——读罗韦利《现实不似你所见》一书有感

    每一个抱有好奇心和探索心的人，都会发出这深具哲学思想的一问：这个物质世界到底是由什么东西组成的？组成万物的最小构造到底是什么？微观世界能够无限细分吗？……虽然至今这个答案还不是非常的肯定，但对这个问题回答的过程，也是物理学、甚至整个科学飞速发展的过程。

 一、朴素的原子说

 在中国古代，最主流的物质本源论是“五行之说”，认为是金、木、水、火、土组成了这变化万千的世界，这样的观点至今还主宰着一些人的思想。跟这些思想差不多的，还有古印度的“地、水、火、风”，古希腊的“水、气、火、土”等等。

 在整个古代文明史中，最靠近当代科学认知的无疑是古希腊哲学家德谟克利特提出的“原子说”，认为物质世界都是由无数个不可分割的原子构成的。“原子”一词在希腊文的本义就是“不可分的”。德谟克利特的理念极其简单：整个宇宙由无限的空间构成，其中有无数原子在运动。空间没有界限，没有上也没有下，没有中心，也没有边界。原子除了形状以外别无特性，它们没有重量、颜色与味道。

 德谟克利特认为，原子聚集时，在基本层次唯一能显现的就是其形状、排列与结合的顺序。正如把字母以不同的方式排列组合，我们可以得到喜剧或悲剧，荒诞剧或史诗，基本原子也可以通过排列组合使世界变化无穷。这永恒的原子之舞，没有终结，没有目的。我们和自然世界的其余部分一样，是这无尽之舞的众多副产物之一。

 也就是说，我们的生命就是原子的组合，我们的思想由较稀疏的原子构成，梦也是原子的产物；希望与情绪由原子组合的语言叙写；使我们看到影像的可见光也由原子构成。大海由原子组成，城市和星辰也一样。我们通过学习，知道物质是不能无限可分的，总有组成物质的最基本的成分，早在两千多年前，德谟克利特已经将此说的明白了。

 当然，德谟克利特没有告诉我们这“原子”是什么，也没有给出“原子”确实存在的实证依据，所以要让人们普遍接受他的观点也是不容易的。一直到19世纪末20世纪初期，仍然有许多科学家和哲学家并不认同德谟克利特的原子假说。1897年，著名的物理学家、哲学家恩斯特·马赫在维也纳的皇家科学院进行演讲时，就公然宣称：“我不相信原子的存在！”大家可别小看了这马赫先生，他关于空间的观念对爱因斯坦产生了重要的影响。

 直到1905年，爱因斯坦才通过研究，给出了原子存在的确切证据。他的做法其实很简单：如果我们仔细观察非常小的粒子，比如飘浮在空气或液体中的灰尘或花粉颗粒时，我们会看到它们振动跳跃。由于振动，它们会随机运动，缓慢地漂移，逐渐离开初始位置。这些颗粒之所以会运动，是因为它的周围有大量的分子，从不同的方向来撞击颗粒，因为分子的数量不是无限大，所以各方撞击的力量不能完全抵消。可以通过观察液体中漂移的微粒，来计算出德谟克利特“原子”的大小。在德谟克利特提出“原子”的观念两千三百年之后，爱因斯坦给出了德谟克利特的洞见的证据：物质即微粒。

 二、空间、粒子与场

 在古希腊的哲学家中，柏拉图无疑是最为智慧的一个。是他首先意识到毕达哥拉斯和毕达哥拉斯主义的价值，意识到数学是理解与描述世界最合适的语言。据说，柏拉图学园的门上刻了这样一句话：不懂数学者不得入内。这个对数学价值得洞见意义深远，为西方科学的成功奠定了重要的基础。在这个信念的驱使下，柏拉图提出了一个极其重要的问题：能否找到天上可见天体遵循的数学规律。我们都知道，现代科学正是在探索这个问题的过程中逐渐形成的。

 经历了地心说、日心说等有关天体运行模型的深化探索，开普勒终于给出了行星运动的数学规律，在这之后没多久，伽利略就在实践中发现了描述地球上物体的第一个数学定律：自由落体定律。这些规律的发现，给人们提供了一种有效的预测未来的方式。牛顿正是在这些研究的基础上，提出了万有引力定律和奠定经典力学体系的牛顿三大定律。一直到今天，这些定律都在我们的生产和生活中发挥着重要的作用。

 接下来的伟大发现在电磁领域。这其中，有两个非常关键的人物：一个是法拉第，他为了研究电与磁之间的相互关系，引入了一个新的实体——场，人们在利用这个“场”的性质来发明创造各种电器设备的同时，也意识到世界不再只由在空间中随时间流逝而运动的粒子组成，物质的另一个基本元素——场登上了舞台。另一个关键人物麦克斯韦立刻意识到“场”这个观念如金子一般可贵。他把法拉第仅用寥寥数语解释的洞见，转化成了一组方程，也就是我们熟知的麦克斯韦方程组。今天全部的现代通信技术——收音机、电视、电话、电脑、卫星、Wi-Fi、网络等——都是麦克斯韦预言的应用；麦克斯韦方程组是电信工程师进行一切计算的基础。

