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18章　希格斯場 物質的基本構件沒有固有質量，而是通過與希格斯場的相互作用獲得了質量。 這個夏天我發現了一些完全沒用的東西。                                             ——彼得·希格斯 它是一種充滿整個空間的無形液體，從出生到死亡的整個生命過程里，我們都一直浸沒在這種液體之中。然而，直到1964年，才有人開始注意到它的存在，而直到2012年，它的存在才得到了確切的證明。最終證明希格斯場存在的證據是場中的一個擾動，就像大海裡的一朵浪花，而這個擾動就是希格斯玻色子。 關於希格斯玻色子說來話長。它的故事始於20世紀上半葉，當時有實驗表明，物質的基本構件既可以表現出粒子的性質，也可以表現出波的性質。隨後，在20世紀20年代末，這兩種性質被量子場論統一起來。量子場論認為，整個空間中都瀰漫著具有能量的流體，這種流體就是場，而基本粒子只是場中蕩漾的漣漪（參見第7章）。 20世紀50年代，美國物理學家朱利安·施溫格(Julian Schwinger)將量子場論應用於電子，他提出的量子電動力學理論揭示了關於大自然基本作用力存在的根本原因。事實證明，人們經過200多年的實驗才搞清楚的這些神秘的電磁現象，只不過是電子波對稱性的一個微不足道的結果罷了。 所謂對稱性，是指在某些東西發生變化的情況下，有一些東西依然保持不變。假設你在一張台球桌上打台球。無論讓台球桌懸空到離地1米的高度，還是離地3米的高度，台球桌上所發生的現象都不會有任何不同。台球在球桌上無論是沿直線滾動，還是撞擊並彈開其他球，其行為都是受牛頓運動定律支配的，我們可以說牛頓運動定律在球桌高度發生變化時具有對稱性。在物理學中，球桌的高度稱為“規範”，因此我們可以認為牛頓運動定律在規範變換下是保持不變的，或者說是對稱的。我們也可以說，它是與規範無關的，或者說它具有“規範不變性”。 在量子場論中，電子可以用一個波函數表示，這個波函數包含了關於電子的一切可知信息。波函數有一個稱為“相位”的參數，它...

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...

第一性原理：21堂科學通識課 作者：[英]馬庫斯·喬恩 第11章　腦 腦的主要活動就是改變它自身。 在頭腦中，罌粟花是紅的，蘋果是香的，雲雀是唱的。 ——奧斯卡·王爾德(Oscar Wilde) 人腦包含大約1000億個神經元以及1萬億個支持細胞，這些支持細胞為神經元提供能量並維持它們的健康，但僅憑龐大的細胞數量並不能說明人腦到底是如何工作的。美國神經科學家傑拉德·費施巴赫(Gerald Fischbach)指出：“肝臟大約包含1億個細胞，但是把1000個肝臟連起來並不能創造出豐富的內心世界。” 人腦能產生豐富內心世界的秘密在於神經元之間的連接。人腦能編碼大量的信息、記憶和思想，都是基於連接的力量。萬維網(World Wide Web)的發明者蒂姆·伯納斯-李(Tim Berners-Lee)說：“我們所知道的，我們所成為的，全部都來自我們的神經細胞進行聯繫的方式。” 人腦在持續地改變自身，它會根據通過身體感官湧入的外部信息更新神經元之間的連接。美國科學作家喬治·約翰遜(George Johnson)說：“當你讀一本書或與他人對話時，這一經歷就會在腦中產生物理改變。你每次結束一段經歷，你的腦就會被改變，有時是永久性的改變，這想想還是有點兒可怕的。” 和普通細胞一樣，神經元也有一個細胞體，其中包含一個細胞核。但不同的是，從神經元的一側會伸出一條細長的纜繩狀結構，稱為“軸突”，在神經元的另一側則有數個像手指一樣的突起，稱為“樹突”。軸突可以向另一個神經元發送電脈衝，而樹突則可以接收其他神經元通過軸突發送的電信號（見圖11-1）。 一個神經元可擁有多達約一萬個樹突，因此它能夠與約一萬個其他神經元產生交互。這意味著人腦中可形成多達一千萬億個連接，這或許能夠解釋人腦為什麼能儲存如此大量的信息，而正是這些信息讓你成為你。 關鍵在於，一個神經元的軸突並不是與另一個神經元的樹突直接接觸的，它們之間有一個間隙，稱為“突觸”。在這裡，來自軸突的電信號會被轉化為化學信使，並在軸突末端的一個稱為“終扣”的結構處被釋放到突觸間隙中。然後，這些化學信使會在突觸間隙中擴散，並與受體結合，打開離子通道從而觸發一個新的電信號。 通過化學信使來介導電信號可以讓神經元產生非常豐富的反應。這是因為化學信使（或稱為“神經遞質”）有很多不同的種類，當且僅當樹突具備相應的受體時，神經遞質...

