试读章节
第一课
最美的理论
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小动物们的洞口。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：
牛顿试图解释物体下落和行星运转的原因。他假设在万物之间存在一种相互吸引的“力量”，他称之为“引力”。那么这个力是如何牵引两个相距甚远、中间又空无一物的物体的呢？这位伟大的现代科学之父对此显得谨慎小心，未敢大胆提出假设。牛顿想象物体是在空间中运动的，他认为空间是一个巨大的空容器，一个能装下宇宙的大盒子，也是一个硕大无朋的框架，所有物体都在其中做直线运动，直到有一个力使它们的轨道发生弯曲。至于“空间”，或者说牛顿想象的这个可以容纳世界的容器是由什么做成的，牛顿也没有给出答案。
就在爱因斯坦出生前的几年，英国的两位大物理学家——法拉第（Michael Faraday）和麦克斯韦（James Maxwell）——为牛顿冰冷的世界添加了新鲜的内容：电磁场。所谓“电磁场”，是一种无处不在的真实存在，它可以传递无线电波，可以布满整个空间；它可以振动，也可以波动，就像起伏的湖面一样；它还可以将电力“四处传播”。爱因斯坦从小就对电磁场十分着迷，这种东西可以让爸爸修建的发电厂里的发电机运转起来。很快他想到，就像电力一样，引力一定也是由一种场来传播的，一定存在一种类似于“电场”的“引力场”。他想弄明白这个“引力场”是如何运作的，以及怎样用方程对其进行描述。
就在这时，他灵光一闪，想到了一个非同凡响的点子，一个百分百天才的想法：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。
其实，牛顿的那个承载物体运动的“空间”与 “引力场”是同一个东西。
这是一个惊世骇俗的理论，对宇宙做了惊人的简化：空间不再是一种有别于物质的东西，而是构成世界的 “物质”成分之一，一种可以波动、弯曲、变形的实体。我们不再身处一个看不见的坚硬框架里，而更像是深陷在一个巨大的容易形变的软体动物中。太阳会使其周围的空间发生弯曲，所以地球并不是在某种神秘力量的牵引下绕着太阳旋转，而是在一个倾斜的空间中行进，就好像弹珠在漏斗中滚动一样：漏斗中心并不会产生什么神秘的“力量”，是弯曲的漏斗壁使弹珠滚动。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。
那么我们该如何描述这种空间的弯曲呢？19世纪最伟大的数学家、“数学王子”卡尔·弗里德里希·高斯（Carl Friedrich Gauss）已经写出了描述二维曲面（比如小山丘的表面）的公式。他还让自己的得意门生将这一理论推广到三维乃至更高维的曲面。这位学生就是伯恩哈德·黎曼（Bernhard Riemann），他就此问题写了一篇重量级的博士论文，但当时看起来全然无用。黎曼论文的结论是，任何一个弯曲空间的特征都可以用一个数学量来描述，如今我们称之为“黎曼曲率”，用大写的“R”来表示。后来爱因斯坦也写了一个方程，将这个R与物质的能量等价起来，也就是说：空间在有物质的地方会发生弯曲。就这么简单。这个方程只有半行的长度，仅此而已。空间弯曲这个观点，现在变成了一个方程。
然而，这个方程中却蕴含着一个光彩夺目的宇宙。从此，广义相对论这一神奇的宝藏向人们展示了一连串梦幻般的预言。它们看似疯子的胡言乱语，却全都得到了证实。
