万物的原理，在婴儿眼中最清晰

一个婴儿在吃饭时不小心碰掉了勺子，他会盯着它，好奇却并不知道在好奇什么，但如果你把勺子捡起来放回到他手边，他还会故意把它碰掉。

这些重复的掉落，便是这个婴儿第一次认识物理。

绘图：Tomasz Walenta

人类创造文字和书写，使前人的发现能够成为后世的知识。不然时至今日，我们每个人都像是那个婴儿，好奇却并不知道在好奇什么。

但对于认识世界来说，无知往往是件好事。我们走过尚未有“科学”的混沌和荒芜，由众多天才引领着才到达今天。

如今我们知道勺子是由物质构成的，它会掉落是因为万有引力。而当我们对周遭这个丰富的世界过于熟悉时，我们便需要回到婴儿时刻，抛弃对于物质世界的所有认识，以便重新发现它。

2016年2月11日，

人类首次探测到了来自双黑洞合并的引力波信号。

弗兰克·维尔切克是顶尖的物理学家，同时也是一位外祖父。他已经参悟天才的前人们对物质世界的解释，却又无比羡慕他初生的小外孙从零开始认识世界的状态，他认为，这种无辜的无知正是重新认清我们在宇宙中的位置的理想状态。

弗兰克·维尔切克

（Frank Wilczek）

因在夸克粒子理论（强作用）理论方面所取得的成就，2004年获得诺贝尔物理学奖

他在新书《万物原理》中写道：“物理世界如何运行的简单事实既强大又奇丽，但是帮助我们发现它们的思维方式同样是一个伟大的成就。根据这些基本定律，我们人类在这个宏大图景里扮演着什么角色？这是个很重要的问题。”

《万物原理》

【美】弗兰克·维尔切克 著 柏江竹 高苹 译

中信出版·鹦鹉螺，2022年1月

维尔切克邀请我们一起，回顾和反思那一代代头脑们在物理世界的跋涉，并以一个重生婴儿的姿态，重新发现这个世界。

巨人的步伐

在很久之前，古代科学家就总结了日夜交替、四季循环、月相盈亏和星辰排列的规律，这个时候，人们是简单观测并比较精确地预测它们的变化。

到了17世纪，就出现了描述天空物体如何运转并用数学模型来研究的“天体物理”，托勒密对这种情况进行了一个总结。

托勒密，“地心说”的集大成者

图源自网络

哥白尼注意到这个总结中的某些数字的值可以通过惊人的简单方式相互联系在一起，在假设的前提下，这些神秘的“巧合的”关系可以用几何来解释，以一种更深刻的指导性原则将它们联系起来。

开普勒吸收了哥白尼的想法，并对托勒密的模型做出了其他重要技术变革，创造了一个既简单又精确的行星运动几何模型。

谷歌在开普勒纪念日的定制图

图源自网络

而伽利略这种关注宏大哲学问题的人对简单的几何模型是不满足的，他更渴望建立一种理解世界的新方式。他想要精确地理解某件事，他要寻找确切的数学公式，以完全描述他平凡的观察结果，而他最终也找到了。

于是，牛顿将开普勒的行星运动几何学与伽利略对地球上运动的动力学描述结合在了一起，也就是现在被我们奉为经典的牛顿理论。

开普勒模型

认识世界的过程，就是一个不断发现和传承的过程。

正如牛顿所言：“对任何一个人甚至任何一个时代，要解释所有的自然规律都是一个过于艰难的任务。所以最好做一点儿精确的工作，然后将剩下的留给后人。”

当我们的理论能解释非常广泛的现象并在细节上也能达到和谐一致时，我们就永远无法像希腊哲学家那样理解自然了。因为，我们知道得太多了，我们只能进一步去探索更广阔的空间。

或许我们只有站在更高的角度才能略窥世界的全貌，

就像本书的封面，只有展开才能看到一个完整的光圈

物理学的大厦已经建成？

当所有人都以为古典物理学大局已定之时，在20世纪上半叶，开尔文说：“19世纪末，物理学的大厦已经建成，晴朗天空中的远处飘浮着两朵的令人不安的乌云......”

