幾篇具有劃時代意義的物理學的文章
百年物理學的啟示
路甬祥 中國科學院
一百年前，愛因斯坦在伯爾尼狹小而簡陋的公寓衛寫下了十幾篇科學文章，其中的五篇論文，即討論了光量子以及光電效應的《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》、推導出計算分子擴散速度數學公式的《分子大小的新測定》、提供了原子確實存在證明的《關於熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動》、捉出時空關係新理論的《論動體的電動力學》，以及根據狹義相對論提出質量與能量可互換思想的《物體的慣性是否決定其內能》，成為科學史上著名的論文。特別是作為相對論奠基之作的《論動體的電動力學》，拉開了近代物理學革命的序幕。
這場以量子論和相對論為基礎的近代物理學革命，將科學引入到一個新的時代，由此，人類認知的觸角伸向廣袤的宇宙，伸向遙遠的宇宙起源之初，伸向人類在此之前所未知的微觀物質層面。近代物理學革命在以後的歲月里還引發了生命科學的革命。這一切改變了人類的物質觀、時空觀、生命觀和宇宙觀。而且，近代物理學革命催生出核能、半導體、激光、新材料和超導等技術物理，促進了一批新技術的飛速發展，並藉此改變了人類的生產和生活方式，將人類推進到知識經濟時代。
愛因斯坦等近代物理學革命的締造者，無疑是科學史上乃至人類歷史上的劃時代偉人。我們紀念他們，回顧一百年來物理學的發展歷程，並不僅僅是為了感念和追思，更重要的是要從他們的成就與發現歷程中汲取可貴的啟示與經驗，以對我們把握科學的未來與發展有所裨益。
一、實驗與理論之間的矛盾催生新概念
十九世紀末，當時人們正在陶醉於經典物理學的解釋，甚至有人認為，物理學已經無大事可做。但是就是在這種情況下，一些物理現象的發現，開始預示著經典物理學解釋的局限性。
冶金工業的迅速發展所要求的高溫測量技術推動了對於熱輻射的研究，19世紀中葉的德國成為這一研究的發源地。所謂熱輻射就是物體被加熱時發出的電磁波，它很強地依賴於物體自身的溫度。麥克斯韋的電磁場理論把光作為電磁現象囊括在其中，但它只能解釋光的傳播，而對於熱輻射的發射和吸收則無能為力。基爾霍夫（R．G．Kirchhoff，1824－1887年）提出用黑體作為理想模型來研究熱輻射（1859年），維恩（W．Wien，1864－1928年）確認可以將一個帶小孔空腔的熱輻射性能看作一個黑體（1896年）。一系列的實驗表明，這樣的黑體所發射的輻射能量密度只與其溫度有關，而與其形狀及其組成的物質無關。怎樣從理論上解釋黑體能譜曲線，成了當時熱輻射研究的根本問題。維恩根據熱力學的普遍原理和一些特殊的假設，提出了一個黑體輻射能量按頻率分布的公式（1896年），普朗克就正是在這時候加入了熱輻射研究。
為了解釋黑體輻射光譜的能量分布曲線，普朗克在1900年給出了一個與實驗結果非常吻合的公式。然而，這個公式要求黑體輻射所發射或吸收的能量是確定大小的能量子，這就意味著能量也像物質一樣具有粒子性——能量的分離性或不連續性。1905年，愛因斯坦把能量子的概念推廣到光的傳播過程中，提出了光量子理淪，並成功地解釋了光電效應。1913年，丹麥物理學家玻爾（N．Bohr，1885—1962年）又把能量子的概念推廣到原子，以原子的能量狀態不連續假設為基礎，建立了量子論的原子結構模型。德國物理學家海森伯（Wemer Karl Heisenber，
正是熱輻射這一疑難成了量子論誕生的邏輯起點。作為能量的「量子」概念誕生在1900年，它的提出和推廣導致描述微觀粒子運動的量子力學在1920年代形成，並進而與狹義相對論結合，發展出描述微觀粒子產生和湮滅的量子場論。量子場論的發展經歷了經典量子場論（對稱的）、規範量子場論（非對稱的）和超對稱最子場論三個階段，不僅揭開了肉眼看不見的微觀世界的秘密，並且加深了人類對宇宙演化的理解，革新了人們認識世界的方式，而且還帶來了一系列重大的技術突破。