首先，这个方程描述了空间如何在恒星周围发生弯曲。由于这个弯曲，不仅行星要在轨道上绕着恒星转，就连光也发生了偏折，不再走直线。爱因斯坦预测，太阳会使光线偏折。在1919年，这个偏折被测量出来，从而证实了他的这一预测。其实不仅是空间，时间也同样会发生弯曲。爱因斯坦曾预言，在高空中，在离太阳更近的地方，时间会过得比较快，而在低的地方，离地球近的地方时间则过得比较慢。这一预测后来也经测量得到了证实。如果一对双胞胎，一个住在海边，一个住在山上，只要经过一段时间，住在海边的那个就会发现，住在山上的兄弟要比自己老得快一些。然而好戏才刚刚开始。
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”。在我上大学那会儿，世人还不大相信这个神秘理论的预言。如今，天文学家已观测到宇宙中大量的黑洞，并对它们进行了详尽的研究。但还有更精彩的。
整个宇宙空间可以膨胀和收缩。爱因斯坦的方程还指出，空间不可能一直保持静止，它一定是在不断膨胀的。1930年，人们确确实实观测到了宇宙的膨胀。这个方程还预测，这个膨胀是由一个极小、极热的年轻宇宙的爆炸引发的：这就是我们所说的“宇宙大爆炸”。人类再一次经历了这样的事：起初没有一个人相信这个理论，但大量证据纷纷出现在我们眼前，直至在太空中观测到了“宇宙背景辐射”，也就是原始爆炸的余热里弥漫的光。事实证明，爱因斯坦方程的预言是正确的。
此外，这个理论还说，空间会像海平面一样起伏，目前人们已经在宇宙中的双星上观测到了“引力波”的这种效应，与爱因斯坦理论的预言惊人一致，精确到了千亿分之一。还有许多其他的例子，这里就不再细说了。
总之，爱因斯坦的理论为我们描绘了一个绚丽多彩而又令人惊奇的世界，在这个世界里有发生爆炸的宇宙，有坍塌成无底深洞的空间，有在某个行星附近放慢速度的时间，还有像大海扬波一般无边无际延展的星际空间……我那本被老鼠咬破的书把这一切一一呈现在我面前，这并非痴人在犯傻时随口编的故事，也不是卡拉布里亚那地中海的骄阳让我晕头转向，更不是那粼粼的海水让我产生幻觉。这些都是事实，或者更确切地说，是对事实的惊鸿一瞥，比我们平日里模糊庸常的见解要高明一点。这样的事实看似和我们的梦境由同样的材质构成，但无论如何的确比我们平日那些云雾般的梦境更为真实。
所有这一切都源自一个朴素的直觉，那就是，空间和引力场本是一回事。这一切也可以归结为一个简洁的方程，尽管我的读者们肯定难以了解它的奥妙，但我还是情不自禁地将它抄录于此，想让大家看看它到底有多么的简洁美妙：
就这么简单。当然了，要先学习和消化黎曼的数学才能解读和使用这个方程，要花些工夫、付出些辛苦才做得到。但这总比感悟贝多芬晚期弦乐四重奏的神秘之美要容易得多。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。
附录1：《经济学人》书评
【The Economist】浩瀚宇宙，缩影于书
这是对我们所知生活作出的简洁凝练而不失优雅的解答。
Oct 24th 2015
学术界素来不以写作的短小精悍见长，再加上物理学本身也不适合简练的入门介绍。不过令人惊喜的是，理论物理学家卡洛•罗韦利的这本《七堂极简物理课》简直是个颠覆性的成功之作。它最开始只是在意大利报纸IL SOLE 24 ORE上连载的一系列文章，主要是在介绍物理学中一些难以理解的角落。现在这本小书册已经成为意大利当地的畅销书。
这本书出人意料且充满说明性地阐释了几个世纪的科学精粹。翻译中保留了书中抒情和简洁的散文风格。前几章描述的都是相对成熟的科学理论，这些理论被浓缩的非常紧凑但是非常有趣。罗韦利巧妙地在各种说明性比喻之间跳转，而没用混淆或反复强调这些比喻中的任何一个。而在描述现代的争论上，他的视角显得更为宏阔。最后也是篇幅最长的一章，开始反思对读者而言物理学到底意味着什么。从外向的太空问题转而内向的自省，从思考科学背后的哲学又到自由意志，再到自我的意义。
