《時間的形狀》核心內(nèi)容

這是一本讀著像小說一樣的科普讀物，獲第八屆國家文津圖書獎。作者按照時間順序，從伽利略、牛頓的經(jīng)典物理學理論開始說起，再講到光速測量，以及困擾經(jīng)典物理學界很多年的光速不變之謎。一個接一個的懸念推動物理學的發(fā)展，直到愛因斯坦橫空出世，用相對論破解有關時間、空間、運動和引力的謎團，為讀者打開一個看待世界的全新視角。

我們今天所知道的現(xiàn)代物理學知識并不是某一個科學家拍腦門的產(chǎn)物，而是一代又一代科學家們傳承的結果。新的物理學知識并不是完全推翻了舊有的物理學知識，而是對舊有知識在更高精度上的修正，新知識體系必須兼容舊知識體系?，F(xiàn)在，“上帝”留給我們的兩道新思考題又擺在了人類面前，等待著我們?nèi)テ平庀乱粋€自然規(guī)律之謎。

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相對論是研究時間、空間、運動、引力這四者關系的理論體系的總稱，它是這一百多年來人類最偉大的兩個理論之一，另一個理論是量子力學。在科學史上，曾經(jīng)有一些理論沒有獲得諾貝爾獎，并不是這個理論的遺憾，而是諾貝爾獎的巨大遺憾，相對論就是它們的代表。

一、理解相對論的四個前置概念

第一，要判斷一個理論是不是科學理論，著名的科學哲學家波普爾提出了一個被廣泛接受的標準，那就是看它是不是具備“可證偽性”。也就是說，是不是具備被證明是錯誤的可能性。相對論也符合這個標準。

第二，科學界有一個比較推崇的哲學原則——奧卡姆剃刀原理。原文比較文縐縐，是這樣說的：如無必要，勿增實體。簡單翻譯一下，就是想解釋一個現(xiàn)象，假設最少的解釋往往最接近真相。在相對論的發(fā)展史上，愛因斯坦充分運用了這個原理。

第三，在物理學的發(fā)展史上，有一種特殊的實驗起到了至關重要的作用，就是“思維實驗”。簡單解釋就是不需要任何實驗設備，只需要在頭腦中進行的實驗。相對論的最終建立，思維實驗起到的作用可以說是居功至偉。

第四，在物理學中，有一個很拗口的術語，叫“佯謬”，佯裝的佯，謬誤的謬。是說乍一聽肯定是錯誤的，但是沒想到卻是正確的理論。在相對論的發(fā)現(xiàn)過程中，人們發(fā)現(xiàn)了非常多的佯謬，也就是反直覺、徹底顛覆我們?nèi)^的現(xiàn)象。

二、從這四個前置概念出發(fā)，通過三個反轉劇情來講述這個關于相對論的故事

1. 第一個反轉劇情

之前人們相信的都是牛頓和伽利略的觀點，認為時間是絕對的，不受其他因素的影響。但到了19世紀末，一系列的實驗推翻了人們的這個看法，其中最出名的就是“邁克耳遜—莫·雷”實驗，它被稱為“科學史上最成功的失敗”。

2. 第二個反轉劇情

為了解釋這一系列實驗的結果，愛因斯坦通過一個偉大的思維實驗，做了一個大膽的假設：光速相對于任何觀察者來說都是不變的。這讓他最終得出了狹義相對論的核心觀點：時間是相對的，沒有什么絕對的時間，它與運動密不可分。只要宇宙飛船運動得足夠快，宇宙飛船上的一年可以相當于地球上的一百年。

3. 第三個反轉劇情

雖然我們現(xiàn)在知道，愛因斯坦提出的相對論是劃時代的理論，但是我們剛剛也說了，在愛因斯坦去世的很多年后，他的理論才被實驗證明。所以，當狹義相對論剛誕生的時候，幾乎沒有引起什么轟動。而且狹義相對論的一個明顯缺點是沒有將“引力”納入到方程式中，為此，愛因斯坦又奮斗了十年，終于提出了“世界上最美的理論”——廣義相對論。