我們從對黑體輻射的實驗研究到量子理論的提出可以認識到，科學歸根結底是實證知識體系，一旦理論與嚴密的實驗結果不一致，無論這種理論的權威性如何，無論這種理論得到多少人、多少年的信奉，作為科學家，都有理由去懷疑理論本身。同時，我們還認識到，科學探索的最終結果是對發現的自然現象做出理論解釋，而做出理論解釋，不僅需要有嚴謹的科學態度，理性的質疑精神，更需要有深邃的思考能力和縝密的分析能力，以及理論思維能力。
二、重大科學突破始於凝練出科學問題
愛因斯坦（A．Einstein，1879－1955年）提出的相對論，是一種嶄新的時空觀。相對論的關鍵科學問題在於同時的相對性。相對論合理地解釋了時間與空間相聯繫、空間與物質分布相聯繫、物質和能量相聯繫，改造了牛頓以來的經典物理學知識體系，不僅與量子力學一起構成了20世紀物理學發展的基礎，而且把人類對自然的認識提升到一個全新的水準，深刻地影響了人們的思維方式和世界觀。
相對論的創立源於作為電磁波假想載體的「以太」的危機。美國物理學家邁克爾遜（A．A．Michelson，1852－1931年）於1887年公布的實驗報告《關於地球和光以太的相對運動》表明，在牛頓力學領域裡普遍成立的相對性原理在麥克斯韋電磁場理論中不成立。荷蘭物理學家洛侖茲（H．A．Lorentz，1853－1928年）和法網物理學家彭加勒（J．H．Poincare，1854－1912年）等都想在保留以太假說的基礎上解決這一矛盾，洛侖茲通過引入「長度收縮」（1892年）、「局部時間」（1895年）和新的變換關係（1904年），證明了在一級近似下，地球系統與「以太」服從相同的規律；而彭加勒提出的相對性原理（1904年）和洛侖茲提出的變換群（1905年）則強調相對性原理的普遍有效性。雖然他們兩人的工作已經不自覺地偏離了經典物理學的框架，並且實質上是在叩打相對論的大門，但創立相對論的重任還是留給了愛因斯坦。
愛因斯坦的成功不僅在於他把電磁場看作獨立的物理存在，並認為「以太」假說是多餘的，最重要的是，他提出了「同時的相對性」這一關鍵的科學問題。愛因斯坦在《論動體的電動力學》（1905年）中，通過嚴密分析後指出，同一地點發生的兩個事件的同時性是不依賴於觀察者的，而異地發生的兩個事件的同時性則是依賴於觀察者的，只有指明相對哪個觀察者而言才有意義。同時的這種相對性，我們在日常生活中幾乎觀察不到，觀察者的運動速度只有接近光速才能發現。愛因斯坦藉助於同時的相對性概念，通過光速恆定和相對性兩條原理，推導出狹義相對論的主要結論。它的進一步發展是廣義相對論（1915年）和統一場論，愛因斯坦以其相對論研究的三部曲向物理學的同行展示了他非凡的科學思維創造力。
三、科學想像力需要嚴謹的實驗證據支持
在廣義相對論發表的翌年，愛因斯坦發表了《根據廣義相對淪對宇宙學所作的考察》（1917年），這篇論文標誌著現代宇宙學的誕生。儘管愛因斯坦的宇宙模型沿襲了牛頓的靜態宇宙觀，但其所出的場方程卻允許宇宙動態解的存在。1917年荷蘭著名天文學家德西特（W．de Sitter，1878－1933年）、1922年俄國數學家弗里德曼（A．A．фридман，1888－1925年）以及1927年比利時物理學家勒梅特（G．Lemaitre，1894－1966年）先後提出了膨脹宇宙論。美國天文學家哈勃（1889－1953年）所觀測到的紅移定律，有力地支持了膨脹宇宙論。在膨脹宇宙論的基礎上，1946年俄裔美國物理學家伽莫夫（G．