對(duì)簡(jiǎn)單性的探索

對(duì)我來(lái)說(shuō)，物理學(xué)真正的美不僅僅在于抽象的方程或是令人驚訝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還在于支配世界的深層原則。這種美就像令人驚嘆的落日，像達(dá)·芬奇的繪畫(huà)、莫扎特的奏鳴曲等偉大的藝術(shù)作品那樣讓人肅然起敬。這種美不僅在于自然法則那令人驚奇的深邃，也在于論及這些法則的來(lái)源時(shí)，底層的解釋（即我們?nèi)绾沃赖倪@些法則）簡(jiǎn)單得難以置信。[3]

探究簡(jiǎn)單性的一個(gè)絕佳例子，就是科學(xué)對(duì)物質(zhì)的基本組成要素長(zhǎng)期而持續(xù)的發(fā)現(xiàn)之旅。不妨看一眼周圍，思考一下組成我們?nèi)粘Ｊ澜绲囊幌盗胁牧希夯炷痢⒉ＡА⒔饘佟⑺芰稀⒛绢^、織物、食材、紙張、化學(xué)品、植物、貓咪、人類……千百萬(wàn)種不同的物質(zhì)，每種都有自己的特性：濡濕的、堅(jiān)硬的、流質(zhì)的、閃亮的、柔韌的、暖的、冷的……你要是對(duì)物理學(xué)或化學(xué)一竅不通，可能會(huì)覺(jué)得大多數(shù)物質(zhì)之間沒(méi)有多少共同之處；但是我們知道萬(wàn)物皆由原子組成，而原子的種類卻數(shù)量有限。

但我們對(duì)更深層次的簡(jiǎn)單性的追求，不會(huì)止步于此。對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的思考可以一直追溯到公元前5世紀(jì)的古希臘，當(dāng)時(shí)恩培多克勒首次提出一切物質(zhì)皆由四種基本的“元素”組成（他稱之為“萬(wàn)物的四重根”）：土、水、氣、火。不同于這個(gè)簡(jiǎn)單的想法，大約在同時(shí)期，另外兩位哲學(xué)家——留基波和他的學(xué)生德謨克利特——提出了一切物質(zhì)皆由微小且不可分割的“原子”組成。然而兩種觀點(diǎn)雖然各有潛力，卻彼此矛盾。一邊的德謨克利特認(rèn)為物質(zhì)最終是由作為基本構(gòu)件的原子組成，但同時(shí)覺(jué)得原子有無(wú)限多種；另一邊的恩培多克勒提出萬(wàn)物最終是由四種元素構(gòu)成，但卻認(rèn)為這些元素是連續(xù)且無(wú)限可分的。柏拉圖和亞里士多德都推崇恩培多克勒的理論，反對(duì)德謨克利特的原子論，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為原子論所包含的過(guò)分簡(jiǎn)單化的機(jī)械唯物主義無(wú)法說(shuō)明世界的“美”和“形式”的豐富多樣性。

古希臘哲學(xué)家所做的探討不是我們今天理解的真正意義上的科學(xué)——除了個(gè)別值得注意的例外，如亞里士多德（從事觀察）和阿基米德（進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）——他們的理論往往只是理想化的哲學(xué)概念。盡管如此，今天我們通過(guò)現(xiàn)代科學(xué)的工具知道上述兩種古代思想（原子論和四元素說(shuō)）至少在精神上是走在了正確的道路上：我們的世界，包括我們的身體，我們?cè)谔罩锌吹降囊磺腥缣?yáng)、月亮和其他星辰等，其構(gòu)成材料都是由不到一百種的各類原子組成的。如今我們也知道，原子也有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它們是由微小致密的原子核及圍繞原子核的電子云組成，而原子核本身還有更小的組成部分，質(zhì)子和中子，而這兩者又由更為基礎(chǔ)的構(gòu)件——夸克——組成。

因此，盡管物質(zhì)的復(fù)雜性顯而易見(jiàn)，由化學(xué)元素構(gòu)成的各類物質(zhì)不可勝數(shù)，但古人對(duì)簡(jiǎn)單性的探求終究是行之不遠(yuǎn)。以我們今天對(duì)物理學(xué)的理解，世上所有可見(jiàn)物質(zhì)的組成要素，并非如希臘人所說(shuō)的古典四元素，而只是三種基本粒子：“上”夸克、“下”夸克和電子，僅此而已。其余都只是細(xì)節(jié)問(wèn)題。

