现实不似你所见-读书笔记
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，被誉为下一个“史蒂芬·霍金”。
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？现象级科普畅销书《七堂极简物理课》作者、意大利理论物理学家卡洛·罗韦利以优雅易懂的方式带我们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，他为我们提供了比《七堂极简物理课》更深入的理论解释。
物质的本质是什么
20世纪下半叶最伟大的物理学家理查德·费曼在他物理学讲义的开头写道：假如由于某种大灾难，所有的科学知识都丢失了，只有一句话能传给下一代，那么怎样才能用最少的词汇来表达最多的信息呢？ 费曼说：所有的物体都是由原子构成的——这些原子是一些小小的粒子，它们一直不停地运动着。只要稍微想一下，你就会发现，这句话包含了大量的有关世界的信息。
第一，世间的万事万物虽然看起来各不相同，却是由一批相同的零部件组装而成；第二，每一种物质都不是铁板一块，我们可以继续拆分，直到找到那个最基本的、不可分割的组件；第三，既然万事万物都由相同的零部件组成，那么万事万物之间，也一定遵循一些通行的法则。
早在两千多年前的古希腊，德谟克利特就坚定不移地相信，物质是由原子组成的，他用一个精彩的思想实验，就论证了原子的存在。他是如何做到的呢？他的论证源于观察：例如，他猜想，车轮的磨损或是衣服晾干，可以归因为木头或水的粒子在缓慢飞走。此外他也有哲学上的论据。我们会集中讨论这一点，因为这类论据可以一直沿用至量子引力。
德谟克利特发现，物质不可能是一个连续的整体，因为“物质是连续的整体”这一命题中包含矛盾。德谟克利特说，假设物质是无限可分的，那就意味着它可以被分割无数次。想象一下你把一块物质无限分割，会剩下什么呢？会剩下有维度的微小粒子吗？不会。因为我们假设物质是可以无限分割的，微小粒子可以再被分开，直到分成没有维度的点。
现在让我们把这些点放在一起：把两个没有维度的点放在一起，你无法得到有维度的东西，用三个点、四个点也不行。无论你把多少个点放在一起，都没法得到维度，因为点本身没有维度。这就是矛盾。唯一可能的解释，就是一开始的假设错了。物质不是无限可分割的，任何物质都是由一些不连续的小物质构成，这些不连续的小物质大小有限，而且没法继续分割下去。德谟克利特将那些不能再分割的物质命名为原子。
德谟克利特进一步推测，整个宇宙由无限的空间构成，其中有无数原子在运动。空间没有界限；没有上也没有下；没有中心，也没有边界。相信世间的一切，就是原子在空间中运动形成的。德谟克利特的观点影响了此后无数的科学家，不过人类还没有发明电子显微镜之前，根本无法直接观察到原子甚至是分子的存在，直到1905年，才有一位天才科学家在人类无法观察原子的时候，就找到了原子存在的决定性证据。这位科学家就是阿尔伯特·爱因斯坦，当年他只有 25 岁。
物质的本质是微粒
爱因斯坦用的方法惊人地简单。他没有使用复杂的科学理论，只用了一个思想实验，再加上一点数学计算，就证明了德谟克利特所说的原子的存在，而且还能计算出原子的大小。如果我们仔细观察非常小的粒子，比如飘浮在空中的灰尘，你会看到，灰尘在一直振动跳跃。它们会随机运动，离开原来的位置，慢慢地漂移。这是因为，这些灰尘与空气中的分子发生碰撞，无数的分子从东南西北撞过来，左撞右撞就把灰尘给撞偏了。