第一性原理：21堂科學通識課 作者：[英]馬庫斯·喬恩 第10章　狹義相對論 光是追不上的。 光速在我們的物理理論中扮演著無限大速度的角色。                ——阿爾伯特·愛因斯坦（1905年） 光是追不上的。年僅16歲的愛因斯坦在想象和一束光齊頭並進的情形後得出了這樣的結論。他之所以能夠想象這一情形，是因為詹姆斯·克拉克·麥克斯韋所提出的一個理論。1863年，這位蘇格蘭物理學家發現電、磁和光之間存在一種出乎意料且令人震驚的聯繫：光是在散布於整個空間中的無形的電磁場中傳播的一種波（參見第2章）。愛因斯坦認為，如果真的能追上這樣一種電磁波並與之齊頭並進，那麼它看起來就會變成靜止的，就像冰凍海面上的海浪一樣。然而，麥克斯韋的理論並不允許這種靜止的波存在。由於追上光意味著會產生一種不能存在的東西，因此愛因斯坦認為光一定是不可能被追上的。 真空中的光速不可超越，這一結論對我們最珍視的時空觀念產生了巨大的影響。而這些將會由愛因斯坦在他“奇跡般的”1905年提出。 如果光是追不上的，那麼它實質上就在我們的宇宙中扮演著無限大速度的角色，即在定義上是大於所有數字的，因此是不可能達到的。不僅是以無限大速度運動的物體無法被追上，而且我們無論以多大的速度運動，都應該認為光速是無限大的，因為我們的速度和光速相比是可以忽略不計的。因此，光速對任何人來說都應當是恆定不變的，無論光源以及觀察者以多大的速度運動。 速度的定義是物體在單位時間內移動的距離，因此如果所有人觀測到的光速都相同，那一定是大家對距離和時間的觀測出了問題。假設你站在鐵軌旁邊觀察一輛勻速駛過的列車。列車上有一個簡單的時鐘，它由地板上的激光發射器和天花板上的反射器構成，激光束從地板竪直向上發射然後被天花板反射回來，我們將激光上下來回一次的時間當作這個時鐘的一秒。假設列車是透明的，你可以站在鐵軌旁邊從側面看到列車里的這個時鐘。還要假設列車的運行速度相對於光速來說足夠快，以便讓結果更明顯。（這只是一個思想實驗，並不直接反映真實情況，但它可以用來揭示大自然的底層原理。） 從鐵軌旁邊觀察，你看到的光束不再是直上直下的，而是一種不同的運動軌跡。當光束射向天花板時，列車也在同時向前運動，因此從鐵軌旁邊觀察，光束是向斜上方發射的。...

