微精选

第五解辅助理解

第一节

到了17世纪发现了一些奇怪的例外情况。违背了大自然憎恶空无一物的空间信条。人们似乎开始觉得有可能存在某些方法诱使虚无持续存在。托里切利的实验第一次创造和捕捉了足够长时间空无一物的空间并开始研究它。这个实验是这样做的。用一个玻璃管灌满水银用手指使劲压住管的末端，然后把管子倒过来，然后放入水银槽中。这个时候管子里的水银被释放出来，现在你可以看到它下降，然后停了下来。所以我猜最重要的事情是那不是残存的空气。开始时，我们的管子充满水银，我们所做的一切就是让它排出，不过水银没有空气排出。它达到一定的水平然后停下来。托里切利的实验不只是创建了一个没有空气的空间。它还证明了大气有一个特定的重量。当我吸出空气时我的管子之所以变皱，是因为它周围的大气的压力。但是托里切利的设备为克服这一点，他使用了极重的水银和硬质玻璃管，在他的管中水银的水平高度是一种对大气的重量的测量。一方面水银柱的水平高度，当然是由水银的重量确定的。另一方面空气中的重量向下压，所以这两个平衡了。就像天平一样，他们找到一种方法来称量大气。托里切利还写下了这个美妙的短语—他说（意大利语）意思是我们生活在空气海洋的底部。突然空气真的就是一种物质，但我想对我来说现在真正的奥秘是这里有什么？难道这真的是虚无吗？的确如此，托里切利揭示了空气有重量。它一直都覆盖着我们，填补所有它能填补的空间。托里切利设法创建了一个空的空间。一种现在能供研究的虚无空间。1000多年来，我们所认可的自然界的工作方式开始崩溃。中世纪的哲学多受亚里士多德的影响。相当合理地假设自然界没有空的空间这种东西。然而这个非常简单的设备，细长的玻璃管里面装一些液体。托里切利说就能产生一块空的空间。由此证明亚里士多德和他的门徒都是错的。你怎么能证明数百年前的哲学传统是错误的。就因为这个小把戏似乎不太正确。但托里切利是对的。然后就轮到哲学家和科学家布莱兹.帕斯卡来发展和完善他的工作。在帕斯卡着手研究托里切利的思想时，他发现了更特殊的性质。在巴黎，他把一个水银管搬到一个巨塔的顶部，所记录的水银柱下降到的高度低于其他地面时的高度。这似乎表明随着你的升高，空气压力就会下降。帕斯卡的实验使人们认识到地球被一层大气所包围，你升向更高处时，大气会迅速变稀薄，最终成为冰冷寂静的无垠空间。托里切利和帕斯卡开始揭示一个深刻的道理，虚空无处不在。我们的地球仅仅是一粒微小的尘埃。悬浮着穿过一遍广袤的苍天。那是完全寂静的荒凉的虚空。自然界并没有厌恶真空。真空是自然界的缺省状态。那么这个庞大的空间的空间是什么？现在在地球上制造真空成为可能。科学家深感好奇，虚无的属性究竟是什么？在托里切利的帕斯卡的实验之后，许多科学家沉迷研究真空的属性。他们发现了一些奇怪的事情。例如放置一个闹钟在里面，闹钟变哑了，从外面听不到闹铃声。因为排除了所有的空气，没有介质来传递声波。最为有趣的是，虽然你不能听到闹铃声。你仍然可以看到它。这意味着光一定是在穿越真空。但是光是如何做到的。对于那些开展研究真空实验的科学家来说，只有一个简单的结论，毕竟真空不是空的。他们可以看到里面，这个事实意味着仍然有某些东西留在那里。正如空气承载声波一样。他们认为必须得有一种媒介承载着光波。无论它是什么，已经证明要把它除去是很困难的。由托里切利和帕斯卡所瞥见的虚无，现在似乎是某种东西，一种神秘的物质它承载光波。而且这种物质存在于地球上的真空。这意味着它也存在于太空中。虚无不能存在于自然界的观念又一次出现。

