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《现实不似你所见》
铛铛铃2025-09-13【科普】1人已围观
简介
今天为你解读的书是《现实不似你所见》，副标题是《量子引力之旅》。
本书的作者是意大利理论物理学家卡洛·罗韦利，他曾经写过全球销量破百万的科普书《七堂极简物理课》，我们喜马讲书就曾经解读过这本书，书中对于相对论和量子力学有过详细的介绍。今天这本《现实不似你所见》，正是他的进阶版，一经出版，就被《物理世界》杂志选为年度十佳图书。
如果说《七堂极简物理课》是一次开启兴趣的观光游，那么这本《现实不似你所见》则是烧脑的深度游。《七堂极简物理课》带我们领略了相对论和量子力学的神奇，但是，它们还远不能够概括宇宙的本来面貌。这本《现实不似你所见》把理论物理学的脑洞开出了一个新的高度，带你去探索一个在相对论和量子力学之上的全新理论，叫做量子引力理论。可以说这是一个毁三观的理论，比如它提出时间根本就不存在，空间是由碎片拼接而成，宇宙的起源不是大爆炸，而是大反弹，一切时间流逝的现象都与温度有关等等。这些呢，都是科学家的脑洞，虽然说目前还没有被证实，但是它打开了我们探索宇宙的新思路。
下面我就从两个方面来为你解读这本书：第一，量子引力理论是如何诞生和发展的；第二，量子引力理论如何颠覆了我们对世界的认识。
首先，作者为我们梳理了量子引力理论的发展过程，这个过程紧紧围绕着一个问题展开，世界到底是由什么构成的？这个古老的问题，从古希腊哲学这个源头开始，历经经典物理学、相对论、量子力学四个阶段，最终形成了量子引力理论，让我们逐一来梳理。
说到世界的构成，我们最直观的感受是时间、空间和物质这三种元素。时间和空间很好理解，我们日常生活当中的感受也很直观，那么物质又是什么构成的呢？2000多年前的古希腊，有一个叫做德谟克利特的哲学家，提出了一个前无古人的观点，他认为物质存在一个最小的构成单位，叫原子，原子不能够分割。这个观点受到了柏拉图、亚里士多德这些大哲学家们的一致反对，为什么呢？因为人们无法想象不能分割是个什么概念，物质是一块连续的整体，只要刀片足够薄，那就能够无限的分下去呗，怎么会有一种叫做原子的东西无法分割呢？德谟克利特做了一个精妙的论证，想象一下，如果说你能够把一块物质无限分割，那么最后会剩下什么呢？一定不会剩下任何有维度的东西，因为只要维度还存在，它就能够继续分割，那么剩下的只能是没有维度的点。但是现在呢，让我们把无穷多的点重新拼装到一起，可是不管有多少个点，你都没有办法还原成任何有维度的东西，因为点本身就没有维度。既然不可能剩下一堆没有维度的点，那么剩下的一定是有维度的最小单位，那就是数量有限且不可再分的粒子，也就是原子。
2000多年过去，直到1905年，年仅25岁的爱因斯坦终于找到了原子存在的证据，并且测量了它的大小。这场整整持续了23个世纪的争论，终于有了结果，物质确实是由不可分割的粒子构成。这个结论不仅是2000年前人们认识世界的起点，也是后面要讲的量子引力理论最重要的基石，它重要到什么程度呢？物理学家理查德·费曼说，如果我们丢失了全部的科学知识，只有一句话能够传给下一代，那么这句话应该是，物质是由原子构成。
