英文名：Everything & Nothing
讲述人：Jim AL-Khalili University of Surrey
上Everything
这部纪录片讲述了我们如何从孤立、不起眼的视角来凝视星空的惊人故事，并开始演绎出万物的形状、大小和起源。这是一个关于我们如何最大程度了解现实的故事。它是关于万物的故事。
This film is the astonishing story of how we gazed upwards from our isolated and unremarkable vantage point and began to deduce the shape, size and origin of everything that there is. It is the story of how we came to understand reality at the largest scale. It’s the story of everything.
西元1572年有超新星supernova爆发。
Thomas Digges托马斯·迪格斯猜想这个现象可能起源于一颗移动的星星。虽然这个理论是错的，但它让迪格斯开始思考环绕地球的恒星真正的性质。他把哥白尼的恒星从它们固定的壳中取了出来，并将它们分散到一个无尽的空间里。迪格斯的图表描绘了一个全新的宇宙图景，一个夜空中的星星存在于无尽空间的宇宙。
但万物的这幅景象却产生了一个奇怪的悖论：如果这个无穷无尽的宇宙包含着无数的恒星，那为什么它在夜晚是黑暗的？根据老派的宇宙观，宇宙是无限且静止的。然而很快就能认识到，宇宙静止且无限是荒谬的观点。那是因为在这样的宇宙中会有无数的星星，而我们的每一道视线会看见其中一颗恒星，静止且无限的宇宙不可能是黑暗的，它应该像太阳一样明亮。事实上，在夜晚，宇宙是黑暗的。尽管托马斯·迪格斯最先提出了这个问题，但这个问题最终被称为奥伯斯佯谬Olber’s Paradox。
解决奥伯斯悖论的方法是理解宇宙万物的形状、大小和起源。
威廉·赫歇尔William Hershel 和卡罗琳·赫歇尔Caroline Hershel，他们共同开发和创造新一代的望远镜，这将使他们比过去任何人都能看见更遥远的太空。
nebulae星云
stellar parallax恒星视差测量太空中星体的距离
Friedrich Bessel弗里德里希·贝塞尔发现如果你在地球绕太阳公转的轨道两端拍摄恒星的图像，就有可能看到恒星在移动，通过观察它们移动了多少，你就可以求出它们与我们之间的距离。
Henrietta Leavitt亨利埃塔·莱维特着迷于一颗叫做造父变星（Cepheid Variable）的恒星，它在夜空中闪烁。她发现恒星的亮度与它们闪烁的速度精确相关。
Edwin Hubble通过找到仙女座（Andromeda）内的变星之一并且精确测量它的闪烁时间得以利用莱维特的方法来计算出它到底有多远。在西元1923年，人们认为宇宙只有银河系那么大，到1924年，宇宙被揭示比银河系大了数十亿倍，有着几乎难以想象的复杂性。
什么是空间？
欧氏几何、黎曼几何和罗氏几何
由高斯发现、黎曼推广的球面三角形内角和大于180度。
The Remarkable Theorem绝妙定理：测量曲率
在所有维度中，弯曲的空间究竟是什么意思？
高斯讨论了二维曲面，这里有一张纸，它是二维的，如果我弯曲它，我们可以看到这个曲率curvature，我们可以看到这个曲率仅仅因为它嵌入在三维空间中。
现在，如果我们弯曲三维空间，会发生什么呢？想必我们需要第四个维度，但我们如何能得到第四个维度呢？它不可能出现在我们的三维世界，无论你去到宇宙哪里，无论你走多远，你一直都被困在三维空间里。黎曼用智慧展示了你不需要站在四维空间中就可得知空间是否弯曲。
