第一性原理

第一性原理：21堂科學通識課 作者：[英]馬庫斯·喬恩 第17章　引力波 它們是在像鼓皮一樣的時空表面產生的振動——是宇宙的聲音。 女士們、先生們……我們探測到了引力波。我們成功了！                   ——大衛·雷茨(David Reitze) 引力波是時空結構中的波動，它以發生源為中心向外擴散傳播，就像池塘水面上的同心漣漪。愛因斯坦在1916年預測了引力波的存在，這是基於他於1915年11月在柏林提出的引力理論——廣義相對論所得出的結果（參見第12章）。 根據廣義相對論，質量——或者更廣義地說，能量可以彎曲時空。事實上，引力就是時空的彎曲。儘管我們覺得自己是被一種稱為引力的“力”粘在了地球表面，但其實我們是站在地球的質能所創造的時空低谷的斜坡上。我們之所以沒有意識到這一點，是因為時空是四維的，而我們只能感知到其中三個維度，只有愛因斯坦天才般的洞察才能看透其中的奧秘。時空也可以發生波動，從而產生引力波，這從本質上證明瞭時空實際上是一個可以被物質的存在扭曲的“物體”。 只要物質的運動狀態發生改變，或者說處於加速狀態，就會產生引力波。在空中揮手，你就產生了無形的時空漣漪，它現在正以光速從你的手向外傳播，轉眼間它已經飛出地球大氣層，越過月球向火星飛去。經過四年多的時間，它將到達離我們最近的恆星系統——半人馬座α。這個恆星系統包括三顆恆星，其中之一的比鄰星已經確認有一顆行星在圍繞它運行。如果這顆被稱為“比鄰星b”的行星上存在一個先進的技術文明，而且他們建造了一個超級靈敏的引力波探測器，那麼你剛才在空中揮手發出的引力波就會在四年後被他們接收到！ 實際情況是，這樣的引力波非常微弱，難以被探測到，因為引力是一種非常微弱的力，這等同於說時空是非常堅硬的。事實上，時空比鋼鐵還要堅硬1000億億億倍。讓鼓皮振動起來很容易，因為它具有很好的彈性，但可以想象要讓一張比鋼鐵堅硬1000億億億倍的鼓皮振動起來有多難。時空的硬度高得如此令人難以置信，這意味著明顯的引力波，即那些可能被地球上的實驗所探測到的引力波，只能是那些由宇宙中最劇烈的質量運動所產生的引力波。在實踐經驗中，這指的就是像黑洞這樣的超致密物體的災難性合併（參見第14章）。 這樣的事件很少發生，因此即使是...

第一性原理：21堂科學通識課 作者：[英]馬庫斯·喬恩 第16章　量子計算機 它們要麼是能利用自己在平行宇宙中的分身，要麼是表現得像是能做到這一點一樣。 即便你能想象出算盤和世界 上最快的超級計算機之間的差距，你也依然絲毫無法想象出相比我們現在的計算機來說，量子計算機有多麼強大。                ——朱利安·布朗(Julian Brown) 20年後的某個時候，一台量子計算機正準備解決一個問題。此時，它瞬間分裂出多個自己的分身，每個分身都能獨立計算一個分支。在不到一秒的時間內，這些分支合併到一起並產生一個答案，而世界上最快的超級計算機需要花費比宇宙年齡還長的時間才能得出這個答案。簡而言之，這，就是量子計算機。 就像電曾經改變了世界一樣，量子計算機也具有改變世界的潛力。例如，它可以讓神經網絡產生等同於人腦，甚至超越人腦的人工智能。 現在，一台量子計算機要麼真的能利用自己在平行宇宙中的無數個分身，要麼是它表現得像是能夠利用自己在平行宇宙中的無數個分身一樣。不出意外地，大多數物理學家相信後者。