2．天地如一

在牛頓發現萬有引力定律之前，幾乎沒有理由能讓人認定地球上的物理定律和宇宙里其他地方的物理定律是相同的。天上地下各有一套行事的規則。事實上，當時的很多學者認為天上的事是我們這些無能的凡夫俗子無法參透的。如后面第7篇所講述的，當牛頓沖破這一哲學藩籬，指出一切運動都可以分析和預測時，一些神學家批評他搶走了上帝的所有功勞。牛頓發現，引力令成熟的蘋果落下枝頭，也正是它使得拋出的物體按照彎曲的拋物線運動，讓月球沿著軌道繞地球飛行。牛頓萬有引力定律也決定了太陽系里行星、小行星和彗星的軌跡，決定了銀河系里數百億顆恒星的運轉軌道。

物理定律的普適性極大地推動了科學發現的進展。引力僅僅是開頭而已。想象一下在19世紀，當棱鏡（能夠將光束分解成各種色光組成的光譜）被第一次對準太陽的時候，天文學家是多么的激動和興奮啊。光譜不僅美麗，還包含了發光體的溫度、成分等許多信息。利用光譜上獨特的明線或暗線可以分辨出不同的化學元素。令人們驚喜的是，太陽的化學成分與實驗室里的一樣。從此棱鏡不再是化學家們的專用工具，它揭示出當太陽與地球在體積、質量、溫度、位置和外觀上存在差異的同時，卻含有相同的組分——氫、碳、氧、氮、鈣、鐵等。但是比起這一長串相同的組分，更重要的是，我們發現所有有關太陽光譜特征形成的物理定律同樣也在1.5億千米以外的地球上適用。

這個普適的概念真是太廣泛了，反過來應用也同樣成功。對太陽光譜的詳細分析發現太陽里存在一種地球上沒有的元素。由于它來自太陽，因此這種新物質被命名為氦（源自希臘語helios，即太陽的意思）。后來在實驗室里也發現了這種物質。因此，氦成為元素周期表上第一種、也是唯一一種在地球之外發現的元素。

好了，這些物理定律在太陽系里適用，但在整個銀河系里也同樣適用嗎？在整個宇宙里呢？它們自身會隨時間變化嗎？這些定律逐一得到了檢驗。附近的恒星也顯現出相似的化學成分。遙遠的雙星被束縛在互耦的軌道上，似乎完全遵守牛頓的引力定律。同理，雙重星系也是如此。

另外，就像地質學家研究地層一樣，我們看得越遠，看到的事件就越久遠。宇宙里最遙遠天體的光譜顯示它的化學成分與宇宙里其他所有天體并無差別。盡管那里的重元素含量較低（重元素主要產生于近代的爆炸星體里），但是描述產生這些光譜特征的原子和分子過程的定律并沒有改變。

當然，并不是宇宙里的所有事物和現象都能在地球上找到相對應的存在。

你恐怕從沒穿過一團溫度高達數百萬攝氏度的熾熱等離子體，也絕沒有在大街上撞見過黑洞。重要的是，描述這些的物理定律具有普適性。當首次對星際星云發出的光進行光譜分析時，又找到一種地球上沒有的元素。但是這時元素周期表上已經沒有空著的格子了，而之前發現氦的時候還有一些。于是天體物理學家們發明了“nebulium”一詞，作為這種未知元素的占位符。最終人們發現，宇宙中的氣態星云非常稀薄，其中的原子碰撞概率很低，這時原子中的電子能夠表現出在地球上不可能出現的行為。事實上，所謂“nebulium”只是氧離子的特殊表現而已。

物理定律的普適性告訴我們，如果我們登上另一個擁有發達文明的星球，即使當地居民有著和我們不同的社會和政治信仰，但是他們所遵循的物理定律必定與我們在地球上發現并檢驗過的是一樣的。如果想和他們交談，相信他們絕不會說英語、法語，甚至是中文。你也不知道和他們握手（如果他們有手可握的話）是代表友好還是戰爭。最有希望的還是用科學的語言進行交流。

20世紀70年代，人類發射了“先驅者10號”和“先驅者11號”，以及“旅行者1號”和“旅行者2號”探測器進行了類似的嘗試，只有它們的速度能夠逃脫太陽系引力的束縛。先驅者號上帶有一塊鍍金鋁板，上面以象形圖的形式刻著太陽系的組成、我們在銀河系中的位置以及氫原子的結構。旅行者號更進一步，收錄了來自地球的各種聲音，包括人的心跳聲、鯨魚的“歌聲”以及從貝多芬（Beethoven）到查克·貝瑞（Chuck Berry）的多首音樂作品。雖然這樣的安排比較人性化，但是還不清楚外星人能不能聽懂——假如他們有耳朵的話。我特別喜歡旅行者號發射后不久《周末夜現場》制作的一輯滑稽模仿秀：美國國家航空航天局收到了發現旅行者號的外星人發來的回復，很簡單——“再來點查克·貝瑞”。

如我們將在第3篇里所詳細闡述的，科學繁榮不僅是因為物理定律具有普適性，也是因為物理常數的存在和永續性使然。萬有引力常數，即大多數科學家所說的“大G”，使人可以用牛頓萬有引力方程計算引力的大小，一直以來已經歷了多重檢驗。你可以根據G的大小計算出恒星的亮度，換句話說，如果G在過去有稍許差別的話，那么太陽釋放的能量的變化要比生物學、氣候學或地質學記錄所顯示的變化大得多。事實上，沒有發現任何隨時間或空間改變的基本常數——看來它們確實是恒定不變的。

