精英日课:物理化学家想要做什么今天开始咱们搞个小系列

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精英日课:物理化学家想要做什么。引力|万有引力---

今天开始咱们搞个小系列，讲讲物理学家对世界的最新理解。我们的目标是世界到底是怎么回事儿 —— 答案可能会让你感到非常震惊。

引力|万有引力---傻大方小编总结的关键词

我们用的这本书是麻省理工学院教授迈克斯·泰格马克的《穿越平行宇宙》，这本书已经有中文版了。泰格马克我们专栏读者应该很熟悉，咱们讲过他的《生命3.0》。这本《穿越平行宇宙》是他几年以前出的书，虽然不是最新的，但是其中的思想非常重要。特别是，泰格马克本人，直接参与了一些关键的物理研究，而且在这本书最后他还提出了一个关键思想。这本书，我们精英日课是非讲不可。今天这一讲先说物理学是怎么回事儿。每个人都上过物理课，不过真正在生活中能想到物理学的机会恐怕不多。那如果你把学过的物理知识都忘了，你对物理学的认知，还会剩下一点什么呢？我认为，应该就是今天的内容。

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1.一个最简单的物理学史

物理学的历史跌宕起伏，有无数的英雄故事，但现在我讲一个最简化的、基于逻辑的物理学史。我想用这段小历史让你明白物理学到底是怎么回事儿。这一切的开始，是你对生活的一个细致观察。每次往空中扔出一个什么东西，你都注意到它走的不是直线，而是“抛物线” —— 比如说扔石头吧。你做了精确的测量，发现石头既有一个往前走的速度，还有一个往下落的速度。往前的速度是匀速的，但是石头下落的速度不是匀速，而是越来越快 —— 有一个“加速度”。你就想到，这一定是有什么东西在把石头往下拉 —— 石头是受到了某种摸不着、看不见的“力”的影响。这个力只能来自大地，于是你就发现了“ 引力 ”。你进一步测量，发现不管石头有多重，它下落的“加速度”是恒定的 —— 这就是为什么一轻一重两个铁球会同时落地。于是你得出结论，引力应该正好跟受力物体的重量成正比。现在你有了第一个引力理论！这个理论非常好使，你可以用它精确计算炮弹的弹道。有了引力理论，你的炮兵指哪打哪，这给你带来了巨大的声望。这时候你有了更大的野心。你想到，所有有重量的物体，都受到引力的影响 —— 那行星绕着太阳转，会不会也是因为引力呢？为了验证这个猜想，你做了一番计算，想用你的引力理论把行星轨道给算出来。结果你发现怎么算都不对！可能在这么大的尺度上，引力理论需要做些修改。你的旧理论中引力只跟物体的重量有关系，那可能是因为我们都住在地球表面。行星距离太阳这么远，它感受到的太阳引力应该变小才对。你反复思考，发明了一个新的引力理论，让引力跟距离也有关系 —— 这个理论，就是万有引力。万有引力理论就更厉害了，它能精确预言行星的运动！什么椭圆轨道啊、速度啊周期啊你都能算出来，而且跟天文学家的观测非常吻合 —— 从数学上来说，万有引力理论在地球表面的极端情况，正好就是那个旧理论。所以现在万有引力理论是一统江湖，对地上和天上的东西都管用。于是你就去挨着个地测量太阳系行星的轨道，想看着万有引力理论大杀四方。结果你发现，其他行星的轨道和你的理论计算都是精确符合的，但是距离太阳最近的那个行星，也就是水星，的轨道变化，总是和计算结果有一点点的差异。这个差异非常非常小，每个世纪相差还不到1弧度。可你还是感到坐立不安。这不应该啊！如果我的理论是完美的，水星怎么就例外呢？难道说因为水星离太阳很近，万有引力理论就不好使了吗？你克服了无数的困难，甚至把“力”这个概念都更新了，终于发明了一个更新的理论，这个理论叫广义相对论。广义相对论能完美解释水星轨道，而这仅仅个开胃菜。有了广义相对论，你就可以研究更大的问题。你预言了黑洞和引力波的存在，结果后来观测都证实了！而且因为有了广义相对论，我们居然可以研究整个宇宙的历史了。多年以后，面对成熟的宇宙学，你准会想起第一次往空中扔石头的那个遥远的下午。

2.物理学的逻辑

这段极简的物理学史，告诉我们三个逻辑。

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第一，物理学家总是用一个更“一般”的新理论，取代旧理论。有了新理论，你会发现旧理论只是新理论在局部的一个特殊情况。比如说，你把广义相对论拿过来，考虑一个引力比较弱的特殊情况算一算物体的运动方式，它跟牛顿万有引力公式的计算结果就是一样的。同样道理，你把牛顿万有引力公式拿过来，考虑地球表面这个特殊情况，那就相当于引力只和重量有关系。所以物理学家一般不说旧理论是*错的*，旧理论只是*适用范围有限*。新理论是旧理论的推广，旧理论是新理论的近似。第二，新理论除了能解释旧理论不能解释的一些现象之外，还能预言一些物理学家此前连想都没想过的、新的东西。牛顿力学只能计算一般行星的轨道，可是有了广义相对论，我们不但能解释水星轨道的“怪异”变化，还能预言一些新东西。比如黑洞、引力波这些东西，牛顿力学里面根本没有，天文观测也没见过，物理学家做梦都没梦见过 —— 可是如果你把广义相对论当个玩具，考虑这个方程在一些特殊情况下的解，你就能在纸面上算出来，应该有这些东西存在！结果过了多少年之后、天文观测的手段进步了，天文学家一找，还真的找到了！这简直不可思议，你就觉得这个世界对物理学家真是非常友好。1928年，狄拉克把量子力学和狭义相对论推广到一起，提出一个关于电子的新理论。他把新理论的方程求解，就发现这个理论除了能解释电子的存在之外，方程还有另外一个解。那个解的各种性质和电子一样，但是它带正电，是电子的“反物质”。那么狄拉克就纯粹根据自己的方程，说世界上应该有“正电子”这种东西。结果到1932年，实验物理学家就真的找到了正电子！狄拉克论上帝：上帝创造世界，用的是美丽的数学。泡利论狄拉克：如果我对狄拉克的理解正确的话，他的意思是说根本就没有上帝，而他狄拉克是上帝的先知。像这样的故事数不胜数。物理学家推广旧理论不仅仅是为了数学上的完美，而是开疆拓土，是打开新世界的大门。

第三，新理论不会让物理学家满足很长时间，他们又会想要更新的理论。

有了新理论，打开了新世界，你很快发现又有新的现象，是这个理论解释不了的。比如广义相对论似乎不能完全解释暗能量，根本就无法解释暗物质，你就想要更新的理论。

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整个这个过程，就是

现象 → 理论 → 新现象和新的解释不了的现象 → 新理论 →……

这有点像是玄幻世界里的“修仙”。每上升一层新境界，你看世界的整个眼光就都改变了。比如说，你会发现原来看起来很不一样的东西，现在在这个更高的层次上看，其实是同一种东西。

人和动物都是生物，生物和非生物都是原子组成的，地上和天上的东西满足同样的物理定律。

每一次见识的升华，同时又会给你解锁新的技能。在低层次看来，高层次的技能就好像法术一样。

到了高层次回头再一看，以前那些看似神秘的东西都变得一目了然，真是一览众山小。

而很多物理学家相信，这个提出新理论、解锁新现象的过程，不会一直持续下去 —— 可能马上就要到头了。

摘自:万维纲.精英日课