《现实不似你所见》
- 现实不似你所见，卡洛·罗韦利，湖南科学技术出版社，读完：2020-10，评分：10/10
笔记
引言：岸边漫步
第一部分 源头
柏拉图和亚里士多德很熟悉德谟克利特的观点，并且表示反对。他们秉持着其他观点，其中有些给后世知识的增长带来了很多阻碍。他们坚决排斥德谟克利特的自然主义解释，赞成从目的论的角度来理解世界，相信任何事发生都有其目的。用这种思考方式来理解自然非常具有误导性——亦即以善恶的目的论来思考，这只会把人类事务与自然界的事混为一谈。
空气中有大量的气体分子，有多少从左边撞击微粒，就会有多少从右边撞击它。如果气体分子无穷小并且无穷多，从左边和从右边撞击的作用就会平衡，在每个片刻相互抵消，微粒就不会移动。但分子的大小有限，数量也有限——而非无穷多，从而引起了涨落（这是关键词）：也就是说，撞击永远不会完全抵消，只是大部分抵消了。
我一直认为，德谟克利特的所有作品的失传[插图]，是古典文明土崩瓦解中最惨痛的思想悲剧。在脚注中看一看他的作品清单，再想象一下我们错失了古代如此浩渺的科学思考，很难不感到沮丧。亚里士多德的作品全部保留了下来，西方思想据此重新建立，而非来自德谟克利特。也许，如果德谟克利特所有的作品都能够流传下来，而亚里士多德的作品全都失传了，我们文明的思想史可能会更好……但是一神论主导的几个世纪并不会允许德谟克利特的自然主义幸存
然而有一部作品在劫难中幸存，完整地流传了下来。通过它，我们才对古典原子论有了一点了解，重要的是，我们知晓了那种科学精神。这部作品就是古罗马诗人卢克莱修（Lucretius）的壮丽诗篇：《物性论》（The Nature of Things）
蒙田（Montaigne）的文章至少有一百处引用了卢克莱修，而卢克莱修的直接影响延伸至牛顿、道尔顿、斯宾诺莎、达尔文，一直到爱因斯坦。液体中微小粒子的布朗运动揭示了原子的存在，爱因斯坦的这一想法或许可以追溯到卢克莱修
2．经典
牛顿明白，他的方程无法描述自然界中存在的所有力，除了引力，还有其他力作用在物体上。物体并不是只有在自由下落时才运动。
第一件意想不到的事是，我们可见的所有现象，都由万有引力以外的另一种力支配：今天我们称之为电磁力。是这种力使物质聚集在一起，形成固体；是这种力使分子中的原子结合在一起，使原子中的电子结合，使化学物质和生命体可以运转；是这种力使我们大脑中的神经元运转，主宰我们接收外界信息的过程，以及我们的思维方式；是这种力创造了阻碍滑动物体运动的摩擦力，给跳伞运动员落地时以缓冲；是这种力制造了电动机和内燃机[插图]，使我们可以打开电灯，听收音机。第二件事是最令人意想不到的，并且对我正在讲的故事来说至关重要。那就是，要理解这种力需要对牛顿的世界进行重要的修正：现代物理学由此诞生。要理解本书的余下内容，需要关注的最重要的概念就是场的概念。
第二部分 革命的开端
在新的力学中，“能量”与“质量”合二为一，如同时间与空间合二为一，电场与磁场合二为一。在1905年以前，有两个看似确定无疑的普遍定律：质量守恒定律与能量守恒定律。第一个定律已经被化学家广泛证实了：质量在化学反应中不发生改变。第二个——能量守恒定律——直接由牛顿方程推导出来，被认为是最没有争议的定律之一。但爱因斯坦意识到能量与质量是同一实体的两面，就如电场和磁场是同一种场的两个面向，空间和时间是同一事物即时空的两个面向。这表明，质量本身并不守恒；能量——按照当时理解的那样——也不守恒。一种可以转化为另一种，只存在一个守恒定律，而非两个。守恒的是质量与能量的总和，而非其中任意一个。一定存在某个过程，可以把能量转化为质量，或把质量转化为能量。爱因斯坦快速计算出了通过转化一克物质可以得到多少能量，结果就是著名的公式E=mc2
[插图]图3.5 世界由什么构成？
为何是他呢？因为爱因斯坦具备一种独特的能力，他可以想象世界是如何构造的，在头脑里“看见”它，然后方程随之而来；方程是落实他对实在的洞见的语言。对爱因斯坦而言，广义相对论并不是一堆方程，它是被艰难转述为方程的关于世界的精神图景。
但爱因斯坦找到了第三条路：宇宙可以是有限的，与此同时没有边界。这是如何办到的呢？就如地球表面，它不是无限的，但也没有边界。只要东西可以弯曲，这就会很自然地出现：地球表面就是弯曲的。在广义相对论中，三维空间当然也可以弯曲，因而我们的宇宙可以有限但无界。
4．量子
玻尔假设电子只能在离原子核特定的距离处存在，也就是只能在特定的轨道上，其尺度由普朗克常数h决定。电子可以在能量允许的情况下从一个轨道“跳跃”到另一个轨道，这就是著名的“量子跃迁”。电子在这些轨道运动的频率决定了发出的光的频率。由于电子只能处于特定的轨道，因此只能发射特定频率的光。
这就是量子力学的第二块基石，其最难理解的要点是事物之间相关性的那一面。电子不是始终存在，而是在发生相互作用时才存在，它们在与其他东西碰撞时才突然出现。从一个轨道到另一个轨道的量子跃迁实际上是它们真实的存在方式：电子就是从一个相互作用到另一个相互作用跃迁的集合。当没有东西扰动它时，电子不存在于任何地方。
