宇宙的魅力

物理學(xué)著作對于大多數(shù)非專業(yè)人士來說，都是晦澀難懂的。上一本最暢銷的物理學(xué)書籍應(yīng)該是霍金的《時間簡史》了。大一的時候我曾去圖書館借來一讀，確實能領(lǐng)略到物理學(xué)的風(fēng)采，但是對其中所談之內(nèi)容仍舊一知半解。而今天推薦的這本《七堂極簡物理課》比那本更好讀，語言更平順，更樸實，至少讓我們這些普通大眾讀起來沒有絲毫障礙。

這本書短小精悍，用不到兩百頁的篇幅，給我們描述了21世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展之路，闡述了重要理論的核心思想。如果你想對物理學(xué)有一個宏觀的，初步的認(rèn)識，那她將會是你的不二首選。

1.最美的理論

牛頓的萬有引力學(xué)說奠定了現(xiàn)代物理的基礎(chǔ)。他試圖解釋物體下落和行星運轉(zhuǎn)的原因。假設(shè)萬物之間存在一種相互吸引的力量，也就是引力。牛頓想象物體是在空間中運動的，空間是一個巨大的空容器，而空間是由什么做成的，他并不知道。

之后，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁場的存在，這是一種無處不在的真實存在，布滿整個空間，可振動，可波動，像起伏的湖面一樣，還可以將電力四處傳播。進(jìn)而，愛因斯坦提出了引力場不彌漫于空間，因為它本身就是空間，這就是著名的廣義相對論。

愛因斯坦認(rèn)為牛頓所提出的空間和引力場是同一個東西。空間不再是一種有別于物質(zhì)的東西，而是構(gòu)成世界的物質(zhì)成分之一，一種可以波動、彎曲和變形的實體。空間只要在有物質(zhì)的地方就會發(fā)生彎曲，當(dāng)然時間也可以彎曲。最簡單的例子就是，高山上的時間過得比低洼處的時間要快。

空間彎曲的一個最大的例子就是黑洞。當(dāng)一個恒星燃燒完自己所有的燃料時，它就會熄滅。殘留的部分由于沒有燃燒產(chǎn)生熱量的支撐，會因為自身的重量而坍塌，導(dǎo)致空間強烈彎曲，最終塌陷成一個真正的洞，也就是“黑洞”。

2.量子

現(xiàn)代物理學(xué)理論主要分為廣義相對論和量子力學(xué)兩大理論。廣義相對論是有關(guān)引力、空間和時間的簡潔而又統(tǒng)一的觀點；而量子力學(xué)是關(guān)于粒子之間的相互作用理論。一個適用于宏觀領(lǐng)域，一個適用于微觀世界，兩種理論時常發(fā)生沖突，卻又在各自的領(lǐng)域里得到完美的運用。

普朗克發(fā)現(xiàn)電磁場的能量都分布在一個個的量子上。也就是說能量是一包一包或者一塊一塊存在的。原子核內(nèi)電子的能量和光能一樣，只能是特定值，而更重要的是，電子只有在特定能量下才能從一個原子軌道“跳躍”到另一個原子軌道上，并同時釋放或吸收一個光子。這就是所謂的“量子躍遷”。

量子理論方程的建立不僅奠定了物理學(xué)微觀世界運行機制的基礎(chǔ)，還為化學(xué)學(xué)科作出了極大的貢獻(xiàn)。我們可以看到化學(xué)元素周期表中的每一種元素都是量子力學(xué)最主要方程的一個解。整個化學(xué)學(xué)科都建立在量子理論的基礎(chǔ)之上。

電子并非一直存在，只在有人看到它們，或更確切地說，只有和其他東西相互作用時，才會存在。當(dāng)它們與其他東西相互碰撞時，就會以一個可計算的概率在某個地方出現(xiàn)?！傲孔榆S遷”就是一個電子在相互作用下的一連串的跳躍。在量子力學(xué)里，沒有一樣?xùn)|西擁有確定位置，除非撞上別的東西。

3.宇宙的構(gòu)造

人們對宇宙的認(rèn)識從“天圓地方”慢慢演化到地球是一個球體，又從地心說演化到日心說，繼而發(fā)現(xiàn)太陽系只是眾多星系中的一個，他們都屬于銀河系。而銀河系又是宇宙中不起眼的一粒。空間不是一馬平川，而是彎曲的，宇宙布滿了星系，它的紋理像海浪一樣起伏，激烈處還會發(fā)生黑洞空間。宇宙誕生的時候就像一個小球，大爆炸后一直膨脹到它現(xiàn)在的樣子。大爆炸之前是什么？我們不知道。

4.粒子

整個世界是由很多的粒子構(gòu)成的。這些基本粒子有電子、夸克、光子和膠子，此外還有中微子等不常為人知的粒子。量子力學(xué)描述了這些粒子的性質(zhì)和運動方式。他們都和量子一樣，沒有絕對的位置，用它來表述這個世界，那這個世界就是物體連續(xù)的、永不停歇的涌動，是稍縱即逝的實體，不斷地出現(xiàn)和消失，是一系列的振蕩，就好像一個由事件而非物體構(gòu)成的世界。