不过有时，作者本人并不能分清存在大众共识和持有个人见解的领域，以至于在他试图结合广义相对论和量子力学的一个章节中，罗韦利只概括出了他自己帮助发现的理论，而一点没有提其他不同的观点。
不论如何：正如罗韦利说的那样，光有想法是廉价的。这本书的成功在于不仅在书中呈现出了科学所创造的那些令人兴奋的事物，而且也在于真正去探查了科学如何对待这些想法。它既传递出了对未解之谜的挫败，也传递出了对此的期望。罗韦利介绍了很多最初不被接受而被后世称赞的科学洞见。他也描述了大量在构想阶段就闪闪发光的科学前沿，提示了诸多有助于解开现有遗留问题的实验。在本书的结尾，他视这种物理学的风景美到窒息。
附录2：《新京报》书评
“在现代物理学为世界描绘的这幅宏大画卷中，我们这些能够感知和决断、有着七情六欲的人类究竟扮演了什么角色？如果世界是一大团转瞬即逝的空间和物质的量子，一幅由空间和基本粒子组成的巨大拼图，那么我们是什么？难道我们也只是由量子和粒子构成的吗？如果是这样，那我们的个体存在感和自我意识从何而来？我们的价值、梦想、情感以及拥有的知识又是什么呢？在这个无边无际又五光十色的世界里，我们到底算什么？”
这段引文，其实来自今天要介绍的这本《七堂极简物理课》的最后一章尾声的部分。至于作者有没有解答这个问题，我们等会儿再来说。
有个名叫卡洛·罗韦利（Carlo Rovelli）的来自意大利的理论物理学家，只用了目测大概也就三万字的体量，带领“那些对现代科学一无所知或知之甚少的朋友们”进行了一趟物理美学之旅。他从广义相对论讲起，一路讲到量子、粒子、黑洞……最后，回归到人的本身，提出面对物理学为我们展示的这个奇异世界，我们应当如何反思自己的存在。他说“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。”
罗韦利是那种少有的，身上既有科学精神又有人文精神的科学家，尤其是在今天早已缺乏通识教育的中国，这样的人更是罕见。他的这本书，其实是要让没有科学背景的人也能看懂，甚至看完还会爱上物理学的一本书。
我们先来看看，他是如何描述“最美的理论”——广义相对论的。开篇他先引入少年时代爱因斯坦那段无所事事的时光——“他听课只是为了好玩，既不注册学籍，也不参加考试。”罗韦利说，现在很多父母经常忘记这样一个道理——“一个没有‘浪费’过时间的人终将一事无成。”
1930年代的爱因斯坦与助手
那么在谈到广义相对论最核心的部分，即把引力场解释成时空的弯曲时，罗韦利用了非常生动的例子进行表述——
“太阳会使其周围的空间发生弯曲，所以地球并不是在某种神秘力量的牵引下绕着太阳旋转，而是在一个倾斜的空间中进行，就好像弹珠在漏斗中滚动一样：漏斗中心并不会产生什么神秘的‘力量’，是弯曲的漏斗壁使弹珠滚动的。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。”
宇宙由大爆炸而来的历史
广义相对论里一连串的梦幻般的预言，在当年看起来像是胡言乱语，却在后来全部得到了证实。爱因斯坦预言，在高空中，离太阳更近的地方时间会得比较快。后来证明，如果一对双胞胎一个生活在山上、一个生活在海边，山上的那位会老得快一些。（所以你还想要住在山上吗？）
