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第一章
人类关于宇宙时空的思考

量子世界存在一扇门,这扇门里的世界是我们依靠感官所无法触及的,在进入量子世界之前,先来看一下对我们对这个可视世界的认识。

从远古时代,我们的祖先站在洪荒漠野上,抬头凝望着天上的日月星辰,产生出无穷的遐想。在很长一段时间里,人们逐渐形成了对世界朴素的认知——世间万物存在天地之间,地是平的,天是圆的,如同一口巨大的锅倒扣在大地上面,而天地之间是由金木水火土等不同的元素构成的大千世界,天和地交接处,就是天边,就是大地的尽头……。人们脚踏实地站在大地之上,感受到的是天空仿佛将自己包围了起来,日月星辰这些天体就是附在天盖上的,天盖每天都在向着西方旋转,连带着日月星辰运转不息。有时候天盖转得慢,天体也就跟着运行得慢,反之天盖转得快的时候,天体自然也会跟着转得快。

这种“天圆地方”的观点是当时人们长期根据自己的生活经验和亲身体验提出的,虽然不停地有一些好奇心强的人提出疑问,比如圆形的天空怎样和方形的地面连接起来,比如大地的下面是什么而天盖的外面又是什么,等等。但是在人类很长一段时间的认知里也无法提出更合理的世界模型,而这种天空笼罩着大地的感觉也让人们很踏实,很有安全感。

到了大约两千多年前,陆续有一些人类中的智者提出大地是球形的观点。比如中国汉代的张衡的“天如鸡子,地如鸡中黄”,把天地模型比作鸡蛋。在西方,公元前 500 年古希腊数学家毕达哥拉斯从哲学观点出发,提出了大地是圆形的假设,因为从哲学角度球形是最完美的,一百多年后亚里士多德根据月食时地球在月球上的投影是弧形等现象,对大地是球形的这一假设做出了论证提出来科学依据。但是由于当时没有万用引力理论,人们质疑如果我们生活在一个球面上的,另一面的人怎么不会掉下去,因此古代无论是在东方还是西方大地是球形的学说都不受重视。

真正证实大地是圆的是 16 世纪麦哲伦的环球航行,他的船队从西班牙向西航行,经过大西洋、太平洋、印度洋后又进入到了大西洋,最终麦哲伦船队经过 3 年的航行转了一圈又回到了出发地西班牙,以铁的证据证明了大地是球形的,从此不再有人质疑。

麦哲伦环球航行验证了地球是个球形的,但当时盛行的是“地心说”。在当时人们的认知里地球是宇宙的中心,从地球向外依次是月球、水星、金星、太阳、火星和土星等,在各自的圆圈轨道上绕着地球运转。地心说是世界上第一个行星体系模型,尽管它把地球当作宇宙的中心的观点是错误的,但是地心说把行星从恒星中区别出来并探索行星的运动规律,也是人类对宇宙认知的一大进步。但人类对于地球是否是宇宙的中心一直存在质疑,两千多年前就有先哲提出“日心说”,甚至通过日食、月食中月球和地球的阴影比例大小推测出太阳实际比地球要大得多,并且月球也比地球要小。

16 世纪哥白尼发表了《天体运行论》,提出地球在做两种运动,一种是环绕太阳做公转,另一种是自转运动,这个模型被认为是完整的日心说模型,但直到 17 世纪初伽利略通过天文望远镜观察到的支持日心说的一些天文现象依据,日心说才引起人们的关注。后来开普勒的三大行星运动定律进一步为哥白尼日心说提供了最可靠的证据,但人们依然无法理解地球的自转和公转为什么没有把人和物体甩出去,就像曾经的人们无法理解地球另一面的人为什么没有掉下去一样,人们也依然无法理解为什么地球、行星会围绕着太阳公转。难道宇宙中还是存在着神秘的天使,推着行星在走?

17 世纪是个伟大的时代,是人类对于自然、宇宙以及万物规律的认知集中突破的时代,也是欧洲文艺复兴达到巅峰的时代,诞生出伽利略、开普勒、笛卡尔、胡克等很多伟大的科学家和发明家,尤其伽利略用实验和论证的方法代替了人类对世界的直觉感知,他开创的科学方法是人类思想史上最伟大的成就之一,标志着物理学真正的开端。而把这个时代的认知推向巅峰的是“站在巨人肩膀上”的牛顿。

关于牛顿的故事和轶事已经遍布书本网络,他可能是我们这个地球上知名度最高的一个人,他提出的万有引力定律和三大运动定律奠定了以后三百多年力学和天文学的基础,他通过简单的三棱镜解释了光的色散现象并且提出光的微粒说以及光谱分析法,另外,他还在数学领域建立了二项式定理从而创造了微积分学说,甚至还在经济学领域提出了金本位制度。可以说牛顿只是略微出手就已经是这个世界的极限了,那一年他双手插兜不知道什么叫对手,也不知道什么叫爱情。

牛顿关于世界认知最大的突破据说来自一颗苹果引发的灵感,他在 1687 年发表的《自然哲学的数学原理》中提出了万有引力理论,通过万有引力定律告诉人们,任何有质量的物体之间都会产生相互吸引的力,并且可以通过距离平方反比定律计算出这个吸引力的大小。从此之后,人们开始明白,原来是地球巨大的质量将我们每一个人每一件物体牢牢地吸附在它的表面,因此住在地球另一面的人们也不会因为头朝下而掉下去,而且也是这种吸引力将遥远的月球也牢牢吸附在地球身边。万有引力定律也进一步扩大了宇宙的范围,把宇宙从“日心说”中解脱出来,太阳并不是宇宙的中心,而只是宇宙中普通的一颗恒星,宇宙中像太阳这样的恒星比比皆是,这个宇宙是个无限大的宇宙,处处是中心,处处在相互的引力作用下达到平衡。从此人们跳出了几千年来的局限和困惑,终于对我们存在的宇宙形成一个整体意义上的认知。 bD9AboFus9vRodTnUy825l9DlWmCRugk4YZm0VKTkv9721nFa5ppfm9eA6CP+NVu

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