一、知识点：

1、粒子与原子、质子、电子的关系

粒子是一种统称，包括了质子、电子、中子、原子，其中原子由原子核和电子组成，原子核又由质子和电子组成，不同原子组成了宇宙中所有可见的物质。

2、元素与原子的关系

元素是具有相同核电荷数的同一类原子的总称，原子是物质构成的最小粒子。

元素是讲的种类，原子主要是讲的数量。

元素是描述物质的宏观，原子是描述物质的微观。

元素是同一类原子的总称，原子是构成元素的基本单位。

3、量子力学的三大特征

有限性，系统状态的信息是有限的。

不确定性，无法做出完全确定的预测，只能进行概率性的预测。

相关性，事物只在相互作用时才出现，一个物体的所有变量都只相对于其他物体而存在。

量子力学描述的不是物体：它描述的是过程，以及过程之间连接点的事件。所以不要以处在某一状态的“物体”的角度来思考世界，而应该从“过程”的角度来思考。

4、自然界中已知的四种基本力

电磁力、弱力、强力、引力，前三种属于微观世界的量子力学，引力属于宏观世界的广义相对论，微观和宏观中的这些力是如何互相影响的，这就是量子引力的研究对象，至今仍是谜。

5、广义相对论（宏观）+量子力学（微观）=量子引力，即量子时空：研究微观中的量子在宏观中的时间和空间里的运动，量子引力的两大理论：圈理论和弦理论。

二、重要人物及理论

牛顿（1643—1727 英）：1666年为牛顿奇迹年，研究成就是万有引力和光学，万有引力是四种基本力中最微弱的力，但却是宇宙中最重要的力， 所有的物质之间都存在的相互吸引的力，它是叠加的，质量聚集越多，万有引力越大。其次，牛顿认为光是粒子，而惠更斯认为是波，后被爱因斯坦证实光既是粒子也是波。

赫兹（1857—1894 德）：用实验证明电磁波存在，且发现物质都是由原子构成，比如构成铁的铁原子、构成金的金原子，原子又由原子核与电子构成，铁原子和金原子的区别在于电子数量的不同。

电子围绕着原子核运动，但电子也会偏离，当很多电子集体朝着某个方向流动时就会产生电流。

可产生电流却不由电子的“量”决定，而是由电子的“质”决定，因为光的颜色是由光的频率决定的，频率越高能量越大，决定是否产生电流的关键是能量大小，而非能量多少。

普朗克（1858—1947 德）：能量（即电磁波、光波）是不连续的，有一个最小单位，其于1900年提出能量量子化，是量子力学的理论之父。

爱因斯坦（1879—1955 德）：其在普朗克的研究基础上发现了光电效应，即光具有粒子的特性，也具有波的特性，光既是粒子也是波，这就是波粒二象性，由此开启了量子力学的大门。

1905年为爱因斯坦奇迹年，他以“光速不变原理”和“相对性原理”推导出了狭义相对论，研究光在平直时空中的运动。

1915年35岁时提出了广义相对论，是描述引力的理论，由于引力的本质是时空的弯曲，所以其研究的是光在弯曲时空中的运动。由此可知，狭义相对论和广义相对论的区别在于时空是否弯曲。

玻尔（1885—1962 丹麦）：发现量子力学的一大原理，即不确定原理，电子在被测量前处于不确定状态，测量会改变电子的原始状态，而呈现出某一种确定状态，贝尔不等式证实了玻尔的不确定原理。玻尔还提出量子纠缠理论，即量子在被测量前处于多种状态的叠加态中。

薛定谔（1887—1961 奥地利）：薛定谔的猫，该思想实验是为了反驳玻尔的不确定性原理，但该实验至今仍存在争议。

三、量子引力发展史

公元前450年，德谟克里特和其老师留基伯构建了古典原子论，主张世界的所有物质都是由有限的不连续的原子构成，属于自然主义，关注自然，充满诗意。

柏拉图和亚里士多德主张以目的论的角度来解释世界，属于古典派，西方的逻辑与理性思想由此建立，物理学这门学科的名字来自于亚里士多德的《物理学》这本书。

柏拉图发现毕达哥拉斯数学理念的重要性，主张数学是理解与描述世界最合适的语言。

实验科学来源于伽利略，通过实验发现物体的速度在运动过程中是逐渐增大的，速度增加的快慢就是角速度，并且发现自由落体定律：所有物体的加速度都是相同的，即每下落一秒，其速度就增大9.8米每秒。