第二节

虚无不能存在于自然界的观念又一次出现。宇宙中的所有事物似乎都浸没在一种无形的介质中。科学家们称这种介质为光以太。有许多很好的理由表明光是一种波。但如果光是一种波，这个波又在什么中？光波是光以太中的波。从19世纪初，人们就开始称光以太了。它是承载光波的流体，充满所有空间。如果有一种流体充满所有空间，如果光是一种波，那么没有哪里是空的了。因为光能够在任何地方传播。因此就在我们似乎绝对相信有空的空间的非常时刻。很明显又没有空的空间。有这种叫以太的东西传递着光。问题是这种以太似乎是如此稀薄，如此无形，它躲过了所有企图对它进行测量的尝试。直到19世纪末期，这种状态才告结束。因为一个足够灵敏的实验即将设计出来。它能够揭露真相。实验将在美国进行，实施这个实验的科学家阿尔伯特.迈克尔逊后来成为美国的第一个诺贝尔奖得主。从青年时代起，迈克尔逊就喜欢解决物理学中特别困难的实际问题。他赢得了他的名声。因为他以极高的精度对光的速度进行了测量。在完成了他关于光的工作后，迈克尔逊到欧洲旅行，以便花一些时间与一些世界上优秀的科学家交流。就是在那里，他开始着迷于每个人都在谈论的话题，神秘的光以太。一个特别的想法抓住了他的想象力。有人建议如果你能可以足够准确地测量光速，那就有可能推测出以太的属性。事情是这样的。如果有一种以太的存在，那么当地球沿着轨道绕太阳运行时，我们应该能够探测到它的存在。这就像在一辆开动的汽车上，你把手伸出车窗外，当汽车穿过空气时，你会感觉受到风的激流。迈克尔逊意识到如果对以太的这种描述是真实的。那么，在地球上的两束光将以不同的速度传播，其速度大小与它们穿过以太风的方向有关。实际的困难在于去做这样的测量，这似乎是一个几乎不可能完成的任务。问题是这样的，光的速度超过每秒186000英里。现在看来这个速度值很漂亮。相比之下地球只能算是沿着它的轨道在爬行。因此这个光束的差别一定很微小，大约只有一亿分之一的差别。所有要得到任何有意义的结果，所要求的精度超过了那时候的科学家认为可能的任何事情。但固执的迈克尔逊不这样看。他开始用自己的办法解决这个问题。他开始开发技术和精密仪器。他认为这些技术和仪器将能够解开以太的秘密。从1881年始，迈克尔逊进行测量并调整改进他的装置。一直到1887年，在俄亥俄州克利夫兰的凯斯理工学院迈克尔逊最终会建造一台足够灵敏的装置。以给他一些权威性的答案。在那里，他与另一位科学家爱德华.莫雷通力协作进行那个实验。那将成为最著名的物理实验之一。原来的装置安置在一块坚实的砂岩上，并浮在一个水银槽中，以消除可能会影响测量结果的任何振动。这是令人难以置信的高科技，并且非常昂贵。可以把它看成是1880年版的大型强子对撞机。好了，这就是它的运作方式。光从这个来源发射出来，在中间是所谓的分光镜。它把光分成两部分。这里有两块镜子。它们把光线反射回中间。在分光镜那里两条光线重组起来，光被发送到这个探测器。现在由于光具有波的特性。你在这里就看到一个非常特定的图案。基本上如果沿这两条路径，光以相同的速度传播。那么你就会在图案的中间看到一个亮斑。因此这是真正聪明的部分。迈克尔逊和莫雷推理到如果地球真的是在穿过一种静止的以太，实验的表现就会是一种非同寻常的方式。当我们模拟以太的效果时，让我们看看会发生什么。光离开光源，然后分裂成两束。现在这是关键所在。逆着以太流传播，然后再返回来的光，走过这条路径所用的时间，不同于横穿过以太流的光所用的时间。这意味着当光波重新汇合时。现在它们互相干涉。这种干涉意味着图像中心会有一个暗斑。如果你看到的是这样的图案。你就知道虚空一定被一种静态介质填满了，而地球正穿过这种介质。

