《现实不似你所见》｜世界的本质究竟是什么？

核心书摘《现实不似你所见》

打破了传统科普教材以发展史为轴或者以科学家为线的逻辑，作者巧妙地使用了量子引力物理的发展史，抽取每个历史阶段的核心概念，再以概念阐发出相关发展过程中的哲学家、物理学家的相关脉络。

作者在书中诗意而富理性的解说表明，理论所描述的世界与我们熟知的世界大相径庭，更好地理解世界需要与直觉相违背。作者凭借自己的强大功力将艰深的物理诠释得简洁、优雅且不乏浪漫，深入其中，读者可以跟随他度过一段摆脱常识的奇妙旅程，抵达视线之外未经探索之地，亲眼见证无限世界的神秘与优美。

关于作者

卡洛·罗韦利，意大利理论物理学家，圈量子引力理论的开创者之一。曾在美国、意大利工作，现在法国带领量子引力研究小组。著有畅销书《七堂极简物理课》，被译为40多种语言，因“让物理变得更性感”而被誉为下一个“史蒂芬·霍金”。

本书鲜知

学什么？如何在不确定性中，看到世界的另一面

世界的基本组成部分是什么？时间和空间真的存在吗？现实的本质是什么？如果你也对这些问题感兴趣，那么《现实不似你所见》绝对不可以错过，翻开它，你就看到了人类正在探索世界的全新图景。

这本颠覆你“三观”的科普畅销书将以优雅易懂的方式带你踏上这场探索现实之旅：从德谟克利特到爱因斯坦，从法拉第到引力波，从经典物理到量子引力……通过介绍现实的概念是如何随时间变迁的，今天的物理学家又是如何理解宇宙的结构的，作者为我们讲述了如今量子引力研究中正在显现的世界图景，也注意到自然所给出的最新提示，同时也讨论了相关理念的推论：空间的分立结构；时间在小尺度的消失；大爆炸的物理学；黑洞的起源，以及信息在物理学基础中的重要作用。

这本书不仅揭示了事实，也想要清楚地表达出一种观点：科学里真正重要的是科学所提供的对世界的理解，是以越发开阔的观点解读世界。

你还会发现

· 经典物理学的三大支柱是什么；

· 量子论是怎样从因果关系上颠覆整个物理学的；

· 怎样理解量子物理学中的“不确定性”。

一、谁动摇了经典物理学大厦的根基

在19世纪末，经典力学、经典电动力学和经典热力学已经发展到相当完善的阶段，它们构成了经典物理学的三大支柱，构建起了一座华丽雄伟的物理学大厦。

当时的物理学家们，已经开始倾向于认为所有的物理现象都可以用经典物理学来解释，物理学上不会再有什么真正激动人心的发现了。但是，在19世纪的最后几年里，发生了一连串意想不到的事情，让经典物理学大厦的根基开始动摇了，这到底是怎么回事呢？

原来，在19世纪末的时候，很多物理学家都在研究黑体辐射的问题，研究黑体辐射简单来说，就是在研究物体的温度和辐射能量之间的关系。经过物理学家们艰辛的努力，终于得到了两套公式，但问题是，这两套公式中，其中一套公式只对电磁波的短波有效，另一套公式只对长波有效，所以这中间肯定是出了一些问题。

这个时候，量子理论的奠基人德国物理学家马克思·普朗克登场了。当时，普朗克的大学导师还劝他说物理学体系已经非常成熟了，不会再有什么大的发现了，建议他去研究其他的学科。幸亏当时普朗克没听他的话，否则量子力学能不能发展起来还真不好说。

在1900年的时候，普朗克已经研究黑体辐射好几年了，但一直没搞出什么名堂来，于是，他决定换个思路，先不管各种各样的假设和推导，先用数学方法把已经得出的关于黑体辐射的两套公式拼起来再说。