 从世界仅由“空间和原子”组成，到由空间、粒子和场组成，是我们对物质构成认识的一大飞跃，但这还远没有揭示物质构成的根本。

 牛顿的静电力学体系，是建立在空间不会发生变化，时间平稳流逝的基础之上的。爱因斯坦提出狭义相对论之后，发现他的理论与牛顿的引力理论不相容，这让他感到很困惑，有两个难题必须要回答：一是牛顿所说的空间到底是什么？二是电荷通过场发生相互作用，那么粒子之间是否也通过引力场相互作用，如果是，引力场该如何描述？

 经过十年的思考，到1915年，爱因斯坦有了新的洞见：如果引力场实际上就是牛顿神秘的空间呢？如果牛顿的空间只不过是引力场呢？这个极其简单、优美、智慧的想法就是广义相对论的核心。这是人类思想史上最闪亮的时刻之一，也是爱因斯坦非凡天才的精彩体现。

 由此，科学家们意识到：世界并不是由空间、粒子、电磁场、引力场组成，而只是由粒子与场组成，除此之外别无其他，没有必要把空间作为附加要素加进来。牛顿的空间就是引力场，或者反过来说也一样：引力场就是空间。

 三、量子场

 爱因斯坦在1905年的时候，还做出了一个巨大的贡献，就是提出了光的量子说。认为光不是一个连续体，是一份份的，每一分光的能量与光的频率相关。从这个理论出发，科学家们做了大量的理论探索和实践研究，发现不仅仅是光，所有的物质都是量子的，都是由最基础的成分组合而成的，不能够无限地分割下去。

 在此基础上，科学家们构建起了量子力学的大厦。这个大厦的基石包括如下三条：一是所有的物体存在着基本的分立性；二是在对微观粒子的运动进行基本描述时，并不能描述粒子在任意时刻的位置，而只能描述它在某些瞬间的位置——粒子与其他物质相互作用的那些瞬间；三是粒子的运动遵循测不准原理，不能进行精确描述，可以通过概率来进行分析。这就是狄拉克的量子力学：它是一种计算物理量取值范围的方法，也是计算某个值在一次相互作用中出现概率的方法。

 如今，量子力学提供了对自然极其有效的描述。世界并不是由粒子和场组成的，而只有一种实体：量子场。再也没有随着时间流逝在空间中运动的粒子了，存在的只有量子场，其基本事件发生在时空之中。世界如此奇特，却十分简单。这样的观念转变过程比较深奥，这里就不再过多进行介绍了。

 也就是说，这些量子场组成了原子、光以及宇宙的全部内容。它们是非常奇特的物体，其量子是粒子，与其他物质相互作用时才出现；没有相互作用时，它们展开成一片“概率云”。世界就是一群基本事件，沉入广阔动态空间的海洋之中，如海水般起伏。

 量子力学提出的“量子场”理论，也面临着一个很大的挑战，就是如何和广义相对论进行协调的问题。在爱因斯坦的引力场描述中，没有把量子力学考虑进来，没有解释场是量子场这一事实；而量子力学的阐述没有考虑到由爱因斯坦的方程描述的时空弯曲。可以这样说，整个20世纪的很多惊人发现，让人们意识到广义相对论和量子力学都是正确的，但科学家就是无法找到将两者加一融合，让其成为一个全新的、更加完美的理论体系的方法。

 近些年来，人们在这方面有了新的认识。广义相对论告诉我们空间是动态的东西，就像电磁场：一个活动的巨大软体动物，可以弯曲伸展，我们栖居其中。量子力学告诉我们每种场都由量子构成，也就是存在着精细的分立结构。因此物理空间作为一种场，也由量子构成。如果空间本身就是一种量子，问题不就解决了吗？

 如果真的这样，“量子场”就是组成物质的最基本成分。我们生活在一个没有无穷的世界，其中无穷小不存在，因为这片浩瀚有个最小尺度，在它之下空无一物。空间量子与时空泡沫混合，事物的结构诞生于交互信息，编织成世界不同区域间的关联。这是一个我们能用一组方程来描述的世界。

 这是我们目前对物质世界基本构成的最新认识。

 作者在这本书中提醒我们：“科学就诞生于这种谦卑：不盲信我们过去的知识和直觉，不相信任何人所说的，不相信我们的父辈与祖先积累的知识。”“敏锐地意识到我们的无知，这正是科学思想的核心。”

 基于这样的科学信念，或许再过一段时间，人类又会刷新自己对物质世界基本构成的认识呢。

《现实不似你所见》  [意]卡洛·罗韦利/著  杨光/译  湖南科学技术出版社  2017.11