现在世界的构成有了初步的答案，古希腊哲学家告诉我们，世界由时间、空间和粒子构成，我们进入探索的第二阶段，经典物理学。经典物理学最辉煌的成就之一，就是牛顿发现了万有引力，可是牛顿呢，却是一度认为自己创造的理论十分荒谬，因为有一个问题他怎么也想不明白，那就是万有引力究竟是从何而来的？我们说，对一个物体施加一个力，要么推，要么拉，总要接触一下吧，但是呢，相隔亿万里之遥的地球和太阳，居然也能够相互产生出一种力，牛顿却是找不到任何媒介来传递这种力，这究竟是怎么回事呢？两个世纪以后，英国科学家法拉第和麦克斯韦找到了解决问题的线索，他们发现空间当中存在一种叫做场的东西。比如说手拿两块靠近的磁铁，我们就能够感受到他们之间的力，好像有一条条隐形的线，把力从一个磁铁传递到另一个磁铁一样，这些线叫做法拉第力线，它们就像巨大的隐形的蜘蛛网，填满了我们周围的一切，这就是电磁场。场的发现，解释不了相邻物体之间是如何形成作用力的，按照这个解释猜想，也许引力之间也存在着一种引力场，来传递着引力，这就初步解决了牛顿也没有想明白的问题。场的发现，让经典物理学对世界的认识推进了一步，现在构成世界的元素增加为五个，时间、空间、粒子以及电磁场和引力场。
下面相对论也要出场了，相对论对构成世界的五个元素来了两次缝合手术，将五个元素简化为三个。这第一次手术叫做狭义相对论，它合并了时间和空间。咱们惯常的时间观念是这样的，一个事件要么属于过去，要么属于未来，时间呢，就像是流水一样，匀速向前流动，一个瞬间接着另一个瞬间。可是狭义相对论却指出，在过去和未来之间存在着一个中间区域，一个既非过去也非未来的区域，这个中间区域呢，可不是我们所说的现在的概念，现在是一个瞬间，它转眼就会变成过去，而狭义相对论说的这个中间区域，却可长可短，它取决于这个事件距离你的位置。举一个例子，假设火星上有外星人向我们打了个招呼，这个招呼呢，要经过一刻钟才能够传到地球，这一刻钟的时间就是中间区域。如果说跟你打招呼的人就在面前，那么中间区域只能够持续几纳秒，根本感觉不出来，但是呢，如果跟你打招呼的人在火星上，这段时间呢，就会延长到一刻钟，这一刻钟的时间相对于我们而言，既不在过去，也不在未来。为什么会这样呢？因为光速是有限的，光速传递信息必须经过一定的时间，这就导致了时间具有相对性。那么如果外星人在仙女座，那么这一刻终将变成200万年，这200万年间发生的任何事情，同样既不在过去，也不在未来。所以在宇宙当中，没有现在这个概念，绝对的同时性并不存在，导致这个现象的原因呢，就是宇宙太大了，而光速是有限的。于是人们发现，时间和空间其实紧密相连，不可分割，这就将二者统一成了一件事物，叫做时空。
狭义相对论统一了时空，紧接着，第二次缝合手术，广义相对论又统一了时空和引力场。前边咱们说到两个相距遥远的天体，之所以有引力，是因为引力场当中有无形的线，将天体拉拽在一起。广义相对论呢，却指出没那么复杂，根本不需要什么无形的线，因为空间就是引力场，引力场就是空间。太阳巨大的质量弯曲了周围的空间，而地球呢，只不过是顺着弯曲的空间滑行而已，这就好像是我们在湾区的高速公路上开车，就只能够沿着弯曲的路线拐弯儿，这种空间的弯曲就扮演了引力场的角色。刚才狭义相对论说了，空间和时间是一体两面，所以不仅是空间能够弯曲，时间也能够随着引力的大小弯曲。在引力大的地方，时间流逝得很慢，在引力小的地方，时间流逝得很快。把一块表放在山顶上，另一块呢，在山脚下，山顶上的表要比山脚下的表走得更快，因为山顶上地球引力小，即使只有几厘米的海拔差距，现代仪器也能够测量出这种奇特的效应。爱因斯坦比喻说，时空就像是一只巨大的活动的软体动物，它的形状是不固定的，我们就生活在它的内部。
