跟着父亲的思维和视野,阅读《七堂极简物理课》之三:空间的颗粒

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《七堂极简物理课》读书笔记院士父亲空间的颗粒 |
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2022年8月7日星期日
儿子当年考上香港大学的数学物理系,读了半年,很想尝试心理学领域,预约并试听了心理学系教授的课。课后那位教授对他说:你学数学随时可以介入任何领域,如果学心理学则难以回到数学系,只能从事单一领域的职业。于是他从善如流坚持学习数学,但舍弃了物理。问及原因,说物理是冰山上的塔尖,无数人在追逐的过程中被淹没,自忖难以到达这样的顶峰,就好好学数学。
我本是文科思维的人,从不涉猎物理读物,不想此次跟着父亲的视野阅读《七堂极简物理课》,却是被惊艳到了,散文诗一般逶迤,哲学书一样的深邃,引发无限遐想,之后我可以在很多段落中找到生命的意义,思辨的方法,论证的逻辑,所谓“形而上”(形而上是哲学名词,是一门关于探索自然不为人知的一般规律的学问)就是如此吧。
接续阅读笔记之二,以下为之三:
第五课
20世纪物理学的两颗明珠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。这两个理论不可能同时正确。它们是相互矛盾的。(这在我的理解就是哲学描述了。试想在我们的日常工作与生活中,有多少相互矛盾的事物,要么不能看透相互之间不同的本质,要么即便能够看明白,也囿于各种因素在徒劳地协调矛盾。)
早上听广义相对论的课,下午学了量子理论。早上世界还是弯曲的空间,所有东西都是连续的,下午它就成了一个能量量子跃动的平直空间?(原来高深莫测的理论界,也会有凡夫俗子疑惑。)
这个研究领域被称为“量子引力”,其目的是找到一个理论,也就是一系列方程——但首先是一个统一的世界观——来解决现在这种“精神分裂”的局面。(世界观在方法论之上!)
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。(任何一个影响世界的经典理论都非一蹴而就,即便是伟大的人物,也要一代一代站在巨人的肩膀上,不断完善与互相成就。)
二十年前,这个领域还是一团迷雾,现在道路已经出现,解决这个问题的一个重要尝试就是“圈量子引力”。圈量子引力试图把广义相对论和量子力学结合起来。
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,可以压缩进而扭曲,而我们被包在里面。(读到这样的文字,内心是被震撼的,突然就连想到了卡夫卡的小说《变形记》。卡夫卡也清醒地意识到人在这个世界上挣扎的徒劳,可他并不因此而放弃努力,放弃斗争 。他悲观,但不厌世;他绝望,但不放弃 ;他笔下的格里高尔虽身陷绝境 ,但仍在孜孜求索着人生,向死而生是卡夫卡的主人公最令人感动的地方。格里高尔虽然最终孤独地死去了 ,但他抗拒异化,对世界的反抗的潜在意图已使他的变形不同凡响。物理学与文学居然能产生这样的意识流,阅读与思考真是一种奇妙的享受。)
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”。
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”。
量子引力的核心结论:空间是不连续的,不可被无穷分割(那么思维也是不可分割的么?所以,人的记忆、习惯、情感乃至命运都是不可分割的,这就是大千世界的各种因果关系吧),而是由细小的颗粒,或者说“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。(这种文字表述极具画面感!这样的描述在此书中比比皆是,因而最作者、译者敬佩不已。就如我与父亲在交流时的感悟:只有真正的“大家”才能深入浅出。)
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。(关系的集合而非物质的集合,对我很有冲击力。哪里都摆脱不了关系呀。只是这里的关系纯粹,俗世的关系功利。这是逻辑关系,并非情感关系。)
在“空间是连续的,物体存在其中”这个观念消失后,“时空不受事物影响、一直流逝”这个基本而又原始的想法也不复存在了。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。(空间和物质的方程不再包含“时间”这个变量,对我这样文科思维的人来说是有些可怕的,作为生命,不是由时间来衡量个体的存在么?我肯定是一知半解的,但由一知半解而引发的思考却应该极有价值。)
变化是普遍存在的,但我们不再能把这个基本过程形容为“一个瞬间接着另一个瞬间”。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。(每个人也是物理过程,有着自己的节奏,独立于其他人。世间真正能活出自己节奏的人太少太少。)时间的流逝发生在世界之中,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。
不再有“包含”着世界的空间,也不再有时间发生“于其中”的时间。(这就是永恒?)这里只有空间和物质的量子持续相互作用的基本物理过程(人是多么地渺小啊)。我们周围连续的空间和时间只是这些密集发生的基本过程产生的模糊量象。就像阿尔卑斯山上平静而清澈的湖泊,其实是无数微小的水分子快速舞动形成的。
第三课倒数第二幅图应该会表现出下面这样的颗粒状空间结构:目前还没有得到实验的证实。而且,已经有很多不同的尝试了。
我们现在可以观测到天空中由恒星坍缩(在这本书里我学到很多新的词组。
圈量子引力理论,物质不可能坍缩成一个无穷小的点,因为无穷小的点是不存在的,存在的只有一块一块的有限空间。被自身重量压塌的物质。会变得越来越密,直到量子力学可以产生一个反作用力,来抗衡这个压力。
假定在恒星生命的最后阶段,时空的量子浮动平衡了物质本身的重量,这个阶段的恒星就被称为“普朗克恒星”。如果太阳停止燃烧,形成一个黑洞,那这个黑洞的直径约为1.5千米。在黑洞内部,组成太阳的物质会继续坍缩,最终形成一颗如原子般大小的普朗克恒星。组成太阳的全部物质挤压在一个原子大小的空间里,普朗克恒星就是由这种极端的物质状态形成的。
普朗克恒星是不稳定的。一旦压缩到最大程度,就会回弹,重新开始膨胀。这就会导致黑洞的爆炸。对黑洞内部的观察者来说回弹是瞬间发生的,对外部的人来说却是一个极为漫长的过程。(不要笑我庸俗,一下子想到中国的股市,反弹是瞬间,阴跌滞涨是漫长的过程,对股民来说也是一个爱恨交加的黑洞。)我们说黑洞就是回弹的恒星,只不过这个过程是以极慢的速度在我们眼前播放的。
我们或许可以在天空中观测到它们爆发时发射的信号,也就是来自天空的高能宇宙射线,从而观察和测量由量子引力支配的现象的直接效果。
圈量子引力的方程让我们可以把宇宙的历史再往前推一点。
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就是一个大反弹: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。(双刃剑?这段文字对想象力很丰富的我来说,读着就有些惊悚了,这也是我不喜欢看科幻小说、电影的原因,引发太多宿命的观感而后怕。)
圈量子引力就是在试图破译这些线索,让我们看到更远的地方。
原本我的《七堂极简的物理课》阅读实录,是跟着父亲阅读时的铅笔下划线,做一个简读版系列,无奈发布的时候因与某文章相似度太高而不能过审。为保证简读的完整性,增强辨识度,我只能将自己的感受直接嵌入(斜体字部分),我文科思维的各种幼稚和偏面敬请读者海涵。