[每周一书] 了解世界的样子《七堂极简物理课》

少年时代的爱因斯坦曾度过一年无所事事的时光。很可惜,现在很多青少年的父母经常会忘记这样一个道理:一个没有“浪费”过时间的人终将一事无成。那时候,爱因斯坦因为受不了德国高中的严苛教育而中途辍学,回到了他位于意大利帕维亚的家中。

那个时候正是 20 世纪初,意大利工业革命刚刚开始,他的工程师父亲正在波河平原上建造第一批发电站。而爱因斯坦则在阅读康德的著作,偶尔去旁听帕维亚大学的课程——他听课只是为了好玩,既不注册学籍,也不参加考试。但正是这看似儿戏的行为使他成为真正的科学家。

后来,他去了苏黎世大学读书,开始全身心地投入到物理学的研究中。几年后的 1905 年,他向当时最负盛名的科学期刊《物理学年鉴》投寄了三篇文章,这三篇文章中的任何一篇都足以让他获得诺贝尔奖。其中第一篇指出了原子的存在,第二篇则奠定了量子力学的基础——我在下一课里会细说,而在第三篇中他提出了第一个相对论,也就是我们今天所说的“狭义相对论”。这个理论说明了对每个人来说,时间的流逝速度可以不一样——如果一对双胞胎中的一个人以高速运动,那么两人的年龄将不再相同。

爱因斯坦很快成为著名的科学家,收到了很多大学的聘书。即便是这样,仍然有些事让他心绪不宁——尽管他提出的相对论立刻获得了一片赞誉,但它与我们对引力的了解,也就是自由落体的认知产生了矛盾。他在写一篇总结相对论的论文时发现了这个问题,于是对伟大的物理学之父牛顿那著名的“万有引力”学说提出了质疑:我们能否修正一下这个理论,让它不再与新生的相对论水火不容?

为此他陷入了深思,并花了十年时间来解决这个问题。在这十年里,他疯狂研究,反复尝试,不断犯错,陷入混沌。他发表过错误的论文,有过各种灵光乍现的想法,也曾误入歧途。终于,在 1915 年 11 月,他发表了一篇论文,给出了完整的解答——这是一个全新的引力理论,他称之为“广义相对论”,这是他的杰作。伟大的苏联物理学家列夫·朗道(Lev Landau)称之为“最美的理论”。

世界上有许多感人至深、无与伦比的伟大作品,比如莫扎特的《安魂曲》、荷马的《奥德赛》、西斯廷礼拜堂的穹顶画、莎士比亚的《李尔王》……想要领悟这些作品的妙处,都要经历一个从头学起的过程,但最终获得的回报将是百分之百美的享受。其实,除了美感之外,这些作品还能为我们提供一个观察世界的全新视角。广义相对论,这颗爱因斯坦的明珠,正是这样一件杰作。

我还记得自己对这个理论初有心得时的激动心情。那是大学最后一年的夏天,在卡拉布里亚大区孔多弗里城的一片海滩上,我沐浴在希腊风情的地中海艳阳下。因为没有学校课业的打扰,学生在假期里往往能更专注地学习。我当时正在研读一本书,书页的边缘都被老鼠咬烂了。每当我忍受不了博洛尼亚大学那些无聊的课程时,就会跑回位于翁布里亚山区的家中。我的家不成样子,有点嬉皮风格,我每天晚上都会用这本书堵住那些可怜的小动物的洞口。此刻,我时不时地从书页中抬起头来,看看面前波光粼粼的大海,我仿佛看到了爱因斯坦想象中弯曲的时空。

这简直就像魔法一样:宛如一位朋友在我耳边低声细语,告诉我一个不同凡响却又不为人知的真相,瞬间揭开了遮蔽真实的面纱,展现出一个更简洁、更深刻的秩序。自从得知地球是圆的,像疯狂的陀螺一样旋转之后,我们就认识到事实并非如表面所见。每当我们瞥见事实新的一面时,都会激动不已,这意味着又有一层面纱要被揭开了。

在历史的长河中,我们的知识领域里先后出现过很多次飞跃,但爱因斯坦完成的这次飞跃或许是无与伦比的。这是为什么呢?首先是因为一旦我们掌握了其精髓,这个理论便简洁得惊人。下面我来简要地叙述一下……

注:上文节选自本书章节“第一课 最美的理论”。

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本书书摘:

  • 只有存在热量的时候,过去和未来才有区别。能将过去和未来区分开来的基本现象就是热量总是从热的物体跑到冷的物体上。
  • 一个没有“浪费”过时间的人终将一事无成。
  • 引力场不“弥漫”于空间,因为它本身就是空间。这就是广义相对论的思想。
  • 无论是欣赏艺术,还是领悟科学,我们最终得到的将是美的享受和看待世界的全新视角。
  • 空间在有物质的地方会发生弯曲。
  • 存在的每样东西都是不稳定的,永远都在从一种相互作用跃迁到另一种相互作用。
  • 所以无论是行星绕着太阳转,还是物体下落,都是因为空间发生了弯曲。
  • 当一个大恒星燃烧完自己所有的燃料(氢)时,它就会熄灭。残留的部分因为没有燃烧产生的热量的支撑,会因为自身的重量而坍塌,导致空间强烈弯曲,最终塌陷成一个真真正正的洞。这就是著名的“黑洞”。
  • 每一种元素都是量子力学最主要方程的一个解。整个化学学科都基于这一个方程。
  • 只有当热量发生转移时,才有过去和未来的区别。热量与概率相关,而概率又决定了:我们和周围世界的互动无法追究到微小的细节。

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原作名:Sette Brevi Lezioni di Fisica
作者:[意] 卡洛·罗韦利
译者:文铮 / 陶慧慧
评分:8.3

《七堂极简物理课》是写给那些对现代科学一无所知或知之甚少的朋友们的。这七堂课将带领读者领略 20 世纪物理学革命中最令人着迷的领域,以及这场革命开启的疑问和奥秘。因为科学不仅告诉我们如何更深入地理解这个世界,也会向我们展示未知的世界有多么广阔。

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