《七堂极简物理课》如果没有发现量子力学，就没有今天的电脑和智能手机
《七堂极简物理课》如果没有发现量子力学，就没有今天的电脑和智能手机
《七堂极简物理课》是一本由意大利物理学家卡洛·罗威利撰写的科普书籍，自2014年在意大利出版以来，迅速在全球范围内掀起科普阅读热潮。这本书以简洁优美的语言，向读者介绍了20世纪以来现代物理学的重要理论发现。
在所有的自然科学当中，最能揭示世界本质的无疑是物理学。英国物理学家欧内斯特·卢瑟福曾经说过这样一句话：“所有的科学不是物理学就是集邮。”这言下之意是，和物理学相比，其他的自然科学都是和集邮一个档次。说出这句话，必然会得罪其他学科的科学家，反应最激烈的是化学家，他们甚至对卢瑟福进行了报复，给他颁发了一个诺贝尔化学奖。
很多人对物理学的了解其实还停留在一百多年前的水平中，学物理课本里讲的那些知识几乎都是二十世纪以前的物理学。实际上，到二十世纪以后，科学家又建造出了全新的物理学大厦。过去的几十年间，出现了不少介绍物理学新大厦的科普书，比如霍金在1988年写的《时间简史》。而在2014年，有一本书再度引发了全球的科普阅读热潮，这就是我要为你介绍的《七堂极简物理课》。2014年，这本书在意大利出版，当年就热销了三十万册，2015年更是长期占据了纽约时报的畅销书排行榜，并且被《卫报》《经济学人》等报刊评为2015年的年度好书。目前，它已经被翻译成了三十多种语言。
这本书的作者是意大利物理学家卡洛·罗威利，他的人生经历相当传奇。在大学期间，罗威利因为参与学生政治活动，被捕入狱。拿到博士学位以后，他又因为拒绝服兵役再度被短暂拘留。不过出狱后没多久，罗威利就和另外两位物理学家一起提出了圈量子引力理论，成为这个研究领域的开创者之一。在这本短短一百页的书中，罗威利利用诗一般简洁优美的语言介绍了二十世纪以来现代物理学的理论发现。
在这七堂课当中，第一堂课最美的理论说的是爱因斯坦提出的广义相对论；第二堂课量子说的是量子力学，这是二十世纪物理学的两大支柱。在后面的几堂课中，提到的宇宙、粒子、黑洞等等，都是这两大理论的引申。下面，我将会为你介绍这两种最基础也是最重要的理论——广义相对论和量子力学。
我们先来说第一种理论——广义相对论。很多人一听到广义相对论的名字就已经被吓跑了。其实，广义相对论换个名字，可以叫做爱因斯坦引力。先来讲讲爱因斯坦引力的历史发展脉络。在17世纪，被苹果砸中的牛顿发现了万有引力，假设世界万物之间存在着一种相互吸引的力量。为了完善他的理论，牛顿又提出了空间的概念，空间是一个巨大容器，能够装下整个宇宙，所有的物体都在其中运动。这些物体的运动状态又会受到彼此间引力的影响，但要是再继续追问引力是怎么产生的呢？这个问题牛顿自己也回答不了。
到了19世纪，英国的两位大物理学家法拉第和麦克斯韦为牛顿的冰冷世界添加了新鲜的内容，这就是所谓的电磁场。电磁场是由运动的带电物体产生的。具体来说，运动的带电物体能够产生随时间变化的电场，接下来，随时间变化的电场会激发磁场，而随时间变化的磁场又会激发电场，两者互为因果，形成了电磁场。电磁场弥漫在空间当中，像起伏的湖面一样上下震动，传递着电磁波。我们在日常生活中非常熟悉的可见光和无线电波都属于电磁波。
到了二十世纪初，爱因斯坦把引力和电磁场这两个概念结合到了一起，提出了引力场的概念。不过，与电磁场不同的是，引力场并不会弥漫在空间当中，因为它就是空间本身。换句话说，在爱因斯坦眼里，牛顿提出的那个承载物体运动的空间和自己提出的那个传递引力的引力场，其实是同一个东西。这样一来，空间就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，是一种可以波动、弯曲、变形的实体。我们不再身处一个看不见的坚硬框架之内，而是深陷在一个巨大能弯曲的柔软物体中。事实上，正是空间的弯曲产生了引力。
