万物与虚无

The Story of Everything

现在的人们已经知道，如果说整个宇宙是一片海滩，那么其中的恒星会多似其中的沙粒，我们的太阳，也不过其中一粒普通的沙子。

但是身处其中一颗沙粒之上的我们，居然能够描绘出整个海滩的模样，这对于人类而言简直是个奇迹。这次就让我们打开这神奇的画卷。

1. Copernicus：薄壳天球

这一切都要从哥白尼的日心说开始说起。哥白尼在提出日心说之后，认为太阳系以外的天体都位于一个薄壳天球上，这个天球固定且静止。

2. Thomas Diggers：无尽宇宙

但是1572年出现的一颗超新星（supernova）引起了狄格斯的注意，这个超新星在当时的天空中，比金星还亮，甚至白天都可以看见它。但是当狄格斯开始着手研究这颗星星的时候，它却开始变暗了。

狄格斯的老师认为，这可能是星星在运动的原因：星星在靠近我们时会变亮，远离时变暗。尽管老师的理论并不正确，这却很好的启发了狄格斯。狄格斯在哥白尼的基础上，提出了自己的想法：恒星分布在一个没有尽头的空间里，静止且无限（Stars are in endless space , static and infinite）。

这时就有了奥伯斯详谬（Olber’s Paradox）：如果在这个无尽的宇宙中有无数的恒星，那么为什么晚上会是黑的？（If this infinite universe contained an infinite number of stars, then why was it dark at night?）

要理解奥伯斯详谬，首先要明确一点：太阳也是恒星（star）。因此，如果在无穷的宇宙中静止分布有无尽的恒星，那么它们所散发出的星光，早晚会有一天到达地球，那么我们的夜晚就应当亮如白昼，可事实却并非如此，所以狄格斯对于宇宙的描述并不完备。

3. William Hershel& Caroline：银河系示意图

要想更好的描述宇宙，最简单直接的办法时观察它。

赫谢尔和他妹妹兼助手卡罗琳在牛顿望远镜的基础上，利用不同的金属组合加强镜片的反光效果，观察到了更深的宇宙。他们通过观察发现了天王星（Uranus），同时他们尝试将宇宙所有的星星都标绘下来，换言之，给万物画一张画像（try to map all the stars in the universe, draw a picture of everything）。

1785年，赫谢尔发布了第一幅宇宙的画像。在我们今天的观点看来，这是一张以太阳为中心，银河系的示意图。不难发现，这幅图似乎是有边缘的，就在他们开始为发现万物的边缘而狂喜时，他们发现边缘之外似乎还有其他星系。像我们一样巨大的星系，它们存在于更深的地方（gigantic galaxies of stars like ours, that actually existed in deep space）。但是由于当时对于天体距离缺乏有效的测量手段，他们的想法难以得到证实。

第一幅宇宙的画像

4. Friedrich Bessel：恒星视差

贝塞尔利用视差原理，探索出恒星视差测量天体距离的办法，他用这种方法测定了天鹅座61的距离。

这种测量方法的原理如图所示，通过地测量球公转直径两端的不同两点观测同一天体的仰角，结合地球公转直径（约3亿公里），即可解出天体距离地球的距离。

这种测量方法非常巧妙，让地球上的人们能够用笔尺丈量星辰。但是当要测量远于地球直径100万倍的天体时，误差就会变得非常大，而这只是银河系的一小部分。人们需要更加精确的测量方法。

恒星视差原理图（图源自网络）

5. Henrietta Leavitt：造父变星

在哈佛工作的莱维特提出了她的解决方法。莱维特在给恒星标注星等的工作中，发现了一种造父变星(Cepheid variable stars)的特殊天体，这种天体的亮度和自身闪烁的速度有着紧密关联（their brightness was precisely related to the speed they blinked.）。利用这种特殊的天体，人们可以通过寻找与造父变星等闪烁速度的天体，判断出其与造父变星绝对星等相同，进而对比二者视星等，即计算出星体的距离。

莱维特这种方法可以测量位于恒星视差测量范围之外的星体，但是由于她的女性身份，她并不能将她的理论付诸实践、

6. Edwin Hubble：宇宙岛

这一实践将由伟大的天文学家哈勃来完成。

1923年，哈勃发现了仙女座（the Andromeda Nebula），并利用其中一颗今天被称为哈勃造父变星（Hubble Cepheid）的星体测量出了仙女座的距离。测量结果令人震惊，仙女座笔银河系最远的距离还要遥远许多倍。现代科学测量告诉我们，仙女座距离我们250万光年，这意味着我们现在看到仙女座的光，实际上在人类进化之前就已经开启了它的旅程。

