今天開始咱們搞個小系列，講講物理學家對世界的最新理解。我們的目標是世界到底是怎麼回事兒 —— 答案可能會讓你感到非常震驚。
我們用的這本書是麻省理工學院教授邁克斯·泰格馬克的《穿越平行宇宙》，這本書已經有中文版了。泰格馬克我們專欄讀者應該很熟悉，咱們講過他的《生命3.0》。這本《穿越平行宇宙》是他幾年以前出的書，雖然不是最新的，但是其中的思想非常重要。特別是，泰格馬克本人，直接參與了一些關鍵的物理研究，而且在這本書最後他還提出了一個關鍵思想。 這本書，我們精英日課是非講不可。 今天這一講先說物理學是怎麼回事兒。每個人都上過物理課，不過真正在生活中能想到物理學的機會恐怕不多。那如果你把學過的物理知識都忘了，你對物理學的認知，還會剩下一點什麼呢？我認為，應該就是今天的內容。
1.一個最簡單的物理學史
物理學的歷史跌宕起伏，有無數的英雄故事，但現在我講一個最簡化的、基於邏輯的物理學史。我想用這段小歷史讓你明白物理學到底是怎麼回事兒。這一切的開始，是你對生活的一個細緻觀察。每次往空中扔出一個什麼東西，你都注意到它走的不是直線，而是“拋物線” —— 比如說扔石頭吧。你做了精確的測量，發現石頭既有一個往前走的速度，還有一個往下落的速度。往前的速度是勻速的，但是石頭下落的速度不是勻速，而是越來越快 —— 有一個“加速度”。你就想到，這一定是有什麼東西在把石頭往下拉 —— 石頭是受到了某種摸不著、看不見的“力”的影響。這個力只能來自大地，於是你就發現了“ 引力 ”。你進一步測量，發現不管石頭有多重，它下落的“加速度”是恆定的 —— 這就是為什麼一輕一重兩個鐵球會同時落地。於是你得出結論，引力應該正好跟受力物體的重量成正比。現在你有了第一個引力理論！這個理論非常好使，你可以用它精確計算炮彈的彈道。有了引力理論，你的炮兵指哪打哪，這給你帶來了巨大的聲望。 這時候你有了更大的野心。你想到，所有有重量的物體，都受到引力的影響 —— 那行星繞著太陽轉，會不會也是因為引力呢？為了驗證這個猜想，你做了一番計算，想用你的引力理論把行星軌道給算出來。結果你發現怎麼算都不對！可能在這麼大的尺度上，引力理論需要做些修改。你的舊理論中引力只跟物體的重量有關係，那可能是因為我們都住在地球表面。行星距離太陽這麼遠，它感受到的太陽引力應該變小才對。你反覆思考，發明了一個新的引力理論，讓引力跟距離也有關係 —— 這個理論，就是 萬有引力。萬有引力理論就更厲害了，它能精確預言行星的運動！什麼橢圓軌道啊、速度啊週期啊你都能算出來，而且跟天文學家的觀測非常吻合 —— 從數學上來說，萬有引力理論在地球表面的極端情況，正好就是那個舊理論。所以現在萬有引力理論是一統江湖，對地上和天上的東西都管用。於是你就去挨著個地測量太陽系行星的軌道，想看著萬有引力理論大殺四方。結果你發現，其他行星的軌道和你的理論計算都是精確符合的，但是距離太陽最近的那個行星，也就是水星，的軌道變化，總是和計算結果有一點點的差異。這個差異非常非常小，每個世紀相差還不到1弧度。可你還是感到坐立不安。這不應該啊！如果我的理論是完美的，水星怎麼就例外呢？難道說因為水星離太陽很近，萬有引力理論就不好使了嗎？你克服了無數的困難，甚至把“力”這個概念都更新了，終於發明了一個更新的理論，這個理論叫 廣義相對論。廣義相對論能完美解釋水星軌道，而這僅僅個開胃菜。有了廣義相對論，你就可以研究更大的問題。你預言了黑洞和引力波的存在，結果後來觀測都證實了！而且因為有了廣義相對論，我們居然可以研究整個宇宙的歷史了。多年以後，面對成熟的宇宙學，你準會想起第一次往空中扔石頭的那個遙遠的下午。
2.物理學的邏輯
這段極簡的物理學史，告訴我們三個邏輯。
第一，物理學家總是用一個更“一般”的新理論，取代舊理論。有了新理論，你會發現舊理論只是新理論在局部的一個特殊情況。比如說，你把廣義相對論拿過來，考慮一個引力比較弱的特殊情況算一算物體的運動方式，它跟牛頓萬有引力公式的計算結果就是一樣的。同樣道理，你把牛頓萬有引力公式拿過來，考慮地球表面這個特殊情況，那就相當於引力只和重量有關係。所以物理學家一般不說舊理論是*錯的*，舊理論只是*適用範圍有限*。新理論是舊理論的推廣，舊理論是新理論的近似。第二，新理論除了能解釋舊理論不能解釋的一些現象之外，還能預言一些物理學家此前連想都沒想過的、新的東西。牛頓力學只能計算一般行星的軌道，可是有了廣義相對論，我們不但能解釋水星軌道的“怪異”變化，還能預言一些新東西。比如黑洞、引力波這些東西，牛頓力學裡面根本沒有，天文觀測也沒見過，物理學家做夢都沒夢見過 —— 可是如果你把廣義相對論當個玩具，考慮這個方程在一些特殊情況下的解，你就能在紙面上算出來，應該有這些東西存在！結果過了多少年之後、天文觀測的手段進步了，天文學家一找，還真的找到了！這簡直不可思議，你就覺得這個世界對物理學家真是非常友好。1928年，狄拉克把量子力學和狹義相對論推廣到一起，提出一個關於電子的新理論。他把新理論的方程求解，就發現這個理論除了能解釋電子的存在之外，方程還有另外一個解。那個解的各種性質和電子一樣，但是它帶正電，是電子的“反物質”。那麼狄拉克就純粹根據自己的方程，說世界上應該有“正電子”這種東西。結果到1932年，實驗物理學家就真的找到了正電子！ 狄拉克論上帝：上帝創造世界，用的是美麗的數學。泡利論狄拉克：如果我對狄拉克的理解正確的話，他的意思是說根本就沒有上帝，而他狄拉克是上帝的先知。像這樣的故事數不勝數。物理學家推廣舊理論不僅僅是為了數學上的完美，而是開疆拓土，是打開新世界的大門。
第三，新理論不會讓物理學家滿足很長時間，他們又會想要更新的理論。
有了新理論，打開了新世界，你很快發現又有新的現象，是這個理論解釋不了的。比如廣義相對論似乎不能完全解釋暗能量，根本就無法解釋暗物質，你就想要更新的理論。
整個這個過程，就是
現象 → 理論 → 新現象和新的解釋不了的現象 → 新理論 →……
這有點像是玄幻世界裡的“修仙”。每上升一層新境界，你看世界的整個眼光就都改變了。比如說，你會發現原來看起來很不一樣的東西，現在在這個更高的層次上看，其實是同一種東西。
人和動物都是生物，生物和非生物都是原子組成的，地上和天上的東西滿足同樣的物理定律。
每一次見識的昇華，同時又會給你解鎖新的技能。在低層次看來，高層次的技能就好像法術一樣。
到了高層次回頭再一看，以前那些看似神秘的東西都變得一目瞭然，真是一覽眾山小。
而很多物理學家相信，這個提出新理論、解鎖新現象的過程，不會一直持續下去 —— 可能馬上就要到頭了。
摘自:萬維綱.精英日課
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