愛因斯坦的研究告訴我們，我們身處的這個宇宙，它的時空結構符合一個方程式，這個方程式就是著名的愛因斯坦場方程，它是迄今為止人類找到的最深刻的一個方程式。通過這個方程式人類計算出了黑洞、宇宙大爆炸、引力波等等一系列重塑人類宇宙觀的自然現(xiàn)象。

愛因斯坦場方程

金句

1. 面對顛覆認知的實驗結果，愛因斯坦沒有像其他科學家一樣，給實驗找各種理由假設，而是揮起“奧卡姆剃刀”，刮掉了幾乎所有的假設，只剩下一條，那就是光速本身就是不變的。

2. 相對論是公理演繹思想的極致體現(xiàn)，它從三個最基本的公理出發(fā)，也就是三個無法證明，但又找不到任何反例的假設出發(fā)，一步一步，就像證明幾何題一樣推導出了整個理論大廈，令人嘆為觀止。

3. 我們身處的這個宇宙，它的時空結構符合一個方程式，這個方程式就是著名的愛因斯坦場方程，它是迄今為止人類找到的最深刻的一個方程式。

《上帝擲骰子嗎？》核心內(nèi)容

《上帝擲骰子嗎？》是中國非常出名的科普作品之一。曾獲“吳大猷科普獎”，文津圖書獎等獎項，被譽為中國版的《時間簡史》。

作者梳理了量子力學百余年來的發(fā)展史，對量子力學的基本原理，發(fā)展歷程中的重要事件以及多位頂尖科學家之間的觀點爭執(zhí)做了梳理，并詳細論述了量子力學對人類認知的顛覆性影響。

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一、“量子”概念沖擊了經(jīng)典物理學大廈

“量子”概念中展現(xiàn)出的不連續(xù)性，對以連續(xù)性為基礎的經(jīng)典物理學提出了重大挑戰(zhàn)。

1. 經(jīng)典物理學在19世紀末發(fā)展到了巔峰

在19世紀末，經(jīng)典力學、經(jīng)典電動力學、經(jīng)典熱力學這三大體系和諧統(tǒng)一，牢不可破，共同構成了經(jīng)典物理學的大廈。當時人們認為，物理學已經(jīng)發(fā)展到了盡頭，任何現(xiàn)象都在物理學的解釋范圍之內(nèi)。

【案例】

熱力學泰斗開爾文爵士曾說：“物理學的未來，只能在小數(shù)點第六位之后去尋找?！币馑际钦f，物理學各個領域的基礎原理都已經(jīng)定型了。此外，普朗克的老師也曾勸說普朗克別再研究物理學，認為物理學體系已經(jīng)成熟了。

2. “量子”概念的提出沖擊了經(jīng)典物理學的連續(xù)性基礎

在經(jīng)典物理學發(fā)展到頂峰之時，兩朵看似無關緊要的“烏云”，卻最終導致了經(jīng)典物理學的覆滅：一朵引發(fā)了相對論革命，一朵引發(fā)了量子論革命。

普朗克發(fā)現(xiàn)，能量的發(fā)射和吸收是有一個最小單位的，并不能無限分割，是非連續(xù)的。而經(jīng)典物理學建立在微積分之上，連續(xù)性是經(jīng)典物理學的基礎。量子論由此顛覆了經(jīng)典物理學的大廈。

【案例】

在量子論中，能量的發(fā)射和吸收就像是花錢一樣，你一次最少也要花1分錢，因為沒有比1分錢更小的面值了。能量也一樣，它有個最小單位，是不連續(xù)的。而在經(jīng)典物理學中，一切都是平滑連續(xù)的。

二、量子力學是一場“擲骰子”的概率游戲

在經(jīng)典物理學中，只要進行足夠的計算，粒子的狀態(tài)都是可以完全確定的。但量子力學認為，我們無法確定粒子的分布，只能掌握粒子出現(xiàn)的概率。