不過，牛津大學的量子計算先驅大衛·多伊奇(David Deutsch)卻相信前者。他認為，量子計算機是一種嶄新的東西，是人類建造的第一台能夠利用平行宇宙的設備。他的這一觀點是有充足理由的，我們稍後會進行解釋。 量子計算機利用了原子等粒子能夠同時做多件事的能力來同時完成多次計算（參見第7章）。我最早接觸到“量子計算機”這個詞是在1983年，當時我在加州理工學院聽理查德·費曼的系列講座。費曼曾經參與過原子彈的研制工作，並因在量子電動力學理論方面的貢獻獲得了諾貝爾物理學獎，而且他還會敲邦戈鼓！當時，他剛做完癌症手術，還處在恢復期，因此加州理工的老師們都很照顧他，允許他講任何他喜歡的話題。他的講座題為“計算機的潛力與極限”。他對計算機的終極物理學極限很感興趣，如電子元件能做到多小，計算機的速度能達到多快，等等。當時，作為計算機基本構件的一個晶體管，包含大約1000億個原子，而如今的一個晶體管中只包含2.5萬個原子。但是，費曼認識到晶體管縮小的極限就是單個原子的大小，但在這個尺度上它會被量子理論所支配，這會產生一頭全新的野獸——量子計算機。 普通計算機是由晶體管構成的，每個晶體管...

第一性原理：21堂科學通識課 作者：[英]馬庫斯·喬恩 第15章　標準模型 世界的紛繁複雜都來自三種基本作用力結合在一起的，區區三種基本構件的排列組合。 當然，我想寫的是紅矮星和白矮星的故事，它們的記憶之鏡，它們的宇宙火箭（以反引力驅動），它們的乘務員強子、膠子、π介子、輕子和μ子，以及粲誇克和有色誇克。但我們不可能都是物理學家。                     ——多麗絲·萊辛 標準模型是一種關於世界基本構件以及它們如何相互結合的理論。它描述了萬物——從星系、恆星到人——是如何由12種物質粒子組成的，它們通過三種非引力作用力產生相互作用，然後由一種稱為希格斯玻色子的特殊粒子將其在整體上綁定在一起。儘管“標準模型”這個名字聽上去平平無奇，但它是400年來物理學的巔峰，也是史上最成功的科學理論之一。以色列裔美國物理學家內森·塞伯格(Nathan Seiberg)說：“它為我們提供了高達10位小數的精度，這是之前在科學上從未取得過的成就。” 標準模型中的基本粒子分為兩種：費米子（物質的構件）和玻色子（物質之間作用力的介質）。以電子為代表的費米子的一個重要特性是它們必須遵守泡利不相容原理，即不允許兩個相同的費米子在空間中處於同一位置。美國物理學家理查德·費曼說：“事實上，電子不能彼此堆積在一起以維持桌子和其他所有東西的固體形狀。”與“社恐”的費米子不同，以光子為代表的玻色子都是“社牛”，它們不受泡利不相容原理的制約，可以無限地彼此堆積在一起，無數光子可以在一束激光中一起流動。 我們先講講物質粒子——費米子。不可思議的是，我們和世界萬物都是由區區三種費米子構成的：電子、上誇克和下誇克。誇克以三個為一組構成質子和中子，其中質子由兩個上誇克和一個下誇克構成，而中子由兩個下誇克和一個上誇克構成。[插圖]質子和中子進一步構成原子核，再加上電子就構成了原子。自然界中天然存在的原子共有92種：從最輕的氫，到最重的鈾。 儘管宇宙中的物質都可以解釋為電子、上誇克和下誇克的無盡排列組合，但實際上還存在第四種物質粒子，它的性質與其他三種物質粒子大相徑庭。中微子的質量只有電子的一百萬分之一，而且它也極度“社恐”，幾乎不會與物質產生任何相互作用。中微子是恆星發光核反應的...