Gamov，1904－1968年）通過引入核物理學知識，提出了大爆炸宇宙論，認為宇宙源於一個溫度和密度接近無窮大的原始火球的爆炸。他的學生阿耳法（R．A.Alpher）等在1948年進一步推算出宇宙大爆炸發生在150－200億年前，並預言大爆炸的餘燼在今日應表現為5K的宇宙背景輻射。1964年，美國的兩位電訊工程師彭齊亞（A．A．Penzias）和威爾遜（R．w．Wilson），在研究衛星電波通信時發現，來自宇宙各個方向的強度不變的背景微波輻射，這種微波輻射正好相當於3.5K的黑體輻射。這一發現被認為是證實了大爆炸宇宙學背景輻射的預言，隨後大爆炸宇宙學開始興起，並且發展成為宇宙學的「標準模型」。
早在20世紀初，愛因斯坦就把地球磁場的起源列為物理學五大難題之一，但直到地震波方法確認了地球圈層結構以後的1960年代，人們才提出「自激發電機」假說，而它的科學認證卻要等到1995年核－幔差異運動的證據。對固體地球內部結構了解的進展主要藉助地震波方法，通過對穿透地球內部之地震波速度變化的分析，逐漸形成了關於地球的圈層結構概念。克羅埃西亞地球物理學家莫霍洛維奇（A．Mohorovi?ié，1857－1936年）發現地殼與地幔的分界面（1909年），德裔美國地震學家古登堡（B．Gutenbelerg，1889－1960年）發現地幔與地核的分界面（1914年），雷曼（I．Lehmann）發現液體外地核和固體內地核之問的分界面（1936年），布倫（K．E．Bullen）提出地球的分層模型（1940年）。核－幔旋轉差異運動是為解釋地磁場的起源而提出的一種假說，後來又被用來解釋地磁極性倒轉的一種機制，但一直沒找到直接的科學證據。在美國哥倫比亞大學工作的宋曉東和理查茲（Paul G．Richards），通過對1967－1995年靠近南極的南美桑威奇群島附近發生的38次地震記錄的分析，測量了通過地球內核傳到靠近北極的阿拉斯加的克里奇地震台的地震波速度，發現30年間南極發生的地震波到達北極快了0.3秒。由此直接證實了地球內核比地殼和地幔轉得稍快，大約三四百年內要多轉一周。這一發現得到中國另一旅美學者
我們從愛因斯坦的相對論、宇宙大爆炸理論和地球磁場理論的提出與完善過程中可以看到，在科學的發展中，解決問題固然是重要的，而提出重要的科學問題似乎更重要。提出問題是科學研究的前提，提出重要的科學問題更能昭示科學所蘊含的創造性。有時，一個重要科學問題的提出甚至能夠開闢一個新的研究領域和方向。提出問題，需要對已有知識的透徹理解，需要熱愛真理勝過尊重權威的科學態度，需要極強的觀察和洞察能力，以及創造性的思維能力，同時，還需要敢於創新的勇氣和信心。
四、自然科學需要數學語言
近代物理學的書寫語言是數學。德陶天文學家開普勒（J．Kepler，
在20世紀物理學與數學的緊密關係遠非其前的三個世紀所能比，並且越來越顯示出數學與物理學的內在一致。例如，非歐幾里得幾何學與廣義相對論，希爾伯特空間與量子力學，微分幾何學與規範場論，這一切都預示著似乎數學早就提前為物理學準備了它所需要的工具。另一方面，物理學不僅使數學家們面臨大量新的數學問題，而且能夠引領著他們朝著夢想不到的方向前進。物理學家狄拉克（P．A．M．Dirac，1902－1984年）和費曼提出的路徑積分與泛函的內在聯繫，使得費曼積分的嚴格數學成為