这两朵乌云就是相对论和量子力学——爱因斯坦的相对论推翻了牛顿的绝对时空观，普朗克的量子假设推翻了能量均分原理。

1927年，第五届索尔维会议合影，这张照片集合了当时物理学界的半壁（甚至可以说是“全壁”）江山

前排左二普朗克，排前中间爱因斯坦

图源自网络

量子力学便是婴儿的勺子，它打破了自牛顿以来人类对万物的解释，将自认为参透物理全貌的人类打回了婴儿状态。

牛顿认为世界是可以控制的，只需要力。而量子力学则表示，世界由一些基本组件构成，它们遵循严格但奇怪且陌生的法则。比如，你不可能观察一个东西而不改变它。

例如不确定性原理（Uncertainty Principle），它由海森堡于1927年提出，主旨为你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度。

此外，不确定原理也会经常被解释为哲学问题，用海森堡自己的话说：“在因果律的陈述中，即‘若确切地知道现在，就能预见未来’，所得出的并不是结论，而是前提。我们不能知道现在的所有细节，是一种原则性的事情。”

想象你和一位朋友坐在一个非常暗的房间里观察一束昏暗的光线。将这束光调得非常非常暗，比如用多层布料蒙在它上面。最终，你和你的朋友只能看到间歇性的闪光。但是你们看到闪光的时间是不同的。光已经被分解为单个量子，而每个量子不能被共享。在这个基本层面上，我们感受到的世界是不同的。

更为颠覆的是，心理物理学揭示出，意识并不指挥绝大多数行动。阿尔瓦罗·帕斯夸尔–莱昂内（Alvaro Pascual-Leone）做了一个具有深远意义的简单实验。

他让受试者可以按照刺激的要求抽动手腕，也可以决定他们想要抽动哪一侧的手腕。例如，如果他们已经决定抽动右手腕，他们的左运动区就会活跃。通过这种方式，研究人员可以在运动发生前预测受试者做出了何种选择。

然后，揭示真相的转折出现了。受试者抽动的往往是刺激强加的那只手，而非自己最初选择的那只手。而且受试者并没有报告说某个外力控制了他们，而是：“我改主意了。”

细致的物质研究揭示，构成我们身体和大脑——“自我”的物理平台——的东西和构成“非自我”的东西相同，而且似乎是紧密相连的，这违背了我们的一切直觉。

在我们婴儿时期急于理解事物的过程中，我们也学会了误解世界和自己。在通向深刻理解的航程中，有许多需要抛弃，也有许多需要学习。

这就是全部了吗？

早在1929年，伟大的数学物理学家保罗·狄拉克在消除了量子电动力学中的疑问之后，就已经宣布：“对于大部分的物理学问题与所有的化学问题，它们的数学理论所依照的基本物理定律，我们都已知晓。”

量子物理奇才保罗·狄拉克（Paul Dirac）

狄拉克指的是量子电动力学中的定律，它们适用于假定由电子、光子和原子核构成的物质。90多年来，我们在原子物理学和化学领域进行了无数次新实验，有了无数的新应用和新发现。

随着理论变得更加严谨，狄拉克大胆的主张不仅得到了延续，而且越发接近现实。随着我们对强力和弱力的掌握加深，我们“基本理解”的范围逐渐扩大，也就是说，“大部分的物理学问题”中的大部分变得更大了。例如，1929年的物理学对恒星如何产生能量，以及将原子核凝聚在一起的力是什么，都没有明确的概念。现在，多亏了成千上万次严格的实验验证，我们能够充满信心地回答这些问题。

附中文版定制专家解读本

狄拉克认为，困难之处仅仅在于应用这些定律时会产生难以解决的复杂方程。而现代超级计算机已经完全可以胜任这项工作了，在它们的帮助下，我们求解基本定律中的方程的能力大大提高。在量子理论的框架下生效的量子电动力学、量子色动力学、广义相对论以及弱力的方程，推动了许多领域的研究进展，包括激光、晶体管、核反应堆、核磁共振成像（MRI）以及全球定位系统等。这是我们打开世界的另一种方式。

法国数学家、物理学家和宗教哲学家布莱兹·帕斯卡曾感叹：“宇宙通过空间囊括了我，吞没了我，使我犹如一个原子。”

维尔切克赞叹于宇宙的广袤和人体的盈实，他写道：宇宙是很丰富的，这个丰富不仅在于我们认知的“外在”，也在“内在”。我们可以感叹世界浩瀚无垠，也可以感叹恒河沙数，但是如果反向不断放大，我们人本身之于更细微处也是“宇宙”，我们亦很大！

我们每个人体内都包含了远比可见宇宙中的恒星数量还多的原子，我们的大脑包含的神经元数量也和我们星系中的恒星数量相当。内在宇宙为外在宇宙提供了有价值的补充。

探寻世界运转的原理，本身就是身为人的本能，而我们的头脑让我们超越了自身的天然极限。

现在，让我们重新捡起地上的勺子吧。