看懂萬物本來的樣子（在嬰兒眼中最清晰）

2023-08-09 13:25:27

一個嬰兒在吃飯時不小心碰掉了勺子，他會盯著它，好奇卻並不知道在好奇什麼，但如果你把勺子撿起來放回到他手邊，他還會故意把它碰掉。

這些重複的掉落，便是這個嬰兒第一次認識物理。

繪圖：Tomasz Walenta

人類創造文字和書寫，使前人的發現能夠成為後世的知識。不然時至今日，我們每個人都像是那個嬰兒，好奇卻並不知道在好奇什麼。

但對於認識世界來說，無知往往是件好事。我們走過尚未有「科學」的混沌和荒蕪，由眾多天才引領著才到達今天。

如今我們知道勺子是由物質構成的，它會掉落是因為萬有引力。而當我們對周遭這個豐富的世界過於熟悉時，我們便需要回到嬰兒時刻，拋棄對於物質世界的所有認識，以便重新發現它。

2016年2月11日，人類首次探測到了來自雙黑洞合併的引力波信號。

弗蘭克·維爾切克是頂尖的物理學家，同時也是一位外祖父。他已經參悟天才的前人們對物質世界的解釋，卻又無比羨慕他初生的小外孫從零開始認識世界的狀態，他認為，這種無辜的無知正是重新認清我們在宇宙中的位置的理想狀態。

弗蘭克·維爾切克

（Frank Wilczek）

因在夸克粒子理論（強作用）理論方面所取得的成就，2004年獲得諾貝爾物理學獎

他在新書《萬物原理》中寫道：「物理世界如何運行的簡單事實既強大又奇麗，但是幫助我們發現它們的思維方式同樣是一個偉大的成就。根據這些基本定律，我們人類在這個宏大圖景裡扮演著什麼角色？這是個很重要的問題。」

《萬物原理》

【美】弗蘭克·維爾切克著柏江竹高蘋譯

中信出版·鸚鵡螺，2022年1月

維爾切克邀請我們一起，回顧和反思那一代代頭腦們在物理世界的跋涉，並以一個重生嬰兒的姿態，重新發現這個世界。

巨人的步伐

在很久之前，古代科學家就總結了日夜交替、四季循環、月相盈虧和星辰排列的規律，這個時候，人們是簡單觀測並比較精確地預測它們的變化。

到了17世紀，就出現了描述天空物體如何運轉並用數學模型來研究的「天體物理」，託勒密對這種情況進行了一個總結。

託勒密，「日心說」的集大成者

圖源自網絡

哥白尼注意到這個總結中的某些數字的值可以通過驚人的簡單方式相互聯繫在一起，在假設的前提下，這些神秘的「巧合的」關係可以用幾何來解釋，以一種更深刻的指導性原則將它們聯繫起來。

克卜勒吸收了哥白尼的想法，並對託勒密的模型做出了其他重要技術變革，創造了一個既簡單又精確的行星運動幾何模型。

谷歌在克卜勒紀念日的定製圖

圖源自網絡

而伽利略這種關注宏大哲學問題的人對簡單的幾何模型是不滿足的，他更渴望建立一種理解世界的新方式。他想要精確地理解某件事，他要尋找確切的數學公式，以完全描述他平凡的觀察結果，而他最終也找到了。

於是，牛頓將克卜勒的行星運動幾何學與伽利略對地球上運動的動力學描述結合在了一起，也就是現在被我們奉為經典的牛頓理論。

克卜勒模型

認識世界的過程，就是一個不斷發現和傳承的過程。

正如牛頓所言：「對任何一個人甚至任何一個時代，要解釋所有的自然規律都是一個過於艱難的任務。所以最好做一點兒精確的工作，然後將剩下的留給後人。」

當我們的理論能解釋非常廣泛的現象並在細節上也能達到和諧一致時，我們就永遠無法像希臘哲學家那樣理解自然了。因為，我們知道得太多了，我們只能進一步去探索更廣闊的空間。