數學與物理學結合的一大傑作是電子數字計算機，計算機使得物理學實現了數學提供的計算原理。英國數學家圖靈（A．M．Turing，1912－1954年）提出機械計算模型（1936年），美國數學家香農（C．E．Shannon，1916－2001年）提出川布爾代數分析複雜的開關電路（1938年），美國數學家維納（N．Wiener，1894－1964年）提出，自動計算機應採用電子管的高速開關組成邏輯電路，以進行二進位加法和乘法的數字運算（1940年），匈牙利裔美國數學家馮諾依曼（J．L．von Nouman，1903－1957年）提出計算機的內存程序理論（1945年）。在這些思想的指導下，人們研製出數字電子計算機。電子計算機經過電子管、晶體管、集成電路等階段，發展成能為廣大公眾普遍應用的個人電腦。電子數字計算機是一種延擴人腦的機器，它是數學與物理學結合的產物，而它的產生又對數學和物理學產生巨大的影響，產生出物理學的數學實驗。我們有理由期待數學與生命科學結合的生物計算機，並通過它理解人的大腦運作等諸多生命活動的複雜規律。
五、新儀器的發明為科學打開新的窗口
人類最早用眼睛觀察，後來出現了光學望遠鏡和顯微鏡。它們在20世紀分別發展為射電望遠鏡和電子顯微鏡。但20世紀最重要儀器是粒子加速器和電子計算機的發明。加速器是人類認識微觀世界的工具，電子數字計算機則成為人類智力的重要輔助工具。已知的射電、紅外和紫外，X光、γ光，都是電磁輻射，但對於缺乏電磁輻射的暗天體我們還無法觀察。射電望遠鏡看到了中子星，通過對脈衝雙星的軌道十年（1974－1984年）變化的觀察，人類間接證明引力波的存在。
科學家們依靠放射性物質和來自宇宙空間的高能粒子，對一些原子核內部的物質特性進行了探索，發現了μ介子（1636年）、π介子（1947年）和K介子（1947年）等重要的粒子。）加速器的發明使人類深入到繽紛的粒子世界。隨著倍壓加速器（1932年）、靜電加速器（1933年）、回旋加速器（1932年）、剛步回旋加速器（1946年）、等時性回旋加速器（1956年）和對撞機（1956年）的相繼發明，安裝在長島（1952年，3GeV）、伯明翰（1953年，lGeV）、伯克利（1954年，6GeV）、杜伯納（1957年，10GeV）和薩克雷（1958年，6GeV）的加速器先後運轉，自加速器產生π介子（1948年）以後，許多新粒子接踵發現。1960年代又發現了一批被稱之為「共振態」的粒子。正是在對這些粒子的分類研究的基礎上，建立了夸克模型，並且不斷驗證和完善著基本粒子的標準模型。在加速器原理的基礎上發展起來的同步輻射裝置和自由電子激光裝置，作為可調光源在基礎科學研究和工業領域都有廣泛的應用。
電子數字計算機對於物理學研究來說有兩方面的意義，一方面對沒有解析解的物理方程可以用計算機實現數值解，另一方面實際上不能實現的某些設想的實驗可以由計算機來模擬。在原有的實驗方法和理論方法之外，物理學又獲得了一種新方法——數學實驗。數學實驗是一種介於經典演繹法和經典實驗方法之問的新的科學認識方法，其實質在於它不是對客觀現象進行實驗，而是對它們的數學模型進行實驗。數學實驗包括四個基本方面：建立對象的數學模型、擬訂分析模型的數值方法，編製實現分析方法的程序，在電子計算機上執行程序。數學實驗使物理學形成實驗物理、理論物理和計算物理三足鼎立的新格局。計算物理學的主要特徵不在於「計算」，而在於對自然過程進行數字模擬。這種模擬的目的在於獲得某些新發現，並通過理論物理方法的論證和實驗物理法檢驗進一步確證。計算物理學的興起以費米－巴斯塔－烏勒姆（E．Fermi－J．Pasta－S．Ulam）的《非線性問題研究》報告（1955年）為起點，以洛倫茲（E．N．Lorenz）等發現混沌（1963年）、克魯斯卡爾（M．D．Kruskal）與扎布斯基（N．J．Zabusky）發現孤子（1964年）、阿耳德（B．J．Alder）等發現長時尾（1967年）這三大數學實驗發現為標誌。計算物理學又發展出計算生物學和計算神經科學。在這種意義上，我贊成把計算物理學的興起看作科學方法中一場重大革命。
在科學已經越米越依賴於研究手段的今天，實驗手段的進步為科學打開新的窗口，不僅有助於理論的突破，甚至可以改變科學家的思路，開闢新的研究領域。任何輕視實驗手段和方法論的思想，都可能使科學研究處於停滯或陷入困境。