爱因斯坦还说，当一个大恒星燃烧完自己所有燃料时，就会熄灭，残留部分会因为自身重量坍塌，导致空间强烈弯曲，最终塌陷成一个真正的洞。这就是今天所说的“黑洞”。还有，这个理论还提到，空间会像海平面一样起伏，这就是不久前我们还在热议的“引力波”效应。
被巨浪搅动的宇宙，纹理像海浪起伏
当年那些人们觉得不可思议的“荒谬”言论，在后来一点点被证明其准确与超前性。“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。”
当然不仅仅是“广义相对论”，在人类历史中，我们一次次用科学推翻我们曾经固有的直觉，比如我们最初对宇宙构造的认知。最初，很简单，人类认为：地在下，天在上。
2600年前，阿那克西曼德发起了一次伟大的科学革命，于是宇宙的构图发生了一次变化。“天”将“地”包围在中央。但在阿那克西曼德的时代，依然是方形图。之后毕达哥拉斯或是巴门尼德认识到，对一块飞在空中的土地而言，球形是更合理的形状，于是，这张构图再次发生变化。
下一次的宇宙认知飞跃，来自哥白尼。这次飞跃最关键的一步是，哥白尼指出，处在行星运动中心的不是我们的地球，而是太阳。地球只是众行星中的一员，高速自传的同时，也绕着太阳公转。
哥白尼的日心说是对宇宙认知的一次飞跃
这或许就是物理存在的巨大意义，一次次深刻改变我们看待现实世界的方式。也让我们意识到，人类脑中到处是偏见。我们的本能与直觉，常常带着我们向片面、狭隘、不合时宜的地方前行，而科学的发展，带着我们看到更远的地方。
在这一路的征途上，也有许多感人的故事。比如一生与爱因斯坦角力的玻尔，他接过爱因斯坦的接力棒，持续对量子理论进行研究，然而他的新想法得不到爱因斯坦的肯定，二人为了科学，进行了无数次辩论。
爱因斯坦去世时，玻尔表达了自己的无限敬仰之情。几年后，当玻尔也去世时，有人拍下了他书房黑板的照片，上面有一幅图，正是爱因斯坦思想实验中的“充满光的盒子”。直到生命最后一刻，玻尔依然想要知道得更多。
玻尔最后的黑板笔迹
而爱因斯坦在他的好友物理学家凯莱·贝索（Michele Besso）去世后，写给贝索妹妹的信里说：“米凯莱从这个奇怪的世界离开了，比我先走一步，但这没什么。像我们这样相信物理的人都知道，过去、现在和未来之间的分别只不过是持久而顽固的幻觉。”
好了，讲到这里，我们也就接近这本书的尾声了。罗韦利有在这本书里回答开篇引文里所提及的“我们到底算什么”的问题吗？很抱歉，没有。
“这个问题太难了。在现代科学的巨幅画卷中，我们不懂的东西太多，而其中懂得最少的问题之一就是我们自己。然而，如果回避这个问题或对其视而不见，我认为会让我们忽略一些本质的东西。”
关于认识我们自己这堂课，是一生的课题。就像我们曾经以为我们居住的星球位于宇宙中心，但事实并非如此。我们如同独生子一般，在长大的过程里发现，世界并非像我们儿时以为的那样，只围着自己转，我们需要参照他者来认识自己。
这一认识自己的过程，带着喜悦也带着悲伤。罗韦利早已清醒地看到，我们现在所经历的文明迟早会灭亡，并且他认为，这个灭亡并不会到来得太晚。我们本就是短命的物种，所有表亲都已经灭绝，而我们自己还在不断进行着自我毁灭。
“
我害怕在不久的将来，我们也会成为唯一一个眼睁睁看着自己末日到来的物种，或至少是见证自己文明灭亡的物种。
”
但罗韦利也相信，生命因为短暂才宝贵。
“自然塑造了我们，指引着我们，我们沉浸其中，并非无家可归，并非悬在两个世界之间，以为自己只有一部分属于自然，眷恋着旁的东西。不，我们就在家中……我们与世间万物一起，是由同样的星尘塑造的，无论我们沉浸在痛苦之中，还是焕发出喜悦的光芒，我们都必须承认，我们是世界的一部分。”
