致中國讀者

每個(gè)人都應(yīng)該對現(xiàn)代科學(xué)感興趣。

充滿好奇心的年輕人，即使立志于深度學(xué)習(xí)，也應(yīng)該先試試水讓自己和科學(xué)想法成為好友，然后再慢慢深入細(xì)節(jié)。阿爾伯特·愛因斯坦在孩提時(shí)代讀過阿龍·伯恩斯坦（Aron Bernstein）的《大眾自然科學(xué)》（Peoples Book on Natural Science），他晚年時(shí)曾描述這對他的成長是如何重要。

現(xiàn)代科學(xué)中充滿了應(yīng)用廣泛、出人意料和神奇美麗的想法。任何人，從孩子到退休老人，從藝術(shù)家到工人，都能通過了解和思考這些想法來豐富自己的生活和擴(kuò)展自己的思想。你不一定要掌握復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，或?qū)W習(xí)操作復(fù)雜的儀器，你依然能受益匪淺。

即使不知道所有的細(xì)節(jié)，你仍然能理解更能享受很多科學(xué)知識(shí)�，F(xiàn)代科學(xué)之父，伊薩克·牛頓深諳此道，留下了下面這段美麗的文字：

我不知道世界是怎樣看我的。但對我自己來說，我只是海邊玩耍的一個(gè)男孩，時(shí)不時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)一枚更光滑或更漂亮的貝殼，對面前那浩瀚的真理的海洋我完全是無知的。

牛頓說的這種在探索和玩耍中獲得的喜悅是我們每個(gè)人在孩提時(shí)代都經(jīng)歷和體會(huì)過的。進(jìn)一步培養(yǎng)和發(fā)掘這種喜悅，我們便能豐富對世界的了解、升華自己人生、讓歡樂和自己常伴。我們會(huì)因此在精神上永遠(yuǎn)年輕。

II

作為一個(gè)例子，讓我們看一下，關(guān)于顏色現(xiàn)代科學(xué)告訴了我們什么。

對于大多數(shù)人， 顏色會(huì)讓他體驗(yàn)到的世界變得生動(dòng)而絢麗。當(dāng)人們化妝、挑選衣服、駐足于藝術(shù)品前時(shí)，他們是在欣賞顏色是如何讓世界變得更加美麗的。不用絞盡腦汁地思考，你就可以欣賞顏色并獲得快樂。

但是如果我們有好奇心，不想浮游一生，我們便會(huì)開始問問題。顏色究竟是什么？它僅僅是自然隨意賜予世界的一種美妙的裝飾？還是背后有更精彩的故事？

對于這樣的基本問題，現(xiàn)代科學(xué)的答案常常出人意料。

我們發(fā)現(xiàn)我們其實(shí)生活在一種類似液體的媒介里，它彌漫在整個(gè)空間里被叫做電磁場。我們通常認(rèn)為空間是虛無 的，但現(xiàn)代物理發(fā)現(xiàn)空間是一種充滿了各種奇妙成分的內(nèi)容豐富的液體。我們就像魚兒一樣，生活在一個(gè)永遠(yuǎn)逃避不了，同時(shí)早已習(xí)慣了的海洋里。

科學(xué)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：原來，光是這種液體里一種會(huì)傳播的振動(dòng)。

我們都知道，聲音是空氣中傳播的振動(dòng)。太妙了，光和聲音居然如此相似，這不是那種詩歌中模糊的相似，而是深刻的物理實(shí)質(zhì)上的相似。

關(guān)于光科學(xué)有更多的發(fā)現(xiàn)。我們發(fā)現(xiàn)彩虹就像一個(gè)特殊的鋼琴鍵盤，每個(gè)鍵上都清晰地標(biāo)注了對應(yīng)的音符，只是對于彩虹，每個(gè)鍵對應(yīng)一種顏色。這種詩一般的類比其實(shí)是建立在眾多事實(shí)和實(shí)驗(yàn)上的。你理解的事實(shí)越多，你就越能欣賞這類詩歌的美妙。

科學(xué)有更深入的發(fā)展，它告訴我們，原子其實(shí)也是一件件樂器。雖然它們發(fā)出的不是聲音而是光，但它們工作的原理和我們制作的比它們大很多的樂器是一樣的。