六、物理學與生命科學的相互作用
物理學與其他自然科學學科的交叉和相互作用，曾經產生並形成了化學物理學、生物物理學和心理物理學以及天體物理、地球物理、大氣物理、海洋物理和空間物理等諸多交叉學科。但這種交叉和相互作用最突出的表現還在於，20世紀的生命科學在物理學的基礎上發生了革命性的變化，即DNA雙螺旋結構的發現及其廣泛和深遠的影響。
1953年，美國生物學家沃森（J．D．Watson，1928年－）和英國化學家克里克（F．crick，1916－2004年）發現DNA的雙螺旋結構；1954年，俄裔美國物理學家伽莫夫提出核苷酸三聯體遺傳密碼；1958年，克里克提出遺傳信息傳遞從DNA到RNA再到蛋白質的中心法則；1961年，法國生物學家雅各布（F．Jucob，1920年－）和莫諾（J．Monod，1910－1976年）提出基因的功能分類和調節基本的概念，由此，分子生物學的理淪框架基本形成。隨著雙螺旋結構模型的捉出、「中心法則」的確立和基因重組技術的興起，幾乎所有對生命現象的研究都深入到分子水平去尋找生命本質的規律，分子生物學成為生命現象研究的核心理淪和發展生物技術原理的源泉。1970年代，基因重組開闢了基因技術的工程應用的可能性，從而使人類看到了運用生物技術造福人類的前景。
生命科學的這種革命性的變革是物理學、化學和生物學等學科相互交叉、相互作用的產物，在這一過程中，物理學的概念和方法以及物理學家深入到生命科學領域進行探索，做出重要的貢獻。我們沒有理由忽視量子波動力學創立者薛定諤的思想影響，他出版的《生命是什麼》（l944年）曾深深影響了一批物理學家和生物學家的思想，促成分子生物學誕生出三個學派：比德爾（G．w．．Beadle，1903年－）代表的化學學派、德爾布呂克（M．Delbrtick，1906－1981年）代表的信息學派和肯德魯（J．C．Kendrew，1917年－）代表的結構學派。這三個學派的思想中都深受物理學思想和方法的影響。物理學的x射線品體衍射法為結構學派認識生物大分子的晶體結構提供了有力的手段，物理學家伽莫夫率先提出的三聯體密碼方案有力地推動了信息學派的成長。我們也要重視生命科學對物理學的影響，量子論主要創立者之一的玻爾（N．Bohr，1885－1962年）號召物理學家關心生命現象研究，其目的之一是在生命現象中尋找量子物理的適用界限。
七、社會需求的拉動以及科學與技術的互動
早在1959年，美國物理學家費曼就幻想，用大機器製造小機器，用小機器製造更小的機器，以致能把大英百科全書記錄在針尖大小的地方，甚至能夠搬動和排列原子。微觀尺度製造的這種理想，在科學認識的推進和社會需求的拉動下，人們已經可以把加工尺度從微米（10
自英國物理學家法拉第（M．Faraday，1791－1867年）發現氧化銀的電阻率隨溫度的升高而增加（1833年）之後，接著又發現光電導（1873年）、光生伏打（1877年）和整流（1906年）三種半導體物理效應。這些半導體物理效應在1920年代開始商業應用，它推動了半導體物理研究並導致英國物理學家威爾遜（H．A.Wilson，1874－1964年）提出半導體導電模型（1931年），而半導體物理研究的發展又導致美國貝爾實驗室的肖克利（W．Schokley，1910－1989年）、巴丁（J．Bardeen，1908年－）和布拉頓（W．H．Brattain，1902－1987年）研製出晶體管（1947年）。體積小壽命長的晶體管不僅很快就開始取代真空電子管（1950年），而且在英國人達默（G．w．A．Dummer）提出集成電路的設想（1952年）之後，美國人基爾比（G．Kilby）和諾伊斯（R．Noyce）各自獨立地製成最早的集成電路（1958年）。
