## 物理学之墙（上）

如果你想知道这个世界究竟是怎么回事儿，只有物理学能给你最终的答案。物理学是最革命的科学，它一次又一次颠覆我们对世界的认知，提出匪夷所思的理论，吸引了无数英雄豪杰献身。现代人所有的科幻，都不但是直接受到物理学的影响，而且还都没有物理学家想得狂野。

但如果你曾经想当个物理学家去探索世界的终极秘密，却因为种种原因没当成……你似乎不必感到遗憾。因为过去几十年间，物理学并没有取得什么重大突破。

我们的世界观已经很久没有更新了。

我可以说的严重一点：物理学，撞墙了。

我们先回顾一下物理学的几次革命，再看看它的现状，再预期一下它的未来。我们的着眼点是物理学对人类世界观的改变。

很遗憾，我们没有生在物理学突飞猛进的时代……而且它可能永远都不会再前进。

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公元1609年，也就是大明万历三十七年，意大利数学家和天文学家伽利略得到了一个来自荷兰的新仪器，叫望远镜。荷兰人本来是把望远镜用于航海，或者偶尔偷窥邻居。但伽利略很擅长动手，迅速把望远镜做了改进，让放大倍数达到了20倍。这使他能够用望远镜观测天体。

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伽利略立即看到了一些极为震惊的东西。

伽利略在1610年三月迅速出版了一本只有60页的小书 ——《星空信使》（Sidereus Nuncius）。这本书彻底颠覆了人们对世界的认知。

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你要知道当时的主流宇宙观是天上的所有星体都绕着地球运动，它们的轨道是完美的圆形，而且那些天体本身都是光滑的发光圆球。天主教会说只有我们这个地球是不完美的，坑坑洼洼各种缺陷……天上的东西，那都是神圣的。

然而，伽利略在《星空信使》中公布了四项革命性的发现 ——

第一，月球的表面并不完美。 伽利略精确画出望远镜看到的月球表面，其中布满了山脉和坑洞，凹凸不平。原来天上的星体并不是光滑无瑕。

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第二，银河并不只是一片雾状光斑。 伽利略发现，银河系中的每一个微小光点，实际上都是一颗恒星。这意味着宇宙远比人们此前想象的要辽阔得多，恒星的数量远超人类的认知。

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第三，木星有四颗小卫星，它们绕着木星运转。 这项发现直接动摇了“地球中心说”。原来并不是所有天体都绕着地球转！

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第四，金星的亮度，随着它在天空所在的位置，有周期性变化，类似于月亮的相位。这表明金星更可能是围绕太阳 —— 而不是地球 —— 运动的。

之前早就有哥白尼的日心说，但只是个非常小众的理论。伽利略这些发现强烈说明日心说是对的，这是直接的证据！

你只要通盘考虑这些发现，就只能接受一个事实，那就是地球并不是宇宙的中心。再进一步，也许你会猜想太阳也不是什么特殊的存在。或许每一颗恒星都是一个太阳，有它们自己的行星……也许宇宙中有无数个类似于地球的世界……

我经常想起这本《星空信使》。我很羡慕伽利略，但我更羡慕当时的读书人。你原本深信地球是宇宙的中心，现在突然意识到还有别的地球，那是一种何等的震撼。

此书不但在学者间引发热议，让教会极为紧张，而且在社会上也引起了轰动。欧洲贵族和商人们纷纷购买望远镜，天文观测成了一种特别高雅、特别时髦的上流社会活动。

今天的科学进步都是累积性的，是一点一点前进，而且前进的步伐在减慢，我们的世界观在趋于稳定。我们也许再也看不到那么有冲击力的书了。

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伽利略的发现只是物理学的序曲。其他天文学家迅速也用上了望远镜，日心说很快深入人心。开普勒几年间就发现行星绕太阳运行的轨道不是完美的圆形，而是椭圆。伽利略也用实验总结了自由落体的规律。但他们都不知道这一切意味着什么。

真正的革命必须由牛顿开启。

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1687年，牛顿出版了《自然哲学的数学原理》（Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica）一书。每个物理老师都会告诉你此书提出了经典力学的基本框架，包含万有引力定律和三大运动定律，解释了行星的运动轨道……但他们未必能告诉你这本书最大的意义是什么。