1. 粒子的分布位置不是一個確定事件，而是一個概率

薛定諤在研究原子的過程中得到了一個方程，其中的 ψ 函數(shù)代表了電子在空間中的分布。薛定諤一開始以為，ψ 代表了電子的實際分布位置。但波恩卻指出，ψ 函數(shù)代表的是電子出現(xiàn)的概率，并不是實際位置。電子的分布是一種隨機分布。

【案例】

在光的雙縫干涉實驗中，單個電子的出現(xiàn)位置是完全無法預測的，因為電子的位置是隨機分布的。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。因為大量電子的隨機分布是符合數(shù)學規(guī)律的，我們就可以預測電子在某一處出現(xiàn)的概率。

2. 量子力學顛覆了“決定論”

在經(jīng)典物理學中，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，擁有足夠強的計算能力，就可以掌握所有事物的過去和未來，這種觀點被稱為“決定論”。但量子力學提出，我們不可能預測一切事物，只能預測事物發(fā)生的概率，上帝是在玩“擲骰子”的概率游戲。這一觀點從根本上否定了決定論。

【案例】

愛因斯坦不相信上帝會“擲骰子”，他在寫給量子力學奠基人之一馬克斯·波恩的信中明確表示，自己絕不愿意放棄因果性，他堅信量子論的基礎一定有問題，一定能挑出毛病。他在信中說：“我毫無保留地相信，上帝是不會擲骰子的！”

三、量子力學中的“不確定性”推翻了“實在論”

“不確定性”原理指出，我們無法同時精確地測量電子或其他微觀粒子的位置和速度，并且，我們的觀測行為本身，會對測量結果造成干擾。所以，我們不能說世界的本質(zhì)是什么樣的，只能說我們觀測到的世界是什么樣的，甚至可以說，根本就不存在一個客觀實在的世界。

1. 我們無法同時精確測量一個電子的位置和速度

海森堡在研究中發(fā)現(xiàn)，當我們在測量電子的速度和位置時，如果對速度的測量越精確，那么對位置的測量就越不精確；反過來也一樣，對位置的測量越精確，對速度的測量就越不精確。這就是大名鼎鼎的“海森堡測不準原理”，也就是“不確定性原理”。

【案例】

科學家們進一步研究發(fā)現(xiàn)，能量和時間，也存在著這種不確定性的互補關系。如果能量測量的越精確，時間就越模糊；如果時間測量的越精確，能量就會開始起伏不定。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“實在論”的破滅

“不確定性”原理意味著，我們的觀測行為本身，會影響我們的觀測結果。采取不同的觀測方式，會觀測到不同的結果。因此，我們無法把握事物的本質(zhì)狀態(tài)，甚至可以說，在量子世界中，根本就沒有一個絕對客觀的實體或者外部世界。

【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，那馬在你眼中又會是另外一種顏色。我們其實并不知道馬在本質(zhì)上是什么顏色的，只能說馬在我們的觀察中是什么顏色的，甚至可以說，馬根本就沒有什么“本來的顏色”。

金句

1. 經(jīng)典物理學建立在微積分的基礎之上，認為一切的自然過程都是連續(xù)不斷的，可以無限切分。但普朗克卻發(fā)現(xiàn)，能量的傳輸并不是連續(xù)的，而是有個一個最小單位，就是“量子”。整個經(jīng)典物理學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)，擁有最強大的計算工具，考慮了所有可能的影響，也不可能準確預言電子的位置。這不是因為我們的能力不足，而是大自然從根本性質(zhì)上就是不可預測的。

3. 電子的位置和速度，是一種互補關系，就像蹺蹺板一樣，按下這頭就翹起那頭，我們永遠也無法同時確定一個電子的速度和位置。這個原理，就是大名鼎鼎的“海森堡測不準原理”，或者叫“不確定性原理”。