在the general theory of relativity广义相对论中，爱因斯坦将揭示我们不是生活在欧几里得所述的扁平世界中，而是高斯和黎曼得出的奇怪弯曲世界中。
但如果空间是弯曲的并在我们周围弯曲，我们一定能观察到这样的情况吗？是的，我们可以，只是不是以你想象的那种方式。这是爱因斯坦的主要观点。他证明了，空间拥有弯曲和扭曲的能力使其柔韧并改变其几何形状，从而产生了我们称之为重力的力。从牛顿时代开始，引力便被认为是一种将所有物体拉到一起的力。……所以尽管引力是一种力，但它只不过是空间本身的曲率。当一个物体下落时，它根本不是被引力所牵引，它只不过是沿着最简单的路径穿过弯曲的空间。但广义相对论的方程并不是仅此而已，它们揭示了质量造成了空间的弯曲curve和扭曲distort。地球上有重力是因为地球弯曲了它周围的宇宙空间。
在爱因斯坦关于宇宙的理论中，空间变成了一种动态的实体，对它包含的内容作出反应，空间知道引力物体的存在，通过一种非常有趣的方式改变其几何形状来回应它们。
爱因斯坦的理论揭示了空间本身——整个宇宙，万物——不仅仅是无边无际的，它还有形状和结构，它是可塑的，万物都能弯曲变形。
整个宇宙可能是某种移动、有机且不断膨胀的实体。
在发现银河系只是宇宙中众多星系之一后，哈勃开始研究这些其他星系的移动方式。哈勃知道，当光源靠近我们时，光波会被压缩，呈现为蓝色；如果物体靠后时，光波会被拉伸并呈现红色。他发现所有遥远的星系都在变红。它们都在远离我们。不仅如此，距离我们越远的星系，远离我们的速度就越快。
把时间倒回到宇宙初始，我们的宇宙就是一个奇点。
宇宙微波背景辐射证明宇宙大爆炸。
宇宙起源于137亿年前。
这个万物起源将是回答托马斯·迪格斯在四百多年前第一次提出的问题的最后一片信息。它最终给出了一个令人满意的解释，为什么夜晚会变黑。好了就是这样，我希望你们都明白了，恒星离我们越远，它的光线抵达地球所需的时间就越长。所以如果宇宙一直存在，那么宇宙中的所有光线总有一天会抵达地球，而夜晚的天空将会闪耀着星光。但它并没有。原因在这里，想象宇宙比现在年轻和小很多倍时，宇宙一端的一束光开始向我们的有利视角驶来，但随着宇宙膨胀，光线通往地球的距离也越来越大，快进到今天，这束光还没有抵达地球，所以无论我们如何努力的观察星空，我们都无法看见它。我们只能看到137亿年前从宇宙大爆炸中发出的光，这个区域被称为可观测宇宙。而在这里，还没有足够多的恒星来照亮夜空。所以我们只能看到光线有机会抵达地球的那些星星和星系，而这就是夜晚天黑的原因。
宇宙在加速变大。暗能量
这里有一个引人注目但又令人不安的推论，如果宇宙的膨胀速度继续加快，那我们可见宇宙将开始变空。让我解释一下，想象一下，我是你可以从地球上看见的遥远星系，现在，随着我们之间的空间在伸长，未来的某段时间当它膨胀的太快以至于光速无法追上它时，这个星系会从我们的视野中消失。这意味着，在遥远的未来，大约1000亿年后，如果我们的星系中仍然存在智慧生命形式，当他们看向太空时，只能看到我们银河系内的星星，所有其他星系都会消失，而它们将独自分布在一片广阔的黑暗中。
下Nothing
理解所谓的void空洞或者vacuum真空。
Aristole亚里斯多德相信自然会永远对抗真正虚无的诞生，就像他所说的’自然憎恨真空‘。
Jesuit耶稣会信徒Evangelista Torricelli托里拆利测量大气压。
Blaise Pascal布莱斯·帕斯卡发展和完善了托里拆利的工作。
Nothing is everywhere.