爱因斯坦又往更深处想了一层，如果咱们假设空气中的分子无穷小并且无穷多，那其实撞击的作用就会被平衡掉。因为分子无穷多嘛，有多少从左边撞过来的，就有多少从右边撞过来，有多少从上边撞过来的，就有多少从下边撞过来。那在每个瞬间，那颗灰尘受到的撞击都会被相互抵消，要是这样的话，那颗灰尘根本就不会移动。这就和咱们观察到的现象产生了矛盾。
同样，这个思想实验唯一能得出来的结论，也是一开始的那个假设就是错的。分子是有大小的，数量也是有限的。这样的话，撞击只是大部分被抵消了，没法完全被抵消。而且爱因斯坦发现，分子越小，两次撞击之间的间隔就越短，来自不同方向的撞击就越容易平衡并且相互抵消，微粒移动的距离就越少。
这样，爱因斯坦不仅证明了原子的存在，而且还找到了一种测量原子的方法，我们可以通过观察液体中漂移的微粒，测量它们到底漂移了多少，也就是从某一位置移动多少，这样就能计算出原子的大小。终于，在两千多年之后，爱因斯坦用他的天才，给德谟克利特的洞见找到了证据：物质的本质是微粒。
世界万物只是过程
后来人类对于物质的本质又有了新的认识。原子不再是不可分割的，科学家们可以深入到原子内部去探究，由此建立了量子力学。科学家进一步确信，物质是不可能无限分割的。
比如，数学，一条线段上有无穷多个点。但那只是数学的假设，如果我们真的在纸上画一条一厘米的线段，然后不停地向下分割、分割、分割，并不能真的分出无限多个点来。科学家们已经证明，不管是长度还是重量，都不能无限变小，而是到了一个尺度就再也不能再向下分了。
量子力学揭示的另一个事实，在量子力学描述的世界中，世间的万事万物，本质并不是实实在在的物体，而是过程。
比如，大海的海面上有波浪，它们虽然形态看起来很不相同，但是其实它们都是水，从成分上看，没有什么不同。只不过当这些水被卷入一场运动的时候，它就变成了海浪，而当这场运动结束，它就又变成了海面上的水。同样，大海、湖泊、小溪、瀑布，它们有成分上的不同吗？并没有。只是因为参与了不同的运动过程，就成了不同的形态。
量子力学告诉我们，不要从物体的角度来思考世界，而应该从过程的角度来思考世界。过程就是从一次相互作用到另一次相互作用的历程。世间的万事万物，是由不可分割的微小粒子构成的。作者引用了一位哲学家写下的诗句，总结了他心中物质的本质：“物体是一个不变的过程”。
空间本质是什么
在德谟克利特的时代，他相信世间的一切，就是无限的空间和在空间中运动的原子。这个观念一直延续了将近两千年，到了牛顿的时代，人们虽然对于物质和运动的理解都有了天翻地覆的变化，但是对于空间的认识还是一直不变。
引力场
作者在书中提出了“场”的概念。场可以说给人类开启了全新的时代，比如，收音机、电视、电话、电脑等等，如果人类没有发现电磁场，这些改变我们生活的发明都不可能出现。科学家们发现，场、空间、力、原子，这几样东西之间的关系越想越乱，怎么捋都捋不清楚。尤其后来，科学家们提出了引力场的概念，那引力到底是原子和原子之间的相互作用，还是一种场呢？原子在空间里的运动，和引力场的活动，这中间又是怎么样的一种关系呢？爱因斯坦说，用广义相对论的角度看，世界就是粒子和场。而所谓的空间，其实就是引力场。引力场是一种场，它会运动与起伏。
太阳使其周围的空间弯曲，地球并不是因为什么神秘力量才围着太阳转，而是在倾斜的空间中沿直线运动。行星环绕太阳运动、物体下落，都是因为它们周围的空间是弯曲的。就像在漏斗中转动的珠子：不存在什么漏斗中心产生的神秘的力，是漏斗壁那个弯曲的特点使珠子旋转。这是对世界的极大简化。空间不再与物质有分别，空间成了物质产生的一种效应，就像是一枚吸铁石摆在那里，周围就有磁场一样，任何一个物质的旁边就会产生引力场，空间成了物质自带的一种属性。
