格物致理：改变世界的物理学突破

从很大程度上来说，科学的目的是解释现实并找到驱动自然现象的基本规则和秩序。物理学是关于物质、能量及两者之间相互作用的科学。换句话说，它是一切的基础，也正如欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937年）所言：“所有科学要么是物理学，要么是集邮。”

物理学与获取知识，以及了解我们周遭的世界息息相关。为了种群的兴旺，我们的祖先通过观察和实验相结合的方式来了解世界是如何运转的。出于生存的迫切需要，人类成了科学家。例如，在制造工具时，人们需要依据工作的性质来选择材料——有些石头能被磨削锋锐，有些则不能。第一批工具制造者不得不通过反复实验来验证猜测。人们需要获得可以被实践的知识并将其传授给他人，于是播下了科学的“第一粒种子”。

同样地，早期人类已经意识到了许多自然现象具有可预测的规律性——每天早晨太阳升起，春天总在冬天后出现，抛出的石头永远会掉落在地上。因此我们不难理解，人们在尝试解释这些自然秩序时可能会依靠宗教和魔法。

第一个使用公认的科学方法来思考事物的思想家也许是米利都的泰勒斯（Thales，约公元前624—约公元前546年）。泰勒斯是古希腊七贤之一，他认为所有现象都可以用自然、理性的方式来解释，而非人们普遍认为的超自然力量。要了解世界，必须先了解它的本质或“Physis”（本性，“Physics”的前身）。泰勒斯与其他古希腊哲学家的思想在公开的、批判性的辩论中接受检验，当时所有理论和解释都可能受到挑战。直到今天，这种方式对科学探索仍然影响深远。古希腊科学家与当今科学家的不同之处在于，他们认为没有必要通过实验检验假设——对他们来说，一个合理的、自洽的论点就足够了。

亚里士多德（Aristotle，公元前384—公元前322年）认为所有自然现象都对应着自然法则。他除了对物理学感兴趣，对哲学、逻辑学、天文学、生物学、心理学、经济学、诗歌和戏剧也很感兴趣。亚里士多德的思想影响了西方科学和哲学近两千年，尤其是随着中世纪科学的发展，其思想在欧洲受到极大欢迎，直到17世纪初，他的思想才受到伽利略思想的挑战。

随着时间的推移，越来越多的人认为自然现象是由可被发现和理解的自然法则主导的，而非超自然力量。方济各会修道士和学者罗杰·培根（Roger Bacon，约1214—约1293年）是最早提及自然法则概念的人之一。据说，培根劝告人们“不要再被教条与权威统治，看看世界吧！”。培根的独立思想导致他与在科学问题上拥护宗教和亚里士多德权威的天主教教会发生了冲突，以致他因思想异端而入狱15年，但他为自然界的科学研究铺平了道路——一切源于实验和理性。

培根的另一条格言是“数学是通向科学的大门和钥匙”。这在物理学中毫无疑问是正确的，物理学在很大程度上与可测量和可量化的事物有关。数学分析是从实验与观测所得数据中发现意义、规律的可靠方法。在培根时代，数学家开始开发强大的新代数工具，该工具可以用符号表示未知量，并为科学家提供了前所未有的探索事物间关系的方法。在16世纪和17世纪，身为数学教授的物理学家伽利略·伽利雷（Galileo Galilei，1564—1642年）和艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1643—1727年）开启了物理“嫁接”数学精准性的新纪元。

在伽利略和牛顿之前，科学界发生了一场真正意义上的惊天动地的革命，尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus，1473—1543年）否定了宇宙以地球为中心的普遍观点，而主张宇宙以太阳为中心，地球绕着太阳运动。哥白尼还否定了上帝赋予人类以一切造物的中心位置的观点，因此他不可避免地与天主教教会发生了冲突。伽利略因支持哥白尼的观点而被以异端罪名控告，于1633年被宗教审判官传唤。在酷刑的威胁下，伽利略放弃了地球围绕太阳运动的观点。据说，伽利略曾挑衅般地喃喃自语：“但地球仍在运动。”

正如培根所预言的那样，数学确实成了研究宇宙物理学的钥匙。约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler，1571—1630年）利用当时可用的最佳观测数据，在1609年证明了行星确实围绕太阳运动，但与之前的发现不同，行星的轨道路径是椭圆形的而不是圆形的。这一发现证明了数据比宗教更重要。开普勒没想到会发现以椭圆形轨道运动的行星，但他仍然选择相信数据和数学原理。

随后，牛顿解释了开普勒发现的椭圆轨道。1684年，天文学家埃德蒙·哈雷（Edmond Halley，1656—1742年）问牛顿，如果行星被与距离平方成反比减弱的力吸引向太阳，它将如何运动？显然牛顿几年前就已经找到了答案，据说他立即回答：“一个椭圆。”哈雷说服牛顿，让牛顿发表自己的计算结论，于是这个结论在1687年被发表，并成为科学史上最有影响力的成果之一。牛顿的《自然哲学的数学原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica）或简称为《原理》，阐明了牛顿对力和质量的定义及三个运动定律。在该书的第三部分中，牛顿提出引力无处不在，作用在所有物体之间，引力大小与它们质量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比，由此解释了开普勒揭示的行星运动规律。