这一听起来可能不太好理解，没有关系，让我们一起来做个思想实验。想象有一个非常平坦的大床垫，在上面有一个小玻璃球在滚动。如果没有其他的干扰因素，这个玻璃球会一直沿直线滚下去。而现在把一个巨大的铁球放在床垫上，它马上会把床垫压得凹陷下去。很明显，如果这时小玻璃球恰好从大铁球旁边路过，它的运动轨迹就会发生改变。如果小球的最初速度足够大，它还能逃离这片洼地；如果小球的最初速度比较小，它就会沿着被压弯的床垫滚下去，最后撞上这个大铁球。
现在请发挥一下你的想象力，你觉得这个小玻璃球沿着凹陷床垫滚下去的场景，像不像是小玻璃球受到了大铁球的吸引力？确实，很像，对不对？那好了，现在我们把床垫当成空间本身，把小玻璃球当成地球，把大铁球当成太阳。爱因斯坦证明，太阳的存在会造成空间本身的弯曲。空间弯曲对周围物体的影响，就等价于把这些物体拉向太阳的引力。换句话说，引力是怎么来的？其实就是有质量的物体把它周围的空间给压弯了，而弯曲的空间又对物体产生了引力的效果。空间弯曲就是引力之源，这就是爱因斯坦引力或者说广义相对论最为核心的思想。
广义相对论向人们展示了一连串神奇的预言。在这本书中，总共提到了其中的四个。广义相对论提到的第一个预言是时空弯曲。由于太阳的巨大质量使空间发生了弯曲，这个弯曲不仅会让太阳系的众多天体都绕着它转，从它旁边路过的光线也发生偏折。1919年，英国天文学家艾丁顿率领着两支科考队前往非洲和南美观测日全食。他们真的发现了光线发生了偏折，并且是按照广义相对论预言的方式，这个发现让广义相对论名动天下。
不仅仅是空间，就连时间也会受到太阳巨大质量的影响。广义相对论预言，在离太阳比较近的地方，时间过得比较快；而在离太阳比较远的地方，时间会过得比较慢。这个预言也在上世纪60年代被哈佛大学的引力波实验验证。广义相对论的第二个预言是黑洞。当一个大质量的恒星燃烧完自己所有的燃料之后，会发生一场大爆炸，把外层的物质抛射到太空。残留的部分不再有燃烧产生的热量支撑，会在自身引力的作用下发生坍塌，导致空间发生非常强烈的弯曲，最终变成一个真正的洞。它就像一个可怕的怪物，潜伏在宇宙之中，要离得太近，就连跑得最快的光也无法逃离它的魔掌。因为它周围的光无法逃逸，我们就看不见它，所以美国物理学家约翰·惠勒就把这种恐怖的天体称之为黑洞。
虽然无法直接看见黑洞，但科学家可以通过黑洞的引力效应来探测黑洞的存在。目前，天文学家普遍相信黑洞在宇宙中可谓是多如牛毛，就连我们银河系的正中心都有一个巨大的黑洞，质量能够达到太阳的四百万倍。
广义相对论的第三个预言是宇宙膨胀。利用广义相对论，物理学家亚历山大·弗里德曼和乔治·勒梅特发现空间不可能一直保持静止。1929年，美国天文学家哈勃发现了宇宙确确实实处于膨胀的状态。既然宇宙现在正在膨胀，那么反推回去，它过去就一定处在一个很小的空间区域。换句话说，宇宙的膨胀是由过去的一次大爆炸引发的，这就是著名的宇宙大爆炸理论。宇宙大爆炸会留下一个遗迹，那就是古老光子，也就是所谓的宇宙微波背景。1964年，两个贝尔实验室的工程师彭奇亚斯和威尔逊证实了宇宙微波背景的存在，进而证明了宇宙大爆炸理论的正确，他们也因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。
广义相对论的第四个预言是引力波，这是爱因斯坦本人在1916年提出的。他提出来空间本身可以像一个海平面一样上下起伏，形成一圈圈涟漪，这个空间的涟漪就是所谓的引力波。当引力波传来的时候，小到一把尺子，大到整个地球都会发生周期性的伸缩。但引力波非常难测，因为它让物体伸缩的幅度特别小。如果你的尺子长达十万光年，相当于我们银河系的直径，那么引力波大概只能让你的尺子变动一米。但可喜的是，在2015年9月14号，人类利用著名的激光干涉引力波天文台首次直接探测到了引力波的存在。由于这一重大发现，仅仅等了短短一年半的时间，美国物理学家雷纳·维斯基普·索恩和巴里·巴里什就获得了2017年度诺贝尔物理学奖。