现在咱们梳理一下相对论的逻辑，时间和空间合二为一，空间又跟引力场合二为一，所以时间、空间和引力场这三种东西，其实啊，都是一回事，它们都是引力场。于是构成世界的元素只剩下了引力场、电磁场和粒子这三种元素，这就大大简化了我们对世界的认识。但是呢，这还不是最简洁的，现代物理学又树立起了第二根支柱，量子力学。量子力学再一次精简裁员，它发现在剩下的这三个要素当中，电磁场和粒子其实啊，它也是一个东西。
1900年，德国物理学家普朗克在研究电磁波时，提出了一个观点，能量不是均匀连续变化的，而是一小包一小包的按份来分配的，至于为什么是这样的，他自己也不明白。5年以后，又是爱因斯坦在研究光的性质时，证明了这种能量包确实存在，量子力学迎来了诞生。爱因斯坦说，光不仅可以是波的形态，还可以是粒子的形态，一束光传递能量，就像是输送一个个的能量包，这个最小能量包的携带者就是量子，量子是粒子的基本能量单位。量子是怎么跟电磁场联系在一起的呢？电磁场能产生电磁波，电磁波能传递能量，而能量又是一包一包传递的，那么电磁场也就变成了一个能量包的集合，也就是量子的集合，所以电磁场可以被量子化。我们发现，粒子和电磁场并不是毫不相关的两种东西，当用量子的视角来观察他们时，粒子就可以从场里衍生出来。比如当电磁场被量子化之后，光子就出现了，当静电场被量子化以后，电子就出现了。自然界中出现的每一种粒子，都有一个相关的场，所以粒子和场其实只是一种实体，称为量子场。
一路走来，世界的构成元素从五种缩减为只剩两种，量子场和引力场。那么这两者还能再合并吗？下面就是本书的核心部分，也是致力于将二者统一的一个理论，叫做量子引力理论。要把引力场和量子场融合在一起，相当于把相对论和量子力学融合在一起，这可是难上加难呐。两个理论就像是两个独立的王国，一个掌管大尺度天体，一个掌管小尺度微粒，相互语言不通，秋毫无犯。如果让他们俩建立起一个联合王国，会发生什么事情呢？假设我们要观察时空当中一个非常微小的区域，我们需要在那儿放一个粒子来做标记，根据量子的不确定性原理，一个粒子在空间中无法拥有确定的位置，它会很快逃走，这个区域越小，它逃跑的速度就越大，速度越大，它具有的能量就越高。根据广义相对论，一个携带巨大能量的物体将造成空间弯曲，在一个极小的区域内，空间会坍缩成黑洞，那么这个粒子就会坠入黑洞，我们就再也找不到它了。也就是说，我们无法测量空间中的一个极小的区域，因为这片区域会掉入黑洞之中。这里呢，就出现了量子力学和广义相对论不相容的问题，所以硬让二者统一就会陷入崩溃。我们呢，需要做一个谈判，谈判的关键问题就是，这个极小的区域可以小到什么程度，是不是可以无限小呢？如果我们用传统观念，把空间看作一个无限可分的连续体，让一块空间可以无限小，那么就会出现上述量子力学和广义相对论不相容的问题。可是如果换一个角度，空间也存在一个最小的分割单位，那么二者是不是就能够和谐共处了呢？黑洞一词的发明者，美国物理学家约翰·惠勒提出了这样一种空间的样子，在宏观世界，空间是平滑连续的，而在微观世界，空间却是支离破碎的，它存在最小的体积单位。惠勒发明了一个描述这种空间的方程，这个方程的解有个奇怪的特点，它们取决于空间中的闭合线，一条闭合线就是一个圈儿，所以这个理论被命名为圈量子引力论。还记得电磁场中的法拉第力线吗？在惠勒方程的解中出现的这些圈，就相当于是引力场中的法拉第力线，他们形成了引力场，也编织出了空间。编织了一个什么样的空间呢？我们从前理解的连续空间，好比用杯子盛满水，倾斜杯子，水会缓慢而连续的流淌。在圈量子引力空间当中，杯子里的水换成了绿豆，再度倾斜杯子，豆子会一粒一粒地滚出来，这些绿豆就是空间最小的体积单元，它是不连续的，也不是无限可分的。通过这个空间破碎的构想，我们就把空间给量子化了，空间就是由这些粒子积木拼装而成的。