光线能在真空中传播，说明真空根本不是空的。
luminiferous ether以太
Albert Michelson阿尔伯特·迈克尔逊精确地测量了光速，还和Edward Morley爱德华·莫利用实验证明了以太不存在，但他们只是认为他们的实验失败了。
西元1906年，爱因斯坦才揭示了光的传播不需要以太，他证明了光可以在完全的真空状态传播的特性。
quantum mechanics量子力学
Heisenberg’s uncertainty principal不确定性定理表明，对于一个微观粒子，其动量和位置不能同时具有确定值，两者标准差的乘积必然大于一个常数。
$\Delta x \Delta p \geq \frac{\hbar}{4\pi}$
不确定性定理并不是测量导致的，它是粒子的固有属性，并不依赖于任何测量。
测量是仪器和被测物体之间的一种相互作用，仪器在测量过程中肯定会对被测物体产生一定干扰，这在任何情况下都存在，并非量子力学特有。这种仪器对被测物体的影响，在物理学中叫观察者效应（Observer effect），它和不确定性定理有本质的区别。
自然本身就是基于不确定性的。
那么，所有这些量子怪征与无物有什么联系呢？你瞧，海森堡的不确定性定理可以用不同的方式表达，根据另外两个量之间的平衡，能量和时间。
你看，如果我要检查这个盒子里一个小体积的空间，然后原则上我就可以非常精确地知道它里面包含了多少能量。但是如果我能放慢时间，事情就会变得非常奇怪。好了，那现在我们看一小段时间，它被拉长了，海森堡的不确定性定理告诉我们，因为我在看更小的时段，所以我已经失去了盒子里确切能量的精确信息。
海森堡的不确定性定理似乎可以表明在非常小的时间和空间中，无物中可能产生了一些东西。但然后呢？如果产生了粒子，它们会去哪呢？为什么我们看不见周围出现这些粒子呢？
与人们通常期望的真空相反，这个真空是有生命的，它在物理学家称之为量子涨落quantum fluctuations环境中，是有生命的。在真空中，少量的能量出现并消失，非常非常快，并且物理定理完全允许它发生，一切可行，而它有个名字叫做海森堡不确定性定理。它向我们展示了你可以从无物中借取能量，只要你能尽快还清。
Paul Dirac保罗·狄拉克
西元1928年，在描述宇宙是如何运行的这个问题上，狭义相对论和量子力学针锋相对。当事物小到足以令量子效应感应到，而传播速度又快到让狭义相对论注意到时，特别是在描述电子的过程中存在着巨大问题。一个微小的粒子在原子内旋转，如果这两个理论都是对的，那么它们应该可以合并运用给出电子的数学描述。
Dirac’s unification of the special theory and the rules of the quantum world would rank as one of the greatest mathematical accomplishments of the 20th century. And it would lead, inadvertently to a radical new picture of nothing. 狄拉克对相对论和量子世界的规则的统一是20世纪最伟大的数学成就之一。而这无意中产生关于无物的全新理解。
利用这个方程研究氢原子能级分布时，考虑有自旋角动量的电子作高速运动时的相对论性效应，给出了氢原子能级的精细结构，与实验符合得很好。从这个方程还可自动导出电子的自旋量子数应为 $\frac{1}{2}$ ，以及电子自旋磁矩与自旋角动量之比的朗德g因子为轨道角动量情形时朗德g因子的 2 倍。电子的这些性质都是过去从分析实验结果中总结出来的，并没有理论的来源和解释。狄拉克方程却自动地导出这些重要基本性质，是理论上的重大进展。