4. 我們的觀測行為本身，會影響我們的觀測結果。采取不同的觀測方式，會觀測到不同的結果。

5. 物理學或者其他科學，都沒法去研究一個所謂的“客觀實在”的世界，人類并不知道宇宙的客觀本質(zhì)是什么，只知道我們觀測到的宇宙是什么樣的。任何事物都只有在被觀測的時候才有意義。

《時間簡史》核心內(nèi)容

霍金在《時間簡史》中介紹了20世紀物理學的基礎知識，涵蓋范圍很廣，從相對論到量子力學，從宇宙膨脹到基本粒子，從黑洞到蟲洞，霍金都有所涉及。更重要的是，霍金還介紹了“奇點定理”和“霍金輻射”這兩個自己最重要的學術貢獻，以及試圖解決宇宙起源問題的“無邊界宇宙模型”。

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一、奇點定理

霍金和彭羅斯利用嚴謹?shù)臄?shù)學方法證明了，如果廣義相對論是正確的，而且宇宙中的確有我們觀測到的那么多物質(zhì)，那宇宙一定誕生于一個奇點之中。

1. 宇宙不是靜態(tài)的，而是在不斷地膨脹

埃德溫·哈勃等科學家發(fā)現(xiàn)，宇宙中的絕大部分星系都在遠離地球而去，而且離地球越遠的恒星，離開地球的速度也越快。這意味著，宇宙就像是氣球一樣，在不斷地膨脹。

【案例】

愛因斯坦曾經(jīng)認為，宇宙應該是靜態(tài)的。為了維持靜態(tài)宇宙的假設，他還在自己的方程里加上了一項“宇宙常數(shù)”，這被稱為“愛因斯坦一生中最大的錯誤”。

2. “奇點定理”意味著在廣義相對論框架內(nèi)，宇宙必然有一開端

“奇點”是體積無限小、彎曲程度無限大、密度無限大、引力無限大的點。宇宙就誕生于“奇點”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)都會緊緊地集中在一起?；艚鸷团砹_斯證明了，如果我們把時間往前推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”之中。

二、無邊界宇宙模型

在描述宇宙歷史的模型中，“宇宙大爆炸”模型是當前的主流理論，但這一理論目前無法解決宇宙起源問題?；艚鹨虼税蚜孔恿W和相對論結合起來，提出了“無邊界宇宙模型”，試圖解決這一問題。

1. 宇宙大爆炸模型無法解決宇宙起源問題

在宇宙大爆炸模型中，宇宙誕生于“奇點”。但包括廣義相對論在內(nèi)的所有物理定律，都會在奇點處失效，因此人類無法直接研究奇點，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)、空間和時間，都是大爆炸之后才出現(xiàn)的。大爆炸之前的任何事件，對于我們來說都沒有任何意義，或者說根本就不存在。也就是說，宇宙時空并不是無限的，而是有一個邊界和開端。

2. 在“無邊界宇宙模型”中，宇宙沒有起源和開端

在“無邊界宇宙模型”中，宇宙是“有限無界”的，沒有邊界和奇點?；艚鹫J為，這個宇宙是完全自給自足的，不受任何外來事物影響，沒有創(chuàng)生和消滅的時刻，它就是存在本身，不需要上帝來創(chuàng)造它。

【案例】

“無邊界宇宙模型”里的宇宙，是一個空間和時間交織在一起所組成的四維宇宙。在這個宇宙中，時空就像是地球的表面，在范圍上是有限的，但卻沒有形成邊界，也沒有形成奇點?？茖W規(guī)律在任何一個時空點上都適用，不會發(fā)生崩潰。

三、霍金輻射

“霍金輻射”也就是“黑洞輻射”。霍金利用量子力學中的“不確定性原理”提出，黑洞也會發(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)，只要進入某個臨界區(qū)域，就永遠不可能逃出黑洞。