但物理學(xué)的工作不只是給世界的構(gòu)成要素分類，它還要為我們觀察到的自然現(xiàn)象找到正確的解釋，發(fā)現(xiàn)各種底層原理及這些原理的運(yùn)行機(jī)制。雖然古希臘人會(huì)滿懷激情地探討原子的真實(shí)性或者“質(zhì)料”和“形式”間的抽象關(guān)聯(lián)，但他們不知怎么解釋地震、閃電，遑論月相圓缺或彗星偶現(xiàn)這樣的天文現(xiàn)象了——盡管他們也沒(méi)有放棄嘗試。

自從古希臘人做出探索以來(lái)，我們已經(jīng)走過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的一段路，但仍有大量的現(xiàn)象需要我們?nèi)ダ斫夂徒忉尅１緯?shū)中涉及的物理學(xué)內(nèi)容，基本是我們有把握的那些。自始至終，我會(huì)解釋為什么我們有把握，并指出哪些是猜想，哪些還有商榷空間。當(dāng)然，料想有些內(nèi)容在將來(lái)會(huì)變得過(guò)時(shí)。可能本書(shū)剛一出版，人類就又取得了重要發(fā)現(xiàn)，這又會(huì)修正我們?cè)谀承┓矫娴恼J(rèn)識(shí)，而這就是科學(xué)的特質(zhì)。多數(shù)情況下，你在本書(shū)中讀到的內(nèi)容是關(guān)于這個(gè)世界的真實(shí)狀況，這些事實(shí)已經(jīng)得到普遍接受，毋庸置疑。

在下一章，我將探討一下尺度的話題。沒(méi)有其他科學(xué)領(lǐng)域像物理學(xué)這樣大張旗鼓地處理如此廣泛的尺度，無(wú)論是時(shí)間上、空間上還是能量上的，從微小到無(wú)法想象的量子世界到整個(gè)宇宙，從眨眼一瞬直至永恒。

在對(duì)物理學(xué)所能解釋的范圍有所認(rèn)識(shí)后，我們將正式踏上旅程，從現(xiàn)代物理的三大“支柱”開(kāi)始：相對(duì)論、量子力學(xué)和熱力學(xué)。為了依照物理學(xué)的呈現(xiàn)來(lái)描繪世界圖景，我們須先準(zhǔn)備好畫(huà)布，而這幅畫(huà)布就是空間和時(shí)間——宇宙中發(fā)生的一切，都可以歸結(jié)為在空間中的某一處和時(shí)間中的某一刻發(fā)生的事件。不過(guò)我們將在第3章看到，這張畫(huà)布無(wú)法和所畫(huà)的內(nèi)容分開(kāi)。空間和時(shí)間本身就是現(xiàn)實(shí)不可分割的一部分。你會(huì)很震驚地發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)家對(duì)空間和時(shí)間的看法，是多么地不同于我們的常識(shí)，因?yàn)槲锢韺W(xué)家依賴于愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，該理論描述了空間和時(shí)間的性質(zhì)并明確了我們要如何思考宇宙的結(jié)構(gòu)。一旦畫(huà)布就位，我們就能繼續(xù)準(zhǔn)備顏料了：第4章就會(huì)指明物理學(xué)家所謂的物質(zhì)與能量是什么意思，宇宙中的各種“東西”是由什么組成、如何被創(chuàng)造又是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的。大家也可以把這一章當(dāng)作前一章的配套章節(jié)，因?yàn)槲彝瑯用枋隽宋镔|(zhì)和能量如何與它們所在的空間和時(shí)間密不可分。

第5章涉足微觀世界，我們將畫(huà)面不斷放大，重點(diǎn)著眼于對(duì)物質(zhì)基本構(gòu)成要素之性質(zhì)的研究。這里就是量子世界，現(xiàn)代物理學(xué)的第二根支柱，在這個(gè)世界中，物質(zhì)的行為表現(xiàn)和我們?nèi)粘ｓw會(huì)到的大不相同，而我們對(duì)于“何為真實(shí)”的理解也變得越來(lái)越不可靠。然而我們對(duì)量子的認(rèn)識(shí)絕不是什么異想天開(kāi)或者智力消遣；要不是因?yàn)槔斫饬酥髟孜镔|(zhì)和能量的基本要素的那批規(guī)則，我們不可能構(gòu)建出現(xiàn)代技術(shù)世界。