第一性原理：21堂科學通識課 作者：[英]馬庫斯·喬恩 第9章　演化 令生物在對稀缺食物資源的競爭中取得優勢並存活和繁衍的性狀，會在其後代中變得越來越普遍。 環境選擇了那些能夠提高存活率的突變，結果是一系列從一種生命形式向另一種生命形式緩慢進行的變化，就是新物種的起源。                            ——卡爾·薩根 為什麼賽馬如此適合在賽道上飛奔？因為飼養者會從大量馬匹中選出那些跑得更快的，然後讓它們繁衍後代，並重復這一過程。為什麼生物如此適應它們所處的環境？查爾斯·達爾文(Charles Darwin)的天才之處在於，他發現這個問題的答案非常簡單。正如人類會按奔跑速度對馬匹進行人工選擇一樣，某種機制也會按生物對環境的適應性對它們進行自然選擇。 實現這一自然選擇的機制其實出奇的簡單。生物產生了過多的後代，而食物則相對缺乏，於是只有那些帶有能夠在食物競爭中取得優勢的性狀的個體才能生存下來並繁衍後代，繼而將這些性狀遺傳下去。 1831—1836年，達爾文作為隨行自然學家，跟隨小獵犬號(HMS Beagle)勘探船進行了一次為期5年的航行，在那之後，達爾文產生了自然選擇的想法。在這5年間，達爾文在南美洲開展了豐富多樣的自然考察。尤其是在加拉帕戈斯群島，他發現不同島嶼上的雀鳥都有不同形狀的喙，每種喙的形狀都完美地適於取食當地的堅果和種子。如果當地盛產較大的堅果，則鳥類會長著短粗的喙以便敲開堅果；如果當地只有較小的種子可以吃，則鳥類會長著細長的喙。 為什麼加拉帕戈斯群島上的鳥類和動物會如此適應它們的食物來源呢？一個想法開始在達爾文的腦海中萌芽。他發現加拉帕戈斯群島上的生物都是1000千米外南美大陸上一些常見物種的近親，這意味著它們都發源於南美大陸。但是，大陸上其他一些同樣可以居住在島上的動物和鳥類卻沒有出現在這裡。顯然，捉摸不定的風和洋流意味著只有一小部分生物能夠成功漂洋過海到達這裡。加拉帕戈斯群島是火山活動形成的，在幾百萬年前才從海底升起來，因此對於那一小部分到達這裡的生物來說，這裡就是一片處女地，於是它們的種群傳播開來，佔據了所有可用的生態位。例如，有一種雀鳥遷徙到整個群島區域，然後在每一...

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8章　原子 原子是大自然的字母表，將它們按不同的方式排列，就可以構成一朵玫瑰花、一個星系，或是一個新生的嬰兒。 假如由於某種大災難，所有的科學知識都丟失了，只有一句話可傳給下一代，那麼怎樣才能用最少的詞語來傳達最多的信息呢？……所有的物體都是由原子構成的。 ——理查德·費曼 公元前440年，古希臘哲學家德謨克利特(Democritus)拿起一塊石頭，或是一根樹枝，或是一枚陶片，沒人知道他拿的到底是什麼。但重要的是，他提出了這樣一個問題：“如果我把它切成兩半，再切成兩半，能不能永遠這樣切分下去呢？”德謨克利特的答案是否定的，他無法想象一個物體可以被無限細分下去。後來，他提出一定存在一種最小的物體，它無法被切成兩半。於是他借用希臘語中表示不可分割的單詞atomos，將這一物質的最小單位命名為“原子(atom)”。 人們發現原子存在的直接證據是很久以後的事了，但在此之前的千百年間，人們也積累了很多間接的證據。18世紀，瑞士數學家丹尼爾·伯努利(Daniel Bernoulli)提出，像空氣、水蒸氣這樣的氣體是由無數隨機飛舞的原子構成的。如果將氣體裝進容器中，這些原子就會撞擊容器內壁，就像冰雹砸在屋頂上一樣。它們會在容器內壁上產生一種力，這就是我們在宏觀上所感受到的一種平均的推力，或者說是壓力。 伯努利想象有一個圓柱體容器，裡面有一堵可移動的牆，或者說是活塞，那麼如果容器中的氣體體積被壓縮到原來的一半會發生什麼？伯努利認為，此時原子只需要飛行原來的一半距離就可以撞擊到活塞，因此原子撞擊活塞的頻率會變成原來的兩倍，即產生的壓力會變成原來的兩倍。如果有個人嘗試推著活塞不讓它彈回來，那麼他一定會感受到這一變化，因為他需要花更大的力氣才能讓活塞在容器中保持不動。同樣的道理，如果氣體體積縮小到原來的三分之一，壓力就會變成原來的三倍，以此類推。愛爾蘭物理學家羅伯特·波義耳(Robert Boyle)於1662年觀察到同樣的規律，這一規律因此被命名為“波義耳定律”。 接下來，伯努利想象對裝有氣體的容器加熱。由於加熱後原子的運動會變快（熱是原子的微觀運動），因此它們會更頻繁更猛烈地撞擊活塞，表現為氣體壓力上升。他的推理再一次與真實氣體的狀況一致。法國科學家傑克-亞歷山大-塞薩爾·查理(Jac...

