《七堂极简物理课》读书笔记

1. 最美的理论 - 广义相对论

在牛顿的万有引力为主的经典物理学角度,我们认为万物皆有引力,甚至发明了“引力场”的概念来描述引力在空间中的传播,就像磁铁吸住铁一样,地球有巨大的引力让人无法飞起来,而太阳也用巨大的引力让地球围绕自己转。

然而爱因斯坦发表了广义相对论,他认为所谓的“引力场”就是空间本身,巨大的星球并不是通过自身的吸引力吸住周围的物质,而是直接扭曲了空间——物体本身还是沿直线前进的,只不过“轨道”被弯曲了。就像一张拉平的床单上放了一颗铁球,它扭曲了原本平直的床单,导致其他小的铁球不得不围着它转动。

爱因斯坦的广义相对论(时空弯曲)直接或间接导致了黑洞、宇宙大爆炸、引力波等概念的诞生以及被观测证实。

2. 量子 - 不可分割的个体

量子是一种最小的、不可在分割的物理量。就好比显示屏上的像素,它就是量子化的,一张图片的分辨率再细腻,最终还是要落实到每一个像素上(不存在半个像素)。

经典物理学认为,能量是连续的,就像你把水从0烧到100度,这个过程是平滑而连续的。然而量子理论却认为,在微观世界,能量是一级一级地往上爬,能量单位是有最小极限的,我们姑且称之为“能量包”,原子核内的电子所包含的能量只会是一个特定值——即多少个能量包,当电子的能量包达到另一个特定值后,就会立刻跳到另一个运行轨道上,这是著名的——“量子跃迁”。

量子理论的诞生颠覆了经典物理学的很多概念,在传统的科学观念里,一切都有规律,可以通过公式计算得出。然而在量子世界里,电子并不是一直存在的物质,它只有和某个物质发生作用是才会以一定的概率“现身”,否则你都无法用“存在”这个概念来形容它。

我个人的理解,这就好比影子,有光照的时候就会有影子,没有光照的时候影子存在吗?即,在量子世界,我们不知道其内部的构造,只知道它是如何作用的。

不论如何,我不是特别理解量子的概念,但是可以肯定的是,基于量子力学,晶体管问世了,进一步将人类文明推向信息时代。

3. 宇宙的构造 - 世界有多大

从人类文明开始,“世界有多大?”这个命题经历了:

世界只有天和地
世界是圆的,地球是中心
世界是圆的,太阳是中心
原来太阳只是银河系的一粒尘埃
原来还有数不清个像银河一样的星系
更多的星系和未知都包含在宇宙之中
宇宙的空间不是均匀的,而是被各种天体扭曲,像波澜起伏的海面
宇宙之外是什么?

4. 粒子 - 世界有多小

原子曾被认为是物质的最小单位,它所形成的各种元素构成了宇宙中的万事万物,然而:

原子由原子核及电子构成
原子核由更小的中子和质子构成
质子和中子又由夸克构成
夸克又被更小的胶子粘在一起

此外还有中微子、希格斯玻色子等粒子,共不到十种粒子,像乐高积木一样,以不同的组合方式,造就了万事万物。

科学家们把目前已知的这几种基本粒子的物理理论拼拼凑凑,得出了一个叫“基本粒子标准模型”的东西,用于解释这个世界。不论如何,它很有用,但显然还不够完美。我们追求的应该是一套统一且简洁的理论,而不是在这个场景下用这套公式,那个场景下用那种方法的多种理论组合。

不过近些年,这个标准模型出问题了。科学家发现在每个星系周围都存在着一团巨大的云状物,需要通过它自身的引力和对光产生的偏折现场,才能间接地“观察”到它。而构成它的基本粒子,不属于“基本粒子标准模型”中的任何一种。到底是什么,目前不得而知,科学家仅仅把它称为——暗物质。

世界还能更小吗?不知道。人类目前对物质的认知:在屈指可数的几种基本粒子,不断以存在/不存在之间切换、震动、起伏,充斥在无边无际的空间中,构成了所有我们已知的世界。

5. 空间的颗粒

  • 广义相对论告诉我们,时空是光滑且可扭曲和压缩的,这是引力场的本质
  • 量子力学告诉我们,所谓的场是由量子构成,具有精细的颗粒状

显然,前者认为世界平滑连续,后者认为世界是量子化的,二者矛盾。但两个理论在今天都非常有用,而且在各自的领域都很正确,这又作何解释?

圈量子引力试图统一二者。

圈量子引力认为:空间本身是量子化的,也就是说我们存在的空间本身也是“物质或能量”的一种,那么构成空间的最基本单位姑且称之为“空间量子”。它们比原子小几亿亿倍,外表可能像个圆圈,环环相扣,编织出了我们存在的整个空间!不理解这一点很正常,就像河中的鱼儿,也不知道水的存在。

圈量子引力还有个更极端的结论:即然空间可以被扭曲和压缩,那时间的连续性也就没有了。或者说根本就不需要“时间”这个变量。每个物理过程都有各自的节奏,有快有慢,彼此独立。

形象点说,物质的物理过程,其实是物质的量子和空间的量子发生作用的结果。比如你从A运动到B点,并不是你挤开空间量子钻过去的,而是你身上的每个物质量子与前面的空间量子作用后,位移过去的。(不知道我这样理解对不对),就像屏幕上移动的鼠标,其实是无数个像素的一次组合交替过程。

接下来的结论更有意思——黑洞。由于巨大的质量会把空间压缩到极高的“密度”,如果你身处黑洞之中,“眨眼”这个上下眼皮的空间距离,是正常世界的成百上千倍,相当于这个运动过程的“节奏”被放慢了,可谓“眨眼瞬间,世界千年”。(让我想起了星际穿越)

6. 概率、时间和黑洞的热

客观上的热

我们都知道,“热”的本质是分子运动的快慢程度。但为什么热量总是从热的地方留向冷的地方呢——概率。

想象操场上有一堆球,它们都在不规则运动,有得很快,有得很慢。从统计学的角度看,快球总是有更大的概率撞到慢球,而由于能量守恒,碰撞后二球的速度(能量)为二者的平均值。再回到宏观看,最终整个操场的球的速度就会变得一样。反过来,如果用概率来看,水烧不开也是有可能的,但是无数的快球都完美避开慢球的可能性,几乎为零吧。

客观上的时间

时间其实是人们主观上的概念,例如现在、此时此刻、刚刚、将来、一分一秒等,都是以人的主观视角来描述世界的运行过程。在物理上,这是不客观的。那物理上应该如何描述时间的流逝呢——热量的转移。

想象一个老式钟摆,你用摄像机把它摆来摆去的过程录了下来,然后不论你正着放还是倒着放这段录像,是不是没区别,因为它的过程是重复的。那又如何判断录像是正放还是倒放呢?物理上,钟摆运动会有摩擦力,摩擦生热,只要观察中摆是越来越热,还是越来越冷,就能搞清楚播放的顺序,即时间如何流逝的。(当然,搞懂道理即可,没必要在摩擦生热的问题上抬杠)

黑洞是火热的(这部分我每理解)

史蒂芬·霍金经过一系列的计算推理证明,黑洞总是热得像火一样。尽管并未得到观察证实,但他的理论让人信服。黑洞并不总是往里吸东西,也会不停往外放热。这些的热涉及量子力学、广义相对论和热力学。仍未解开。

7. 我们

最后一章是在探讨物理和哲学,就不总结了。

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