在牛顿提出无与伦比的洞见之后，科学家开始认同一切事物是可以被量化和理解的。牛顿提供了一个框架，在这个框架下，清晰的理性世界观得以建立。

1812年，皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon de Laplace，1749—1827年）发表了一篇关于宇宙决定论的论文：《概率分析理论》（Essai philosophique sur les probabilités）。 他想象了一个超智能的存在——以“拉普拉斯妖”（Laplace's Demon）之名为人所熟知，其可以在一瞬间知道宇宙中所有物体的位置和速度，以及作用在它们上面的力，并且能通过这些数据计算物体在未来的位置与速度。

直到19世纪末，物理学大多是在完善机械宇宙观。18世纪，工业革命中蒸汽机的发明促进了热力学的发展，科学家和工程师开始寻找各种方法“榨干”机器的能效。热、能量与功的性质得到了前所未有的彻底研究。

在这些研究中，诞生了伟大的概念“熵”（系统中无序的量度，热力学第二定律所包含的思想——熵总是趋于增加），以及“平衡态”与“不可逆”的概念。这些概念共同指向宇宙的最终崩溃，也就是宇宙学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington，1882—1944年）所说的“热寂”的最终状态。

爱丁顿在传播有史以来最伟大的物理学家之一——阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955年）的思想中发挥了重要作用。在爱因斯坦之前，时空只是物理学家所关注事件的发生背景。相对论改变了这一点。1864年左右，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831—1879年）从电磁学的基础常数中预测了光速。1905年，爱因斯坦发现对于所有观察者来说，光速必须保持不变，并且从这个看似简单的前提出发，得出了涉及时空伸缩的无可争议的结论。正如爱因斯坦曾经的老师［译者注：赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski）］所说：“此后，空间和时间本身注定要蜕变为纯粹的幻影，只有两者的结合才能保持独立的现实。”爱因斯坦证明了引力实际上是时空因嵌入其中的物质而弯曲的结果，而不是牛顿所设想的力。正如美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John A rchibald Wheeler，1911—2008年）的简洁描述：“时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲。” 

20世纪初，人们看待宇宙的方式发生了深刻的变化，这是一个科学分水岭，它将物理学划分为经典物理学和量子物理学。一些物理学家甚至认为爱因斯坦的相对论属于“经典物理学阵营”，而非严重偏离经典物理学。但是，爱因斯坦对量子时代的发展起到了积极作用。

1905年，爱因斯坦发表了他对光电效应的定义：金属表面在光辐射作用下发射电子的效应。他为此使用了马克斯·普朗克（Max Planck，1858—1947年）五年前引入的物理学概念——能量不是连续的，而是以离散的小份（被称为量子）出现的。

量子是物理学革命的“种子”。尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，1885—1962年）、沃纳·海森堡（Werner Heisenberg，1901—1976年）和埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger，1887—1961年）等科学家在开始探索其意义时，建立了一种宇宙观，认为宇宙中没有什么是确定的，光可以作为波与粒子同时存在，在完全相同的实验中可能会产生不同的结果，在测量之前物质的属性没有实际意义。就量子物理学而言，没有“真实的”世界，只有充满各种可能性的无定形海洋。

物理学面临的最大挑战之一是找到一种方法，一种所谓的“万物理论”来协调量子域的基本力与爱因斯坦的宇宙的引力和扭曲的时空。迄今为止，这一目标被证明是遥不可及的，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking，1942—2018年）和爱因斯坦等物理学家尽最大努力也无法接近它。霍金认为，包罗万象的超级理论将永远遥不可及，因为人类对现实的认识总是不完整的。然而霍金对此并不感到沮丧，他说：“我们拥有一生来欣赏宇宙的伟大设计，为此，我们深表感谢！”

在本书中，我们将仅介绍物理学在“理解”这一伟大设计过程中的一些发现。

罗伯特·斯奈登（Robert Snedden）

英国著名作家、出版人，拥有30多年出版业经验，科普创作奇才，以将复杂难懂的科学问题展现得有趣且令人发省见长，他的作品深受各年龄段读者喜爱，无论成人还是孩童，均从中受益。

译者

何佳茗

毕业于北京四中，现就读于约翰斯·霍普金斯大学。

何万青

博士，阿里云高性能计算负责人，曾在英特尔公司长期从事高性能计算对科研和工程客户的技术支持工作，热衷科普，有公众号“四维碎片”。

本书以准确客观的语言、清晰的时间线索讲述科学史，深入浅出地呈现物理基础概念的“接受史”和物理学家们的“江湖史”。以历史的方式讲述物理知识，以故事的形式介绍物理研究方法和物理思想。本书采用一种抽丝拔茧、福尔摩斯探案般的叙事架构，对人类从现象和好奇心入手认识世界，不断突破自身的认识局限的过程悉数道来，再配以大量科学史上珍贵的高清照片，读起来引人入胜又值得反复推敲。作者对科学概念的形成和表达采用了严谨而准确的描述，并不掺杂个人的评论，这使得本书成为一本常读常新的科普著作。

第一章    物理吸引力

第二章    经典气体

第三章    力的世界

第四章    光

第五章    物质状态

第六章    触电体验

第七章    电磁学

第八章    热力学

第九章    万物相对

第 十 章  时空弯曲

第十一章  量子领域

第十二章  粒子与未知