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牛顿的《原理》，最大的意义，是告诉我们，这个世界是讲理的。

苹果之所以会从树上掉下来，并不是因为苹果“想要”下来，也不是因为有某个神灵让它如此；行星之所以绕着太阳走，也不是因为有天使在推着它们走。是物理定律要求如此。

天上地下，从苹果到木星、到人、到整个宇宙中的任何东西，都必须严格遵守同样的物理定律，绝无例外。

而且那些物理定律可以用很简单的数学公式描写！三条基本原理，一个加速度公式，一个引力公式，完事儿！

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从两个公式出发，你求解微分方程，就会得到行星轨道，纹丝不差。

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古往今来还有比这更牛的发现吗？原来万事万物之所以如此，并不是它们随意如此，也不是「上帝」一个一个刻意安排如此 —— 而是背后有一套可以用数学公式描写的物理定律，决定了它们必须如此！

原来世间万物的运行都有规律可循，都有明确的因果关系！什么叫天网恢恢疏而不漏，什么叫为天地立心，什么叫究天人之际通古今之变……人家牛顿做出来了。

牛顿的理论彻底改变了人类的世界观。牛顿不但开启了科学，而且开启了理性时代。有了牛顿，数学才真正有意思，才有了欧拉、拉普拉斯、拉格朗日、傅里叶等等的数学家；才有了康德等等严肃的哲学家，才有了启蒙运动……才有了现代世界。

牛顿的精神是人可以认识世界，甚至可以在一定程度上预测和掌控世界。这就把人类从以前不知道该信哪个神的蒙昧状态解放出来，让我们产生主人翁意识。

牛顿让我们一度认为世界如同钟表般运行，宇宙是纯机械的，没有半点偶然……现在看来这可能不对，但那是后话。

天不生牛顿，万古如长夜。

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牛顿以后将近两百年间，物理学的进展比较缓慢。力学定律只有理论价值，人们盖房子修桥啥的并不会去求解微分方程。数学家把牛顿的理论玩出了花样，但实验手段有限，只能继续往天上看。等到工业革命开启，蒸汽机给物理学家带来极大启发，热力学应运而出 —— 但这是实践喂养科学，而不是科学指导实践。

真正让科学有了经济价值的，是电磁学。库伦、安培和法拉第等人在实验室里研究了一系列电和磁的现象，但真正的大师是麦克斯韦。

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1865年，麦克斯韦用四个简洁优美的方程把电和磁统一了起来 ——

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这四个方程说：1）电荷产生电场；2）没有磁荷；3）变化的磁场会产生电场；4）电流或者变化的电场会产生磁场。

这组方程的一个神奇之处是最后一项，也就是变化的电场会产生磁场，完全是麦克斯韦为了数学的完备性加上去的。以前并没有人做实验发现那个现象 —— 但后来人们发现这是真的。这是历史上第一次，物理学家凭空推导出来一个物理定律！

理论说应该有，结果实验发现果然有。言出法随，这是牛顿之外的物理学家所能拥有的至高成就。此后只有为数不多的几个人，包括爱因斯坦、狄拉克、盖尔曼、希格斯等，有过这样的幸运。

麦克斯韦方程的更神奇之处在于他预言了电磁波的存在，而且明确指出我们平时看到的光，就是一种电磁波。

此后爱迪生和特斯拉开启电气时代，赫兹在1887年证明了电磁波的存在，到1895年人类真的用上了无线电通讯……可谓是物理学的世俗胜利。

但麦克斯韦方程对我们世界观最大的改造，则是他奠定了「场」这个概念。原来空间中充满了摸不着、而且可以看不见的电磁场，原来一个东西可以不直接跟另一个东西 —— 而是跟电磁场 —— 发生相互作用。

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我敢说后世的气功大师说什么「气场」，就是受到电磁场的启发。这里的要点是空间中弥漫着某种能量和信息，它有清晰的结构，可以被测量。原来世界还有这样的一面。

