七堂极简物理课

介绍

七堂极简物理课是意大利作家卡洛-罗韦利，湖南科学技术出版社与2016年出版，这本书向读者讲述的是20世纪以来现代物理学的伟大理论发现。全文2.8万字，短小精悍，非常简单易懂，书的开头这么介绍：只有诗意的讲述，没有科学背景的人也能轻松读懂。 读起来确实很简单，下面运用我极致的总结如下。

第一课：最美的理论

这个最美的理论，说的是爱因斯坦的“广义相对论"。 小爱同学于1905年发表的三篇论文使他名声大噪，但其中的第三篇“狭义相对论”与我们的认知–自由落体产生矛盾，于是对牛哥的万有引力提出质疑，希冀不与他新提出的的相对论水火不融。为此小爱同学又花了十年时间，疯狂的尝试、犯错，1905年，最美的理论献世：“广义相对论”。 牛哥解释的自由落体和行星运转，是假设万物之间存在一种互相吸引的力量，称之为引力。 牛哥认为空间是个能装下宇宙的容器，所有物体做直线运动，直到来了个力使他们的轨道发生弯曲，至于这个容器是由什么做成的，牛哥没给出答案。 然后，这个小爱同学从小对电磁场很着迷，受家庭影响：父亲在工业革命刚开始那会，正建造第一批发电站。 而电磁场的运用，可以让他爸爸修建的发电厂里的发电机运转起来。 回到万有引力，小爱同学研究认为：这个引力也是类似于“电场”的“引力场”。 他灵光一闪:引力场不弥漫与空间，因为他本身就是空间，这个就是相对论的思想。 这个惊骇世俗的理论，意思就是说：空间不再是一种有别于物质的东西，而是构成世界"物质"的成分之一，一种可以波动、弯曲、变形的实体，地球并不是由于某种神秘力量牵引才围绕太阳转，而是在弯曲的空间中行进，即空间发生了弯曲。 接着，黎曼曲率–就是一个方程式，将弯曲空间的特征使用了一个数学量来描述。 小爱同学基于又写了个公式：Rab -1/2Rgab=Tab，表示有物质的地方会发生弯曲。 然后就是这么一个咱也看不懂的方程公式，小爱的一些预测一一被证实： 太阳会使光线偏折。 不仅是空间，时间也会发生弯曲。 在高空中，离太阳更近的地方，时间会过的比较快。(一对双胞胎，住在山上的哥们比住在海上的哥们老的快)。 一个大恒星燃烧完自己所有燃料，由于自身重量坍塌，导致空间强烈弯曲，塌陷成黑洞。 空间不可能一直保持静止，而是一直在不断膨胀。 这个膨胀是由一个极小、极热的年轻宇宙爆炸引起–‘宇宙大爆炸’。 空间会像海平面一样起伏–‘引力波’。