牛顿发现月球运动的加速度也是9.8米每秒的平方，于是发现了万有引力，也就是时间、空间和原子之间的关系。

牛顿的世界：随着时间流逝，原子受到力的吸引在空间中运动。

19世纪和现代社会的全部技术都依赖于牛顿的公式，比如桥梁、火车、太空飞船等等。但是，牛顿并没有解释引力的来源，随着后人越来越深入的研究，最终原因将由爱因斯坦来解释。

法拉第在牛顿的基础上发现了电磁力，认为空间里充满了线，称之为场线，两个带电物体的力通过场线传递。

是这种力使物质聚集在一起，形成固体；是这种力使分子中的原子结合在一起，使原子中的电子结合，使化学物质和生命体可以运转；是这种力使我们大脑中的神经元运转，主宰我们接收外界信息的过程，以及我们的思维方式；是这种力制造了电动机和内燃机[插图]，使我们可以打开电灯，听收音机，电磁力的发现标志着现代科学的诞生。

麦克斯韦则将法拉第的解释转述为了数学方程，即被后世称为麦克斯韦方程组，它们描述了电磁场的特征，是法拉第力线的数学表达。

法拉第和麦克斯韦的世界：随着时间流逝，粒子和场在空间中运动。

如今，麦克斯韦方程组每天都被用来描述电磁现象，它是电信工程师进行一切计算的基础，全部的现代通信技术——收音机、电视、电话、电脑、卫星、Wi-Fi、网络等——都是麦克斯韦预言的应用。

不仅如此，麦克斯韦还发现法拉第的力线可以振动起伏，就像海浪一样，于是他计算了法拉第力线波动的传播速度，结果竟然与光速相同。而且光的不同颜色代表着电磁波的频率（振动的速率），如果波振动得更快，颜色就会偏向蓝色；如果振动得慢一些，就会偏向红色。我们感知的颜色是由视觉神经产生的反应信号，可以辨别不同频率的电磁波。因而，光只不过是网状的法拉第力线的快速振动，就像风吹过湖面时的波纹。

而后，赫兹发现使一个带电物体振动，必然可以激发电磁波，进而产生电流。

爱因斯坦25岁发表的狭义相对论论述了空间并不独立于时间存在，空间与时间融合成了统一的时空概念，同理电场与磁场也以同样的方式融合为电磁场，“能量”与“质量”也合二为一，然后推导出一定存在某个过程，可以把能量转化为质量，或把质量转化为能量，也是有了著名的公式E=mc2，爱因斯坦的理论推导把人类带入了新纪元：核纪元，一个充满新的可能与新的危险的纪元。

发现狭义相对论后，仍有一件事一直困扰爱因斯坦，即狭义相对论与引力理论并不相容。

1915年在他35岁时，提出了广义相对论，被后世称为“最美的理论”。爱因斯坦认为引力一定也和电磁力一样，有个其运动的场，即引力场。因此牛顿的空间就是引力场，引力场就是空间。

但是，与牛顿平直、静止的空间不同，由于引力场是一种场，它会运动与起伏，并遵循一定的方程——和电磁力一样。

于是，空间不再与物质有所分别，它也是世界的一种物质组成部分，与电磁场类似；它是一种会波动起伏、弯折扭曲的真实实体。

有物质的地方空间弯曲得更多，比如，太阳使其周围的空间弯曲，地球并不是由于神秘超距作用的吸引才围绕太阳运动，而是在倾斜的空间中沿直线运动。就像在漏斗中转动的珠子：不存在什么由漏斗中心产生的神秘的力，是漏斗壁弯曲的特点使珠子旋转。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。更准确地说，弯曲的不是空间，而是时空。

爱因斯坦的方程描述了星体附近空间如何弯曲，由于这种弯曲，光线会偏折。但不只空间会弯曲，时间也会。爱因斯坦预言，在地球上海拔高的地方，时间流逝得更快，海拔低的地方要慢些。因为地球像其他物质一样，会使时空弯曲，减慢其附近的时间，由此可以解释加速度。