另外，還有很多我們眼睛看不到的顏色。無線電波、微波、紅外光和紫外光、X射線和伽馬射線和可見光一樣是電磁場的波動(dòng)。我們的眼睛雖然看不到它們，但是我們通過思維發(fā)現(xiàn)了它們的存在。我們現(xiàn)在可以用各種接收器、發(fā)射器來探測、控制、甚至產(chǎn)生它們。

盡管我多年前已經(jīng)熟悉這些光、顏色、和聲音的科學(xué)事實(shí)，可是我每次后靜下來重溫這些知識(shí)的時(shí)候，我還是贊嘆不已，就像剛剛學(xué)到一樣。我們生活的世界太妙了！現(xiàn)實(shí)的深層結(jié)構(gòu)常常是神奇和隱秘的。當(dāng)你一步一步深入理解它，你才會(huì)發(fā)現(xiàn)日常經(jīng)歷的世界是一個(gè)迷人的宮殿。

III

結(jié)束前讓我再引一段我喜愛的伊薩克·牛頓的話：

一個(gè)人甚至一代人要理解整個(gè)自然都太難了。最好先確切地解決一些問題，然后把其他的問題留給后人。最忌試圖通過建立一堆假設(shè)來一下子理解所有的問題。

理查德·費(fèi)曼，一個(gè)偉大的現(xiàn)代物理學(xué)家，說過類似的話

我玩的游戲非常有趣。它就是想象，一種穿著緊身衣的想象。

前面我一直在強(qiáng)調(diào)科學(xué)是如何揭示有趣的相似，解放我們的思維。但是這些相似之所以令人信服，這些思維解放而不瘋狂，是因?yàn)榕ｎD和費(fèi)曼在上面引言中表達(dá)的謙虛和自律。這是一個(gè)只有一條規(guī)則的游戲，這條規(guī)則是嚴(yán)格的：大自然是最后的裁判。

弗蘭克·維爾切克

正文試讀：

對稱性Ⅰ：愛因斯坦的兩部曲

阿爾伯特·愛因斯坦（1879 - 1955）用他的兩個(gè)相對論狹義相對論和廣義相對論 類思考大自然基本原理的思維模式另辟出一條路徑。愛因斯坦心中的大美蘊(yùn)含于對稱的具體形式里而且自成一體。美變成了創(chuàng)造的原則。

神話般虛構(gòu)的經(jīng)歷

愛因斯坦說到自己的科學(xué)研究方法時(shí)，他的話聽上去具有明顯的前科學(xué)意味，感覺他似乎回到自己十分贊美的古希臘時(shí)代：

真正讓我感興趣的是上帝在創(chuàng)世的時(shí)候有沒有別的方案可選。

愛因斯坦認(rèn)為，上帝 其稱為創(chuàng)世的神工巧匠 - 可能別無選擇。牛頓和麥克斯韋九泉之下會(huì)對此非常震驚。但是它和畢達(dá)哥拉斯普世和諧以及柏拉圖永恒理想的概念契合得天衣無縫。

如果這位大工匠別無選擇：他為什么不能選擇？他被什么束縛了手腳呢？

有一種可能：這位大工匠內(nèi)心里就是個(gè)藝術(shù)家。約束來自對美的渴望。我情愿（也確實(shí)）認(rèn)為，愛因斯坦曾沿著我們問題的思路思考過 間萬物是否是各種妙想的附體？ 充滿信心地回答說：對，就是。

美是一個(gè)很模糊的概念，其實(shí)力和能量等概念最初也很模糊�？茖W(xué)家通過與自然對話，學(xué)習(xí)著讓力和能量的概念不斷完善，力求這些概念盡量符合世界實(shí)相的重要方面。

同樣，通過研究這位大工匠的作品，我們也可以逐步完善對稱的概念，進(jìn)而最終完善美的概念 些概念反映了實(shí)相的要素。與此同時(shí)我們盡量恪守保持這些詞在日常語言的原意。

狹義相對論：伽利略加麥克斯韋

如果愛因斯坦是畢達(dá)哥拉斯的轉(zhuǎn)世，（由于多次轉(zhuǎn)世輪回）他在這過程中一定學(xué)到了很多東西。愛因斯坦當(dāng)然不會(huì)摒棄牛頓、麥克斯韋以及其他科學(xué)革命時(shí)期的英雄們做出的重大發(fā)現(xiàn)，他也不會(huì)輕視這些人對觀測到的現(xiàn)象及其具體事實(shí)的尊重。理查德·費(fèi)曼¹ 稱愛因斯坦是一個(gè)巨人，他說：他的頭腦遠(yuǎn)在云端而他的腳卻踩在地上。

