——读卡洛•罗韦利《七堂极简物理课》一书有感

 作为一名物理教师，以这样的一本书结束2019年的阅读，是很有意义的。

 19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家威廉·汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。在回顾物理学所取得的伟大成就时，他说物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作；在展望20世纪物理学前景时，他却若有所思地说，物理学美丽而晴朗的天空被两朵乌云笼罩了。很多人是怀着非常乐观的心情来欣赏着已经建立起来的物理学大厦的，没想到一进入二十世纪，人们就忽然发现，这座恢宏的大厦远不是物理学的真实面貌，两个新的理论正在动摇着它的根基。

 一、广义相对论和量子力学

 在牛顿的经典力学体系中，空间有点类似于我们所居住的房屋，是通过四梁八柱构架起来的一个区域。在这个区域里，每一个位置都是明确的，可以通过笛卡尔坐标予以标注。在我们当下的生活中，处理与空间相关的事务，所依据的依然是牛顿的时空观。

 但1915年，爱因斯坦对此提出了挑战。他从电荷与磁体的相互作用是通过电磁场传播的这一事实出发，推想到两个物体之间的相互吸引也不是超距的，也应该通过特定的场来传播，换句话说，一定存在一种类似于电磁场的“引力场”。

 那么，“引力场”是个什么样的东西呢？在这里，爱因斯坦显示出了自己非凡的才华，产生了一个绝对天才的想法：引力场并不“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。

 这是一个惊世骇俗的理论，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那样，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。所以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。

 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，有坍塌成我们无法直接观察的黑洞，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……这个理论描绘出的世界景象是那样的惊世骇俗，让每个人都不敢相信这是真的，但一百年来的观察和研究一次次地证实了它的正确性。

 早在爱因斯坦提出广义相对论之前的1905年，为了解释光电效应现象，他就明确提出了光的量子说的观点，这本身也是一个可以获得诺贝尔物理学奖的理论成果。20年后，玻尔等人引领了这一领域的发展，并于1925年建立起了量子理论的方程，确立了量子力学的理论框架，取代了牛顿力学。

 霎时间，一切现象都找到了归宿，一切都可以被计算出来。举个例子说，每个人在做学生的时候，都应该学过门捷列夫的元素周期表，那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？为什么这些元素和周期会有这样的特征呢？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。

 现在，量子力学的方程以及用它们得出的结果每天都被应用于物理、工程、化学、生物乃至更广阔的领域中。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。

 二、奇特的悖论与圈量子引力

 20世纪物理学的两颗明珠无疑是广义相对论和量子力学。前者是宇宙学、天体物理学、引力波、黑洞以及其他许多研究的起源；后者则是原子物理、核物理、基本粒子物理、凝聚态物理等学科的基础。这两个理论带来了丰富的成果，奠定了当代科技的基石，彻底改变了我们的生活方式。

 但如果我们稍加思考，就会发现这两个理论不应该同时正确。广义相对论告诉我们宇宙是一个平滑的连续体，虽然有这样或者那样的弯曲，但连续的特征不会改变；量子力学则告诉我们物质世界是由一个个不连续的“量子”所组成。显然，它们是相互矛盾的，是20世纪物理学中最大的悖论。

 其实，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。而过去每一次成功地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。牛顿整合了伽利略的抛物线运动和开普勒的天体椭圆运动，发现了万有引力；麦克斯韦将电和磁的理论结合起来，提出了电磁场方程；爱因斯坦在解决电磁学和经典力学的明显冲突时，发现了相对论……所以，在这两个伟大的理论提出来之后，就有一批物理学家想着要找到一个新的理论，来统一我们的世界观，来解决现在这种“精神分裂”的局面。从上世纪50年代开始到现在，已经有很多种不同的假设提出，本书的作者最为推崇的，就是他自己正在研究的“圈量子引力”。

 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；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”。“圈量子引力”由此得出两个核心结论：第一，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；第二，在“空间是连续的、物体存在其中”这个观念消失后，“时间不受事物影响、一直流逝”这个基本而又原始的想法也不复存在了。描述空间和物质的颗粒的方程不再包含“时间”这个变量。

 当然，这只是一种可能性的解释，还有待实验或者观察来加以验证。既然20世纪能产生如此伟大的两个物理理论，我们自然对21世纪的新的物理学进展充满期待了。

 作者在本书的开头就给了读着很美好的遐想：“世界上有许多感人至深、无与伦比的伟大作品，比如莫扎特的《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》……想要领悟这些作品的妙处，都要经历一个从头学起的过程，但最终获得的回报将是百分之百美的享受。其实，除了美感之外，这些作品还能为我们提供一个观察世界的全新视角。”我们希望圈量子引力就是在21世纪观察世界的新视角，当然更期望有更加惊世骇俗的理论，颠覆我们既有的世界观。

 三、概率的引进与时间的消失

 或许您已经注意到了，圈量子引力的一个核心观点，就是“时间”这个概念在理论体系中不存在了。相信这会让很多人感到疑惑，我们一直在谈论过去、现在和未来，昨天、今天和明天，怎么时间会在物理理论中消失了呢？

