普和雷納都認(rèn)為，中等規(guī)模的機(jī)器無(wú)法探測(cè)引力波，應(yīng)該直接建造大型機(jī)器。羅納德不愿意合作，最后還是在美國(guó)國(guó)家基金會(huì)的壓力之下才就范。
2. 沃格特最終將羅納德開(kāi)除出項(xiàng)目組
沃格特到來(lái)之后，極大地改善了團(tuán)隊(duì)的工作效率。但之后不久，他也和羅納德產(chǎn)生了沖突，于是羅納德成了項(xiàng)目組中最不受歡迎的人。后期沃格特對(duì)羅納德采取了一些不近人情的手段，并最終將德雷弗開(kāi)除出了項(xiàng)目組。但這一決定引起了很大的爭(zhēng)議，雷納就認(rèn)為，羅納德雖然性格有問(wèn)題，但的確是一位天才，因?yàn)槲指裉厝狈芾斫?jīng)驗(yàn)，沒(méi)能保護(hù)好這位天才。
【案例】
沃格特在項(xiàng)目組內(nèi)部采取了“臭鼬工廠(chǎng)”的管理方式，團(tuán)隊(duì)里人人平等，沒(méi)有等級(jí)制度，沒(méi)有官僚機(jī)構(gòu)，科學(xué)家們可以盡情地施展自己的才華，進(jìn)行各種創(chuàng)新，極大地推動(dòng)了工作效率。
金句
1. 探測(cè)引力波這樣的大型科學(xué)項(xiàng)目，所要面對(duì)的絕不僅僅是科學(xué)上的問(wèn)題，還要面對(duì)資源上、管理上、人性上的一系列問(wèn)題，是一個(gè)大型綜合難題。
2. 引力波雖然微弱，但卻可以穿越很長(zhǎng)的距離，很難受到干擾。這就意味著，人類(lèi)可以通過(guò)引力波來(lái)觀測(cè)整個(gè)宇宙。
3. 研究人員要在相當(dāng)于地球周長(zhǎng)1000億倍的范圍內(nèi)，測(cè)量出比頭發(fā)絲的直徑還要小的變化，而且留給他們的測(cè)量時(shí)間，還不到一秒鐘。
4. 哪怕是再純粹再有價(jià)值的科學(xué)研究，也不一定能拿到錢(qián)。你要向外界證明你的價(jià)值，還要考慮到時(shí)代潮流等因素的影響。
5. “臭鼬工廠(chǎng)”類(lèi)似于今天的很多創(chuàng)業(yè)公司，團(tuán)隊(duì)里人人平等，沒(méi)有等級(jí)制度和官僚機(jī)構(gòu)。專(zhuān)業(yè)人員可以獲得資金支持，盡情施展自己的才華。
中國(guó)獨(dú)立學(xué)者，科普作家靈遁者4年嘔心力作。用自己獨(dú)有的方式，思考了當(dāng)代物理的熱點(diǎn)。書(shū)中沒(méi)有復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，用最淺顯易懂的語(yǔ)言，描述了諸多問(wèn)題。譬如慣性，引力，狹義相對(duì)論，廣義相對(duì)論，量子糾纏，時(shí)間，物質(zhì)等問(wèn)題。是一本極具啟發(fā)力和創(chuàng)造力的科普書(shū)籍。
《變化》為宇宙物理科普基礎(chǔ)讀物，內(nèi)容豐富、敘述生動(dòng)、插圖精彩。更關(guān)鍵的是該書(shū)在現(xiàn)有物理基礎(chǔ)上，有非常大的啟發(fā)性拓展。對(duì)于最基本的問(wèn)題，引力，慣性，相對(duì)論，光速，時(shí)空都有獨(dú)到的看法。適合具有初中，高中，理工科大學(xué)初年級(jí)文化程度的讀者閱讀。這本書(shū)把讀者引入千奇百怪、絢麗多彩的'宇宙物理'。書(shū)中沒(méi)有繁瑣的數(shù)學(xué)描述，
以當(dāng)代物理前沿理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行了具有啟發(fā)性的探索。是一本通俗易懂，暢快淋漓的科普書(shū)籍，吸引了無(wú)數(shù)普通讀者，為他們了一扇思想之門(mén)。該書(shū)在靈遁者淘寶有售。
金句
17、人一定要站在可以想象的地方說(shuō)事。對(duì)于不可想象之事，請(qǐng)沉默。——靈遁者《變化》
18、人類(lèi)一定要相信，最偉大的人還沒(méi)有出現(xiàn)?！`遁者《變化》
19、人類(lèi)從來(lái)不是以一個(gè)人來(lái)衡量自己的，是以一群人來(lái)衡量的?！`遁者《變化》
10、要相信你看到的東西，但更要相信你看不到的東西?！`遁者《變化》
21、好好想一分鐘，再接著往下看?！`遁者《變化》
22、緣分本來(lái)就包含在所有相遇的邏輯之中。你打開(kāi)了這本書(shū)，我們就相遇了?！`遁者《變化》
28、而關(guān)于質(zhì)量的產(chǎn)生，必須回歸量子力學(xué)的相關(guān)理論。也就是說(shuō)用希格斯場(chǎng)，希格斯機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以整個(gè)理論體系，一定是一個(gè)圓圈。大統(tǒng)一理論的構(gòu)想，是沒(méi)有錯(cuò)的。數(shù)學(xué)家精于計(jì)算，但不一定也這樣考慮問(wèn)題。所以我必須說(shuō)出自己的思考，來(lái)告訴人們，簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象中【慣性現(xiàn)象】，蘊(yùn)含著直達(dá)宇宙真理的秘密。——靈遁者《變化》
29、我在寫(xiě)完此文的時(shí)候，總覺(jué)得這里面很多東西應(yīng)該好好展開(kāi)來(lái)說(shuō)。比如德布羅意波，引力常數(shù)，普朗克常數(shù)，光速等。所以這些概念的聯(lián)系，在我們的大腦之外，但能為我們大腦察覺(jué)。這是歷史所證明的。不要不相信巧合，不要不相信相似，物理是這樣的，人生也是這樣的?！`遁者《變化》
30、一個(gè)人畢竟是一個(gè)人。但人類(lèi)的悲壯，人類(lèi)的輝煌，人類(lèi)的未來(lái)，就是由這一個(gè)個(gè)人組成的?！`遁者《變化》
31、任何過(guò)程要考慮時(shí)間，考慮時(shí)間就要涉及速度。速度的上限是光速。所以慣性作用的速度也是光速。超距作用不可想象，沒(méi)有理論基礎(chǔ)，也沒(méi)有實(shí)質(zhì)想象的實(shí)驗(yàn)，包括量子糾纏也不算?！`遁者《變化》
本文內(nèi)容，摘錄自書(shū)與我與你公眾號(hào)，有補(bǔ)增。
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