跟唯一知道星星是如何發光的人一起散步

熱愛未知，比如宇宙和清晨

整個宇宙

就存在於一杯葡萄酒中

Richard P.Feyrman

你可能以為「整個宇宙就存在於一杯葡萄酒中」是一個浪漫且詩意的比喻。

不是的。

讀到這篇文章的結尾你會明白。

© Marco C.

在 100 多年前的科學家們眼中，宇宙是依照怎樣的規律在運行？

整個宇宙是歐幾裡得所描繪的三維幾何空間，萬事萬物由原子構成，它們同樣遵循牛頓力學，並在被稱為「時間」的一種介質裡變化。

到愛因斯坦的相對論成型，「時間」不再是獨立的存在，而跟「空間」一起聯合為「時空」，「力」則是時空中的褶皺。

隨即人們又發現，在微觀尺度下，原子的世界裡，「慣性」和「力」的法則不再適用——小尺度範圍內的事物並不適用於牛頓定律，或者說不適用於我們所知的任何規則，科學家們幾乎不可能描述出微粒的特性，除非加入大量想像。

在些許荒誕意味上誕生的量子力學，帶來了兩個顛覆性的觀念：

1、我們永遠不可能既知道某個粒子在什麼地方，又知道它運動得多快。

（這個「不確定性原理」的一個印證是，當晶體冷卻到絕對零度時，原子並沒有停止運動，它們仍在永無止境地晃動著——此時我們知道它在什麼位置了，但宇宙的底層邏輯仍然不允許我們知道它的速度）

2、我們在任何情形下都絕對不可能精確地預言出將要發生什麼。

（我們所能得到的，只是會發生一些什麼事情的統計平均）

為什麼要簡單重述一次科學的發展史？

是想讓你仔細理解一下，人類科學在這個世界中的一個重要發現，也可以說是最關鍵的科學基礎：

「

宇宙中所有的物體都是由原子構成的。

」

在一百多年前，「物質由原子構成」只是一個非常大膽的假設，由於當時還沒有足夠精度的儀器去驗證原子的存在，人們只是通過顯微鏡觀察膠粒的布朗運動推動著這種假設的發展。但他們是對的。

當時的科學家沒有意識到，這樣大膽的假設交換而來的是什麼——從物理學跳到生物學上，動物所做的每件事情都是原子做的。

我們只是由一大群服從物理定律的運動原子集合在一起，做些由另一些原子（人類將它們命名為「意識」）的複雜排列和相互反應而產生的宏觀運動。

更可怕的是底層粒子位置的不確定性，理論上，坐著的人類完全可能突然憑空穿過椅子而掉在地上（由於原子之間的縫隙和運動；只是根據概率的計算，你要等待比宇宙的壽命還要長很多倍的時間才可能會發生這件事），但是依然，這件看似不可思議事情可能發生。

© lvnatikk

化學、天文學、地質學、生物學當然都跟「物質是由原子構成的」這個基礎理論息息相關，甚至連心理學都不例外。

這門關於大腦和神經系統的科學，可以說關鍵是要解決一個問題：

既然我們明確知道大腦細胞是由原子構成，也通過觀察和實驗確認，當動物學會了某些事後，它就能做一些以前不會做的事，那麼，我們可以確認：「在學會了某些事後，動物的大腦細胞產生了某種變化」——但我們要去哪裡尋找這種微觀層面的變化？（或者說尋找什麼東西？顯然不是靈魂）如何獲得規律？如何像解碼軟體一樣破解神經系統運行的奧秘？

這是很重要的問題，但至今仍然沒有解決。可以說，我們對構成自己身體的這些原子一無所知。

© Kornelia

如今所有解釋我們體內分子的化學，都是建立在「電子可以同一時刻位於許多位置上，並且正是兩個原子間的電子共享把我們身體的分子結合在一起」這個概念上。

沒有量子理論，我們體內的分子和原子會立刻解體。

多麼詭譎啊。

我們最初以為，找到構成萬事萬物的基礎物質就解決了這個世界存在的難題，卻無意中鑽進了更多及更大的難題裡。

© Reuben Wu

我教這門課的主要目的不是替你們為應付某種考試作準備——甚至也不是為你參加工業部門或軍事部門工作做準備。

我非常希望告訴你的是，怎樣鑑賞這奇妙的世界以及物理學家看待這一世界的方式，我相信這是真正的現代文化的一個主要部分。

——理察·費曼《費曼物理學講義》

有一些我最喜歡的科普作家，天文學是卡爾·薩根，超弦和腦科學是加來道雄，但說到基礎物理，跟大多數人一樣，理察·費曼是唯一的答案。

這位在四十年前已經離世的美國物理學家、諾貝爾物理學獎得主（同時是講師、作家、藝術家，擅長演奏手鼓，還能打開各類保險箱和講笑話），讓數代學生驚訝地發現，科學竟然如此有趣，複雜和未知也讓人著迷。