【案例】

黑洞吸引一切的性質(zhì)，跟熱力學第二定律產(chǎn)生了沖突。所有有溫度的物體，都應該發(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)生成對的粒子，其中帶有負能量的粒子會被吸到黑洞里去，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，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，即使是看似毫無一物的虛空，在微觀上也是波瀾起伏的。會不斷地產(chǎn)生成對的粒子和反粒子，再碰撞到一起發(fā)生湮滅。

金句

1. 霍金的一位博士后半開玩笑地評論說，霍金的科普，要比麥當娜談性的書還好賣。

2. “奇點”的出現(xiàn)證明了，廣義相對論也只是一個不完全的理論，因為在宇宙最開始的那一刻它失效了，廣義相對論預言了自身的崩塌。

3. 霍金提出的“無邊界宇宙模型”意味著，宇宙沒有開端，也沒有誕生的時刻，所以也沒有上帝的位置。

4. 黑洞的確會發(fā)射出粒子，但這些粒子，并不是從黑洞里面跑出來的，而是從黑洞邊緣的空虛的空間里，無中生有變出來的。

《宇宙的琴弦》核心內(nèi)容

《宇宙的琴弦》是布賴恩·格林的成名之作，是關于弦理論的最好的科普書籍之一。這本書曾在當年的《紐約時報》暢銷榜上排名第四，還獲得了2000年的英國皇家學會科普圖書獎。根據(jù)本書改編的紀錄片曾三次被美國電視界的最高獎項“艾美獎”提名，并獲得美國廣播電視文化成就獎“皮博迪獎”。

布賴恩·格林，世界頂尖的物理學家，牛津大學物理學博士，哥倫比亞大學數(shù)學和物理學博士。他始終處于弦理論研究的第一線，對弦理論中空間形狀和形態(tài)的研究做出過重要貢獻。

布賴恩·格林從現(xiàn)代物理學的兩大支柱理論——量子力學和廣義相對論的沖突說起，介紹了弦理論的誕生背景。隨后對于弦理論的基礎概念、精妙之處、發(fā)展歷史進行了描述，并展望了弦理論的未來。

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一、弦理論誕生于廣義相對論和量子力學之間的沖突

廣義相對論和量子力學是現(xiàn)代物理學的兩大支柱理論，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. 廣義相對論認為,空間是平滑的

廣義相對論認為：物質(zhì)告訴空間如何彎曲，空間告訴物質(zhì)如何運動。在這一圖景中，宇宙就像是一張巨大的膜，是平滑的。

【案例】

像太陽這樣的大質(zhì)量物體，會使空間產(chǎn)生彎曲?？臻g會影響物質(zhì)的運動，彎曲的空間因此改變的地球的運動方式。

2. 量子力學認為，空間在微觀層面是瘋狂漲落的

量子力學中的“不確定性”原理認為：如果我們把觀察范圍縮小，那即使是在看似一片虛無的空間里，也存在著大量的活動。宇宙在微觀尺度上是一個混沌、瘋狂的世界。

【案例】

“不確定性”原理認為：粒子的位置和速度、能量和時間，都不可能同時被確定。假如在一個很大的盒子里裝著一個電子，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，但電子的行動軌跡會越來越難以預料，速度也會變得越來越不確定。

二、弦理論認為物質(zhì)的基本構成元素是“弦”

主流的“標準模型理論”認為：物質(zhì)是由各種點一樣的粒子構成的。但弦理論認為，物質(zhì)的基本構成元素是一根根震動的“弦”，并由此解決了相對論和量子力學之間的沖突。

1. 物質(zhì)是由振動的“弦”組成的

弦理論認為，如果我們把基本粒子放大，會發(fā)現(xiàn)它們是由一個個小環(huán)構成的。每個粒子都像是一根無限細的、一維的橡皮筋?！跋摇钡牟煌饎臃绞疆a(chǎn)生了不同的粒子。

