《七节极简物理课》
2016-04-22
《七节极简物理课》
作者：【意】卡洛·罗韦利
出版社：湖南科学技术出版社
内容简介：
在本书中，意大利物理学家卡洛·罗韦利，用诗一般简洁优美的语言，向读者讲述了20世纪以来现代物理学最伟大的理论发现：相对论，量子力学，宇宙的结构，空间的颗粒，时间的本质……
这七堂课的经历，仿佛一次冒险、一场伟大的旅行，充满着年轻、好奇、诗意与感动，为我们打开了一个奇妙的物理学的世界，也带我们轻盈飞过重重障碍，窥见科学的深刻与美丽。没有繁琐的方程，只有诗意的讲述，即使没有科学背景的人也能轻松读懂。
试读章节
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》、史诗《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伟大之处，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感受。其实，除了美感以外，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，爱因斯坦的这颗掌上明珠，正是这样一件伟大的作品。
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，在卡拉普里亚大区孔多弗里城的一片海滩上，我沐浴在地中海古希腊文明的阳光下。学生在假期中往往能更专注地学习，因为没有学校课业的打扰。我当时正在研读一本边缘已被老鼠咬烂了的书，这本书之所以会成这样，是因为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，我每晚都会把这本书堵在那些可怜小动物们的洞口。此刻，我时不时把目光从书上移开，看看面前波光粼粼的大海:我仿佛看到爱因斯坦想象中的时空发生了弯曲。
这简直就像魔法一样：宛如一位朋友在我的耳边低声细语，告诉我一个不同凡响却又迟迟未被发现的真理，突然间，他揭开了真理的面纱，把真理最为简单却又最为深刻的一面展现在我的面前。自从我们得知地球是圆的，像一个疯狂的陀螺一样旋转时，就认识到这个真理并没有我们想象的那么简单，每次当我们隐约有一些新的发现时，都会激动不已，这意味着又有一层面纱被揭开了。
众所周知，人类有过不计其数的飞跃，接连出现在历史的长河中，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？首先因为，我们一旦掌握了原理，那么这个理论就会简单得令人惊叹。下面我来简要地概述一下他的思想：
牛顿已设法解释了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“重力”。那么这个力是如何牵引两个相距甚远而彼此之间又没有任何介质的物体的呢？这位伟大的科学之父并没有给出答案，对此他显得谨慎小心，未敢大胆展开想象。牛顿还提出了物体在空间中运动的假设，他认为空间就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着直线运动，直到有一个力使它们改变方向。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，两位英国大物理学家——法拉第和麦克斯韦——为牛顿这个冰冷的世界添加了新鲜的内容：电磁场。所谓“电磁场”，是指一种无处不在的真实存在，它可以传递无线电波，使之布满整个空间，它可以震颤，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那些发电机运转起来，很快他懂得了，就像电一样，重力也应该是由一种场来传播的，宇宙间也应该存在一种类似于“电场”的“重力场”。于是他便开始潜心研究这个“重力场”是如何构成的，应当用怎样的公式对其进行描述。
从此，一个非同凡响的理念产生了，这纯粹是天才的想法：重力场不会在空间中“传播”，因为它本身就是空间。这就是广义相对论的概念。
其实，牛顿的那个物体运动的“空间”与这个传播重力的“重力场”有异曲同工之妙。
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，而是宇宙中的一种“物质”元素，一种可以波动、弯曲、变形的实体。我们所在的空间不再像一个无形的坚硬框架，而是像一个容易变形弯曲的巨大软体动物。太阳会使其周围的空间发生弯曲，其实地球并非是在一种神秘力量的牵引下绕着太阳旋转，而是正在一个空间中直线行进，只不过这个空间发生了倾斜。这就好像一个小球在漏斗中转圈：漏斗中间并不会产生什么神秘的“力量”，小球会转圈是由于漏斗壁弯曲的本质造成的。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。
那么又该如何描述这种空间的弯曲呢？十九世纪最伟大的数学家、“数学王子”卡尔·弗里德里希·高斯已经写出了描述二维空间弯曲表面（比如小山丘的表面）的公式。他还让自己的得意门生推导出三维或者多维空间的公式。这位学生就是伯恩哈德·黎曼，他写了一篇重量级的博士毕业论文，但论文里面讨论的东西看起来全然无用。这篇论文的结论是任何一个弯曲空间的特征可以用数学的方法来描述，如今我们将这种方法称为黎曼曲面，用大写的“R”来表示。后来爱因斯坦也写了一个公式说明这个R和物质的能量是成比例的，也就是说：空间在有质量的地方才发生弯曲。就这么简单。这个公式只有半行的长度，仅此而已。空间的弯曲是一种观点，也是一个公式。
然而在这个公式中却蕴含着一个光彩夺目的宇宙。从此，人们开启了广义相对论这一神奇的宝藏。这一连串神乎其神的预言看似疯子的妄想，然而却都得到了实验的证实。
插画/屈苗苗（长沙市周南中学）
（在现代物理学描绘的幅宏大画卷中，人类究竟扮演了什么角色？难道我们也只是由量子和粒子构成的吗？如果是这样，我们的价值、梦想、情感又是什么呢？……如果你想知道答案，就请加入十几岁学生QQ群：284949290。在这里，我们将一同体验阅读的乐趣！）
读后感
科学的过程就是不断地推翻前人的结论并提出一个更加better的结论与公式。而往往它们的差别，存在于一些细微之处，有的人看得见，有的人看不见。 也许，在不久的将来，我们中有人能够完成爱因斯坦所没有完成的统一场论。
——张伯洋（长沙市第一中学2014届毕业生，现就读于美国密苏立大学）
少了枯燥的长篇理论，多了丰富的趣味及想象。在这本书中，我见证了小小的一条理论经是如何经过数道“工艺”加工而产生，也领略了爱因斯坦心底的奇妙世界。也许闲暇时翻一翻此类文章，用思考的方式汲取前人的经验，从全新的角度看世界，你会发现科学理论果真是美丽的。
——周蔚然（长沙市明德中学K419班）
与现在各大小说一言不合就是百万字的趋势不同，《七节极简物理课》却在“极简”二字下功夫。把抽象的物理知识通过极简的语言说出来，用形象的语言为我们解读了艰涩的物理原理，构建出了物理的大框架，更让我们得以窥见科学世界的美妙。
——王杰（湖南师大附中博才实验中学1425班）
读到《七节极简物理课》，我忽然感到万分欣喜，像被爱琴海温柔的水波轻抚。恍惚中看见海水折射出炫丽的阳光将我们引入物理世界的大门。他把高深的理论简单浅显地呈现，重新点燃了我们对于探索世界本质的热情。余既得见真理，又何故不欢喜？
——周科（长沙铁路第一中学2013届毕业生，现就读于哈尔滨工程大学）