第三节
当然我们不能完全肯定当他们开始他们的实验时，迈克尔逊和莫雷心中是怎么想的。鉴于当时的科学共识，我们可以打赌他们那时候相信以太确实存在。因此他们一定确信他们会发现沿着不同的方向，光的传播速度会不一样。但实验的结果不是这样的，不管他们如何转动他们的设备。他们总是发现光以相同的速度传播。迈克尔逊和莫雷已经获得了离奇但准确的结果。但是光以太的想法是如此根深蒂固。以至于他们简单的认为，他们的实验失败了。那么到底是怎么回事？为什么迈克尔逊和莫雷的实验没有给出他们期待的结果。光怎么会总是以同样的速度传播呢？那么答案很简单。以太不存在。不管光的行为是什么，它如何传播，它都不需要这个弥漫于真空的神秘物质所承载。那么光如何穿过全空的空间？你瞧，到底在19世纪末期众所周知，事实上光是电场波动与磁场波动的组合。但在1905年天才的爱因斯坦指出，这样的光并不需要一种以太介质。他证明了光具有不可思议的属性。就是它能够在真正全空的空间传播。因此从迈克尔逊和莫雷的失败，所传递出来的信息就是没有以太。也许真空就是真的什么有没有。如果问题就这么简单就好了。正如迈克尔逊和莫雷意外揭示的，你确实能够得到虚无。科学家开始发现大自然的一些很奇怪的怪异的性质。在迈克尔逊和莫雷实验后，随后的100年，物理学和我们对真空的理解已经完全改变。但是促使这个巨大转变的，并不是单纯的科学的好奇心。而是因为这样的事实。在19世纪后期，真空和它的许多应用已成为一项大买卖。工业领域正在找到更加巧妙的方式从虚空中赚钱。对真空的认识和利用导致了大量的新技术。只是今天我们把这看成理所当然。从灯泡到电视所有这些没有真空都是不可能的。因为它们内部都包含小块空间的真空。灯泡里面的灯丝可以长时间发光。因为它被置于真空中。把它暴露在空气中的话，它只会在几秒钟内烧毁。随着全世界的城市开始电气化，对灯泡的需求大规模增长。工程师便得更加擅长创造廉价的，高效的真空。这项技术将导致大量的小装置出现，从收音机和早期计算机的真空管到后来的电视机。这些技术创新与科学家即将作出的发现相比都是小巫见大巫。这些发现关乎现实世界的根本性质。由于真空技术越来越便宜，而且更高效。令世界的科学家都可以用它作为研究工具。在全空的空间可以对自然的最微小的构成进行研究。而不会受真空外充满污染物的空气的影响。这彻底改变了物理学。因为真空，1895年X射线被发现次年，电子首次被认定。而在1900年欧内斯特.卢瑟福利用真空帮助揭示出原子的奇怪结构。这些发现全都为一幅全新的图像提供了素材。这幅图画描绘了自然界在最微小最基础的水平上的运作方式。就是这个理论将以量子力学的名称而为人所知。它所描绘的亚微观世界，其行为非常不同于我们日常所熟悉的世界。在亚微观所有的常识都被违反。曾经真实地存在的虚无似乎不再可能了。这是经典世界作用与反作用，原因与结果。经典世界可感觉，可确定，可知。但量子世界很快显露出其自身与经典世界很大不同。其中有一个发现尤其令人不安。这就是众所周知的海森堡测不准原理。在日常生活中，我们习惯于怀疑，习惯于不确定性。