愛因斯坦在他的狹義相對論中調(diào)和了兩位前輩貌似矛盾的兩個(gè)概念。

* 伽利略注意到，勻速的整體運(yùn)動(dòng)使得自然規(guī)律保持不變。這個(gè)概念是哥白尼天文學(xué)的基礎(chǔ)，它在牛頓力學(xué)中也根深蒂固。

* 麥克斯韋方程組意味著光速是自然的基本規(guī)律的直接結(jié)果，光速不會(huì)改變。這是麥克斯韋關(guān)于光的電磁理論的明確無誤的結(jié)論，而這個(gè)理論得到了赫茲和很多其他人的驗(yàn)證實(shí)。

但這兩個(gè)概念之間卻存在著沖突。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，如果我們本身處于運(yùn)動(dòng)中，那么任何觀測對象的表面速度都會(huì)發(fā)生改變。阿基里斯追上了烏龜，他甚至超過了烏龜（因?yàn)樵诎⒒�里斯的眼里烏龜其�?shí)不在往前跑而是在往后跑）。可光束為什么會(huì)與眾不同呢？

愛因斯坦解決了這個(gè)沖突。通過縝密地分析異地同步時(shí)鐘的操作程序，以及這個(gè)同步過程如何被勻速的整體運(yùn)動(dòng)所改變，愛因斯坦很快意識(shí)到運(yùn)動(dòng)的觀察者分配給一個(gè)事件的時(shí)間和固定的觀察者分配給它的時(shí)間不同，而且這個(gè)不同還取決于觀察者的位置。對于共同觀察的事件，一個(gè)觀察者的時(shí)間融合了對方的時(shí)間和空間，反之亦然。這種時(shí)間和空間上的相對性就是愛因斯坦狹義相對論中的全新理念。這個(gè)理論所做的兩個(gè)設(shè)想本來早在愛因斯坦之前就存在而且已被廣泛接受 有人給予足夠的重視來強(qiáng)迫它們和諧一致。

因?yàn)辂溈怂鬼f方程組包含了光速，狹義相對論的第二個(gè)假設(shè)利略變換下光速保持不變，直接來自于愛因斯坦的開創(chuàng)性想法：同時(shí)尊重麥克斯韋方程組和伽利略的對稱性。但前者是一個(gè)更弱的假設(shè)。

實(shí)際上，愛因斯坦還把問題反過來進(jìn)行了討論，發(fā)現(xiàn)利用伽利略變換可以從麥克斯韋方程組四個(gè)方程中的一個(gè)推導(dǎo)出完整的方程組。（如果讓電荷運(yùn)動(dòng)起來便會(huì)產(chǎn)生電流，如果讓電場運(yùn)動(dòng)起來便會(huì)產(chǎn)生磁場。支配靜止的電荷產(chǎn)生電場的定律經(jīng)過伽利略變換后可以描述更一般的情況。這一招可謂意義深遠(yuǎn)，它煥發(fā)著未來的光芒。對稱，而不是現(xiàn)有定律的推論，成了一條充滿活力的主要原則。人們可以用對稱性約束定律。

光照下的兩首詩

將彩虹重新編織

我發(fā)覺狹義相對論的物理結(jié)果中有一個(gè)結(jié)果特別美麗，它匯集了許多深刻的主題，但我們居然可以用感官去直接體驗(yàn)它。前面幾個(gè)章節(jié)的沉思里，我講述了光與色彩的物理原理以及發(fā)現(xiàn)它們的歷史，這為我們盡情享受這個(gè)美麗的結(jié)果做好了充分的鋪墊。

考慮一束純色的光，我們設(shè)想自己處在一個(gè)勻速移動(dòng)的平臺(tái)上，也就是做一次伽利略變換，看看這束光會(huì)如何變化。我們當(dāng)然會(huì)看到一束光，那束光仍然按照以前的速度穿過空間：光速是不變的。如果一開始有一束特定顏色的純光，那么我們看到的光束仍然有那個(gè)特定的顏色，可是…