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7章　量子理論 粒子可以表現出波的性質，波也可以表現出粒子的性質。 每週一、週三、週五我們講波動理論，週二、週四、週六我們講粒子理論。                   ——威廉·布拉格(William Bragg) 19世紀初，當物理學家們剛剛開始探索原子及其組成的時候，他們發現了一些難以置信的現象。構成世界的基本單位——原子、電子、光子等竟然會表現出兩種截然相反的性質。它們可以表現得像粒子，就像微縮的台球；也可以表現得像波，就像池塘水面上擴散的漣漪。 不要去糾結一個局部的粒子是怎樣像波一樣傳播出去的，真相是構成世界的基本單位既不是粒子也不是波，而是一種在我們的詞彙中不存在，也無法用日常生活中的任何東西進行類比的概念。也許這並不值得大驚小怪，畢竟原子那麼小，1000萬個原子排起來也就只有這句話結尾處的句號那麼寬，支配如此細微尺度的定律和支配我們日常世界的定律不一樣，這也很正常吧。 波動力學——它更廣為人知的叫法是“量子理論”，取得了異乎尋常的成功，它讓激光、計算機和核反應堆成了現實，也解釋了為什麼我們腳下的大地如此堅固以及為什麼太陽會發光發熱。量子理論不僅為我們提供了一種理解和構建事物的方式，同時也為我們打開了一扇窗，通向隱藏在現實背後的那個反直覺的、像愛麗絲仙境一般的世界。在那個世界中，一個原子可以同時存在於兩個地方，相當於你可以同時身處倫敦和悉尼；在那個世界中，事情可以毫無原因地發生；在那個世界中，兩個原子即便處於宇宙的兩端，也可以瞬時產生相互影響。 所有這些奇怪的現象都是因為構成世界的基本單位同時具有粒子和波的性質，而且它是雙向的：不僅波可以表現出粒子的性質，粒子也可以表現出波的性質。首先，讓我們來看一看如果波表現出粒子的性質會產生怎樣的結果。 1801年，英國物理學家和博學家托馬斯·楊(Thomas Young)設計了一個巧妙的“雙縫實驗”，並以此揭示了光是一種波。此前人們一直沒有注意到光具有波的性質，因為光的波長（從上到下，再從下到上振蕩一個週期所走過的距離）只有千分之一毫米，比一根頭髮絲的寬度還要小很多。但是，光除了可以表現出波的性質之外，還可以表現出一串光子的性質。1923年，美國物理學家...