為了描述微觀世界，物理學(xué)家提出了許多不同的模型，最為杰出的就是標(biāo)準(zhǔn)模型。這個模型完美地貼合了這個世界的許多現(xiàn)象，但是也有它解釋不了的東西。比如說暗物質(zhì)，這個東西不能被標(biāo)準(zhǔn)模型所看到，不能被標(biāo)準(zhǔn)模型所描述，所以這一團(tuán)云物質(zhì)里面到底是什么？里面又有怎樣的運行機制？我們不得而知，而它被我們稱之為“黑洞”。

5.空間的顆粒

上述我們提到了廣義相對論和量子力學(xué)這兩種不同的理論，甚至在很多方面他們都是截然相反的理論，卻共同存在于一個世界里，相安無事。它們之中有誰是錯的嗎？廣義相對論因為愛因斯坦的緣故遠(yuǎn)比量子力學(xué)要出名的多。廣義相對論在宏觀世界里，完美地揭示了物理運動，時間和空間的存在。而量子力學(xué)在近幾十年里的作用更大，沒有量子力學(xué)就不會有二極管的出現(xiàn)，更不會有現(xiàn)如今這樣一個世界。

兩個理論都可以解釋各自不同領(lǐng)域內(nèi)的運行機制，可是世界只有一個，有沒有一個大統(tǒng)一的理論能夠完美的適用這一個統(tǒng)一的世界呢？現(xiàn)在物理學(xué)家將兩種理論的結(jié)合稱為量子引力，其中目前最有成效的理論是圈量子引力，它遵從了兩個理論的假設(shè)，認(rèn)為空間是不連續(xù)的，不可被無窮分隔，而是由細(xì)小的顆粒，或者說“空間原子”構(gòu)成。

空間就是一個個引力量子相互勾連而成，世界又一次顯得更接近關(guān)系的集合，而非物質(zhì)的集合。而且在這個集合里不再包含“時間”這個變量。并不是說一切都是恒定不變的。相反，它說明變化是普遍存在的，但我們不再能把這個基本過程形容為“一個瞬間接著另一個瞬間”。時間的流逝發(fā)生在世界之內(nèi)，從構(gòu)成世界的量子事件之間的相互關(guān)系中產(chǎn)生，這些量子事件本身就是時間的源頭。

黑洞是由一個恒星坍塌成一個普朗克恒星，普朗克恒星的密度非常之大。假如太陽的燃料消耗殆盡，它就會坍塌成一個直徑為1.5千米的普朗克恒星，直到量子之間產(chǎn)生與之相抗衡的力。然后普朗格恒星會迅速回彈，也就是所謂的大爆炸，這個回彈速度在恒星表面來看只是一瞬間的事情，但是由于時間的彎曲，它被以一個極其緩慢的速度在我們面前播放。

6.黑洞的熱

起初，物理學(xué)家認(rèn)為熱是因為熱質(zhì)的存在。而現(xiàn)在物理學(xué)發(fā)現(xiàn)，一個熱的物體并不包含熱質(zhì)，一個物體很熱，是因為物體內(nèi)部的原子運動速度很快。而且熱量總是從熱的一方傳到冷的一方，熱量的存在也使得過去和未來有了區(qū)別。

可為什么熱量總是從熱的一方傳到另一方呢？原因竟然是因為這樣的概率更大一些。因為熱的物體內(nèi)部原子的運行速度更快，更容易撞上別的原子。當(dāng)兩個原子相撞，能量又趨向于平均化，因此熱量往往從熱的一方傳到另一方。而黑洞總是熱的，振動的“分子”加熱了黑洞表面，使黑洞放熱。

7.我們

以往我們都認(rèn)為，我們是宇宙里唯一可以思考的生物，我們是獨一無二的?？墒聦嵶C明，我們只是大千世界里很小的一部分，我們和別的生物，甚至物質(zhì)相比，沒有什么獨特的地方。我們一直以為我們今天登上這個世界舞臺，是因為自然的寵幸。可回首歷史，我們會發(fā)現(xiàn)，這一切不過只是巧合。

我們的同類所存活的時間都極其的短暫，我們也并不比他們幸運多少，因為我們所存在的時間與他們相比并沒有顯得那么長。更何況我們自己還在不斷的破壞，而這些破壞對于地球來說是不值一提的，在漫長的時間里，它總會恢復(fù)如初。而人類不過一頁孤舟，從未受到過自然的青睞，隨時都有覆滅的可能。

世界萬物都在不斷的相互作用，彼此身上都會留下對方的印記，所有的事物都在不斷地交換信息。從這一點來看，我們真得沒有什么獨特之處！