狄拉克方程的微分形式可以通过下面的 LaTeX 代码来表示。这个公式描述的是在特殊相对论和量子力学环境下自旋1/2的粒子，如电子的行为。
$i\hbar\frac{\partial}{\partial t}\psi = \left[c\boldsymbol{\alpha}\cdot\boldsymbol{p} + mc^2\beta\right]\psi$
这个方程里的符号含义如下：
i是虚数单位；- $\hbar$ 是约化普朗克常数（h/2π）；
\psi是波函数；c是光速；\boldsymbol{\alpha}是一组矩阵，称为狄拉克矩阵；\boldsymbol{p}是动量算符；m是粒子质量；\beta也是狄拉克矩阵，与\alpha矩阵一同构成狄拉克代数的基础。
这个方程是狄拉克为了融合特殊相对论和量子力学的原理而发展出来的。狄拉克方程式是描述自旋为1/2的粒子（例如电子）在相对论性框架下的运动的方程。它是西元20世纪最重要的物理学方程之一，揭示了多个重要的内容，包括：
相对论性量子力学：狄拉克方程式是第一个描述自旋1/2粒子的相对论性量子力学方程式。它将量子力学和相对论统一在了一个框架下，解决了非相对论性量子力学中存在的一些问题。
自旋：狄拉克方程式预言了自旋的存在。自旋是粒子固有的自旋角动量，它是粒子的内禀属性，不同于粒子的轨道角动量。自旋是量子力学中最重要的概念之一，是许多现代技术的基础，如核磁共振成像和量子计算。
反粒子：狄拉克方程式预言了反粒子的存在。方程式中有一项负能量解，它被解释为反粒子。狄拉克方程式的预言在短时间内得到了实验证实，标志着反物质的发现。
规范场：狄拉克方程式可以通过引入规范场来描述电磁相互作用。这为描述基本相互作用提供了一个框架，包括电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。
总之，狄拉克方程式的发现是现代物理学中的一个里程碑，它揭示了粒子的基本属性以及它们如何在相对论性框架下运动和相互作用。
狄拉克之海（Dirac Sea）是一种物理学概念，得名自英国物理学家保罗·狄拉克。这一概念是在狄拉克提出的相对论量子力学中引入的。狄拉克之海是一个假想的、填满负能量电子的真空态。在经典物理学中，粒子的能量可以取任意值，但在量子力学中，粒子的能量是离散的，只能取特定的值。对于电子来说，这些能级可以是正的或负的，但在填充电子时，为了满足泡利不相容原理，每个能级只能被填充一个电子。因此，当所有负能量的电子填满时，它们形成了一个填满的负能量带，即狄拉克之海。狄拉克之海是一个重要的概念，因为它解释了为什么电子不会无限制地坍缩到原子核中。根据狄拉克的预测，当电子的能量减小到趋近于负能量时，它们会填充狄拉克之海，这会产生一种抵抗电子坍缩到原子核的力量。这种力量被称为狄拉克海剪切力。
狄拉克逐渐相信他方程中的新部分描述了一些东西可以被认为是一个反电子，在很多方面，它就像一个电子的镜像，具有相反的性质，如同电荷一样，在原则上，反电子可以组成反原子的一部分，而许多反原子结合在一起，可以组成一张反物质桌子，或者甚至是反我。但奇怪之处并没有就此打住。狄拉克意识到，如果事物与反事物相遇，它们会瞬间将自身所有质量转换为能量。完全消失！这里终于找到了真空之谜的答案。海森堡的不确定性定理暗示了物质可能在极短的时间内出现。现在，狄拉克提出了这个原理——某种物质可以从真空中产生，然后很快又消失。
无论何时，一个粒子从真空中产生出来，它的反粒子也是如此。尽管这听起来很荒谬，但我向你保证这是真的。所以无论何时你试图移走真空中的一切，它始终充斥着这些波动。