空间破碎了，那么时间呢？狭义相对论说，时间是一个局部的概念，宇宙中的每一个物体都有自己的时间，但是圈量子引力更狠，它连局部的时间概念也抛弃了，在圈量子引力的方程当中，居然干脆没有时间这个变量，时间消失了。说时间消失了是什么意思呀？我们先要了解一下时间到底是什么，咱们测量时间的工具是时钟，在时钟发明以前呢，人们又是如何感知时间的呢？伽利略发现，用脉搏的跳动可以测量吊灯每次摆动的时间，根据摆动的等时性，人们发明了钟摆，随后医生就可以用钟摆来测量病人的脉搏。你有没有发现，这变成了一个循环，伽利略用脉搏量钟摆，医生呢，用钟摆来量脉搏。实际上啊，时间只是一个中介，我们从未测量过时间本身，我们测量的只有脉搏和钟摆两个物理量，然后呢，得出他们彼此相关的变化，所谓的时间，只不过是我们辅助观测的一个假设，这就好像是我们做几何题要画辅助线，这根线呢，其实并不存在，却能够帮助我们解题，时间就像是这一根辅助线一样。
现在空间被肢解了，时间也消失了，世界来了一次重新组装，时间被量子化了，引力场和量子场握手言和，那么回到我们最初的问题，世界到底是由什么构成的呢？现在答案简单明了，世界只有一种要素，不管是粒子、光、能量还是空间、时间，所有的这些都只不过是一种场的表现形式，我们叫它协变量子场。几个世纪以来，科学越复杂深入，世界却变得越精简、简约，这正是圈量子引力为我们描绘的世界图景。
好，下面呢，我们就来详细的看一看，圈量子引力的世界为我们带来了哪些颠覆性的认知，如何改变了我们习以为常的世界。第一个认知，重新认识时间。刚才说到，圈量子引力是一个不包含时间的理论，它告诉我们，时间不存在，所谓时间只不过是一个辅助工具。但是呢，这里面还缺了点什么，因为用两个物理量的相关变化，只能够衡量时间的长短，而时间还有一个更重要的特征，它有方向。如果微观世界不需要时间的概念，那么宏观世界又该如何解释我们真真切切感受到的时间一去不复返的现象呢？答案很简单，时间和热量相似。咱们先来聊一聊热量这个话题，回忆一些没有热量的场景，比如钟摆的来回摆动，石头抛到空中又落下，这些过程都是可逆的。再把镜头切向一些存在热量传递的场景，比如一支燃烧的蜡烛飘散出了烟，一杯热茶慢慢的变凉，这些过程都是不可逆的，你不可能让烟变回蜡烛，或者呢，让散失到空气当中的热量加热茶水。从热量转移的瞬间开始，过程就不可逆转了，这个特性是不是和时间非常相似啊，只能够向前移动，不能够向后移动。如果你仔细想一想，就会发现，有时间流逝的一切现象都和热量有关，是热量，并且呢，只有热量区分了过去和未来，到处都是这样的例子，生命变老是因为身体产生热量，自行车变旧是因为摩擦产生热量，连月球围绕地球转也是在产生热量，月亮引起了潮汐，潮汐稍微加热了海洋，从而呢与月亮交换了能量，看似永恒的月亮，实际上是在离我们慢慢远去的。只要你去思考一个需要证明时间流逝的现象，都会发现是通过热量的产生来证明的，热量是所有物理变量当中唯一与不可逆现象有关的变量，它就充当了时间的角色。因此，如果我们要更好地理解世界的本质，就要颠倒以往的认知，并不是时间流逝产生了热量消耗，而是反过来是热量消耗产生了时间的流逝。