第一性原理：21堂科學通識課 作者：[英]馬庫斯·喬恩 第6章　板塊構造 地殼並不是完整的一塊，而是由破碎的板塊拼接而成的，升騰的岩漿推動這些板塊相互擠壓碰撞。 為什麼日本頻發地震和海嘯？是上天的憤怒引發的嗎？不，那是地殼的板塊構造運動和碰撞的結果。板塊構造運動是地球調節內部溫度的機制，沒有引發地震的板塊運動，我們的星球也不可能存在生命。 ——亞當·漢密爾頓(Adam Hamilton) 曾幾何時，地質學家們認為地球表面只會上下運動以形成山脈等地形，後來他們發現原來地表還會橫向運動。地球表面其實是由不同大小的板塊構成的，這些板塊會緩慢地滑動、碰撞，或是一個板塊俯衝到另一個板塊的下方。這種板塊構造學說，直到半個多世紀之前還被認為是一種徹頭徹尾的異端。 1912年，德國氣候學家阿爾弗雷德·魏格納(Alfred Wegener)首先對地殼的情況有所察覺。早在1620年，英國政治家和哲學家弗朗西斯·培根(Francis Bacon)就注意到，從當時還不太準確的世界地圖上看，非洲的西海岸線與南美洲的東海岸線形狀驚人地相似。培根及其他人對於這種相似性只是停留在好奇的層面，並未進行深入的研究，但魏格納不一樣，他發現不僅這兩個大陸沿岸的岩石是相同的，而且連化石也是相同的。他由此得出結論，非洲大陸和南美洲大陸曾經是連在一起的，就像兩塊巨大的拼圖，後來它們才彼此分離，越漂越遠。 魏格納的“大陸漂移”理論在當時完全沒有得到重視，每次他提起這一理論都會遭到冷遇。雪上加霜的是，他無法提出大陸移動的合理機制，也無法解釋非洲大陸和南美洲大陸是如何跨越數千千米的海床到達現在的位置的。丹麥物理學家尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)曾說過：“你的理論是瘋狂的，但它是不是足夠瘋狂以至於成為真理呢？”[插圖]後來人們發現，魏格納的理論確實瘋狂到成了真理。不幸的是，他於1930年去世，數十年後人們才發現了確鑿的證據證明他的理論是正確的。 19世紀，人們在鋪設歐洲和美國之間的跨大西洋海底電報電纜時，在大西洋中部發現了一條奇怪的山脊。[插圖]20世紀60年代，美國海軍的聲吶探測顯示它不是一條普通的山脊，而是一座縱貫大西洋的巨大山脈，北起冰島，南至馬爾維納斯群島，綿延1萬千米。 通過測量海床岩石的磁場，人們發現了隱藏在這座縱貫大西洋的海底山脈之下的線索。這些岩石是由遠古火山噴出的岩漿凝固...

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5章　熱力學第二定律 讓東西無序的方式總比讓東西有序的方式多得多，如果每種方式概率均等，那麼世界一定會從有序逐漸變為無序。 讓貓從包里出來比把它放回包里可要容易多了。 ——威爾·羅傑斯(Will Rogers) 熱力學第二定律能夠解釋為什麼城堡只能坍塌不能自行復原，為什麼雞蛋只能打碎不能自行拼合以及為什麼人只能長大而不能變年輕。你可能會說，這些問題根本不需要解釋，因為它們都是理所當然的事情。不過，對物理學家來說，沒有什麼事是理所當然的。實際上，在19世紀末之前，完全沒有人能解釋這些問題。 令人迷惑的地方在於，支配世界運行的物理學基本定律同時允許一個過程正向和反向發生。以引力定律為例，如果給你看一段衛星圍繞行星公轉的視頻以及這段視頻倒序播放的版本，你怎麼知道哪個版本反映的是現實呢？引力定律可以讓衛星沿一個方向公轉，也可以讓衛星沿相反的方向公轉，兩者是同等合理的。相對地，如果給你看一段花瓶摔成碎片的視頻以及一段碎片飛起來重新組成完整花瓶的視頻，顯然你知道前者反映的是現實而後者不是。但為什麼會這樣呢？支配衛星運動的定律在時間上是對稱的，而花瓶是由原子組成的，那麼支配原子運動的定律在時間上怎麼就不是對稱的了呢？ 顯然，在組成花瓶的原子尺度以及花瓶的尺度之間，一定發生了某件事，而且這件事在時間上一定是單向的。幸運的是，我們並不需要深入原子的尺度去尋找答案。 想象一個摔碎的花瓶。它可以碎成1塊大的和10塊小的，也可以碎成2塊大的和5塊小的，還可以碎成100塊很小的。實際上，花瓶破碎所可能形成的情況有很多種。現在想象一個完整的花瓶，它有一種且只能有一種情況能保持完整。因此，如果所有這些情況發生的概率均等，那麼花瓶幾乎只能從完整變成破碎，因為花瓶破碎的方式相比保持完整的方式來說實在是壓倒性的多。 本章開頭所提到的幾個例子，如城堡坍塌、雞蛋打碎、年齡增長，它們都有一個共同點，都是從有序狀態向無序的狀態發生變化。這些變化之所以會發生，是因為所有事物變無序的方式比變有序的方式要多得多。 無序總是在增加，或者說，至少無序永遠不會減少，於是便得到了熱力學第二定律。物理學家和小說家C·P.斯諾(C.P.Snow)說：“不知道熱力學第二定律如同從未讀過莎士比亞的作品。”[插圖] 實際上，物理學家使...