黑洞：星体只要有足够的氢作为燃料就会燃烧，如果燃烧能释放足够的能量（向外）与星体质量产生的引力（向内）达到一种平衡，星体就能够保持稳定。但当星体燃烧产生的能量无法与自身的引力抗衡时，由于重量太大，在巨大引力的作用下，星体会被压扁到极致，空间极度弯曲成一个洞，黑洞由此诞生。

星体一旦坍缩，就会从外部视野中消失：它就在黑洞内部了。但在黑洞内部会发生什么呢？物质会被压缩，但不会一直压缩成一个无穷小的点，因为物质的大小存在一个下限，量子引力产生了一个巨大的压力，使物质反弹，就像坍缩的宇宙可以反弹为膨胀的宇宙一样。但是由于内部时间流逝得比外面要慢得多。从外面看，反弹的过程可以耗费数十亿年，所以里面会更慢，但预测黑洞终会爆炸。

对爱因斯坦而言，广义相对论并不是一堆方程，它是被艰难转述为方程的关于世界的精神图景，这一理论背后的理念是时空会弯曲。所以，时空不仅仅是牛顿时代的二维，而是会弯曲的三维乃至四维…..

爱因斯坦认为宇宙可以是有限的，与此同时没有边界。就如地球表面，它不是无限的，但也没有边界。只要东西可以弯曲，这就会很自然地出现。在广义相对论中，三维空间当然也可以弯曲，因而我们的宇宙可以有限（体积有限）但无界。

其次，他认为万物都相互吸引，因此对有限宇宙而言不坍缩的唯一方式就是膨胀。1964年证实：于140亿年前，宇宙被压缩为一个极其炙热的点，在一次巨大的“宇宙”爆炸中它由此膨胀。

广义相对论属于宏观世界，而接下来的量子力学属于微观世界，两者的理论都相当成功，但至今仍没有找到两者相互融合的理论，量子力学经过一个多世纪的缜密思考后于1900年诞生。

爱因斯坦于1905年提出光是由一颗颗粒子组成，光的能量由其粒子的震动频率决定，频率越高，能量越大（这些一颗颗带有能量的粒子就被称为“量子”）；因此有些物质在被光照射时会产生微弱的电流，就是因为组成光的一颗颗粒子带有能量，其能量使电子从原子里“跳出去”，是它推了电子一把，而产生电流，这就是光电效应。但若光的频率（频率决定光的颜色）太低，电子也不会从原子中被激发出来，也就不会发生光电效应。

波尔的实验表明原子就像个小型太阳系：质量都集中在中心很重的原子核上，很轻的电子环绕它运动，就像行星围绕太阳转。发现了原子中的电子是分立的而非连续的，也就确立了量子力学的第一大特征：分立性。

20多岁的海森堡随即发现电子不是始终存在，而是在发生相互作用时才存在，它们在与其他东西碰撞时才突然出现，这就是量子力学的第二特征：相关性。

最后由25岁的狄拉克发现了量子力学的第三特征：不确定性，也是最重要的特性，在量子力学中，即使我们能够进行计算，也只能计算出事件的概率。这种微小尺度上决定论的缺失是大自然的本质。电子不是由大自然决定向左还是向右运动，它是随机的。宏观世界表面上的决定论只是由于微观世界的随机性基本上会相互抵消，只余微小的涨落，我们在日常生活中根本无法察觉到。

而且狄拉克意识到场与粒子是相同的东西，在某种意义上，不仅是粒子像场一样弥散在空间中，场也像粒子一样进行相互作用。粒子是场的量子化，正如光子是光的量子化，所有的场都在相互作用中表现出分立的结构。

被法拉第和麦克斯韦分割开来的场和粒子的概念，最终在量子力学中融合在一起。至此，世界并不是由粒子和场组成的，而只有一种实体：量子场。量子场组成了原子、光以及宇宙的全部内容，其量子是粒子，与其他物质相互作用时才出现；没有相互作用时，它们展开成一片“概率云”。

门捷列夫把世界上的元素按照顺序（根据重量）排列在著名的元素周期表中，总结了组成世界的元素的属性——不仅包括地球上，也包括整个宇宙中的所有星系。

接下来就是量子引力：

20世纪留给我们的两大珍宝，广义相对论与量子力学，可它两至今看起来互相矛盾，尽管这两个理论的基础是看似截然相反的假设，但实验证明两者都对，所以很明显有些东西还未被发现。