第二课：量子力学

20世纪物理学两大支柱，除了广义相对论，另一个就是量子力学。 量子力学的理论每天在应用于物理、工程、化学元素周期表(化学学科的基石)、生物、晶体管、激光、电子显微镜、原子钟、核磁共振等等。 量子力学是统治微观世界的一种理论，与传统经典力学不是很一样，让人很难理解。 量子力学到底是个什么，读起来也不知道怎么总结，非常的神奇，然后我去看了两个简单的科普视频，可能不是那么准确的的总结如下： 量子力学的开端是由当时存在物理学上两片乌云的其中一片：黑体辐射发展而来。 _普朗克_通过一个公式完美解释了黑体辐射，但是他对自己理论有所怀疑，与传统物理学能量可以连续的理论相比非常不符合，然后普兰克怀疑的这个理论就成为了量子力学的开端。 然后小爱同学，运用普朗克的观点：“震动带电粒子能量是一份一份的”，做了个光电效应实验，因为这个实验而获得诺尔儿奖，结论是：光具有波粒二象性。 (因此有说：普朗克是量子力学之父，爱因斯坦是让量子力学理论成长的培养人) 接着，_波尔_提出**“量子跃迁”。然后_海森堡_为量子理论列出了方程，他们同属于哥本哈本学派**阵营。 量子力学直捣传统物理学核心、直指狭义相对论，这下小爱同学不乐意了，他又联合了一堆物理学家作为另一个阵营，开始反对量子理论，开始两个阵营一生的互相对吵，其中“上帝不会掷骰子”这句话就是小爱对波尔说的。 量子力学是怎么直指狭义相对论的呢？这就得说下量子纠缠。 量子纠缠的理论是量子超距作用，量子超距作用违背了局域性原理(一个地方发生的事件不可能立刻影响到另外一个地方)，而狭义相对论说任何物质和信息的传播速度的上限就是光速。也就是说：量子超距作用与狭义相对论是互斥的。于是小爱至到去世也始终坚持认为量子纠缠是一定存在的隐变量导致的。 然后说一丁点这个量子纠缠实验相关的： 量子纠缠这个几乎没法完成的实验，直到约翰～贝尔的出现。 首先约翰贝尔认为量子力学理论是不对的，他同意小爱的说法。然后他为此研究，提出了著名的贝尔不等式。 然而，这个贝尔不等式，证明了爱因斯坦的隐变量假设是错的，也就是说贝尔用理论证明了自己的信仰是错的。他的最大贡献是让量子纠缠可以通过实验(幽灵成像实验)来验证了，众多实验证明量子理论是对的，也即：隐变量不存在，量子纠缠具有超距作用，因和果同时发生。

好了，刚才表达的是什么不是很重要，换一个比较读得懂的大白话方式来进行最后的总结： 爱因斯坦认为： “所有的事情，都会被人的认知、举止、决定和行动影响，一件事情的发生必然有其所有因素汇集而成，人的自主意志其实是决定论的一个关键所在。” 波尔给出的是：终极决定论。 “他认为这个宇宙的所有规律，都是决定好了的，每一步都是绝对精确的，客观世界下的运动都是安排好的，我们做的每一步都是早就确定了的，甚至人的意识也不是自主的，也都是确定的，不会被改变。”

第三课：宇宙的构造

这节课讲的是宇宙的构造。 内容笔记简答，简答来说： 关于宇宙构造的认识，从几千年前的地在下，天在上，到2600年前的第一次科学革命—有人想弄明白为什么太阳、月亮和星辰围绕着我们转，然后到亚里士多德用科学论证证明地球是圆的。再然后到哥白尼，比亚里士多德多提出的一个观点是行星运动的中心是太阳。 然后，随着科学仪器发展，我们又知道太阳系是不计其数星系中的一个，有千亿个如太阳般的恒星。再到20世纪30年代。经精确测量发现银河系也不过是众多星系中的一粒尘埃。 宇宙成了一片均匀的、没有尽头的疆域。 最后，结论是这个布满星系、富有弹性的浩瀚宇宙是大约150亿年前由一个密度极大热量极强的小星云,大爆炸后膨胀到现在的规模。 这就是我们现在对宇宙的最大程度了解。

第四课 粒子

这节内容在我们还是学生时期都学过，小结如下： 粒子分为光和其他物质。 光由光子组成，这是小爱同学凭直觉想出的光的微粒。 物质由原子组成，原子由原子核和围绕它的电子组成，原子核由中子和质子构成。质子和中子由更小的夸克组成。夸克之所以能将质子和中子"黏"在一起，是由一种物理学家成为"胶子"的粒子。 目前为止，标准模型虽然不完美，但却是解释我们周围世界的最好模型。 屈指可数的几种基本粒子，不断地存在和不存在之间震动、起伏，充斥在似乎一无所有的空间中。