隨著第一隻晶體管的誕生和第一塊集成電路的問世，以及單晶生長工藝、離子注入工藝、擴散工藝、外延生長工藝和光刻工藝的發展和完善，微米級的材料加工技術就開始了它的日新月異的進展。半導體集成電路沿著小規模（<102）、中規模（102～103）、大規模集成（103～105）、超大規模集成（105～107）、特大規模集成（107～109）前進到20世紀末的極大規模集成（>109），相應的加工尺寸已經達到0.1微米。除電子計算機晶元外，還有兩項引人注目的微米級加工技術，它們是微電子機械和基因晶元技術。人們利用微電子材料和工藝製作了微型的梁、槽、齒輪和薄膜乃至馬達，它們也可以像製作晶體管那樣成批地製造。基因晶元是固化了大量生命信息的DNA晶元，其空間解析度正在從微米向納米發展，現在已應用於生物隊學、分子生物學的基礎研究、人類基因組研究和醫學臨床實驗。基因晶元將對基礎生命科學、臨床醫學、診斷學和腦與神經科學等產生革命性的影響。
集成電路製作使用的半導體材料經歷了鍺－硅－砷化鎵等Ⅲ／V屬半導體的變化，生產工藝則從平而工藝到分層工藝再到圖形，包括光刻、刻蝕、澱積、外延、擴散、濺射、測試、封裝等微米加工工序。集成電路材料與工藝的不斷進步，以及物理學的發展，導致了納米技術的誕生。微米級技術本身延伸出的X光刻機、電子束曝光機、離子束光刻機以及對材料進行原子級的修飾技術，首先成為發展納米技術的工具，但最精微工具還是新發展出來的用於原子尺度加工的掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）等掃描探針顯微鏡。電子曝光機和離子曝光機是目前實用的納米加工工具，而掃描探針顯微鏡是迄今為止仍可用作原子尺寸加工的唯一工具。以納米技術為基礎新工具將導致小於100納米的超微分子器件的誕生，例如分子計算機和分子機器人等。這些分子器件可能具有更為主動和複雜的性能，能夠幫助人類完成更為複雜的操作。基於分子裝配的納米技術，將能夠對物質的結構進行完全的控制，使人類能夠按照自然規律製備出超微的智能器件。
半導體、集成電路和納米科技的發展表明，導致科技進步的動力不僅來自於科學家和工程師的創造欲，而且來自於社會需求的拉動。自第二次世界大戰以來，社會需求對科學發現和技術發明的拉動作用越來越大。這就要求我們科技人員和科技管理人員，擯棄封閉的經院式思考方式和管理方式，密切與社會的聯繫，準確把握社會的需求，有效而有針對性地推動科技進步和創新。特別是對於我們這樣一個急需利用有限的科技資源推動現代化建設的發展中聞家科技人員來說，更要如此。
八、物理學的魅力及其未來
相對論、量子論及其結合的產物量子場論和統一場論等近代物理學革命的主要成果，導致了人類的物質與精神生活發生巨大變化。相對論對時空關係和時空與物質關係的認識、量子力學對物質內部結構和運動規律的認識，不僅深深影響了人們的觀念，而且廣泛地改變了並繼續改變著人們的生產活動和口常生活。想一想晶體管和激光以及電視機、多媒體電腦和光纖連接的互聯網。或許會更深地領會「物理學革命」的含義。
物理學的魅力不僅體現在其物化成果可以極大地改變人類的文明，尤其需要指出的是，物理學、特別是近代物理學，彰顯出科學給人類帶來的認知能力上的升華。物理學從紛雜的事物中抽象出物質的統一特性，更正了我們日常的膚淺認識，透過表象為我們揭示出物質本質上的奇妙特徵，並且藉助數學和邏輯，做出了最為理性、簡潔的物理表述。物理學在為我們解釋周邊物質世界的同時，也為我們營造出內容豐富、思維縝密、不斷創新、妙趣無窮的理論、方法與實驗體系。