量子力学无法处理时空的弯曲，广义相对论无法解释量子，这就是量子引力的问题，我们不清楚在非常微小的尺度上时间与空间如何运作，我们试图理解量子和弯曲空间共存的世界怎样自洽，并尝试探索未知，探索量子空间是什么？量子时间又是什么？

现代科学家的目标就是找到一个理论，也就是一系列方程——来解决目前量子与引力之间的不相容。

量子引力理论之一：圈理论

惠勒将量子空间形容为一种泡沫空间，这种不同几何形状的概率波。惠勒-德维特方程的解有个奇怪的特点：它们取决于空间中的闭合线，一条闭合线就是一个“圈”，于是这一理论被命名为“圈理论”。

自旋网络

光子（电磁场的量子）和图中节点（引力的量子）的重要差别在于光子存在于空间之中，而引力子构成空间本身。量子并不占据空间，它们彼此依存，空间由量子间的相邻关系织就。

空间的量子没有存在的位置，因为它们就是位置本身。

引力的量子不在空间中，它们本身就是空间。

沿着连线从一个点走到另一个点，直到完成一个回路，回到出发点，就完成了一个“圈”，这就是圈理论最初的那些圈。

物质不是它本身的样子，而是它们相互作用时的样子。自旋网络不是实体，就像电子不在任何位置，而是弥散在无处不在的概率云中，空间实际上也不是由单个的自旋网络形成，而是由覆蓋所有可能的自旋网络范围的概率云构成。

在空间量子极其微小的尺度上，每个物理过程都遵循着自己的节奏，独立于邻近的其他过程，这个空间的时间流逝是从量子事件之间的关系中产生，这些量子事件正是世界本身，产生它们自己的时间。也就是说，时光的流逝只是过程本身的量度，正如引力量子不在空间内，它们本身构成空间。

在基本层面，时间不存在。我们通常对时间流逝的感觉只是在宏观尺度上的一种有效近似，这主要是源于我们只能以粗糙的方式感知世界。当我们处理微小物体时，牛顿的模型不再奏效，这是个很好的模型，但只能应用于大物体。

量子力学并没有告诉我们在过程中发生了什么，而是告诉了我们把过程的初始状态和最终状态结合到一起的概率。

140亿年以前，宇宙确实是一个被压缩的火球，在某一点达到普朗克尺度，要理解140亿年以前发生了什么，就需要量子引力。

量子力学会阻止真实的电子陷入原子核中，当电子离中心太近时，量子斥力会把它推开。因此多亏了量子力学，物质才是稳定的。没有量子力学，电子就会坠入原子核，就不会有原子，我们就不会存在。

这点可以同样应用于宇宙，宇宙不会被无限压缩，量子斥力会使其反弹并膨胀，这才是把圈量子引力方程应用到宇宙膨胀时得出的内容。我们的宇宙很可能诞生自压缩后的反弹，经历了一个量子阶段，其中空间和时间都消融为概率。

在广义相对论预言的不正常的情境中，理论给出了无穷量，被称为“奇点”。量子引力为无穷设置了限度，“治愈了”广义相对论中不正常的奇点。同样的事情也发生在黑洞的中心：只要我们把量子引力考虑在内，传统广义相对论预期的奇点就消失了。

量子力学发现了每个物理系统都存在信息的最大值，最小的长度是普朗克长度Lp，最大速度是光速c，信息的总和由普朗克常数h决定。

世界不只是碰撞的原子网络，它也是成组的原子之间关联的网络，物理系统之间交互信息的真实网络。

熵是“丢失的信息”，熵的总量只能增加，因为信息只能够减少，但量子力学的一个重要结论就是自然界中的信息是有限的，一个物理系统只有在与其他物理系统相互作用时才显现。

于是，对物理系统的描述也是相对于另一与之相互作用的物理系统给出的。最终，一个系统的描述只不过是总结过去所有与之发生的相互作用，并使用它们来预测未来相互作用的影响。

在量子力学中，当我们与一个系统相互作用时，我们不仅是了解到一些内容，也“删去”了关于系统的一部分相关信息（熵）。

我们这个世界是一个没有无穷的世界，其中无穷小不存在，因为这片浩瀚有个最小尺度，在它之下空无一物。空间量子与时空泡沫混合，事物的结构诞生于交互信息，编织成世界不同区域间的关联，一个我们能用一组方程来描述的世界。

遇事不决，量子力学……OVER