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4章　太陽為什麼是熱的 因為它的質量非常大。 太陽是一塊燃燒的石頭，它比希臘要大一點。 ——阿那克薩哥拉(Anaxagoras)，公元前434年 太陽之所以是熱的，原因非常簡單：因為它的質量非常大。就像自行車打氣筒中的空氣會因被壓縮而變熱一樣，太陽中所有物質的龐大質量擠壓著其內核中的物質，所以太陽也就變熱了。太陽的核心溫度高達1500萬攝氏度，在如此高的溫度下，所有物質都被分解為一種被稱為等離子體的狀態。因此，雖然太陽是由大約1000億億億噸氫和氦構成的，但如果你把1000億億億噸烤豌豆罐頭或是1000億億億噸電視機堆在一起，它們也能像太陽一樣產生1500萬攝氏度的高溫。 由於太陽的溫度僅取決於其龐大的質量，因此即便完全不知道太陽的能量來源是什麼，我們也可以在探索太陽內部結構方面取得一些驚人的成果。[插圖]1920年，英國天體物理學家亞瑟·愛丁頓(Arthur Eddington)就做到了。他提出，由於太陽是一個巨大的氣體球，它既不膨脹也不收縮，因此在其內部任意位置上，向內的引力一定是與高溫氣體產生的向外的推力完全平衡的。他據此推測出太陽內部各層的性質變化，從結果上說，他“看見”了太陽的內部結構。 但是太陽的質量只能解釋為什麼它在此時此刻是熱的，而它每時每刻都在向宇宙空間釋放熱量。太陽的溫度沒有因此而下降，這意味著有什麼東西在不斷產生熱量，其速率與太陽散失熱量的速率一致。這個問題一度令科學家感到困惑。天王星的發現者威廉·赫歇爾(William Herschel)之子亨利·赫歇爾(Henry Herschel)寫道：“這個巨大的奧秘……是思考太陽這團巨大的火球是如何維持燃燒的。化學上的每個發現都令我們愈發睏惑，甚至讓原本有可能的解釋也變得希望渺茫。” 在19世紀那個蒸汽時代，物理學家們都思考過太陽是不是一堆巨大的煤炭。雖然沒人能夠解釋煤炭燃燒所需的氧氣是從哪裡來的，但是他們計算出，如果太陽的燃料是煤炭的話，它頂多只能燃燒5000年。當時，無數地質學和生物學證據都表明，地球的年齡遠不止5000年。今天，通過測定隕石——地球的建造者從它誕生之初遺留到現在的碎石，我們得知地球的年齡約為45.5億年，由此便可推測出太陽的年齡也是這個數量級，這差不多是煤炭太陽可維持燃燒時間的10...