20世紀的近代物理學革命與19、20世紀之交的物理學形勢相關，那時物理學上空的「兩朵烏雲」竟令一些物理學家驚呼「物理學危機」。近代物理學革命不僅解決了兩朵烏雲導致的這場危機，而且把整個自然科學都置於以量子論和相對論兩大理論為支柱的現代物理學的基礎上。雖然今天的物理學仍面臨著一些重要的理論與實驗問題亟待解決，如類星體的能源問題，暗物質、暗能量和反物質問題，愛因斯坦場方程的宇宙項問題，中微子振蕩問題，質子衰變問題等，但是畢竟還沒有人像19、20世紀之交那樣驚呼物理學的危機。
相對論和量子論在科學各個領域的擴展和應用，雖然已經取得很大的成功，但是還遠未到達止境。看來一直作為精密科學典範的物理學還是魅力未減，作為其他經驗科學基礎的地位短時期內不會改變。物理學的巨大魅力還在於它從理論認識中衍生出眾多技術原理，20世紀的物理學為我們這個社會提供四個主要新技術原理，即核能技術、半導體技術、激光技術和超導技術。雖然在20世紀近代物理學革命以後，在約為四分之三世紀的時間內，物理學並沒有發生新的、基礎性的重大變革，物理學的進展主要表現為相對論和量子論的推廣應用，但是這並不意味著物理學的發展已經走到了盡頭。
當代科學發展的態勢和社會對科學的迫切需求，將在很大程度上影響科學未來發展的方向及其特徵。一些傳統學科仍將保持相當的獨特性，物理科學作為整個自然科學發展的基礎地位一時還不會動搖，但是科學的學科結構重心將轉移到生命領域；數學科學作為數與形的科學，其簡潔、精確和優美的表述方法將在自然科學、應用技術與社會人文科學中得到更為廣泛的利用；信息技術作為研究與知識信息交流、傳播的技術手段，會隨著自身的發展及其與其他領域的結合不斷進步，並通過廣泛的滲透而促進其他領域的發展；各自然系統的研究以及自然科學與人文社會科學之間的結合將成為跨學科研究的生長點，它們的發展和廣泛運用，都將有力地推動學科問的整合和交叉科學的誕生與繁榮。
《科學新聞》2005年第12期
科學史上偉大的「錯誤」
劉進軍
王牌對王牌
1919年，37歲的羅伯特·戈達德在美國史密斯天體物理學會發表了一篇《一種達到極端高度的方法》的論文。他設想用多級火箭的方法，每一級發動機都能將火箭推得更高一些，直至飛出大氣層。戈達德揭示了火備哥在宇宙航行中的美妙前景，預言人類即將走出地球，登上月球，他的理論當時轟動了全世界。
但他也遇到了不少的反對者。最先反對戈達德的正是史密斯學會的物理、天文學家，還有各大學的教授們。他們拿出各種科學上的依據證明：不論什麼火箭都不可能突破強大的地球引力，火箭會在與大氣層的劇烈摩擦中燒毀。哪怕火箭飛出地球，也會在毫無重力的太空中迷失方向，找不到月球。科學家們認定戈達德的觀點是完全錯誤的。
記者們也諷刺、挖苦和嘲笑這位嚴謹的教授。「戈達德先生連高中的物理常識都不懂，怎麼能當教授呢？簡直誤人子弟！」、 「連老婆都找不到的人，卻整天幻想著去月球旅行。」他們稱戈達德為「月亮人」。
科學需要智慧和勇氣。戈達德先生很孤立，但還是堅持「錯誤」。戈達德為了在理論和實驗上都證明自己的「錯誤」，也亮出了一張王牌。
由於戈達德的卓越貢獻，他被公認為現代火箭之父。如今，所有的多級火箭都是按照戈達德的理論發射的，飛向太空，飛向月球和火星，已經飛出太陽系。可惜他沒有活著看到這一天。1969年7月，「阿波羅
科學與科學的對決
1930年代，瑞士天文學家茨威基發表了一個驚人結果：在宇宙空間，存在暗物質與暗能量！人們看得見的星系只佔總質量的1／300以下，而99％以上的質量是看不見的。茨威基認為由於暗物質不會發光，在天文學上用光的手段觀察探測，是絕對看不到暗物質的。
一石激起千層浪。許多天文學家、科學家不相信茨威基的研究。物質就是物質，怎麼會看不見，莫非還存在另外一個空間？神秘的天體引起科學論戰，很少有人支持茨威基。茨威基舌戰群儒，回應他的是：你已滑向偽科學的方向。有人甚至懷疑茨威基教授是否患上了精神病，因為天文學家得精神病的比例在科學家中是最高的。