它的顏色變了！如果我們沿著光束的方向移動(dòng)（這樣我們就離開了光的源頭），或者說光的源頭遠(yuǎn)離我們，光束的顏色就會(huì)向光譜的紅端轉(zhuǎn)變（如果顏色一開始就是紅色，那么光束就會(huì)變?yōu)榧t外線）。如果我們反向移動(dòng)，顏色就會(huì)向光譜的藍(lán)端轉(zhuǎn)變（或變成紫外線）。移動(dòng)的速度越快效果越明顯。

前一個(gè)效果在宇宙學(xué)中很常見，因?yàn)檫b遠(yuǎn)的星系正在朝著遠(yuǎn)離我們的方向移動(dòng) - 用我們的行話說：宇宙在膨脹。在這種情況下，我們稱這個(gè)現(xiàn)象為紅移。正是觀察到了已知光譜線的紅移現(xiàn)象，我們才發(fā)現(xiàn)了宇宙的膨脹。

我們因此得出了這樣一個(gè)重要的結(jié)論：所有顏色，都可以通過運(yùn)動(dòng)，也就是所謂的伽利略變換，從另一個(gè)顏色中產(chǎn)生。因?yàn)橘だ�略變換是自然規(guī)律中的對稱性，任何顏色與其它顏色完全等價(jià)。不同的顏色只是相同事物的不同視角；那些視角雖然不同但都同等有效。

百聞不如一見，說了這么多不如看一張圖！在彩圖58.中你們看到的是一個(gè)純色光束的波動(dòng)圖形，這束光的光源以光速的十分之七的速度向右移動(dòng)。如果你們處在偏右的位置，光束會(huì)向你們靠近，這時(shí)你們感受到的顏色是藍(lán)色。如果你們在左面，光束就會(huì)離你們漸遠(yuǎn)，你們看到的就是紅色。在這個(gè)圖中，光源處于靠近中心的位置。

牛頓本以為他可以證實(shí)每種顏色都和其它顏色之間存在著固有的內(nèi)在區(qū)別，沒有煉金術(shù)似的辦法可以把一種顏色變成另一種顏色。牛頓的實(shí)驗(yàn)確立，每種顏色的光，無論經(jīng)過反射、折射或是其它可能的轉(zhuǎn)換過程，顏色都保持不變。

但是他大錯(cuò)特錯(cuò)啦！如果牛頓以每秒鐘數(shù)以萬米的速度飛跑過棱鏡，他就會(huì)發(fā)現(xiàn)自己犯的錯(cuò)誤。我當(dāng)然是在開玩笑了。但我們常常聽到科普作者和科學(xué)評論者一本正經(jīng)地這么說 - 好像除了最新的萬物真諦，其余的一切都是垃圾。這種觀點(diǎn)有點(diǎn)讓人恐懼，它讓人想起沒有容忍性的集權(quán)意識(shí)。我真正想要強(qiáng)調(diào)的觀點(diǎn)卻恰恰與之相反：牛頓的結(jié)論差一點(diǎn)就對了，而且這些結(jié)論一直都那么有用。

然而，發(fā)現(xiàn)了故事還有續(xù)集還是十分美妙的。在續(xù)集里我們讀懂了，在多樣的表面背后深深地隱藏著統(tǒng)一，正是這種統(tǒng)一又維持著多樣性。所有的顏色只是我們在不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下看的同一個(gè)東西。濟(jì)慈曾抱怨說科學(xué)把彩虹拆得七零八落，科學(xué)用新的篇章對這樣的抱怨做出了出色而富有詩意的回應(yīng)。

讓色彩恢復(fù)生氣

和音調(diào)一樣，色彩的物理本質(zhì)也是隨時(shí)間變化的信號(hào)。光的時(shí)變速度太快，我們?nèi)祟惖钠鞴俑�本跟不上這種變化。光的頻率太高了。所以，為了在這種逆境下隨遇而安，我們的感官系統(tǒng)在處理信息的時(shí)候只將其中一小部分信息編碼成了色彩。到頭來在這些編密碼中幾乎沒有任何它們起源的蛛絲馬跡！當(dāng)我們看到一種顏色的時(shí)候，我們看到的只是象征變化的一個(gè)符號(hào)，而不是發(fā)生變化的事物本身。

我們可以將更多隱藏的信息還原，具體地說就是恢復(fù)時(shí)變本來的狀態(tài)，使它按比例變慢以適應(yīng)人類所及的能力。通過這種還原變換，我們?yōu)楦兄�敞開了更多的幾扇大門。