【案例】

我們可以把弦理論中的“弦”想象成樂器的弦：通過不同的彈奏力度，可以讓同樣的弦產(chǎn)生不同的振動，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模式，所以可以產(chǎn)生不同的粒子。比如說，如果弦的振幅大，波長小，那產(chǎn)生粒子攜帶的能量就高。

2. 弦理論解決了量子力學和廣義相對論之間的沖突

量子力學和廣義相對論的沖突，只有在普朗克尺度下才會展現(xiàn)出來。而在弦理論中，空間并不是可以無限切割的：由于物質(zhì)的基本構成元素是弦，而弦的平均長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)生的事是無法影響到任何事物的。也就是說，量子力學和廣義相對論的沖突在弦理論中其實是不存在的。

【案例】

如果用手去摸一塊精心加工過的花崗石，你會感覺它特別光滑順手。但如果用放大鏡或者顯微鏡來觀察它的表面，就會發(fā)現(xiàn)花崗石的表面有許多顆粒，只是這些顆粒太小，手根本感覺不到。

在這個例子中，花崗石表面的小顆粒已經(jīng)超出了手的感知范圍，對于手來說它是沒有意義的。同樣的道理，如果我們把手換成弦的話，那就意味著，如果一個東西比弦還小，對弦都產(chǎn)生不了影響，那它對于我們來說，也是沒有意義的。

三、弦理論推翻了許多對于宇宙的傳統(tǒng)的認知

科學家通過數(shù)學推導發(fā)現(xiàn)，弦理論中的宇宙應該是11維的。利用弦理論，科學家們還在黑洞和基本粒子之間建立了無懈可擊的聯(lián)系。

1. 弦理論中的宇宙是11維的

科學家通過數(shù)學推導發(fā)現(xiàn)，弦理論中的宇宙應該有10個空間維度和1個時間維度，一共11維。10個空間維中，有3個維度是展開的，也就是我們所感受到的三維世界，而其余的7個維度是蜷曲起來的，目前還觀測不到。當然，這一理論目前還不成熟。

【案例】

如果我們離得遠一點觀察一根水管，會認為這根水管是一維的，螞蟻只能進行一維運動。但如果我們湊近了看，就會發(fā)現(xiàn)水管還是有粗細的，螞蟻不光可以順著水管的方向爬，它也可以在水管上轉圈爬。轉圈的那個方向，也是一個維度。我們的宇宙就像這根水管，有些維度是展開的，有些維度是蜷曲的。

2. 黑洞和基本粒子之間存在著聯(lián)系

任何兩個黑洞如果有相同的質(zhì)量、力荷和自轉，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)完成了這一構想。但目前這一理論也尚未成熟。

金句

1. 物理學家恵勒曾經(jīng)用一句非常簡潔的話，概括了廣義相對論的核心內(nèi)容：“物質(zhì)告訴空間如何彎曲，空間告訴物質(zhì)如何運動。”

2. 一個粒子的位置和速度，不可能同時被確定。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. 廣義相對論關注的是宏觀的問題，量子力學關注的是微觀的問題，一般情況下它們是相安無事的。但如果我們在一個很小很小的尺度上來進行計算，這兩套理論就會發(fā)生沖突。

4. 弦理論認為，我們的宇宙不是由點狀的粒子組成的，而是由一根根振動的弦構成的。弦的不同振動模式，就產(chǎn)生了不同的粒子。

5. 在標準模型理論中，空間是可以無限分割的。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》核心內(nèi)容

《引力波》介紹了 LIGO 項目半個世紀以來的發(fā)展史，由于掌握了大量的一手資料，因此被稱為“最權威”“最受 LIGO 項目官方認可”的引力波著作?？破兆骷艺淠取とR文，哥倫比亞大學物理學和天文學教授，采訪了諸多一線人員，記錄了 LIGO 項目所面對的種種內(nèi)外部風險，包括如何從外部爭取資金，內(nèi)部的管理困境和領導人員之間的人性沖突等種種“八卦”，展現(xiàn)了人類在探索世界的過程中所付出的種種努力。