在第6章中，我們把鏡頭拉得離量子世界稍遠(yuǎn)一些，看看當(dāng)我們把許多粒子放在一起，形成更大更復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)，會(huì)發(fā)生什么。物理學(xué)家所說(shuō)的有序、無(wú)序、復(fù)雜、熵、混沌都是什么意思？在這里我們會(huì)遇到物理學(xué)的第三根支柱——熱力學(xué)，即關(guān)于熱、能量和大質(zhì)量物體性質(zhì)的研究。我們不可避免地要問(wèn)是什么讓生命本身如此特別。生命物質(zhì)與非生命物質(zhì)為何如此不同？畢竟，生命也和其他一切事物一樣，都遵循同樣的物理法則。換句話說(shuō)，物理學(xué)能幫助我們理解化學(xué)和生物學(xué)之間的區(qū)別嗎？

在第7章，我們會(huì)探討物理學(xué)中一個(gè)最為深?yuàn)W的觀念，即“統(tǒng)一”：在這種觀念之下，我們一再尋找并找到各種普遍法則，從而用一套統(tǒng)一的描述或理論將自然界中看似完全不同的現(xiàn)象統(tǒng)合了起來(lái)。在本章末尾，我會(huì)介紹一些研究追求涵蓋一切的“萬(wàn)有理論”的領(lǐng)軍人物。

在第8章，我們將觸及當(dāng)前對(duì)物理宇宙的認(rèn)識(shí)的極限，并最終會(huì)涉足廣闊的未知領(lǐng)域。我會(huì)探討一些我們目前正努力解決的謎團(tuán)，并推測(cè)這些謎團(tuán)是否會(huì)很快得到解決。

在倒數(shù)第二章，我會(huì)討論物理學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)是如何相互作用并為現(xiàn)代世界奠定技術(shù)基石的。比如要是沒(méi)有量子力學(xué)，我們就不能理解半導(dǎo)體的特性或發(fā)明硅芯片，而這又是全部現(xiàn)代電子學(xué)的基礎(chǔ)；沒(méi)有量子力學(xué)，我也無(wú)法在筆記本電腦上打下這些文字。我也會(huì)展望一下未來(lái)，預(yù)測(cè)目前的量子技術(shù)研究將如何超乎想象地變革我們的世界。

在最后一章，我會(huì)探討科學(xué)真理觀，而探討的背景正是我們這個(gè)“后真理”社會(huì)——很多人對(duì)科學(xué)仍然持懷疑態(tài)度。科學(xué)的進(jìn)程如何有別于人類的其他活動(dòng)？是否有絕對(duì)科學(xué)真理這樣的東西？如果科學(xué)的任務(wù)是找出關(guān)于自然的深層真相，而科學(xué)的事業(yè)在于形成假設(shè)并檢驗(yàn)假設(shè)，并在這些假設(shè)不符合數(shù)據(jù)時(shí)則舍棄它們，那么科學(xué)家該如何使社會(huì)大眾相信科學(xué)事業(yè)的價(jià)值？如果有一天我們知道了所有要知道的，科學(xué)是否會(huì)走向終結(jié)？還是說(shuō)對(duì)答案的探求活動(dòng)將繼續(xù)引我們進(jìn)入一道不斷下探的深淵？

在序言中，我保證過(guò)不會(huì)太糾纏于哲學(xué)思考，而這里我做的恰恰是這樣的思考，而且還只是拋磚引玉。因此，我要深吸一口氣，慢慢地、把握分寸地帶領(lǐng)大家重新開(kāi)始。

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[1]道格拉斯·亞當(dāng)斯，《困惑的三文魚(yú)：在銀河系的最后一次搭車》（Douglas Adams, The Salmon of Doubt: Hitchhiking the Galaxy One Last Time. New York: Harmony, 2002），第99頁(yè)。

[2]這是霍金發(fā)表于1981年的一篇論文的標(biāo)題（S. W. Hawking,“Is the End in Sight for Theoretical Physics?,” in Physics Bulletins 32, no. 1 (1981): 15–17）。

[3]當(dāng)然，美未必只和簡(jiǎn)單聯(lián)系在一起。正如偉大的繪畫(huà)藝術(shù)或者音樂(lè)中存在著美，在一些極其復(fù)雜的物理現(xiàn)象中也能發(fā)現(xiàn)美。