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物理学家一旦玩上电，就可以做各种各样精巧的实验。到二十世纪初，物理学终于突飞猛进。一百年前的物理学就如同今天的 AI 一样，几乎每天都有新发现，英雄豪杰层出不穷 —— 而比现在 AI 更厉害的是，物理学那是翻来覆去地颠覆人们的世界观。

我们专栏已经专题讲过相对论 [1] 和量子力学 [2]，这里咱们单说这些理论给老百姓认知的震撼。

基本上，爱因斯坦的相对论从「光速不变」和「引力等效于加速运动」这两个听起来不是很自然、但又不得不接受的假设出发，告诉我们「时空」并不只是一种观念，而是某种实在的东西 —— 时空有形状。时间可以变快或者变慢，空间可以弯曲。

玻尔、薛定谔、海森堡、狄拉克等人创立的量子力学，则告诉我们，微观世界和我们的日常世界非常不一样 ——

- 电子可以既在这里，又在那里，能同时从两个缝中穿过；

- 世界本质上是随机的，事情可以无缘无故发生；

- 粒子可以暂时违反能量守恒，穿墙而过；

- 甚至能在真空中无中生有；

- 距离无比遥远的两个粒子可以诡异地纠缠在一起……

这些事情值得每一代的科学作家一说再说，因为我们至今也不知道世界为何如此。

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而所有这一切不可思议的观念，都是在第二次世界大战之前就已经被物理学家知道了。

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此后物理学仍然在进步，但是对世界观的震撼可就没有那么大了。

1940年代，费曼等人完善了量子电动力学，这个理论能解释除了引力和原子核以外*所有*的物理现象。1950年代，杨振宁等人提出了规范场论，为研究原子核内部的相互作用奠定了数学基础……此后长话短说，到1970年代，物理学有了个能解释除了引力之外所有物理现象的统一理论，叫「标准模型（Standard Model）」。

标准模型的世界观是下面这样的 ——

第一，所有的东西都是粒子 —— 或者也可以说，所有的东西都是场。粒子都是场的激发。

你只要类比一下光子就好理解了。我们说光是一种电磁波，也就是电磁场；但量子力学又说光是一份一份的，是一个个的「光子」。量子电动力学把这两个说法合并起来，就是「光子是电磁场的量子化激发」。那么同样地，其他粒子也是各自的场的激发。比如电子，就是「电子场」的激发。

第二，所有的粒子可以分为三类 ——

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第一类是「组成物质的粒子」，包括夸克和轻子。夸克构成了质子和中子，而轻子中包括电子和中微子。

第二类是「传递相互作用的粒子」，包括传递电磁相互作用的光子，传递弱相互作用的W、Z玻色子，和传递强相互作用的胶子。

第三类粒子只有一个，也就是著名的「上帝粒子」，希格斯玻色子，它是希格斯场的量子化激发，它赋予其他粒子质量。

标准模型世界观的第三个设定是世界上一共有四种力，更规范的说法叫四种「相互作用」：传统的电磁相互作用、负责让原子核发生β衰变的弱相互作用、把夸克粘在一起形成质子、中子和原子核的强相互作用，以及引力相互作用。其中引力不归标准模型管，那是广义相对论的事儿。

标准模型加上广义相对论，可以解释世间万物*几乎所有*的现象。

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这就是截止1970年代，物理学的世界观。而如今四五十年过去了，广义相对论让我们找到了引力波，量子力学催生了半导体、激光、量子计算等等的技术，可我们还是这个世界观。有很多物理学家不甘心，提出了五花八门的神奇学说，但都还没有立住。我认为这就是物理学的墙。

这是一面墙而不是绝对的终点，因为我们知道，墙外必定还有别的东西。咱们下一讲再说。

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注释

[1] 相对论1. 一个简单的信念

[2] 量子力学1. 诡秘之主

### 💡 精华要点
- 1.物理学历史上多次革命性突破改变了人类世界观，从伽利略到牛顿，再到20世纪初的相对论和量子力学，每次都带来巨大的认知冲击。
- 2.20世纪70年代形成的标准模型加上广义相对论，构成了当前物理学的世界观框架，可以解释绝大多数自然现象。
- 3.近50年来，物理学在根本理论和世界观层面未有重大突破，似乎遇到了瓶颈或「墙」，但这可能暗示着未来还有未知领域等待探索。