第五课 空间的颗粒

在第二节的量子力学中，我们知道20世纪最伟大的两个方向，存在了悖论。 广义相对论和量子力学这两个理论为我们带来了丰富的成果，奠定了当代科技的基石，彻底改变了我们的生活方式，但这两个理论不可能都同时正确。至少依照目前的了解来说，他们是互相矛盾的。 然后作者从历史角度简单说明了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，之前都被一一整合，也说明了这两个理论的对立恰是一个难得机会。 目前针对这两个理论的重要尝试就是“圈量子引力”，各国的研究小组都在从事相关研究。 圈量子引力的目的是为了整合这两个伟大的理论，而圈量子引力核心理论是： 「空间是不连续的，不可被无穷分割的，而是由细小的颗粒，或者说“空间原子”构成的，这个空间原子要比原子核还要小几亿-亿倍，它们被称为"圈"或环–环环相扣，形成了一个互相关联的网络，从而编织出了空间的纹理。这些空间量子不存在任何地方，它本身就是空间」 圈量子引力的第二个结论说：这些描述空间和物质的颗粒的方程不再包含时间这个变量，意思并不是说一切保持稳态没有变换，相反，它说明变化是普遍存在，但是不能将其过程形容为：“一个瞬间接着另一个瞬间” 还有一个结论极其轰动，是关于宇宙的起源。 第三课中我们看到宇宙的开始是源自只要一丁点时候的大爆炸，那么在此之前呢？ 圈量子引力又把宇宙的历史往回推了一点：那个开始的著名大爆炸实际上可能是大反弹，宇宙在自身重量下坍缩到非常小的时候，开始反弹膨胀，开始回弹的那一瞬间，进入了量子引力领域：时间和空间一起消失，世界融化成一团涌动的概率云。

物理开阔了人类的眼界，我们看到的东西不断让我们惊异。 我们意识到人类满脑子的都是偏见，我们对世界本能的认识是片面的、狭隘的、不合时宜的。 嗯，让我们继续关注圈量子引力的破译把。

第六章 概率、时间和黑洞的热

什么是"热"？ 最终英国和奥地利的两个物理学家，发现了热的本质，结论是：一个热的物质并不是因为包含热质，而仅仅因为其中的原子运动速度过快。冷空气之所以冷是因为空气中的分子，跑的比较慢，热空气热是因为空气中的分子跑的比较快。 那为什么热量会从热的物体跑到冷的物体上？ 作者先是没有直接给出答案，通过钟摆–摩擦生热的小例子，给出一个有趣的结论：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。 接着继续解释，为什么热量会从热的物体跑到冷的物体上。。。 波尔兹曼发现其中的原因惊人的简单：这完全是随机的。 热的物体跑到冷的物体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。 从统计学角度看，快速运动的热物体原子更有可能碰上一个冷物体的原子。 热的物体和冷的物体接触后温度不降反升的情况不是没有可能，只是概率小的可怜罢了。 这种通过讲概率引入物理核心，直接解释热动力学的基础，刚开始被人认为荒谬至极，波尔兹曼自缢身亡。 但随着发展，概率进入了物理学的核心位置。并由此发展的分支为统计物理学，成果之一就是热力学。 热力学和统计力学随后都延伸到了电磁场和量子现象的领域。 但是延伸到引力场时，引起场会如何变化，仍是一个未解的难题。 引力场就是空间本身，或者说是时空，当热量在引力场扩散开来的时候，空间和时间也应该发生振动，但我们目前还不知道如何描述它。

尾声：我们

这部分内容是作者发散了自己的感性思维，对于我们处在这个宇宙中扮演的角色， 从我们到底是什么这个角度进行了一些碎碎念。 其中的碎碎念观点以及一些内容主要就是： 我们扮演的角色是内部观察者、 我们只是宇宙中很小的一部分、 与自然界其他事物相比我们没有什么特别、 我们尝试了解我们所处在的这个真实世界、 编故事和追寻踪迹是两种截然不同的人类活动、 自然界中连续不断的信息交流如何塑造我们和我们的思想是当今科学领域最有趣的前沿之一、 自由的决定疑问着什么？ 我们这个物种不会延续很久、 我们的爱与真诚与生俱来，我们天生就渴望懂得很多，渴望不断学习。 我们的认知在不断增长，我们的求知欲在燃烧。 我们渴望探索宇宙纹理的细微之处、探索宇宙的起源、时间的本质、黑洞的现象、思维的运行。 这一切，让我们目眩神迷。