第一性原理：21堂科學通識課 作者：[英]馬庫斯·喬恩 #第一性原理21 第14章　黑洞 一團極度致密的物質在時空中製造了一個無底洞，任何東西，甚至是光，都無法從中逃脫。 黑洞是宇宙中最完美的宏觀物體：其構造中的唯一元素就是我們的時空觀念。 ——蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar) 質量極大的恆星會產生極強的引力，甚至連光都無法逃脫，因此看上去是黑色的，第一個認識到這一點的是18世紀的一位神職人員和博學家約翰·米歇爾(John Michell)。儘管他預言了“暗星”的存在，但他的推理卻是錯誤的，因為他錯誤地認為質量極大的天體是可以存在的，而不會由於其本身龐大的引力坍縮成一個微小的質點。直到愛因斯坦提出的引力理論取代了牛頓的理論之後，我們才能真實地描述在極大的引力下會發生什麼。但令人意外的是，這一描述並不是愛因斯坦本人給出的。 卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)是一位柏林天文學教授，在第一次世界大戰爆發時他志願參軍，因為當時反猶太主義興起，他需要以此證明猶太人也是愛國的德國人。此後，他在比利時管理過氣象台，在法國的炮兵陣地計算過彈殼軌跡。1915年12月末，他全身突發皰疹，劇痛難忍，並在阿爾薩斯前線的米盧斯戰地醫院被診斷為尋常型天皰瘡，這是一種自體免疫疾病，即患者的免疫系統攻擊自己的皮膚。 1915年11月，愛因斯坦在柏林的普魯士科學院舉辦了一系列為期四周的講座，並在此期間發表了他的新引力理論。當時正在休假的史瓦西參加了11月18日的那場講座。牛頓將太陽和地球之間的引力想象為一根無形的繩子，它拴著地球在軌道上公轉，而愛因斯坦發現實際上是太陽的質量彎曲了周圍的時空，形成了一個低谷，而地球則是在這個低谷的邊緣運動，就像幸運大轉盤中的小球一樣。 問題在於如何計算出在任意質量下時空的精確彎曲程度，這是一個非常困難的問題，因為原本牛頓的理論中只有一個引力方程，而愛因斯坦卻給出了10個，就連他自己也只能計算出太陽這樣的恆星附近時空彎曲的近似解。然而，史瓦西卻超越了愛因斯坦，他計算出了時空彎曲的精確解。史瓦西將他的解法發給了在柏林的愛因斯坦，愛因斯坦對此感到大為震撼。 但史瓦西並未止步於此。他發現如果恆星的質量被擠壓到更小的體積，則其周圍的時空低谷會變得更深，最終變成一個無底洞，任何東西，甚至是光...

第一性原理：21堂科學通識課 作者：[英]馬庫斯·喬恩 第13章　人類演化 用三個詞來總結人類及其祖先的特點：遷徙、遷徙，還是遷徙。 我們居住在洞穴里的祖先的基因組中，是否已經包含了一組或多組基因，能夠讓現代人類創作出極其複雜的音樂以及撰寫出含義深刻的小說呢？早期人類似乎已經具備了遠超出適應當時環境所需要的智慧潛能。           ——大野乾(Susumu Ohno) 大約700萬年前的非洲，人類開始與黑猩猩、倭黑猩猩在演化路線上分道揚鑣。在隨後的數百萬年中，多個古人類物種離開了他們出生的搖籃，通過數次遷徙前往世界的各個角落。我們這一物種——智人，大約出現於30萬年前，曾經與其他一些古人類共同生活在地球上（見圖13-1）。然而，匪夷所思的是，其他古人類物種都已經滅絕，智人是目前僅存的一個人類物種。 圖13-1 人類物種的演化 留存到最後的人類物種：儘管只有一個人類物種存活到現在，但在過去幾百萬年中，曾有數個不同的古人類物種共同生活在地球上。 