第四节
我们习惯于怀疑，习惯于不确定性。我们怎样才能确保事情是这样或那样。原来大自然本身就是基于不确定性。就是处于不确定状态。量子物理的世界，微观世界是一个不确定性的世界。在这个世界里，你永远无法确定即将发生的会是什么？不是你的测量不够好，而只是因为在一个非常基本的水平上，大自然本身就是基于不确定性。好的，我很想讲清楚海森堡测不准原理的本质。我要使用一个非数学的比喻。这里我们要小心，它仅仅是一个比喻，所以我们不应该走得太远，我这里有两个相同的U盘，第一个里面是一幅高清晰度的图像，这是我玩桌球时的照片，我们可以看得很清楚。事实上，我可以放大，甚至非常近地放大这个桌球。你看，即使用这样的放大倍率，我们仍然可以看到精确的位置。但我不知道的是球移动的速度有多快，或接下来将要发生什么？现在第二个U盘中是另一个文件，这是一个完全不同类型的文件，它是一个小电影。重要的是，要注意这个文件的大小与那幅高清晰度图像相同。现在看看这个，现在我们可以看到播放的整个电影它是同一个场景。但你可以看到所有的球在移动，但是如果我在某个细节上放大，很快球变得模糊和朦胧。因此对于相同数量的信息，虽然我已经获知球如何移动的情况，我丢失了关于它们的确切位置的信息。所以对于某物在哪里，我们知道的越多，对于它如何移动我就知道的越少。在量子世界，我不能在同一时间准确知道这两个量。不幸的是，没有办法解决这个问题。海森堡用他的数学证明了，在这个尺度的现实世界，这是一个无法回避的特性。好了，那么这种量子怪事对于虚无又会做什么呢？嗯，你看海森堡测不准原理可以用不同的方式表述。用另外两个量的平衡来表述能量和时间。现在听起来会相当复杂，但它非常重要。所以我要去尝试解释一番。你看如果我来考察这个盒子的一小块全空的空间。那么从原则上来说，我可以非常精确地知道它包含多少能量。但是如果我能够让时间慢下来，事情将开始变得很奇怪。好了，现在我们正看到了一个被拉长的微小的时间间隔。海森堡测不准原理告诉我们因为我在找一个较小的时间间隔。对于盒子中的能量，我已经失去了关于它的准确信息。如果我甚至可以检查更小的时间间隔和在盒子中的更小的体积。那么海森堡的方程表明会发生真正奇妙的事情。我会如此不确定，这盒子中有多少能量以至于它可能有机会包含足够的能量来创造出实实在在的粒子。并从哪个地方冒出来。只是不知怎的它们非常迅速的消失了。海森堡的测不准原理似乎表明在真正微小的时间和空间某些东西可以无中生有！

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那么是什么呢？如果粒子可以瞬间冒出来，那它往哪里去了？为什么我们看不到？这些粒子出现在我们周围与我们对真空的正常预期相反，真空是活泼的。它充满了物理学家所称的量子涨落。在真空中，小的量子包出现和消失非常非常迅速。这是完全被物理定律所允许的，这都是允许的。但它有一个名字，它被称为海森堡测不准原理。它告诉我们你可以从虚空中借来能量，只要归还速度够快。真空是活泼的，尽管这些想法是离奇的。但我可以打包票它们就是我们的宇宙之基础。为了看看这是如何做到的。我们关于虚空的故事，把我们引向了一位名流。在物理学的整个历史中，他是最有天赋最古怪的人物之一。我的背后是英国布里斯托的主教路小学。近100年前它因为两位注定成为名人的学生而被人关注。其中一个是阿齐博尔德.李奇他会去征服好莱坞。他更为人们所知的名字是加里.格兰特。另一位是一个安静，害羞，十分认真的男孩。他比格兰特小两岁，后来他成为英国有史以来最伟大的科学家之一。他就是理论物理学家保罗.狄拉克。即使按理论物理学家的标准，狄拉克也算得上是一只很过分的怪鸟。他不是那种可以和你喝一杯的人。注意力非常集中，讲话非常少，很少很少的换位思考，直线思考的那种人。