说完了时间，我们再来说空间，圈量子引力带给我们的第二个认知，是世界万物互联。万物互联这个词儿，被我们当做互联网时代的专利，但是你知道吗，世界的原本面貌就是万物互联。量子力学发现，粒子只有在进行相互作用、相互碰撞的时候，才是可以被描述的，当他独自一人不发生作用时，它就像是幽灵一样，不存在于任何地方。可以说，量子世界的基础就是社交，独立的量子没有意义，相互作用才有意义，世界就在这种相互作用当中传递分享着信息。比如说你的细胞携带着你家族的信息，照射到我们眼中的光线，传递了途径物体的信息，于是呢，世界其实是一个关系网，是一个物理系统之间交互信息的网络。圈量子引力对这个网络的认识，更加具有想象力，前面说到，空间是由一个个离散的空间粒子组成，粒子之间可以相互结合，相互形成连接，平时呢，他们规规矩矩的只跟相邻的粒子发生往来，形成稳定的空间，但是如果说给相隔遥远的两个粒子之间加上一条链接，那么他们俩就好像是买了个手机，实现了瞬间通信，这时空间就出现穿越。圈量子引力用这种穿越解释了量子纠缠，两个相隔遥远的粒子，之所以能够实现瞬间感应，其实就是打通了它们之间的连接。他们甚至可以更大胆的猜想，早期炙热的宇宙具有足够大的能量，能够打开几乎所有粒子之间的链接，万事万物紧紧相连，随着宇宙的冷却，链接开始不断中断，就像是一张揉成一团的纸，慢慢展开铺平，衍生出了现在的时空。你看，我们的现代化通信理念，其实就是蕴含在宇宙的过去之中，连接是自然界的一种本能，如今手机和社交网络的发明，就好像是模仿了宇宙冷却之前的状态，万物互联的梦想，也许早就写入了宇宙的基因。
走出时间和空间，我们进入一个更加宏大的视角，圈量子引力为我们更新的第三个认知是，宇宙的诞生不是大爆炸，而是大反弹。这个推论可谓是惊为天人，因为宇宙大爆炸理论人尽皆知，他说的是，宇宙是由一个致密而炽热的起点爆炸形成，而起点的概念则是来源于广义相对论，它的方程预言，宇宙起源于一个体积无限小的点，这个点是时间和空间的起始点。且慢，你是不是发现问题了啊，我们反复讲到，物理世界根本就不存在无穷小的概念，不管是物质还是空间，它们的尺度都存在着一个下限，广义相对论之所以会推导出起点的概念，正是因为它默认空间是无限可分的。不仅是广义相对论，许多物理计算都会出现一些毫无意义的无穷大的结果，这都是源于同样的假设。而当我们把量子引力考虑进来时，这些无穷就消失了，起点这个反常的概念就不存在了。起点消失，那宇宙又从何而来呢？让我们想象一个致密的宇宙，它由于自身巨大的重量被挤压得极其微小，当到达空间的最小尺度时，还在不停的挤压，这个时候压力就变成了阻力，就像是弹簧被压到了最底一样，形成了一次大反弹，膨胀至今，形成了今天的宇宙。这个解释完美的避开了起点这个诡异的概念，让宇宙在起始点上变成是有意义的，也是可以研究的。
以上就是本书的主要内容，回顾这趟量子引力之旅，人们不断简化构成世界本源的要素，最终用量子引力完成了世界的大统一，颠覆了我们对宇宙的传统认知。2000年前，古希腊哲学家最深刻的洞见是提出没有无限可分的粒子，2000年之后，量子引力提出的最基本观点是没有无限可分的空间，世界不存在无限。同样的见解，相隔了2000年，人类的探索像是一个轮回，天地浩瀚却有尺度，宇宙复杂却有极限，这是物理学发展的关键钥匙。如果说世界上有什么是真正无限的，唯一的答案就是我们对于宇宙的好奇心。
好，《现实不似你所见》这本书就为你解读到这里，听书笔记在音频下方，我们明天见。
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