仙女座

哈勃向我们展示了银河系之外更大的宇宙，但是他还是没有看到宇宙的边界。对于宇宙究竟多大，我们仍旧毫无线索。

为了了解万物的实质，我们需要的不仅仅是观察，它需要用到数学。

从Observation到Mathematics

1. Euclid：欧式几何

在很久以前，我们所生活的世界就被欧几里得的《几何原本》（the Element）所定义，在这一体系下的几何学也被成为欧氏几何学。欧氏几何学认为，两条平行线永远不会相交，以及三角形的内角和恒为180°。

2. Carl Friedrich Gauss：测量曲面曲率

被称为“数学王子”的高斯，独立地提出了不能证明欧氏几何的平行公设具有‘物理的’必然性，至少不能用人类的理智给出这种证明。同时他还发现在球面上的三角形的内角和会大于180°，并且给出了在球面上计算曲率的方法。

非欧三角形

高斯计算曲率的方法

3. Bernard Rieman：黎曼几何

高斯对于欧式几何学的质疑被他的学生黎曼发扬光大，黎曼开创性的提出，过直线上的一点，一条平行线也作不出来。并由此提出了黎曼几何，为之后相对论的提出打下了理论基础。

4. Albert Einstein：广义相对论

在黎曼几何的启发下，爱因斯坦重新审视了引力，并且指出引力其实是空间曲率，而在地心引力影响下的自由落体运动，也被爱因斯坦描述为“以最简单的路径穿越弯曲的空间”。同时他还提出质量会弯曲空间的说法：物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动。

但是爱因斯坦仍旧认为宇宙是静止的，为此，他不惜在相对论当中引入宇宙常数（Cosmological Constant）的量来修正自己的公式。

5. Edwin Hubble：红移

当光在传播过程中，两个物体同时在靠近，那么最后接收到的光波长被压缩，频率升高，谱线因此“变蓝”，此即为“蓝移”（Blue shift）。反之，当当光在传播过程中，两个物体同时在远离，那么最后接收到的光波长被拉伸，频率降低，谱线因此“变红”，此即为“红移”（Red shift）

哈勃（没错，又是那个哈勃）在观测来自遥远星体的星光时，发现了红移现象。这意味着我们具体其他星体的距离正在变远，星系之间的空间正在变大（the fabric of the space in between the galaxies, is expanding），换言之，宇宙正在膨胀。

那么，以前的宇宙一定比现在小，那么在宇宙生命开始时，会向现在宇宙的每个角落发出光，只要能观测到这些光，就能看到宇宙“婴儿时期”的样子。随着时间的推进，那些最早的光，现在已经变成了宇宙里面的微波，当我们看见电视机里的雪花时，里面就有宇宙诞生时的微波。换言之，我们可以在电视里听到宇宙孩提时期的啼哭。

回到之前的奥伯斯详谬，如果身处一个静止的宇宙中，我们确实可以得到亮如白昼的夜空，可是我们处在一个不断膨胀的宇宙中。从大爆炸到现在也不过137亿年，这也就意味着，我们所能看到的星空，最多也就只有137亿光年远，这个范围被称为可观测宇宙（Observable Universe），在这个范围之外的星体，它们发出的光，穷极一生也无法到达地球，我们也就永远无法在夜晚看到它们的星光。

更令人悲伤的是，随着宇宙的不断膨胀，我们的可观测宇宙范围会不断变小，在1千亿年后的地球，如果我们还有子孙后代，如果他们也会在夜晚观看星星，它们所能看到的宇宙，不过一个银河系一样大。

The story of Nothing 人类在很早之前就开始思考虚无（Nothingness）是否有其意义，中国的庄子曾指出“天下万物生于有，有生于无。”但在西方，同时期占主导地位的是希腊哲学家亚里士多德。

1. Aristotle：自然讨厌虚无

亚里士多德认为：自然讨厌真空，我们无法在自然界中得到真正的真空，一旦将一个东西移走，必然会有其他的物质重新充满它原先所在的空间。

2. Evangelista Torricelli：水银柱中的虚无

但是托里拆利的水银柱实验，成功的在水银柱中制造了一段真空，同时也证明了大气是有质量的，其对于水的压强和剩余水银柱对于水的压强相等，托里拆利也因此成为第一个测定大气压强的人。

托里拆利指出：“我们生活在空气海洋的底部。”（We live at the bottom of an ocean of air.）

3. Blaise Pascal：虚无无处不在

帕斯卡（就是那个活成压强单位的男人）在托里拆利实验的基础上，发现当我们将两个相同的实验装置分别置于塔顶和塔底时，二者所显现的水银柱高度并不一致：越高的地方水银柱越短。这也就意味着更高的地方有着更小的大气压，更高的地方，空气越少。