 有关时间的问题，如果从热力学的角度来加以思考，相信大家会更容易理解些。我们都知道，热量会从热的物体跑到冷的物体上，为什么不是反反过来呢？这是一个关键的问题，因为它关系到时间的本质。假如说两个物体不发生热交换，或者热交换可以忽略，那么它们的未来就和过去是一模一样的，在这样的情况下，就无所谓过去、现在和未来了。换句话说，只有存在热量，而且存在热交换的情况下，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，热量从热的物体跑到冷的物体上遵循什么样的规律呢？玻尔兹曼告诉我们，没有什么绝对的定律，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。这又是一个革命性的理念：你问热量可否从冷的物体跑到热的物体上，我的答案是——我不确定这样的事情是否可以发生，但我可以地告诉你，其发生的概率很小。就像我现在不知道明天早晨是否会下雨，但我可以根据现在的天气状况对明天早晨下雨的概率进行判断。

 原来，“时间流动究竟是什么”这个问题的关键，是热量的转移。只有当热量发生转移时，才有过去和未来的区别。热量与概率相关，而概率又决定了：我们和周围世界的互动无法追究到微小的细节。换句话说，“时间流逝”在物理学中的出现，不是用来精细描述物体的真实情况的，只是对事物发展的统计分析、是一种概率性的表达。

 我们的记忆和意识、我们的思维都是建立在这统计表达和概率分布之上的，所以我们自然认为时间是存在的，是在不断流逝的。如果存在另外一种宇宙生命，他们的思维中没有概率、没有统计分析，也是就不存在时间的概念，宇宙也自然没有过去、现在和未来。

 在引力、量子力学和热力学三者的交叉地带，许多问题纠缠在一起，而时间就位于这团乱麻的中心。目前还没有办法将这团乱麻理顺，科学家们仍在黑暗中探索。不过，霍金利用量子力学成功地证明了黑洞总是“热的”，像火炉一样放热。这是关于“热空间”性质的第一个具体迹象。从来没有人观测到这种热，因为在我们观测到的真实的黑洞中，这种热非常微弱。

 黑洞的热是发生在黑洞这种物体上的量子效应，而黑洞本质上是引力性的。是一个个空间量子，空间的基本颗粒，即那些振动的“分子”加热了黑洞表面，使黑洞放热。这个现象同时涉及问题的三个方面：量子力学、广义相对论和热力学。黑洞的热如同物理学中的罗塞塔石碑，它用量子、引力和热力学三种语言写就，仍在等待解读，以告诉我们时间的本质。

 四、人的地位与哲学的思考

 当我们认同整个宇宙空间是有“空间量子”组成，所有的物质都是由几个最为基本的粒子构成的时候，有一个问题我们必然要面对：那我们人类自己呢？

 在德国唯心主义思想的鼎盛时期，谢林认为人是自然的顶峰，因为人类能够意识到自身。这样的观点曾经影响了一代又一代的人，至今某些人仍然坚持这样的信念。但随着我们对世界的了解越来越多，随着我们知识的积累越来越丰富，我们逐渐发现：曾经以为自己居住的星球位于宇宙中心，但事实并非如此；曾经以为自己是动植物家族之外的独特物种，后来却发现我们同周围所有生物由共同的祖先繁衍而来，我们与蝴蝶、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。

 我们的意识是如何形成的，这个问题目前还没有一个令人信服的、确定的答案。但现在我们知道，与宇宙的浩渺无边一样，我们的大脑中有亿万个神经元，多得如同银河中的繁星，而这些神经元可能产生的关联与组合会是一个更加庞大的天文数字。然而对所有这些我们都是没有意识的。构成“我们”的是这整个错综复杂的过程，而不仅仅是我们能意识到的那一小部分。

 在我们这个星球上，自然可以进行无尽的组合，它不断调整，并使其各部分之间相互影响、彼此关联、交换信息，而人类只是它选取的一种形式。人类是自然不可或缺的一部分，我们就是自然，是它数不胜数、千变万化的表现形式之一。和宇宙漫长的演化历史相比，人类属于短命的物种，所有的表亲都已经全部灭绝。而且人类一直在做破坏破坏性的工作，仅仅自己走向灭绝。当然，对地球来说，这只是一个无关紧要的小挫折，人类是否继续存在对它来说无关紧要。问题是，我们有没有这个能力来安然无恙地渡过难关？

 自然是我们的家，在自然中我们就是在家。我们探索的这个奇妙世界，五光十色，令人惊异，在这里空间是颗粒状的，时间是不存在的，物体也可能不在任何地方，但它并未使我们远离真实的自我，只是与生俱来的好奇心向我们展示了我们的栖居之地，展示了我们由什么构成。当我们知道的越多的时候，我们是否越会升腾起一份敬畏感？

 这是一本高中以上文化程度的人都能够读懂一本书，这是一本会让我们进一步思考“我是谁、我在哪、我将会向哪里去？”等重大哲学问题的入门读物。这本书很薄，也很厚实，因为整个宇宙、整个人类都装在其中了。

《七堂极简物理课》 [意]卡洛·罗韦利/著  文铮 陶慧慧/译  湖南科学技术出版社  2016.05