© Reuben Wu

費曼不是用課本的方式，不是單純教導公式，來讓學生們理解基礎物理的。

（他的原話：書本上面的實驗都是在現實中不能做的實驗，學生在做這些實驗的時候根本得不到書本上所有的那些數據，所以那是假實驗，只是為了書中的理論看起來順理成章而已。）

而是充分應用了他的天賦，使用更深入淺出、有趣甚至浪漫的語言來將世界的基礎原理和懸而未決的問題拋給學生。

比如，在《費曼物理學講義》的第一卷裡，說到基礎物理跟天文學的關係，費曼敘述了這樣一個故事：

「

給人印象最深的發現之一是使星球不斷發出光和熱的能量來源問題。有一個參與這項發現的人，在他認識到要使恆星發光，就必須在恆星上不斷地進行核反應之後的一天晚上和他的一位女朋友出去散步。當這個女朋友說：「看這些星星閃爍得多美啊！」他說：「是的，在此刻我是世界上唯一知道為什麼它們會發光的人。」他的女朋友不過對他笑笑。她並沒有對於同當時唯一知道恆星發光原因的人一起散步產生什麼深刻的印象。的確，孤單是可悲的，不過在這個世界上就是這個樣子。

© Thomas Jordan

這段話猝不及防地出現在一本物理科普講義裡，深深打動我，並成為我決定好好重讀一遍基礎物理書的原因。

除了保持著多了解這個世界一點、了解生命的原始目的的熱忱外，還有一點被觸動的原因。

希望自己除了能說出諸如「這些星星真美啊」這樣發自肺腑的感慨外，也能成為知道恆星為什麼會發出光芒的那種人——不會多偉大幾分，也不會有多自豪，只是如果這樣，眼中看到的世界會更豐富、複雜和精妙。同時這也不會讓星星的美減少一些。

© Albin Sjödin

費曼說，他有一個朋友是個藝術家。

藝術家會拿起一朵花，說道：「看，這花多美啊！」是啊，花很美，我們都會這麼想。

藝術家接著會說：「你看，作為一個藝術家，我會欣賞花的美；而你是個科學家，只會職業性地去層層剖析這花，那就無趣了。」

費曼說，他在胡扯。

「

首先，我相信，他發現花很美，其他人和我也能看到，不過，我可能沒有他那樣精妙的審美感受，但是毋庸置疑，我懂得欣賞花的美。

而我同時還能看到更多的東西：我會想像花朵裡面的細胞，細胞體內複雜的反應也有一種美感。

我的意思是：美不盡然在這方寸之間，美也存在於更小的微觀世界，這朵花的內部構造也很美。

事實上，一些進化過程很有意思，比如，一些花開始有了顏色，就是為了吸引昆蟲為自己授粉；這就意味著昆蟲也能看到顏色。

© Reuben Wu

回到開頭的那句話，「整個宇宙就存在於一杯葡萄酒中」，這確實是一位詩人曾經寫下的句子，可能是一次微醺後的陶醉，也可能是別的什麼原因，我們永遠不會知道的。

可是事實也確實是，當我們十分接近地觀察一杯葡萄酒時，我們可以見到整個宇宙。

「

這裡出現了一些物理學的現象：彎彎的液面，它的蒸發取決於天氣和風；玻璃上的反射；而在我們的想像中又添加了原子。

玻璃是地球上的巖石的淨化產物，在它的成分中我們可以發現地球的年齡和星體演化的秘密。

葡萄酒中所包含的種種化學製品的奇特排列是怎樣的？它們是怎樣產生的？這裡有酵素、酶、基質以及它們的生成物。於是在葡萄酒中就發現了偉大的概括：整個生命就是發酵。任何研究葡萄酒的化學的人也必然會像巴斯德所做過的那樣發現許多疾病的原因。

紅葡萄酒是多麼的鮮豔！讓它深深地留在人們美好的記憶中去吧！如果我們微不足道的有限智力為了某種方便將這杯葡萄酒——這個宇宙——分為幾個部分：物理學、生物學、地質學、天文學、心理學，等等，那麼要記住，大自然是並不知道這一切的。

所以讓我們把所有這些仍舊歸併在一起，並且不要忘記這杯酒最終是幹什麼用的。讓它最後再給我們一次快樂吧！喝掉它，然後把它完全忘掉！

這些有趣的知識都來自於一位物理學家的基礎物理科普書，厚厚的一本，但並不乏味。科學並不乏味。

會感到乏味的，只有那位在當時唯一知道恆星發光原因的人而已。

「

當我小時候發現不是真有聖誕老人時，並不覺得沮喪，反而鬆了一口氣。因為這樣就更容易解釋為何全世界有那麼多小朋友可以在同一天晚上收到禮物了。

」

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