在这一实验的基础上，同时也是哲学家的帕斯卡指出：在更高的地方，可能完全没有空气存在，是一片虚无。虚无无处不在，我们的地球不过是漂浮在无尽虚空中的一粒尘沙（Nothing is everywhere. Our earth is merely a thing speck of dust floating, through a vast expanse of an utterly silent, in hospitable void.）。

进而，帕斯卡指出，自然并不讨厌真空，真空是自然的默认状态。可是当时人们所不能理解的是，真空中的闹钟，它发出的声音不能被我们所听见，但是它的图像我们却能够正常看见——或许真空中并不是虚无，里面还有一种能够传递光的介质，这种介质被当时的科学家们称为以太（Ether）。但是，没有任何证据能够直接证明以太的存在，同时也没有任何证据能够证明以太不存在。

4. Albert Michelson& Edward Morley：以太并不存在

为了证明以太的存在，曾经精确测定光速的迈克尔逊，和莫雷设计了当时世界上最为精密的实验。

迈克尔逊认为，既然以太无处不在，那么我们地球运动的过程中，必然会产生以太风——就像我们开车时，空气会形成风一样，如果以太真的存在，那么这种以太风就会对光的运动产生影响。表现在实验当中，就是调转实验仪器方向前后，光的干涉条纹应该是不一样的。

于是他和莫雷完成了物理史上“最成功的失败”实验。实验中，无论迈克尔逊和莫雷怎么调节仪器方向，其得到的都是同样的结果。这也就意味着，以太风并不存在。

5. Einstein：虚无之处无物

爱因斯坦在1906年开创性地指出：光的传播并不需要介质，因此真空重新被认定是虚空（There is nothing in the empty.）。

6. Heisenberg：测不准原理

随着工业的发展，真空在各个领域都有了广泛使用：电灯泡中使用真空，使得灯丝能够持久发光而不必担心被氧化；以真空管为原理的二极管和三极管，遍布在现代电气的每个角落。

与此同时，人们对微观世界的认知也更加深入：

1895年，真空X射线被发现；

1896年，电子第一次被发现并定义；

1909年，卢瑟福（Ernest Rutherford）揭示了原子的奇妙结构。

但是海森堡测不准原理告诉我们，我们无法同时确切的得到一个微观粒子的位置和速度。他在另一个角度告诉我们，自然是基于其不确定性的（Nature is based on uncertainty.）。

理解这一点比较难，片中用了相同大小的照片和录像来告诉我们，当我们得到粒子的确切位置时，对于其运动的描述就是不准确的。

位置和速度难以两全

这其实也就暗示了，真空可能是“有生命的”（the vacuum is alive）。

7. Paul Dirac：负电子

时间来到1928年，当时人们用于描述世界的两项前沿科学：爱因斯坦的相对论和普朗克（Plank）的量子力学并不相容。在二者交会的地方，也就是速度接近于光速，但又渺小似粒子的情况下，物理规律是怎样的，没有人能够给出确切的回答。

而狄拉克的狄拉克方程则完美解决了这个问题，这个方程的简洁程度，堪比莎士比亚的十四行诗。连狄拉克本人也坦言：“这个方程比我本人还要聪明。”（The equation was actually smarter than me.）

通过这个方程，狄拉克预测了反电子的存在，并且大胆预测反物质的存在。他认为，当物质和与之对应的反物质相遇时，它们会湮灭并释放能量，而真空中，其实充斥着粒子与反粒子的诞生与湮灭。

8. Willis Lamb：量子涨落

假如真空中充斥着粒子与反粒子的诞生与湮灭，那么只要在其中加入几个原子，通过观测其中电子是否存在能量波动，就可以判断出真空中的状况是否真如狄拉克所预测的那样。

兰姆通过实验证明，原子中的电子能量会发生自发变化，这证明了真空中确实存在短暂的能量波动，这种能量波动被称为量子涨落（quantum fluctuation）。

Everything and Nothing

在上编中已经提及，我们的宇宙正在膨胀，那么宇宙最开始一定是比现在要小得多的；而我们现在有知道，在真空中存在无数的量子涨落，那我们是否可以得出这样的结论：万物源自虚无（Everything comes from nothing.）。

在宇宙诞生之初，无数的量子涨落间，一些粒子，无意中在湮灭中得以幸免，并且经过大爆炸，留存至今，成为了构成我们今天世界的物质。而那些湮灭的物质，释放出了宇宙中最早的辐射。这些辐射，现在仍旧能够被我们观测到。

在我们被吞没的虚无和无限之间有着深刻的联系。（There is a profound connection between the nothingness and the infinite in which we are engulfed.）