《万物原理》:诺奖得主带你漫游宇宙博物馆
  • 来源:科普时报
  • 作者:吴飙
  • 2022-04-29 14:53

《万物原理》,[美]弗兰克·维尔切克著,中信出版集团2022年1月出版。


如果宇宙是一个博物馆,你自己或你的孩子想去参观一下,那你一定要找一个导游。因为“宇宙是一个奇怪的地方”,它和直觉经验建立起来的世界模型非常不一样。诺贝尔物理奖得主弗兰克·维尔切克教授是宇宙博物馆当之无愧的首席导游。他的新书《万物原理》则是解说词。

维尔切克年仅23岁时即洞察了夸克的渐进自由行为,并于2004年因此获得诺贝尔奖。他的研究涉及物理学的各个重要领域:宇宙学、原子分子物理和量子计算等。他也时刻关注着数学、生物和计算机等领域的发展,对艺术和哲学也相当熟悉和了解。

维尔切克为参观者从整体上描绘了一个丰富而奇怪的宇宙,同时穿插了很多精彩的细节、令人惊叹的数字和有趣的科学轶事。当你结束参观的时候,一定会被他的科学热情感染,对科学和人类的未来充满乐观。

维尔切克认为,科学的方法看世界就像是人获得了“重生”:“有些东西,我们必须学习;而有些东西,我们必须抛弃。”在介绍完科学的精神后,他开始带领我们参观宇宙这个大博物馆。

第一个主题是空间。在整个可观测到的宇宙内有1022个恒星,而我们每一个人有大约1穰原子,即1028个原子。所以,以人的尺寸作为标准,无论是仰望星空还是聚焦原子,空间都是广袤的。

第二个主题是时间。在相对论里,空间和时间具有同等的地位,一起组成了统一的四维时空。但时间明显不同于空间。在空间上,我们可以设法回到出发点,在时间上,我们无法回到过去。面对跨越几十个数量级的空间和时间,人并不渺小和无能为力。一个人有1028个原子,形成了精巧的人体结构,赋予人类抽象和理性思维的能力。按照维尔切克的估算,人在一生中大概会思索10亿次。把思维的这两方面结合在一起,人类在认识和征服广袤的空间和无垠的时间上取得了令人惊叹的成就。正如帕斯卡所说,“通过思维,我囊括了宇宙。”

在时空中充满了各种物质,它们的不同组合和永不停息的运动造就了这个缤纷的世界。所有物质都是由少数简单的基本粒子构成,这些基本粒子按照少数几个基本定律运动和变化。 这正是第三和第四主题:极少的组分和极少的定律。

和日常生活相关的基本粒子只有5种:电子、光子、上夸克、下夸克和胶子。它们只有三种基本性质:质量、荷和自旋。这些基本单元之间的组合以及它们的运动和变化只遵守很少的几条物理定律。关于这些基本粒子虽然还有问题可以继续探索,但是,维尔切克认为更有前景的“基本粒子”可能是材料中各种“准粒子”,它们在建造量子计算机、太阳能电池等方面有广泛的应用前景。

再之上的是一个极其丰富多彩的世界。我们也来到了宇宙博物馆的第五个主题:丰富的物质和能量。维尔切克非常有创意地定义了一个新的单位“人年”,一个人为维持新陈代谢每年需要消耗的能量。一个“人年”大约是30亿焦耳,而太阳每年释放的能量平均到全世界每一个人身上是500万亿“人年”。因此我们人类对能源的需求远远小于大自然的馈赠。

维尔切克最后以互补性原理结束了他的导游。根据海森堡的不确定性关系,一个微观粒子的位置一旦确定,它的速度就不确定;反之亦然。玻尔将不确定性关系提升为量子力学中的互补原理:粒子的一个性质确定,另外一个性质就不确定。维尔切克则认为互补原理远远超越了量子力学,甚至科学,广泛存在于艺术和社会生活中——从两个不相容的角度去分析同一个事物,结果可以都是对的。维尔切克写道,“狭隘的科学家无法开拓自己的思维,回避科学的人只会让自己的思维更加贫乏。”

《万物原理》的视野非常开阔,不但介绍了人类卓越的科学成就,还讲述了它和人的关系,并展望了未来。如果你书架上有一本霍金的《时间简史》,那你的书架上也应该有一本《万物原理》;如果你书架上没有霍金的《时间简史》,那你的书架上更应该有一本《万物原理》。

    (作者系北京大学物理学院教授)

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