结果几天的钻研，普朗克真把这两套公式组合成了一个，这就是著名的“普朗克黑体公式”。又经过了一段时间的研究，普朗克终于发现，如果要让这个公式成立，就必须做一个假设，那就是：能量在发射或者吸收的时候，不是连续不断的，而是必须分成一小份一小份的。也就是说，能量不是可以无限分割的，而是有一个最小单位，这个最小单位，后来就被命名为“量子”。

就是这个“量子”的假定，最终推翻了整个经典物理学的大厦，也彻彻底底地改变了人类对世界的认识。

那么普朗克提出的量子论是不是正确的呢？起码用现在的科学眼光来看，它是正确的。咱们就以光电效应为例来进行一下验证。科学家研究发现，如果用光来照射金属，金属就会产生微弱的电流，也就是说，有光照时，金属会发出电子。但奇怪的是，光能不能产生电子，跟光的强度无关，只跟光的频率有关。

比如频率高的紫外线，就可以产生出电子，频率低的红光、黄光，就一个电子都没有，无论这个红光和黄光多强都不行。这个当时科学家都不能解释的现象，就是所谓的“光电效应”。

之后爱因斯坦用量子理论成功地解释了光电效应，他的核心逻辑是频率更高的光线，比如紫外线，它的单个量子所蕴含的能量比较高，而频率低的光线，单个量子蕴含的能量低。对于低频率的光来说，它的量子能量不足，根本就激发不出电子，无论这个光多强都没用。也就是说，光也是以量子的形式来吸收能量的，没有连续性，也不能积累。凭借着对光电效应的解释，爱因斯坦最终获得了诺贝尔奖。

现在我们大致可以了解，先是普朗克通过研究发现，能量的传输并不是连续的，而是有一个最小单位，这就是量子，由此建立了量子力学的基础，后来爱因斯坦对光电效应的研究进一步证实了这一结论，由此整个经典物理学大厦的根基开始松动了。

二、万物运行的规律真的是可预测的吗

随着量子论的不断发展，物理学展现出了越来越多让人费解的问题。跟以前不同的是，很多物理学上的定义，都是通过数学推导才发现的。在经典物理学研究中，通常都是先掌握了物理量的定义，然后才能在这些物理量之间建立数学关系。比如我们先知道了什么是力，什么是质量和加速度，然后才能发现，力等于质量乘以加速度。但是在量子物理学领域，经常是科学家们先用数学方法算出一个函数或者方程，然后才去寻找这个函数究竟是什么意思。

奥地利物理学家薛定谔的研究就是这样的。最早的时候，薛定谔在研究原子的过程中，得到了一个名震物理学界的方程式，叫“薛定谔波动方程”。这个方程里有一个用希腊字母“普西”（Ψ，psi function）命名的函数，它代表电子在空间中的分布，但人们并不知道它明确的物理意义到底是什么。

薛定谔本人认为，普西函数的物理意义，是电子在空间中的实际分布。什么意思呢？就是说，如果我们把电子或者光子这些微观粒子放大来看的话，就会发现，它们不是一个个小点，而是在空间中融化开来了，就好像是涂在面包上的黄油那样。

这个“普西”，就是代表电子的这种实际的位置分布。但另一位诺贝尔物理学奖获得者马克思·波恩却认为，薛定谔的这个解释是错的。他提出了一个独特的预言，说普西函数代表的不是电子的实际分布，而是代表一种随机分布，也就是电子在某个位置出现的概率。

到底谁是对的呢？我们还是来听一个著名的实验，也就是电子的双缝干涉实验。双缝干涉实验是一种演示光子或电子等微观物体的波动性与粒子性的实验。这个实验的主要逻辑是：在一台发射仪器和一个感光屏中间用一块有两条缝的板子隔开，然后从仪器发射出一个电子经过有缝的板子投到感光屏上，通过观察每次电子出现在感光屏上的位置来研究电子分布的规律。