物理學的大廈已經建成？

當所有人都以為古典物理學大局已定之時，在20世紀上半葉，開爾文說：「19世紀末，物理學的大廈已經建成，晴朗天空中的遠處飄浮著兩朵的令人不安的烏雲......」

這兩朵烏雲就是相對論和量子力學——愛因斯坦的相對論推翻了牛頓的絕對時空觀，普朗克的量子假設推翻了能量均分原理。

1927年，第五屆索爾維會議合影，這張照片集合了當時物理學界的半壁（甚至可以說是「全壁」）江山

前排左二普朗克，排前中間愛因斯坦

圖源自網絡

量子力學便是嬰兒的勺子，它打破了自牛頓以來人類對萬物的解釋，將自認為參透物理全貌的人類打回了嬰兒狀態。

牛頓認為世界是可以控制的，只需要力。而量子力學則表示，世界由一些基本組件構成，它們遵循嚴格但奇怪且陌生的法則。比如，你不可能觀察一個東西而不改變它。

例如不確定性原理（Uncertainty Principle），它由海森堡於1927年提出，主旨為你不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度。

此外，不確定原理也會經常被解釋為哲學問題，用海森堡自己的話說：「在因果律的陳述中，即『若確切地知道現在，就能預見未來』，所得出的並不是結論，而是前提。我們不能知道現在的所有細節，是一種原則性的事情。」

想像你和一位朋友坐在一個非常暗的房間裡觀察一束昏暗的光線。將這束光調得非常非常暗，比如用多層布料蒙在它上面。最終，你和你的朋友只能看到間歇性的閃光。但是你們看到閃光的時間是不同的。光已經被分解為單個量子，而每個量子不能被共享。在這個基本層面上，我們感受到的世界是不同的。

更為顛覆的是，心理物理學揭示出，意識並不指揮絕大多數行動。阿爾瓦羅·帕斯誇爾–萊昂內（Alvaro Pascual-Leone）做了一個具有深遠意義的簡單實驗。

他讓受試者可以按照刺激的要求抽動手腕，也可以決定他們想要抽動哪一側的手腕。例如，如果他們已經決定抽動右手腕，他們的左運動區就會活躍。通過這種方式，研究人員可以在運動發生前預測受試者做出了何種選擇。

然後，揭示真相的轉折出現了。受試者抽動的往往是刺激強加的那隻手，而非自己最初選擇的那隻手。而且受試者並沒有報告說某個外力控制了他們，而是：「我改主意了。」

細緻的物質研究揭示，構成我們身體和大腦——「自我」的物理平臺——的東西和構成「非自我」的東西相同，而且似乎是緊密相連的，這違背了我們的一切直覺。

在我們嬰兒時期急於理解事物的過程中，我們也學會了誤解世界和自己。在通向深刻理解的航程中，有許多需要拋棄，也有許多需要學習。

這就是全部了嗎？

早在1929年，偉大的數學物理學家保羅·狄拉克在消除了量子電動力學中的疑問之後，就已經宣布：「對於大部分的物理學問題與所有的化學問題，它們的數學理論所依照的基本物理定律，我們都已知曉。」

量子物理奇才保羅·狄拉克（Paul Dirac）

狄拉克指的是量子電動力學中的定律，它們適用於假定由電子、光子和原子核構成的物質。90多年來，我們在原子物理學和化學領域進行了無數次新實驗，有了無數的新應用和新發現。

隨著理論變得更加嚴謹，狄拉克大膽的主張不僅得到了延續，而且越發接近現實。隨著我們對強力和弱力的掌握加深，我們「基本理解」的範圍逐漸擴大，也就是說，「大部分的物理學問題」中的大部分變得更大了。例如，1929年的物理學對恆星如何產生能量，以及將原子核凝聚在一起的力是什麼，都沒有明確的概念。現在，多虧了成千上萬次嚴格的實驗驗證，我們能夠充滿信心地回答這些問題。

狄拉克認為，困難之處僅僅在於應用這些定律時會產生難以解決的複雜方程。而現代超級計算機已經完全可以勝任這項工作了，在它們的幫助下，我們求解基本定律中的方程的能力大大提高。在量子理論的框架下生效的量子電動力學、量子色動力學、廣義相對論以及弱力的方程，推動了許多領域的研究進展，包括雷射、電晶體、核反應堆、核磁共振成像（MRI）以及全球定位系統等。這是我們打開世界的另一種方式。