[插图]图4.6 世界由什么构成？
量子力学的第一个含义就是，系统内部能够存在的信息有一个上限：系统所处的可区分状态的数量是有限的。无穷是有限的，是理论的第一个重要方面，这正是德谟克利特窥见的自然的分立性。普朗克常量h衡量了这一分立性的基本尺度。
世界是一系列分立的量子事件，这些事件是不连续的、分立的、独立的；它们是物理系统之间的相互作用。电子、一个场的量子或者光子，并不会在空间中遵循某一轨迹，而是在与其他东西碰撞时出现在特定的位置和时间。它会在何时何地出现呢？我们无法确切地知道。量子力学把不确定性引入了世界的核心。未来真的无法预测。这就是量子力学带来的第二个重要经验。由于这种不确定性，在量子力学所描述的世界中，事物始终都在随机变化。所有变量都在持续“起伏”，因为在最小的尺度上，一切都在不停振动。
在量子力学描述的世界中，实在只存在于物理系统之间的关联之中。并不是事物进入关联，而是关联是“事物”的基础。量子力学的世界不是物体的世界，它是事件的世界。
总结一下，量子力学发现了世界的三个特征：● 分立性。系统状态的信息是有限的，由普朗克常数限定。● 不确定性。未来并非完全由过去决定。我们所见的严格的规律性最终是统计学上的。● 关联性。自然的事件永远是相互作用。系统的全部事件都相对于另一系统而出现。量子力学教会我们，不要以处在某一状态的“物体”的角度来思考世界，而应该从“过程”的角度来思考。过程就是从一次相互作用到另一次相互作用的历程。物体的属性只有在相互作用的瞬间才以分立的方式呈现，也就是只在这些过程的边缘，只在与其他物体发生关联时才出现。无法对其做出完全确定的预测，只能进行概率性的预测。
第三部分 量子空间与关联的时间
这些量子场组成了原子、光以及宇宙的全部内容。它们是非常奇特的物体，其量子是粒子，与其他物质相互作用时才出现；没有相互作用时，它们展开成一片“概率云”。世界就是一群基本事件，沉入广阔动态空间的海洋之中，如海水般起伏。
当把量子力学与广义相对论结合在一起时，我们会发现空间的分割是有极限的。在某一特定尺度以下，没有东西能够进入。更准确地说，那里什么都不存在。
6．空间的量子
体积谱是离散的。也就是说，体积只能由“离散的小包”组成。这与电磁场的能量有些相似，电磁场也是由离散的光子构成的。
面积与体积一样，也是个物理量，有自己的谱，可以用狄拉克方程进行计算。注1面积不是连续的，它是分立的。任意小的面积是不存在的。
7．时间不存在
[插图]图7.8 世界由什么构成？只有一种要素：协变量子场。
有些场本身就能存在，无须时空作为基础和支撑，可以自行产生时空，这些场被称作“协变量子场”。这些年间构成世界的物质已经被极度简化。世界、粒子、光、能量、空间和时间，所有这些都只不过是一种实体——协变量子场的表现形式。
我们所付出的概念上的代价是不再能将空间和时间当作构造世界的一般结构。空间和时间是在大尺度上出现的近似。康德断言，知识的主体与客体是不可分的，他在这点上也许是正确的，但他把牛顿的空间和时间看作知识的先验形式，看成理解世界必不可少的基本原理的一部分，这一点肯定是错误的。
第四部分 超越时空
9．实验上的证据？
10．量子黑洞
11．无穷的终结
表11.1 理论物理学发现的基本极限[插图]
12．信息
最终，一个系统的描述只不过是总结过去所有与之发生的相互作用，并使用它们来预测未来相互作用的影响。量子力学的整个形式结构很大程度上可以表述为两条简单的基本原理：1．任何物理系统中的相关信息是有限的。2．你永远能够得到一个物理系统的新信息。
时间是我们忽略了事物微观物理状态的结果。时间是我们所没有的信息。时间是我们的无知。
德谟克利特给出了一种奇特的“人”的定义：人是我们所知的一切。乍看起来似乎很愚蠢，没有意义，但事实并非如此。研究德谟克利特的重要学者萨洛蒙·卢里亚（Salomon Luria）评论说，德谟克利特留给我们的不是陈词滥调。人的本性不是他的内在结构，而是他置身其中的个人、家庭、社会相互作用的网络。是这些“造就”了我们，保护着我们。作为人类，我们是他人了解的我们，我们了解的自己，以及他人所了解的我们的信息。我们是交互信息的丰富网络中复杂的节点。
13．秘密
于是，科学给出的答案是不可靠的，因为它们是确定的。它们是可靠的，因为它们是不确定的。它们是可靠的，因为它们是已知最好的。它们是我们拥有的最好的答案，因为我们认为它们不是确定的，而是存在改进的可能性。正是意识到我们的无知，科学才变得可靠。我们需要的正是可靠性，而非确定性。我们没有绝对的确定性，并且也永远不会有——除非我们接受盲目的信仰。最可信的答案来自科学，因为科学就是对已有的最可信答案的寻求，而不是对自称确定无疑的答案的寻求。