這就是我們宇宙的運作方式。

在所有常數之中，光速無疑是最著名的一個。無論你跑多快，永遠不可能超過光速。為什么不行？已有的實驗沒有一個能夠找到任何形式的、運動速度能達到光速的物體。嚴密的物理定律能夠預測并解釋這一點。這些說法聽起來很保守。誠然，過去一些最令人尷尬的科學預言低估了發明家和工程師們的智慧：“我們永遠飛不起來。”“商業飛行永不可行。”“我們永遠不可能飛得比聲音快。”“原子永不可分。”“我們不可能登上月球。”這些你都聽過。他們的共同問題是都沒有物理定律作為根據。

“我們永遠無法超過光速”的論斷是本質上完全不同的預言。它來源于經過時間考驗的基本物理原理，毋庸置疑。未來星際高速公路上的標志牌一定這樣寫著：

光速：

不僅是好主意

也是定律。

物理定律的優點在于它們無須執法機構來維持，但是我曾經得到一件愚蠢的T恤，上面醒目地印著“遵守引力”。

許多自然現象是多個物理定律同時作用、相互影響的結果。這常常使得分析更加復雜，大多數情況下需要超級計算機才能處理并分析清楚重要的參數。1994年，蘇梅克—列維9號彗星與木星撞擊并在木星厚厚的大氣層里爆炸，最精確的計算模型需要綜合流體力學、熱力學、運動學，以及引力作用的知識。氣候和天氣也是復雜（并難以預測）現象的典型代表。但是控制它們的基本定律仍然有效。木星大紅斑是一團持續了至少350年的激烈的反氣旋，它發生的物理過程和地球以及太陽系其他行星上的風暴發生過程完全一致。

守恒定律是指某些測量量在任何情況下都守恒不變的定律，它屬于另一類宇宙真理。最重要的三個守恒定律是質能守恒定律、動量和角動量守恒定律，以及電荷守恒定律。這些定律在地球上和宇宙里任何我們曾經觀測過的地方——從粒子物理的領地到宇宙的大尺度結構——都明顯成立。

撇開前面的自夸不談，天堂也不是十全十美的。我們已經發現，宇宙里85%的引力源我們無法找到。這些暗物質，除了它們的引力效應能被我們感覺到以外，仍無法被檢測到。它們可能是由尚未被發現或識別的奇異粒子組成的。然而，極少數天體物理學家仍無法信服，認為暗物質根本不存在——只要修改牛頓引力定律，在方程中增加幾項就可以了。

或許有一天我們會發現牛頓萬有引力定律真的需要修改。那也沒什么，以前就曾經發生過一次。1916年，愛因斯坦發表了廣義相對論，重新定義了引力原理的方程，使之適用于質量極大的天體，這是牛頓所不知道的領域，在那里牛頓方程也已經失效。我們得到怎樣的教訓呢？我們對定律的信心限于已驗證的范圍內，范圍越大，定律描述宇宙的能力就越強。對于普通的引力，牛頓定律足夠用了，但是對于黑洞和宇宙大尺度結構，我們需要用廣義相對論來解釋。它們在各自的作用域里都可以給出完美的解釋，無論這個作用域在宇宙里哪個位置。

對科學家來說，物理定律的普適性使宇宙成為一個極其簡單的地方。相比之下，人的本性（心理學家的領域）則是極為復雜的。在美國，教育局投票決定學校教授的課程內容，有時候投票人會根據當時的社會和政治潮流，或是宗教價值觀來投票。在世界范圍內，不同的信仰體系會帶來政治上的差異，有時甚至無法和平解決。有些人會對著公交站牌喃喃自語。物理定律的顯著特點是無論你是否相信，它們在任何地方都適用。除了物理定律之外，其他一切都是個人判斷。

科學家不是沒有爭論，他們不僅爭論，而且還挺多。但是，科學家爭論的時候通常是表達對知識前沿一些數據的解釋的個人觀點。無論何時何地討論一個物理定律，爭論一定很簡短：不對，你的永動機想法永遠行不通——因為它違反了熱力學定律。不，你不能制造一臺能回到過去的時間機器——因為它違反了因果律。如果不違反動量守恒定律，不管你是不是盤腿打蓮花坐，你都不可能同時飄起還懸浮在地面上。但是，理論上，如果你能設法放一個既有力又持久的屁，或許你可以表演一下這個絕技。

關于物理定律的知識有時候可以給你信心去應付無理的人。幾年前，有一次我在美國加利福尼亞州帕薩迪納的一家甜品店里喝睡前的熱可可飲料。我點了鮮奶油，但是當飲料端上來的時候卻沒有奶油。我告訴侍應我的可可里沒有奶油，他卻堅持說我看不到奶油是因為它已經沉到杯底了。我知道鮮奶油的密度比任何飲料都低，所以我給了侍應兩種可能的解釋：要么是有人忘了在我的熱可可里加奶油，要么是物理定律到他店里走了樣。他不信，拿來一團鮮奶油自己試，結果那團奶油在我的杯子里晃蕩了一兩下就浮在那里不動了。

你還要什么更好的證據來證明物理定律的普適性？