观察发现，当发射的电子很少时，感光屏上显示的电子分布是散乱的，毫无规律。但如果我们发射大量的电子，就会发现，感光板上有些地方亮一些，有些地方暗一些，亮的地方就是电子出现概率高的地方，暗的地方就是电子出现概率低的地方，而且每次的明暗分布都是有规律的。所以，虽然我们没法确定单个电子的位置，但却可以计算出大量电子会组成怎样的图案，因为电子的随机分布符合数学规律。

所以，我们就知道在这个问题上，薛定谔错了，波恩才是对的。我们根本无法得知电子的实际位置，只能预言电子的出现概率。这个结论意味着，量子论彻彻底底地从最根本的因果关系上颠覆了整个物理学。

伽利略、牛顿这样的伟人，建立起了经典物理学的大厦，向人们解释了世间万物的运行规律，并且预言了未来。在这个基础上，人们可以完美地预言几时几分几秒会出现日食，掌握现实世界运动的基本规律。

如果用经典物理学的眼光来看世界，一切事物之间都是有因果联系的，宇宙就像是一台精密的机器，所有零件都按照规则运行。只要我们掌握了足够多的规律，拥有足够强的计算能力，那么整个宇宙里所有事物的过去和未来，都应该尽在掌握。

但量子力学对微观粒子的研究却发现，世界的运行规则跟我们想象的完全不同。即使我们掌握了电子的初始状态，拥有最强大的计算工具，考虑了所有可能的影响，也不可能准确预言电子的位置。更重要的是，这不是因为我们的能力不足，而是大自然从根本性质上就是不可预测的。在量子力学中，概率是深藏在世界底层的根本性质，所以我们才说，现实生活中的很多事情并非你所见到的那样。

这部分内容我们总结一句话就是：物理学家通过对微观粒子的研究发现，粒子的分布并不是确定的，而是一个随机事件。我们不能确定粒子的位置，只能掌握粒子出现的概率。 

三、我们生活的世界真的客观存在吗

通过上面的解读，我们已经知道即使完全确定了一个电子的初始状态，也无法预测电子出现的位置，但物理学上的争论还没有结束，另一位物理学巨匠沃纳·卡尔·海森堡后来提出，我们甚至连完全确定电子的初始状态这一点，也是做不到的。

海森堡在研究量子力学的过程中，使用到了一种很不常见的数学方法，通过推导之后，发现了一个奇怪的方程，这个方程简单点说就是如果用英文字母P来代表电子的动量，Q来代表电子的位置的话，那么P乘以Q最终不等于Q乘以P，简单理解就是3×7=21，但是反过来，7×3不一定等于21，也就是说，它不符合我们熟知的数学中的乘法交换律。

海森堡被这个方程困扰了很长一段时间，一直不明白这背后究竟有什么物理意义。直到有一天，他做出了一个大胆的猜测，他猜测这代表着，观测电子的动量，就会影响电子的位置；反过来，如果观测电子的位置，也会影响电子的动量。

之后海森堡通过数学计算，终于确认了自己的猜想，也就是测量动量的误差和测量位置的误差，二者的乘积一定大于某个常数。换句话说，如果我们对动量的测量越精确，那么对位置的测量就越不精确；反过来也是一样，对位置的测量越精确，对动量的测量就越不精确。这个原理，就是著名的“海森堡测不准原理”，更准确地说，应该叫“不确定性原理”。

后来，科学家们进一步研究发现，能量和时间，也存在着这种不确定性的互补关系。如果能量测量得越精确，时间就越模糊；如果时间测量得越精确，能量就会开始起伏不定。各种物理量都遵循着海森堡的不确定性原理，此起彼伏，难以捉摸。而且，不确定性原理其实告诉了我们一个现实，那就是我们的观测行为本身，会影响我们观测的结果。采取不同的观测方式，会观测到不同的结果。

我们来举一个中国古代的例子。唐代有个高僧叫一行，俗家本名叫张遂，他精通天文、历法，是中国古代杰出的天文学家。唐玄宗开元十二年，也就是公元724年，一行和尚奉唐玄宗旨意修改旧历，他在全国设立了十二个观测点，组织了我国古代第一次天文大地测量。

