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今天我們將送出由磨鐵出版社 提供的優質科普書籍 《上帝擲骰子嗎？》 。

19世紀到21世紀，一批科學巨人顛覆經典物理大廈，為宇宙終極理論而戰，而量子物理大大 改變了人類歷史的發展進程。如果要了解量子物理，《上帝擲骰子嗎？》你一定不能錯過。本書被稱為中國的《時間簡史》，出版至今，獲過：“科學時報讀書杯最佳科普創作獎”、“第三屆吳大猷科普獎”、“國家圖書館文津圖書獎”、 “40年中國最具影響力的40本科學科普書”等一系列獎項，創科普類圖書強大口碑。

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作者：K·C· Cole

翻譯：loulou

審校：Automan-Ex

阿爾伯特•愛因斯坦(Albert Einstein)的百年洞見所結出的耀眼果實如今已深深嵌入大眾的想像之中：黑洞、時空扭曲和蟲洞經常作為情節點出現在電影、書籍和電視節目中。與此同時，它們推動了前沿研究，幫助物理學家提出許多有關空間、時間甚至信息本身的問題。

諷刺的是，愛因斯坦的遺產中最具革命性的部分卻很少受到關注 。它沒有引力波的轟動，沒有黑洞的吸引力，甚至沒有夸克的魅力。但隱藏在所有這些奇異現象背後的是一個看似簡單的想法，它拉動科學的槓桿，顯示出各個部分是如何組合在一起的，並照亮前方的道路。

這個想法是這樣的：某些改變不會改變任何事情。大自然的最基本的部分是保持不變的，即使它們似乎在以意想不到的方式改變後呈現在我們眼前。例如，愛因斯坦1905年發表的相對論論文得出了一個不容置疑的結論，即能量和質量之間的關係是不變的，儘管能量和質量本身可以有截然不同的形式。太陽能抵達地球，以綠葉的形式大量存在，創造出我們可以吃的食物，並作為思考的燃料。(“我們的思想是什麼？這些具有意識的原子是什麼？”已故的理查德·費曼說道，“是來自上週吃的土豆！”）。這就是E = mc ² 的意思。c代表光速，一個非常大的數字，所以不需要太多的物質就能產生大量的能量；事實上，太陽每秒將數百萬噸的質量轉化為能量。

物質無窮無盡地轉化為能量(反之亦然)，為宇宙、物質和生命提供動力。然而，經歷了這一切，宇宙的能量物質的量從未改變。這很奇怪，但卻是事實：物質和能量本身並沒有它們之間潛在的關係那麼基本。

我們傾向於認為現實的核心是事物本身，而不是他們之間的關係。但大多數情況下，情況恰恰相反。布朗大學(Brown University)物理學家斯蒂芬·亞歷山大(Stephon Alexander)說：“這不是問題所在。”

愛因斯坦指出，對於像空間和時間這樣的“物質”，似乎是自然界中穩定的、不可改變的部分；事實上，空間和時間的關係總是保持不變，即使空間收縮和時間膨脹。就像能量和物質一樣，空間和時間是哪些更深層次的、不可動搖的基礎的可變表現：這些基礎的東西無論如何都不會改變。

“愛因斯坦的深刻觀點是，空間和時間基本上是由正發生的事情之間的關係建立起來的，”物理學家羅伯特迪傑格拉夫(Robbert Dijkgraaf)說。

最終對愛因斯坦的遺產影響最大的關係是對稱性。科學家們經常把對稱性描述為不會真正改變任何東西的變化，不會產生任何影響的變化，不會改變深層關係的變化。在日常生活中很容易找到例子。你可以把一片雪花旋轉60度，它看起來還是一樣的。你可以在蹺蹺板上調換位置而不會破壞平衡。更為複雜的對稱性指引了物理學家們發現了從中微子到夸克等粒子，甚至愛因斯坦自己也發現了萬有引力是時空的曲率，現在我們知道，時空的曲率可以自我捲曲，縮進黑洞。

阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論手稿的第一頁

在過去的幾十年裡，一些物理學家開始質疑關注 對稱性是否仍然像過去一樣富有成效。基於對稱性理論預測的新粒子在實驗中並沒有如人們所希望的那樣出現，而且被探測到的希格斯玻色子太輕，無法符合任何已知的對稱結構。對稱性也還沒有解釋為什麼引力如此微弱，為什麼真空能量如此之小，或者為什麼暗物質仍然是透明的。

“在粒子物理學中，有一種偏見是認為對稱性是我們對自然描述的根源，”賓夕法尼亞大學(University of Pennsylvania)物理學家賈斯汀·庫裡(Justin Khoury)說。“這個想法非常強有力。但誰知道呢？也許我們真的必須放棄這些行之有效且美麗珍貴的原則。所以現在是一個非常有趣的時刻。”

光

1905年，愛因斯坦在撰寫他的第一篇相對論論文時，並沒有考慮到不變性或對稱性，但歷史學家推測，他在瑞士專利局任職期間與物理界的隔絕，可能幫助他看穿了人們習以為常但又無用的問題。

和他那個時代的其他物理學家一樣，愛因斯坦也在思考一些看似不相干的難題。詹姆斯·克拉克·麥克斯韋方程揭示了電場和磁場之間的密切聯繫，但在不同的參照系中，無論觀察者是在運動還是靜止，其結果看起來都是截然不同的。此外，電磁場在空間中傳播的速度幾乎與實驗中反複測量的光速完全吻合——無論如何，光速都不會改變。觀察者可以朝著光跑，也可以從光中衝出去，速度沒有變化。

愛因斯坦把這些點聯繫起來：光速是電場和磁場之間對稱關係的可測量表現——這是一個比空間本身更基本的概念。光的傳播不需要任何介質，因為它本身就是運動中的電磁場。“靜止”的概念——由艾薩克·牛頓提出的靜態的“絕對空間”——是沒有必要且沒有意義的。“這裡”或“現在”這兩個概念並不是普適的：對一個觀察者來說不同事件可能同時出現，但對另一個觀察者來說則不是如此，而且兩個觀察者的觀點都是正確的。

追逐光束產生了另一種奇特的效果，即愛因斯坦第二篇相對論論文的主題，“一個物體的慣性是否取決於它的能含量？”答案是肯定的。你追得越快，就越難再加速。變化產生的阻力在光速下變得無窮大。因為阻力是慣性，慣性是質量的度量，所以運動的能量轉化為質量。“質量和能量之間沒有本質區別，”愛因斯坦寫道。

愛因斯坦花了好幾年的時間才認識到，空間和時間是交織在一起的一個時空結構，不可分割。“他仍然沒有以一種完全統一的方式思考時空，”麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)的物理學家和科學歷史學家戴維·凱澤(David Kaiser)說。

統一時空是一個很難理解的概念。但是，如果我們思考一下“速度”的真正含義，它就開始變得有意義了。光速和任何速度一樣，都是一種關係——隨著時間的推移而移動的距離。但是光速是特殊的，因為它不能改變；你的激光束不會因為從一個高速運行的衛星上發射而前進得更快。因此，對距離和時間的測量必鬚根據一個人的運動狀態而改變，從而導致所謂的“空間收縮”和“時間膨脹”效應。不變的是：無論兩個人相對於對方的速度有多快，他們總是測量相同的“時空間隔”。坐在辦公桌前，你穿越了時間，但幾乎沒有穿越空間。宇宙射線以接近光速的速度飛越遙遠的距離，但幾乎不穿越時間，永遠保持一開始的狀態。這些關係是不變的，不管你怎麼改變其他要素。

引力

 

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