在100年以后，广义相对论的预言都得到了实验的证实，因此物理学家就把广义相对论称之为世界上最美的理论。这个最美的理论引导我们探索身处的宇宙，也切实改变着我们的生活。咱们的日常生活已经离不开的GPS定位系统，就是利用了相对论原理的修正效应。
接下来，我们说说第二种理论——量子力学。与爱因斯坦单枪匹马的完成广义相对论不同，量子力学是好几代物理学家智慧的结晶。那么，什么是量子力学呢？我做个类比，你就比较清楚了。
我们日常生活的世界叫宏观世界，这个宏观世界中有着数不清的事物，但它们全都遵循同一个运动规律，那就是牛顿力学。除了宏观世界之外，还有一个小到肉眼根本看不见的世界，叫做微观世界。微观世界里也有很多事物，例如分子、原子和一些更小的粒子。它们是组成宏观世界物体的基本单元。这些微观粒子遵循的运动规律称之为量子力学。换句话说，量子力学就是微观世界当中的牛顿力学。
在《七堂极简物理课》这本书中，罗威利介绍了量子力学发展史上的四个重要阶段。第一个阶段，普朗克发现了光的能量并不连续。公认的量子力学之父是德国大物理学家普朗克。发热的物体可以向外辐射电磁波，我们熟悉的可见光其实就是电磁波的一种。1900年，普朗克研究了一个发热的黑匣子所辐射的光。为了计算这些光的能量随频率的分布，普朗克做了一个非常大胆的假设：光的能量其实分布在一个个量子上。换句话说，光的能量并不连续，而是由一大堆叫量子的砖块构成的。这个假设与当时人们的认知完全背道而驰，但用这个假设计算光的能量分布，计算结果和实际测量结果完全一致。普朗克本人也搞不清楚，这到底是为什么。
第二个阶段，爱因斯坦指出光是由光粒子构成的。在普朗克提出假设的五年之后，也就是1905年，爱因斯坦解答了普朗克的疑问。因此，我们说爱因斯坦是量子力学的养父。当时，爱因斯坦研究的是光电效应。光电效应是德国物理学家赫兹在1887年发现的一个现象：用光照射金属就可以从金属内部打出电子。这很正常，因为光可以把自身能量传递给电子，使它获得足够的能量，从而逃脱金属原子对它的束缚。但奇怪的是，这种现象依赖于光的频率：用高于一定频率的光，只要一照，就可以从金属中打出电子；而低于这个频率的光，无论照多长时间都无法把电子打出来。为什么会有这么奇怪的现象呢？
爱因斯坦认为，这是因为光本身就是由一个个叫光子的微粒组成，光子的能量取决于光的频率，频率越高，光子的能量就越大。如果一个光子的能量比较大，那么它传递给电子的能量也就比较大。只要这个能量大到足以挣脱金属原子的束缚，电子就会立刻从金属里跑出来。但如果光子的能量比较小，那么它传递给电子的能量也比较小。要是这个能量一直小于逃出去所需要的最低能量，电子就一直会被束缚在金属内部。其实，这有点像高考招生：你要是能够达到北大清华的录取分数线，北大清华立刻就会招你；但是你要是一直达不到北大清华的录取分数线，即使一次次的考到天荒地老，北大清华也没法要你。
就像天下所有的孩子一样，量子力学长大之后就走上了自己的道路。无论是他的生父普朗克，还是他的养父爱因斯坦，后来都无法再左右这个孩子了。量子力学发展到了第三个阶段，波尔发现原子核里面电子的能量和光能一样，不只是光子，其他微观粒子同样也是量子化的。
波尔从理论上研究了最简单的原子——氢原子的内部结构，并且提出了一个理论模型，这个模型和氢原子光谱观测数据高度吻合。在这个模型当中，一个电子在绕着一个氢原子核旋转，就像地球在绕着太阳旋转一样。更关键的是，电子的轨道是量子化的。换句话说，电子只能在一些特定的轨道上运动，而且这些轨道是分立的。你可以把电子想象成参加短跑比赛的运动员，把电子轨道想象成体育场里的比赛跑道。就像运动员只能在特定的跑道上跑步一样，电子也只能在特定的轨道上进行运动。
