致中國讀者

每個人都應該對現(xiàn)代科學感興趣。

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

現(xiàn)代科學中充滿了應用廣泛、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展自己的思想。你不一定要掌握復雜的數(shù)學計算，或學習操作復雜的儀器，你依然能受益匪淺。

即使不知道所有的細節(jié)，你仍然能理解更能享受很多科學知識。現(xiàn)代科學之父，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男孩，時不時會發(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人在孩提時代都經(jīng)歷和體會過的。進一步培養(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。我們會因此在精神上永遠年輕。

II

作為一個例子，讓我們看一下，關于顏色現(xiàn)代科學告訴了我們什么。

對于大多數(shù)人， 顏色會讓他體驗到的世界變得生動而絢麗。當人們化妝、挑選衣服、駐足于藝術品前時，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)代科學的答案常常出人意料。

我們發(fā)現(xiàn)我們其實生活在一種類似液體的媒介里，它彌漫在整個空間里被叫做電磁場。我們通常認為空間是虛無 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容豐富的液體。我們就像魚兒一樣，生活在一個永遠逃避不了，同時早已習慣了的海洋里。

科學進一步發(fā)現(xiàn)：原來，光是這種液體里一種會傳播的振動。

我們都知道，聲音是空氣中傳播的振動。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，而是深刻的物理實質上的相似。

關于光科學有更多的發(fā)現(xiàn)。我們發(fā)現(xiàn)彩虹就像一個特殊的鋼琴鍵盤，每個鍵上都清晰地標注了對應的音符，只是對于彩虹，每個鍵對應一種顏色。這種詩一般的類比其實是建立在眾多事實和實驗上的。你理解的事實越多，你就越能欣賞這類詩歌的美妙。

科學有更深入的發(fā)展，它告訴我們，原子其實也是一件件樂器。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。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、和聲音的科學事實，可是我每次后靜下來重溫這些知識的時候，我還是贊嘆不已，就像剛剛學到一樣。我們生活的世界太妙了！現(xiàn)實的深層結構常常是神奇和隱秘的。當你一步一步深入理解它，你才會發(fā)現(xiàn)日常經(jīng)歷的世界是一個迷人的宮殿。

III

結束前讓我再引一段我喜愛的伊薩克·牛頓的話：

一個人甚至一代人要理解整個自然都太難了。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來一下子理解所有的問題。

理查德·費曼，一個偉大的現(xiàn)代物理學家，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。

前面我一直在強調科學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，是因為牛頓和費曼在上面引言中表達的謙虛和自律。這是一個只有一條規(guī)則的游戲，這條規(guī)則是嚴格的：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。

神話般虛構的經(jīng)歷

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

真正讓我感興趣的是上帝在創(chuàng)世的時候有沒有別的方案可選。

愛因斯坦認為，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對此非常震驚。但是它和畢達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：這位大工匠內心里就是個藝術家。約束來自對美的渴望。我情愿（也確實）認為，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。

美是一個很模糊的概念，其實力和能量等概念最初也很模糊�？茖W家通過與自然對話，學習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，進而最終完善美的概念 些概念反映了實相的要素。與此同時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哥拉斯的轉世，（由于多次轉世輪回）他在這過程中一定學到了很多東西。愛因斯坦當然不會摒棄牛頓、麥克斯韋以及其他科學革命時期的英雄們做出的重大發(fā)現(xiàn)，他也不會輕視這些人對觀測到的現(xiàn)象及其具體事實的尊重。理查德·費曼¹ 稱愛因斯坦是一個巨人，他說：他的頭腦遠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和了兩位前輩貌似矛盾的兩個概念。

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

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

但這兩個概念之間卻存在著沖突。經(jīng)驗告訴我們，如果我們本身處于運動中，那么任何觀測對象的表面速度都會發(fā)生改變。阿基里斯追上了烏龜，他甚至超過了烏龜（因為在阿基里斯的眼里烏龜其實不在往前跑而是在往后跑）�？晒馐鵀槭裁磿�與眾不同呢？

愛因斯坦解決了這個沖突。通過縝密地分析異地同步時鐘的操作程序，以及這個同步過程如何被勻速的整體運動所改變，愛因斯坦很快意識到運動的觀察者分配給一個事件的時間和固定的觀察者分配給它的時間不同，而且這個不同還取決于觀察者的位置。對于共同觀察的事件，一個觀察者的時間融合了對方的時間和空間，反之亦然。這種時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。這個理論所做的兩個設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迫它們和諧一致。

因為麥克斯韋方程組包含了光速，狹義相對論的第二個假設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：同時尊重麥克斯韋方程組和伽利略的對稱性。但前者是一個更弱的假設。

實際上，愛因斯坦還把問題反過來進行了討論，發(fā)現(xiàn)利用伽利略變換可以從麥克斯韋方程組四個方程中的一個推導出完整的方程組。（如果讓電荷運動起來便會產(chǎn)生電流，如果讓電場運動起來便會產(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，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果中有一個結果特別美麗，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它。前面幾個章節(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美麗的結果做好了充分的鋪墊。

考慮一束純色的光，我們設想自己處在一個勻速移動的平臺上，也就是做一次伽利略變換，看看這束光會如何變化。我們當然會看到一束光，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（這樣我們就離開了光的源頭），或者說光的源頭遠離我們，光束的顏色就會向光譜的紅端轉變（如果顏色一開始就是紅色，那么光束就會變?yōu)榧t外線）。如果我們反向移動，顏色就會向光譜的藍端轉變（或變成紫外線）。移動的速度越快效果越明顯。

前一個效果在宇宙學中很常見，因為遙遠的星系正在朝著遠離我們的方向移動 - 用我們的行話說：宇宙在膨脹。在這種情況下，我們稱這個現(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重要的結論：所有顏色，都可以通過運動，也就是所謂的伽利略變換，從另一個顏色中產(chǎn)生。因為伽利略變換是自然規(guī)律中的對稱性，任何顏色與其它顏色完全等價。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純色光束的波動圖形，這束光的光源以光速的十分之七的速度向右移動。如果你們處在偏右的位置，光束會向你們靠近，這時你們感受到的顏色是藍色。如果你們在左面，光束就會離你們漸遠，你們看到的就是紅色。在這個圖中，光源處于靠近中心的位置。

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

但是他大錯特錯啦！如果牛頓以每秒鐘數(shù)以萬米的速度飛跑過棱鏡，他就會發(fā)現(xiàn)自己犯的錯誤。我當然是在開玩笑了。但我們常常聽到科普作者和科學評論者一本正經(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。這種觀點有點讓人恐懼，它讓人想起沒有容忍性的集權意識。我真正想要強調的觀點卻恰恰與之相反：牛頓的結論差一點就對了，而且這些結論一直都那么有用。

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動狀態(tài)下看的同一個東西。濟慈曾抱怨說科學把彩虹拆得七零八落，科學用新的篇章對這樣的抱怨做出了出色而富有詩意的回應。

讓色彩恢復生氣

和音調一樣，色彩的物理本質也是隨時間變化的信號。光的時變速度太快，我們人類的器官根本跟不上這種變化。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！當我們看到一種顏色的時候，我們看到的只是象征變化的一個符號，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，具體地說就是恢復時變本來的狀態(tài)，使它按比例變慢以適應人類所及的能力。通過這種還原變換，我們?yōu)楦兄�敞開了更多的幾扇大門。