人類與黑猩猩的演化分離可能是由於東非大裂谷的氣候變化導致的。普遍乾燥的氣候導致森林面積縮小，古人類被迫走出森林來到稀樹草原上。原本已經適應了草原生活的大批食草動物的誘惑可能也對古人類走出森林起到了一定的作用。 到大約450萬年前，我們的祖先已經開始直立行走了一段時間，這讓他們得以從其他大多數動物中脫穎而出。對此，最生動的一個證據是在坦桑尼亞拉多里發現的，它的年代比450萬年前這一時間點稍晚一點。大約360萬年前，3個南方古猿走過一片剛剛被落下的火山灰覆蓋的區域，他們的腳印得以保留至今並展現在我們眼前。理查德·道金斯說：“有誰不好奇這些人彼此之間是什麼關係？他們漫步的時候是否牽著手？甚至他們是否交談？他們在那個上新世的黎明一起做了什麼被時光遺忘的事？” 直立行走讓我們的祖先能夠去更遠的地方尋找食物，以及從更遠的地方發現捕食者的威脅。直立行走還解放了他們的雙手來搬運食物、製作工具以及揮動武器。但是，創新總要付出代價。直立行走需要對腿骨的結構做出巨大的改變。不僅大腿骨要變得更長，骨盆要變得更短、更寬，而且還需要演化出更有力的臀部肌肉，即臀大肌，以便保持骨骼直立並帶動它們進行奔跑。 所有這些改變都需要在直立行走能夠帶來任何生存優勢之前完成，因此直立行走是如何演...

第一性原理：21堂科學通識課 作者：[英]馬庫斯·喬恩 第12章　廣義相對論 引力就是加速度。 如果一個正在觀察鳥的物理學家落下山崖，他不必擔心他的望遠鏡，因為望遠鏡會隨他一起下落。               ——赫爾曼·邦迪(Hermann Bondi) 一位天才對一個困擾人類400年的難題給出了一個簡單的解釋。這位天才就是愛因斯坦，而這個難題則是伽利略通過比薩斜塔實驗提出的。據說伽利略曾經從比薩斜塔上扔下各種不同質量的物體，發現它們落地所需的時間相同。 這樣的實驗是很難實現的，因為表面積較大的物體會受到更大的空氣阻力，而表面積較小的物體會受到較小的空氣阻力，所以直到很久之後的一個實驗才對此得出了明確的結果。1971年8月，阿波羅15號的指揮官大衛·斯科特(David Scott)在無空氣阻力的月球表面上讓一把錘子和一根羽毛同時下落，當時的黑白電視機屏幕上出現了兩團模糊的塵土，這無可爭辯地說明錘子和羽毛是同時落到月球表面的。 稍微思考一下就會發現，這真的是一個非常令人困惑的結果。假設冰場上有兩架相同的雪橇，一架是空的，另一架上面坐著一名兒童。現在假設用同樣大小的力推動兩架雪橇。顯然，載有兒童的雪橇質量更大，或者說慣性更大，因此比空雪橇更難推動，即更難改變其速度，或者說更難加速。換句話說，對兩個不同質量的物體施加同樣大小的力所產生的加速度是不同的。 如果將上面的推力替換成引力，即對不同質量的物體施加相同的引力，那麼它們應該獲得不同的加速度才對。但實際上，它們下落的加速度是完全相同的。看來引力可以根據物體的質量進行調整，例如，如果一個物體的質量是另一個物體的兩倍，那麼它所受到的引力也是另一個物體的兩倍，這樣就能補償質量的差異，使兩者產生相同的加速度。 愛因斯坦的天才之處在於，他發現實際上並不需要引力做任何調整，因為有一種情況可以讓所有不同質量的物體自動產生相同的加速度。 假設有一艘載著一名航天員的宇宙飛船，它位於一個遠離地球等任何引力源的地方。此時，假設飛船的加速度為1g[插圖]，於是航天員就能夠站立在船艙的地板上，就像站在地球表面上一樣。假設窗外是一片漆黑，而且船艙能夠完美隔絕引擎產生的震動，那麼此時這名航天員會認為船艙就停在地面上。 現在，假設航天員手裡拿著一把錘子和一枚...