需要说明的是，不同的轨道有不同的能量。离原子核越近的轨道能量就越低，离原子核越远的轨道能量越高。我们不妨用现实生活中的一个例子来作为类比：要想把火箭送上太空，离地球越远的轨道发射时要消耗的火箭燃料就越多。换句话说，轨道离地球越远，火箭的能量也就越大。电子能从一个轨道跳到另一个轨道，同时释放或者吸收一个特定频率的光子。这个过程就是所谓的量子跃迁。
现在我们已经知道了，所有微观世界中的粒子，包括原子核、电子和光子，全都是量子的，而且它们全都不满足牛顿力学的规律。那么，它们到底满足什么规律呢？在第四个阶段，海森堡给出了答案。海森堡提出了不确定性原理，这个理论让人晕头转向。他认为电子根本没有确定的运动轨道，甚至没有确定的位置。真实的电子其实弥散在原子核周围的空间当中，只有撞上了什么东西才会现身。
听起来相当的匪夷所思吧？我们来做个类比：日本有一部非常有名的漫画，叫做《火影忍者》。漫画男主角是一个叫鸣人的忍者，他最喜欢用的忍术是影分身之术。一旦使用了影分身之术，鸣人就可以变出一大堆的分身，并把自己体内的查克拉平均分配给每一个分身。换句话说，鸣人可以同时出现在很多地方，而且在每一个地方的存在都是真实的。此外，把每一个分身所拥有的查克拉加在一起，就等于他在用影分身之术之前所拥有的总查克拉。像电子这样的微观粒子同样也会用这个人术，它也可以变出一大堆的分身，并且把自己在某处存在的概率分配给这些分身。因此，电子也能同时出现在很多地方，而且在每个地方的存在都是真实的。此外，把电子每一个分身存在的概率加在一起，就等于百分之百。
微观粒子并没有确定的位置，而会用分身术让自己弥散在空间当中。这就是海森堡发现的不确定性原理。不确定性原理是量子力学最核心的思想，正是在他的指引下，人们在上世纪20年代写出了量子力学的核心方程，从而找到了微观世界中种种现象的内在规律。这是人类科学史上最伟大的成就之一。举一个量子力学拥有强大威力的例子。
我们应该都知道门捷列夫的元素周期表，就是很多中学墙上都挂着的那个。门捷列夫把世界上可能出现的所有元素都列入了一张表格，并且发现它们存在一个周期性的规律。那么，为什么这些元素会呈现出这些规律特征呢？答案就是每一种元素都是量子力学核心方程的一个解。整个化学学科在本质上都基于这个方程，量子力学也深刻地改变了整个世界的面貌。科学家利用量子力学发明出晶体管，正是有了晶体管，著名的仙童半导体公司才制造出了集成电路，最终制造出每一台电脑和智能手机中最为核心的元件，也就是微处理器。咱们熟悉的CPU，要是没有发现量子力学，我们今天就会生活在一个没有电脑和智能手机的世界里。
说到这里，我们已经讲述了二十世纪物理学两大支柱——广义相对论和量子力学。广义相对论是爱因斯坦一生当中最重要的理论，他最核心的思想就是引力场就是空间本身，空间弯曲就是引力之源。量子力学是好几代物理学家智慧的结晶，它最核心的思想是海森堡发现的不确定性原理。这个原理说的是微观粒子并没有确定的位置，而会用分身术让自己弥散在空间当中。量子力学深刻地改变了整个世界的面貌。
在这本书的最后一堂课，罗威利跳出了冰冷的物理世界，聊了聊他对人类自身的一些认知。我们曾经认为自己住在宇宙的中心，但事实证明，我们不过是住在银河系的一个偏远的角落。我们也曾经认为自己是万物之灵，但事实证明，我们与周围的所有生物都有共同的祖先。
那么，人类到底特殊在哪里呢？人类简史这本书的作者尤瓦尔·赫拉利认为，人类擅长讲述宗教、公司、金钱之类的虚构故事，从而实现了其他生物根本不可能做到的大规模的社会合作。本书的作者罗威利则认为，人类的特殊之处在于我们特别有好奇心。正是因为有好奇心，人类才会从非洲出发去开拓未知的新世界；也正是因为有好奇心，人类才会去探索世界的奥秘，最终发展出自然科学。
最后让我引述一下罗威利在结尾时说的一个金句：“现在，在人类已知事物的最前沿，我们将要航行于未知的海洋，世界的奥秘与美丽熠熠生辉，让我们目眩神迷。”