第五节
对狄拉克的天才而言这些人格特质很关键。但也往往使他与同行相处时导致难堪和尴尬的局面。即使是偶然的谈话，狄拉克也从来不说废话。他经常在句子之间停顿很长时间。直到他找到最精确最简洁的方式表述自己。朋友们开玩笑地杜撰了一个术语叫dirac其含义是在一小时中可以说出的单词的最小个数，同时能够继续参与交谈。这是一种害羞度的单位。狄拉克的不寻常的个性其根源他艰难和烦恼的童年。但是从很小的时候起他就在课堂上找到了慰藉。他尤其擅长两样，数学和技术绘图。就是这培养了他的视觉想象。在数学课上他就看看数学符号，但是在技术绘图课上他用几何的方式看着类似的东西。这对他后来看待物理学的方式非常具有启发性。因为他总是强调他是一位杰出的想象者。他是那种对物理具有几何图像的人。坦白地说他对数学符号不感兴趣。相反他想要对数学中发生着什么有一种视觉感。狄拉克继续他的视觉训练。在去剑桥研究数学之前，他得到了工程学士学位，就是在这里狄拉克开始着手解开关于真空的最深的奥秘。并揭示在全空的空间中究竟发生着什么。但他的见解源于一个看似无关的困难。到1928年物理学正纠缠一个大问题。两个最重要的理论都描述宇宙是如何运作的但相互不协调。一方面你有爱因斯坦的狭义相对论，里面有著名的公式E=mc^2这是一个美丽的，简单的，优雅的理论。描述接近光速的物质的行为。另一方面有普朗克发现的量子和随后的革命性理论，描述非常微小的世界里离奇的规则。这样就出问题了。当试图描述的物体足够小时量子效应会呈现。但如果同时物体运动的速度又足够快时，狭义相对论又很重要。具体来说巨大的问题出现在试图描述电子的时候，电子在原子内绕核飞速运动。如果这两个理论都是正确的。那么它们就应该能够被用来一起给出一个关于电子的数学描述。但是如果不能做到这一点呢？如果量子物理学和狭义相对论无法结合呢？这将意味着物理学的这两大基石，一个或者另一个一定是错的。一定要找到一种方法使这两个理论结合在一起。是狄拉克做到了这一点。
狄拉克将狭义相对论和量子世界的规则统一起来，成为20世纪最伟大的数学成就之一。无意之中它导致了一幅关于虚无的全新的画面。为了对他做了什么，又如何做的有一个非数学上的感知。我到电影院看了狄拉克最喜欢看的电影之一《2001太空漫游》了解一下为什么这部电影吸引了他，可以帮助我们窥探他是如何设法解决这个大问题的。如果你看过这部电影，那么正如导演库布里克所说它示范了用大量可视化的图像而不是文字。你也可以做一部真正好的电影剧本。现在这在某些方面是非常类似于狄拉克的理论物理。因为对他来说处于问题中心的是数学方程。而更多的是他对这些方程的含义有一种视觉感。《2001太空漫步》的抽象画面吸引了狄拉克，因为它们抓住了他出色的视觉想象力。正是这种学生时代磨练出来的高度发达的不寻常的思维方式使他在1928年想象到一种独特的描述电子的方式。这种描述方式将爱因斯坦的狭义相对论和怪异的量子力学世界联合起来。今天它被简称为狄拉克方程。

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它可能看起来像一小堆符号。但对一个数学家来说，这一方程极端美妙。一个复杂的和对称合成的数学思想表达了惊人的清晰度。这是位于主教路的狄拉克小学里的纪念碑。在上面就是他的著名方程。在这几个符号之中蕴含着关于宇宙的深刻真理！但是不要被它外表的简单性所蒙蔽。要把这个方程看作是一座巨型的数学冰山的尖端！这里的每一项都涉及到整个数学分支和它们之间的特定关系。这个方程下面所包含的数学思想已经被许多其他大人物发展和研究。

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