粒子和反粒子的湮灭是指一个粒子和一个反粒子相遇之后，它们会发生彼此湮灭的过程，产生能量或其他粒子。这个过程是遵守守恒律的，总的能量和动量在过程中守恒。在粒子物理学中，粒子和反粒子的湮灭过程是一种基本的相互作用方式。当一粒子与其反粒子相遇时，它们会相互抵消，使它们的质量能够完全转化成能量。根据质能方程E=mc^2，这个能量可以转化为其他粒子对的产生，例如其他粒子-反粒子对的形式，或者光子（即电磁辐射）的形式。例如，当一个正电子与一个负电子相遇时，它们会彼此湮灭并发射两个相互垂直的光子。这个过程是可逆的，意味着两个光子也可以相互作用，产生一个电子-正电子对。这个过程不仅在实验室中被观察到，也在宇宙中发生着。例如，宇宙射线中的高能粒子会与大气层中的分子相遇，导致粒子和反粒子的产生和湮灭，产生一系列次级粒子。
在经典物理学中，真空被定义为没有任何物质的空间，是完全空荡的状态。但在量子力学中，真空并不是完全空的。根据量子力学的观点，真空是一种充满着量子涨落和虚粒子的状态。虚粒子是一种只存在瞬间的粒子，它们的存在是由于不确定性原理的影响，即根据海森堡不确定性原理，虚粒子可以在极短的时间内从真空中产生，然后立即湮灭。这个过程被称为真空涨落。此外，真空中还存在着量子场，这是一种描述粒子相互作用的数学框架。根据量子场论，真空状态被定义为具有最小可能能量的状态，被称为基态。但即使在基态中，真空也不是完全静态的，因为它仍然存在虚粒子和量子涨落。因此，从量子力学的角度来看，真空并不是完全空的，而是充满着量子涨落和虚粒子的状态。这个概念对于理解量子力学和现代物理学的许多现象和理论非常重要，例如量子电动力学和量子色动力学等。
狄拉克的电子理论和反物质的概念带给了我们关于真空的全新思考，可以说在你思考真空就是空无一物的空间时，相对论曾说过，你不需要以太，所以关于真空的认知就是空的。但当你把相对论和量子理论联系起来时然后你就可以确定这个概念。……所以你可以想象在真空中，到处都是这些成对的电子和反电子。
而这些在无物中转瞬即逝的奇怪物质被称为virtual particles虚拟粒子，所以虚无实际上是在眨眼间便出现又消失了数万亿次的大量沸腾的虚拟粒子。
根据Willis Lamb威利斯·兰姆的实验，我们能得出结论——虚无中明显存在活动。但想要看到它，你必须在一个原子内深入观察。兰姆惊人地找到了一种巧妙的方法来做到这一点。……无论我们多么努力想要移除空间中的一切，我们永远不可能得到真正的无物。
我们的宇宙只是量子世界膨胀许多许多次之后的产物。无物实际上塑造了万物（世间万物生于有而有生于无）。
量子物理学为量子涨落提供了一种自然机制来观察早期宇宙中微小的不规则现象，这些不规则现象后来演变为星系。它描述了像银河系这类拥有数十亿颗恒星的天体始于量子涨落——一种微观尺度的物体，我们称之为真空波动。
为什么我们认为有一千亿个星系？因为在一滴水中，有超过1000亿次量子涨落。在一个原子中也有那么多。真空中一直在进行着这种量子涨落。无物的真空中，正负相抵的剧烈活动以及在它内部的量子涨落便是种子，演变为我们如今所看到的宇宙的种子。这个观点引发了最后的启示。今天，人类关于宇宙最好的理论，告诉了我们在时间起始，宇宙从真空中诞生，不仅创造了大量的物质，还创造了保罗·狄拉克所预示的奇怪东西——反物质。但我们今天看到的宇宙由物质构成，几乎所有的反物质似乎都消失了。根据量子理论，宇宙大爆炸产生了等量的物质和反物质。但随着宇宙冷却，物质和反物质几乎完全湮灭，但并非全部如此。数十亿物质和反物质粒子中可能残留下来一粒。物质和反物质的湮灭产生了辐射，导致了大爆炸的热量就是我们今天所见的微波辐射。而在数十亿粒子的湮灭中，残留下来的极少数粒子创造了星系、恒星、行星和人类。
所以我们只是时间初始时物质和反物质巨大毁灭下的残骸。难以想象的爆炸残留物。所有这些见解都源于了解无物到底是什么的简单尝试。我们曾经认为的虚空，现在似乎包含了整个宇宙最神秘的秘密。