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一、探測引力波的科學價值和難度

探測引力波具有理論和實用上的雙重科學價值，但由于引力波極其微弱，因此對測量精度的要求極高。

1. 引力波的科學價值

愛因斯坦曾在廣義相對論中預言過引力波的存在，但由于引力波過于微弱，因此一直未能被探測到。如果能捕捉到引力波，就相當于找到了“廣義相對論缺失的最后一塊拼圖”。

2. 探測引力波對精度的要求極高

兩個黑洞碰撞所產(chǎn)生的引力波，只會讓兩根干涉臂的長度產(chǎn)生十萬億分之一的變化。相當于要在地球周長1000億倍的范圍內(nèi)，測量出比頭發(fā)絲直徑還要小的變化，且測量時間不到一秒鐘。

【案例】

為了達到高精度要求，就必須排除干擾。LIGO 兩根長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 項目艱難的資金爭取過程

LIGO 項目在一開始并不被看好，且耗資很高。在運氣和多位領導者的不懈努力之下，才最終爭取到了足夠的資金。

1. 從美國國家科學基金會爭取資金

探測引力波的先驅(qū)之一雷納·韋斯在軍方停止支持后，在很長一段時間內(nèi)都未能獲得任何資金。在彈盡糧絕之時，雷納跑到華盛頓，找到了國家科學基金會萬有引力項目的負責人艾薩克森，才終于要到了錢。如果沒有艾薩克森，LIGO 項目可能早就胎死腹中了。

【案例】

艾薩克森之所以會支持引力波探測項目，也有很大的運氣成分：一是因為，艾薩克森自己就是研究引力波的，因此對該項目很感興趣；另一方面，他也想憑借該項目，提升國家科學基金會的聲譽。

2. 說服國會同意撥款

1989年，LIGO 項目組想要申請2億美元的資金支持，但這筆撥款必須得到國會的同意。當時無論是國會議員還是科學家，都對 LIGO 項目的前景不甚看好，因此不同意撥款。此后沃格特帶著說客助手跑到華盛頓展開游說，在經(jīng)歷了兩年努力之后，國會才終于批準了這筆資金。

【案例】

一位來自利文斯頓的參議員答應給沃格特20分鐘的時間來談自己的項目，沃格特使出渾身解數(shù)，努力讓參議員對宇宙學產(chǎn)生興趣，最后兩人整整交談了兩個小時，爭取到了參議員的支持，為 LIGO 項目在利文斯頓地區(qū)的建設奠定了基礎。

三、LIGO項目組早期的管理問題

LIGO 項目早期由“三巨頭”共同領導，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·德雷弗最終被項目組開除，也失去了獲得諾貝爾獎的機會。

1. “三巨頭”的管理方式降低了團隊效率

羅納德·德雷弗沒有合作意識，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)生了嚴重沖突。兩人湊到一起之后，完全沒法兒推進工作，管理問題因此成了項目組內(nèi)部的最大問題。最終，美國國家基金會指派了沃格特作為領導人，結束了“三巨頭”的管理體制。

【案例】

羅納德·德雷弗認為，項目組不應該急著去建大型機器，而是應該先建中等規(guī)模的機器，再逐漸擴大規(guī)模。但基普和雷納都認為，中等規(guī)模的機器無法探測引力波，應該直接建造大型機器。羅納德不愿意合作，最后還是在美國國家基金會的壓力之下才就范。

2. 沃格特最終將羅納德開除出項目組

沃格特到來之后，極大地改善了團隊的工作效率。但之后不久，他也和羅納德產(chǎn)生了沖突，于是羅納德成了項目組中最不受歡迎的人。后期沃格特對羅納德采取了一些不近人情的手段，并最終將德雷弗開除出了項目組。但這一決定引起了很大的爭議，雷納就認為，羅納德雖然性格有問題，但的確是一位天才，因為沃格特缺乏管理經(jīng)驗，沒能保護好這位天才。