这次测量，北起北纬51度的铁勒回纥[huí hú]部（唐朝的瀚海都督府，今蒙古乌兰巴托西南的喀拉和林附近），南达北纬17度的林邑（今越南河内一带），以黄河为中心，观测点遍及今天的湖南常德、湖北襄樊、山西太原和河北蔚县等很多地方，是一次史无前例的、世界罕见的测量工程。在测量中，一行和尚运用传统的立竿测影的方式，测算了天球（为研究天体在天空中的位置和运动而假想的圆球）的大小，发现整个天球的直径才5万多公里。

这个数据显然太小了，可是这个数据是用立竿测影方式测取，然后运用严谨的数学方法计算出来的，从理论上来说是无懈可击的。那问题到底出在哪里呢？

一行和尚认为，之所以会出现这种情况，是因为视觉是有局限的，在远距离观测时，这种局限导致了观测结果的不可靠。一行禅师做了一个思想实验，他从参照物近大远小的常识出发，推论出当距离远到一定程度时，就会产生视觉错觉，所以对观察对象难以进行准确的分辨。

而且一行的思想实验，还隐含了一种认识，那就是远距离观测时，视觉局限的产生是由于光线在这种条件下的传播，不遵循直线传播的原理，这一思想后来被明末清初的学者方以智发扬光大。方以智进一步研究发现，光在传播的过程中，受到障碍物阻挡时，会偏离直线方向，这时视觉是不可靠的，因此在光不是直线的时候，会出现“测不准”。这种解释就是量子物理学里的波粒二象性。

从一行和尚到方以智，他们以“光行曲线”导致视觉错觉立论，从而推算出测算结果的失真，这和量子理论中的不确定性观念已经相当接近了。

那么，量子物理这种不确定性意味着什么呢？这意味着在量子世界里，没有一个绝对客观的实体或者外部世界。在经典物理学中，我们认为有一个客观实在的世界，即使我们还没有对这个世界有清晰的认识，那也是我们自己的问题，世界本身绝对是客观实在的，不以我们的意志为转移。

但在量子力学中，情况就完全不同了，一切都跟测量行为挂上了钩，观测对象和被观测对象融为一体，相互影响，主客体之间的界限消失了。也就是说，物理学或者其他科学，都没法去研究一个所谓的“客观实在”的世界，人类并不知道宇宙的客观本质是什么，只知道我们观测到的宇宙是什么样的，任何事物都只有在被观测的时候才有意义。

总之，量子物理学中的“不确定性”告诉我们，观测行为本身，是会对测量结果造成干扰的。我们不能说世界的本质是什么样的，只能说我们观测到的世界是什么样的，甚至可以说，可能根本就不存在一个客观实在的世界，这就是量子力学对三观的颠覆。

总结

以上就是《现实不似你所见》这本书的主要内容，在这本书里，我们首先讲到了量子理论是如何冲击经典物理学的。经典物理学认为一切的自然过程都是连续不断的，但量子物理学发现，能量的传输是有一个最小单位的，这个单位就是“量子”，许多自然过程都不是连续的。这种非连续性的概念，让经典物理学的大厦摇摇欲坠。

接着，通过对微观粒子的研究发现，我们不能确定粒子的位置，只能掌握粒子出现的概率，粒子的分布是一个概率事件。

最后讲到的是量子物理学中的“不确定性”。也就是说，我们无法同时准确地测量电子的位置和速度，位置越精确，速度就越不精确，反过来也一样。而且，我们的观测行为本身，也会对测量结果造成干扰。这么一来，观测者和观测对象的界限就被打破了，我们发现自己无法把握世界的本质，甚至根本就不存在一个客观实在的世界。

所以，眼见未必为实，现实也未必如你所见。

恭喜你和“今今乐道”读书会一起读完了你生命中的第2147本书，希望今天的内容能给你有益的启发。（拆书人：越读者）

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