但广义相对论和量子力学之间也有巨大的矛盾。比如，在空间的问题上，广义相对论和量子力学两种理论有很大的问题，广义相对论说，空间是一种场，就像是一个巨大的软体动物，可以弯曲伸展。这个场是连续不断的。但是量子力学告诉我们，连长度都有最小的、不可分割的单位，所以根本就没有连续不断的东西。那这种矛盾怎么调和呢？
量子引力理论
量子引力理论的核心可以让我们更好的进行理解。作者说，引力场像是一块布料，乍一看，它是一大片，连绵不断的，但是如果你更细致地观察，你会发现这一片布料是由无数根线编织出来的。空间也是如此，它看起来是连续的，只不过是因为我们无法感知更细小的尺度，看不到那些细小的线。而那些细小的线，其实就是微小的粒子形成的微小的场，叠加在一起，就成了大的引力场。这就是空间的本质。
物质的本质是微小粒子相互作用的过程，物质的本质是微小粒子相互作用的过程，空间的本质是微小粒子形成的微小的场。于是，从量子引力理论，也能导出那个结论：空间和物质没有区别，都是微小粒子的产生出来的。于是，量子引力理论就说，其实无论是光、能量、空间、物质，世间的万事万物，其实都只不过是一种实体的不同表现形式，物理学家给这种实体起了个名字，叫协变量子场。
时间的本质是什么
作者认为，时间其实是不存在的。也就是说，时间不过是我们人类在理解世界时，产生的一种幻觉。物理学家说，时间就是热量。为什么呢？因为时间流逝的一切现象都与温度有关。时间的显著特点是向前移动，不会向后移动，也就是不可逆的。但是大多数物理现象都是可逆的。
比如，我们拍摄一个摆动的钟摆，或是被向上抛出后又落下的石头，然后倒着放影片，看起来也没有问题，钟摆从左到右还是从右到左，石头向上还是向下，都是合情合理的。
石头接触了地面，并且停了下来，那石头的能量去了哪儿呢？撞击产生了热量，加热了地面。在热量产生的那个时刻，过程就不可逆转了。所以，是热量的变化，把过去和未来区别开来。
比如，燃烧的木炭会转化为烟，但是烟无法变回木炭，这中间是热量的变化；太阳内部发生着剧烈的核聚变，不停向外释放着热量。
没有热量，时间就没有的方向。什么是热量，什么是温度呢？其实也是一个极其粗糙的概念。从微观上来讲，温度表示的是一大群分子运动的剧烈程度。也就是说，温度是我们造出来的一个概念。所谓温度，所谓热量，只不过是我们在信息不够精确的时候，对世界一种粗糙的认识。只要我们的信息足够精确，温度和热量的概念自然就消解了。因此，时间并不是世界的基本组成部分。
比如，做几何题，为了更好地理解问题，求解答案，我们会在题目上画辅助线。但是，辅助线不是那个图形的组成部分，那个圆形是真实存在的，那个三角形是真实存在的，但是那条辅助线，并不是真的在题目里边，只是我们为了更好地理解题目，在后来加上去的。如果有个特别聪明的学霸，单靠想，就能把这道几何题想明白，那在他的草稿纸上，就没有这道辅助线。
我们人类认识世界也是，如果我们可以细致地观察，进入量子的世界，看到更细微的粒子怎样运行，看到物质和空间的本质，时间的概念自然就消解掉了。所以，作者为时间做了一个定义：时间是我们忽略了事物微观物理状态的结果。时间是我们所没有的信息。时间是我们的无知。
世界的基本结构正在显现，它由一群量子事件生成，其中时间和空间都不存在。量子场绘制了空间、时间、物质与光，在事件之间交换信息。实在是由独立事件构成的网络，概率使它们相互关联，在两个事件之间，空间、时间、物质与能量消融在一团概率云中。