【案例】

沃格特在項目組內(nèi)部采取了“臭鼬工廠”的管理方式，團隊里人人平等，沒有等級制度，沒有官僚機構，科學家們可以盡情地施展自己的才華，進行各種創(chuàng)新，極大地推動了工作效率。

金句

1. 探測引力波這樣的大型科學項目，所要面對的絕不僅僅是科學上的問題，還要面對資源上、管理上、人性上的一系列問題，是一個大型綜合難題。

2. 引力波雖然微弱，但卻可以穿越很長的距離，很難受到干擾。這就意味著，人類可以通過引力波來觀測整個宇宙。

3. 研究人員要在相當于地球周長1000億倍的范圍內(nèi)，測量出比頭發(fā)絲的直徑還要小的變化，而且留給他們的測量時間，還不到一秒鐘。

4. 哪怕是再純粹再有價值的科學研究，也不一定能拿到錢。你要向外界證明你的價值，還要考慮到時代潮流等因素的影響。

5. “臭鼬工廠”類似于今天的很多創(chuàng)業(yè)公司，團隊里人人平等，沒有等級制度和官僚機構。專業(yè)人員可以獲得資金支持，盡情施展自己的才華。

變化

中國獨立學者，科普作家靈遁者4年嘔心力作。用自己獨有的方式，思考了當代物理的熱點。書中沒有復雜的數(shù)學公式，用最淺顯易懂的語言，描述了諸多問題。譬如慣性，引力，狹義相對論，廣義相對論，量子糾纏，時間，物質(zhì)等問題。是一本極具啟發(fā)力和創(chuàng)造力的科普書籍。

《變化》為宇宙物理科普基礎讀物，內(nèi)容豐富、敘述生動、插圖精彩。更關鍵的是該書在現(xiàn)有物理基礎上，有非常大的啟發(fā)性拓展。對于最基本的問題，引力，慣性，相對論，光速，時空都有獨到的看法。適合具有初中，高中，理工科大學初年級文化程度的讀者閱讀。這本書把讀者引入千奇百怪、絢麗多彩的'宇宙物理'。書中沒有繁瑣的數(shù)學描述，

以當代物理前沿理論為基礎，進行了具有啟發(fā)性的探索。是一本通俗易懂，暢快淋漓的科普書籍，吸引了無數(shù)普通讀者，為他們了一扇思想之門。該書在靈遁者淘寶有售。

金句

17、人一定要站在可以想象的地方說事。對于不可想象之事，請沉默?！`遁者《變化》

18、人類一定要相信，最偉大的人還沒有出現(xiàn)?！`遁者《變化》

19、人類從來不是以一個人來衡量自己的，是以一群人來衡量的?！`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、緣分本來就包含在所有相遇的邏輯之中。你打開了這本書，我們就相遇了?！`遁者《變化》

28、而關于質(zhì)量的產(chǎn)生，必須回歸量子力學的相關理論。也就是說用希格斯場，希格斯機制來實現(xiàn)。所以整個理論體系，一定是一個圓圈。大統(tǒng)一理論的構想，是沒有錯的。數(shù)學家精于計算，但不一定也這樣考慮問題。所以我必須說出自己的思考，來告訴人們，簡單的物理現(xiàn)象中【慣性現(xiàn)象】，蘊含著直達宇宙真理的秘密?！`遁者《變化》

29、我在寫完此文的時候，總覺得這里面很多東西應該好好展開來說。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。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、一個人畢竟是一個人。但人類的悲壯，人類的輝煌，人類的未來，就是由這一個個人組成的?！`遁者《變化》

31、任何過程要考慮時間，考慮時間就要涉及速度。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，沒有理論基礎，也沒有實質(zhì)想象的實驗，包括量子糾纏也不算?！`遁者《變化》

本文內(nèi)容，摘錄自書與我與你公眾號，有補增。