宇宙密码
1988
中国科技大学出版社
(美)H.R.佩格斯
朱栋培,陈宏芳
无
无
寒假里,我重读了美国科普作家佩格斯写的物理科普著作《宇宙密码》(朱栋培、陈宏芳译,中国科学技术大学出版社1988年)。这是我高中时阅读的两本最重要的书籍之一,另一本是爱因斯坦传记。它们加深了我对物理学的兴趣,促使我报考物理学专业。当年我从油田一中阅览室借阅的《宇宙密码》,是一本新书;现在我从山东大学图书馆一个偏僻的角落里找到了它,已陈旧不堪。
《宇宙密码》描写了二十世纪物理学的伟大成就,第一部分是相对论和量子力学,第二部分是粒子物理。现代物理学用极端抽象的数学语言来描述,特别难懂。在《徜徉在科学与人文之间》中,我写道:“高中时觉得物理很简单,大学时觉得物理不简单,研究生时觉得物理很难。物理需要极强的数学能力,和数学并称最难的两个学科。量子场论的计算是我的梦魇。我曾经试图证明相对论是错误的,后来发现完全是浪费时间。一百多年过去了,没有人能够超越爱因斯坦。因此,我奉劝没有极高数学天赋的同学不要学习理论物理。”
经过了七年系统的专业学习和训练,我的物理水平远非高中生所能比拟。重读《宇宙密码》,还是让我学到了不少东西。正如译者所说:“我们相信各个方面、各个层次的读者都能从中得到收获,就是这方面的专业人员也会从中获益匪浅。”作者基本没有使用数学语言,把二十世纪物理学的的主要成就表述得如此清楚,难能可贵。这本书是介绍相对论和量子力学非常好的通俗读物。我在此简单介绍一下这些激动人心的人和事。
相对论分为狭义和广义。狭义相对论的一个基本假设是光速不变原理。它与牛顿力学的运动合成不相容,然而却有迈克耳孙-莫雷实验做基础。狭义相对论有两个奇怪的结论:钟慢尺缩。运动的尺收缩是洛伦兹首先提出的。相对惯性系运动的钟变慢是相对论得出的,空间与时间挂钩,改变了牛顿的绝对时空观。
在广义相对论中,不可区分加速运动和引力。也就是说,二者是等价的。空间弯曲与引力等效。光在引力场或者弯曲的空间不再走直线。广义相对论的一个结论是引力场的钟变慢。牛顿力学是相对论在低速运动和弱引力场的近似。伟大的科学家爱因斯坦几乎凭一己之力,创建了相对论。
相对论是怪异的,量子力学比它更怪异。不像相对论,量子力学的发展是由许多人完成的。德国物理学家普朗克发现能量不是连续的,而是一份一份的,这就是所谓的量子化。一份最基本的能量被称为普朗克常数。法国物理学家德布罗意提出物质既具有粒子性,也具有波动性,这就是波粒二象性。奥地利物理学家薛定谔提出了薛定谔方程。它在量子力学中的地位相当于经典力学中的牛顿第二定律。它们可以并列科学史上最伟大的方程。
德国物理学家波恩把波函数解释为几率波,振幅的平方是粒子出现在改点的几率。这否定了物理界的第一个神话——决定论。由于波的干涉性,几率不能相加,与宏观世界不同。德国物理学家海森堡的不确定原理(位置和动量不能同时确定)进一步解释了量子世界的非决定性。丹麦的玻尔提出了互补原理,粒子和波是互补的,然而在认知过程中却互相排斥。
双缝(孔)实验是演示量子怪异的很好示范。光或者电子通过双缝会发生干涉,像波一样;如果去观测粒子究竟通过了哪个缝,干涉消失了,像普通粒子一样。观察者影响和创造了量子世界,在一定程度上否定了物质的客观性。
这些是爱因斯坦、普朗克、薛定谔等传统物理学家无法接受的。他们不相信上帝在掷骰子。在与玻尔发生几番论战之后,爱因斯坦放弃了批评量子力学的正确性,转而批评它的完备性。他联合其他人提出了EPP悖论。贝尔提出了以他的名字命名的不等式,EPP悖论将否定客观实在性和作用局域性两个原理之一——你选择哪一个?薛定谔之猫——盒子里的猫处于既死又活的叠加态,说明量子世界的怪异行为不能应用到宏观世界。
以上是量子力学发展的主流。海森堡等人在薛定谔之前,发现了矩阵力学。不过,它没有薛定谔的波动力学应用广泛。狄拉克证明了二者的等价性。量子力学与场论结合,产生了量子场论。量子力学是现代物理学乃至整个科学界的支柱理论。相对论和量子力学结合产生了相对论量子力学。客观世界被进一步虚化,“场”成了物质实在,而粒子不过是场的量子。这在数学上没有问题,但我对其客观性表示怀疑。
我上大学期间学到的量子力学没有像《宇宙密码》中写得有趣,几乎全是深奥、枯燥的数学公式和推导。才华横溢的物理学家狄拉克说:“一个物理定律必须具有数学美。”爱因斯坦觉得没有自己,别人也会完成他的工作,除了广义相对论。(第47页)爱因斯坦的思维方式是在经验和试验的基础上凭直觉飞跃,提出绝对假设,推出结论,再靠实验去验证。只有天才才能做到“直觉飞跃”。
书完成至今已有三十多年了,物理学没有取得大的突破。因此,这本书没有过时。作者佩格斯是物理学博士,专业知识深厚,措辞严谨,比喻形象。物理学家,从牛顿到爱因斯坦,保持了一种对自然的敬畏,这是所谓的宇宙宗教。作者也多少有这种情节。两位译者也是物理专业人士,翻译得恰到好处,语言流畅,没有一般翻译作品的晦涩难懂。这是一本非常好的物理科普书,推荐对相对论和量子力学有兴趣的人读一读。
就在《宇宙密码》在中国出版中文版的那年,佩格斯博士在科罗拉多州金字塔峰爬山时意外身亡,年仅49岁。他在《宇宙密码》的结束时写道:“我常常梦见我摔下来。野心家和爬山者都会有这样的梦。最近我梦到我抓在一块岩石的表面,但没抓住。砂砾坍落了。我抓住了一丛灌木,但它也被拉松了。在令人悚骨的惊骇中我掉在深渊。突然我意识到我的下落是相对的;并不存在渊底和终极。一种愉快的感情支配了我。我认识到生命的主体是不会毁灭的。它已写入宇宙密码,宇宙的秩序中。当我在苍穹的黑暗空间里不断下落时,我歌颂星星的美,并且在黑暗中心安理得。”
(甄鹏.神秘的宇宙密码[N].科技日报,2014-02-22(4).)
初中时见一同学在看,也借来一读,觉得挺有意思但读不懂。
高中时又看了一遍,觉得看明白了,当时还想当个物理学家。
只是觉得该书放在“中学生文库”里是否难度高了点。
1994-1996那时我念初中,我和班上另一个同学一起不停的借这本书借了三年。
因为看不懂,不完全懂的缘故,所以反复看,特别特别喜欢。记得是淡淡的绿色封面,无限的怀念。
我就遗憾我中学的时候没有找到这本书。。。