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3章　全球變暖 二氧化碳等分子吸收地表輻射出的熱量，並將其積蓄在大氣層中。 地球可能很快就會變得像金星一樣。             ——史蒂芬·霍金(Stephen Hawking) 地球大氣層中的某些氣體分子能夠積蓄地表散發出的熱量，正是因為有了它們，地球才不至於被凍住，使得生命的誕生成為可能。實際上，如果沒有最重要的蓄熱氣體——水蒸氣，我們的地球就會變成一顆平均氣溫只有零下18攝氏度的大冰球。 我們周圍的空氣並不是一副冷面孔，而是會被太陽光加熱，這一點是在1856年由一位鮮為人知的美國科學家尤妮斯·富特(Eunice Foote)發現的。富特本來姓牛頓，她的父親小艾薩克·牛頓(Isaac Newton, Jr.)正是那位發現萬有引力定律的著名英國物理學家艾薩克·牛頓的遠房親戚。富特在一些長玻璃管中充入氧氣、氫氣等不同氣體，並在其中插入溫度計。她將這些玻璃管放在太陽下曬，發現在所有氣體中，水蒸氣和二氧化碳，她稱之為“碳酸”，升溫幅度最大。她由此推測，大氣中這兩種氣體含量的變化，也許會導致氣候變化。富特因此成為史上第一個指出這種聯繫的人。 愛爾蘭物理學家約翰·丁達爾(John Tyndall)在不知道富特的發現的情況下，於三年後獨立確認了這一事實，更重要的是，他還將這一研究向前推進了一步。富特並沒有確定是來自太陽的可見光直接加熱了空氣，還是太陽光先加熱了地表，然後地表輻射出的不可見的紅外線加熱了空氣。丁達爾製作了一個紅外輻射源，這是一個裝滿開水的銅制立方體（稱為“萊斯利立方體”），並以此證明瞭水蒸氣和二氧化碳並不直接吸收太陽光，而是吸收地表輻射出的紅外線。回想起來，空氣並不是直接被太陽光加熱的這一事實並不奇怪。畢竟幾乎所有人都知道，大氣是透明的，它並不吸收可見光，否則我們怎麼能透過大氣看到太空中的日月星辰呢？ 所以事情是這樣的，白天來自太陽的可見光一路穿過大氣層加熱地表，然後熱量以紅外線的形式輻射出來，被大氣中的水蒸氣和二氧化碳吸收（見圖3-1）。丁達爾寫道：“大氣層允許太陽的熱量進入，卻限制熱量的離開，這導致熱量積蓄在地球表面。”顯然，這就是著名的“溫室效應”，雖然這個名字並不恰當。在溫室中，空氣升溫主要是...

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2章　電 利用這種是引力1040倍的力，我們為全世界提供能量。 那就拿一瓶閃電、一隻乾淨的大酒杯和一隻開塞鑽進來吧。      ——查爾斯·狄更斯(Charles Dickens)       電為全世界數十億人的家中帶來了光明，還為洗衣機、電視機和手機提供能量。未來，電還有可能成為飛馳在路上的數十億輛汽車的能量來源。電之所以能做到這一切，只有一個原因：它代表了大自然極其強大的力量。 為了感受電的強大力量，我們先來看一隻蚊子。和你我以及世間萬物一樣，蚊子也是由原子構成的（參見第8章），其中原子核帶正電，核外電子帶負電。異性相吸，正是原子核與電子之間的吸引力使得原子得以維持其結構。現在假設有一種神奇的力量能夠讓蚊子中的所有電子消失，只剩下帶正電的原子核。由於同性相斥，這些原子核會一哄而散，蚊子就會被炸成碎片。而引發蚊子爆炸的能量十分巨大，一個火花、一捆炸藥甚至是一顆氫彈的能量都無法與之相提並論，這種能量堪比導致全球生物大滅絕的能量，即相當於6600萬年前那顆一座城市般大小的小行星撞擊地球導致恐龍滅絕時所釋放的能量！ 之所以會產生這樣的結果，是因為電磁力十分強大，其強度是引力的1040倍（參見第1章）。但值得一提的是，我們並不會注意到這種十分強大的力，因為在日常物質中，正電荷和負電荷的數量是相等的，這使得電的排斥力和吸引力達到一種精妙的平衡，兩者相互抵消。這就是為什麼當你在街上和另一個人擦肩而過時，並不會被其吸引或者排斥，甚至根本不會感受到這種強大的力一絲一毫的跡象，即便它是你們之間的引力的1040倍。 然而，如果有可能製造出電荷的不平衡，就像剛才提到的蚊子一樣，我們就可以釋放出電的強大力量，而這正是電能夠為世界提供能量的秘密。積雨雲中就存在這種電荷的不平衡，也正是它導致了閃電的放電現象。發電廠也會製造出電荷的不平衡，從而產生電流，即電荷的流動，來為我們的世界提供能量。 電與磁存在本質上的聯繫，但卻很少有人注意到這種聯繫。因此當1820年，丹麥物理學家漢斯·克里斯蒂安·奧斯特(Hans Christian Orsted)發現這一聯繫時，科學家們都感到十分震撼。奧斯特在為學生上課時，發現有電流流過的導線讓附近的磁針發...