愛因斯坦是相對論、現代宇宙學的奠基人，對能量與質量之間的關係最有發言權。他認真分析了茨威基的研究，也認為不存在暗物質。他說：所謂的暗物質只不過是一個錯誤的「宇宙常數」。
這是一次科學與科學的對決。之後70多年的天文觀測越來越支持茨威基的理論。為了找到暗物質和暗能量存在的新證據，
2003年，「威爾金森」探測器用大量事實和數據證實：宇宙中確實存在喑物質與喑能量。宇宙是由23％的暗物質，73％的暗能量，4％的普通物質組成的。宇宙膨脹先減速後加速。宇宙已有約137億年歷史。
科學是螺旋式發展的。茨威基首先提出了看不見的物質——喑物質的存在，大大推動了物理學、天文學的發展，對科學的重大貢獻不可估量。愛因斯坦沒有想到，當初他認為是錯誤的「宇宙常數」——暗能量，幾乎可稱得上是宇宙的主人。
修正黑洞理論
1783年，英國地質學家約翰·米歇爾首次提出黑洞理論。1916年，愛因斯坦的廣義相對論預言了黑洞的存在，物質在黑洞「只進不出」。經典的黑洞理論認為，黑洞是恆星死亡後的殘骸，是一種特殊的天體，會隱形。而根據廣義相對論，看不見黑同是因為彎曲的空間。黑洞的引力場非常強大，吸收著一切……就連光也不能逃脫出來。
1974年，英國著名天體物理學家霍金提出「霍金輻射」理論，認為黑洞是有輻射的。霍金，被譽為活著的愛因斯坦。他認為：所有物質在進入黑洞之後就把自己所攜帶的信息全部丟失了，或者是進人了另一個宇宙，總之不可能再出來了。如今，霍金的黑洞理論已成為天文、物理學界的主流觀點，是20世紀最具有挑戰性、也最讓人激動的天文學說之一。
但有科學家認為這與量子理論相矛盾。為了捍衛自己的理論，霍金曾三次發起科學史上著名的賭局。他的「黑洞」賭局每次都輸。
科學的發展是一個真理不斷戰勝錯誤的過程。在這一過程中，不論是那些在困難中敢于堅持自己思想的人，還是在事實面前以巨大的勇氣否認自己理論的人，他們都是科學史上的真正英雄。最後不論證明這個「錯誤」是正確的，還是這個「錯誤」是真正的錯誤，澄清這些「錯誤」的過程本身就極大地推動了科學的發展，所以堪稱這是一些偉大的「錯誤」。
宇宙的一生
李慕星
大爆炸理論剛剛提出的時候，科學家們大多不喜歡它。他們覺得，大爆炸關於宇宙有一個開端的說法簡直是科學向宗教的妥協，這不是給神創造世界的說法留了後門嗎？不過隨著宇宙學的發展，人們發現：這宇宙還真是從無到有來的，大爆炸學說逐漸得到了公認。到了現在，天文學家們已經確信，雖然和神無關，不過宇宙的確有一個創生的時刻，誕生的時間也已經確定為137億年前。
不但如此，天文學家們甚至已經可以重建大爆炸之初直到現在宇宙的整個歷史，而宇宙的未來，也可以根據現有宇宙學理論作出一定的預測。那就讓我們循著宇宙的時間線，了解一下宇宙過去的經歷和今後的發展吧。
大爆炸之前
既然宇宙歷史從大爆炸開始，喜歡刨根問底的人自然又會問那麼大爆炸之前又是什麼樣子的呢？其實，只要是宇宙有個開端，就會有這類的問題，宗教也不能倖免。當年基督教聖人、大哲學家聖奧古斯丁也曾被人提問，「上帝創造世界之前是怎樣的？」他的回答是，時間也是這個世界的屬性，在世界誕生前，時間這個概念是沒有意義的。
對於大爆炸理論也是同樣的道理，如果只有我們這麼一個宇宙，那麼談論大爆炸之前的時間的確是沒有意義的。不過當代物理學理論認為宇宙很可能不止一個，按照圈量子理論，大爆炸之前是另外一個宇宙，我們的宇宙在不斷地循環再生；而按照超弦理論，無數個宇宙就彷彿肥皂水上冒出的泡泡，多數都很快就破掉了，而我們的宇宙是眾多泡泡中穩定的一個。
大爆炸開始到10-43秒 量子引力時期
大爆炸剛剛發生的時候，自然界的四種基本作用力：引力、電磁力、強力和弱力，是統一在一起的。任何物體之間都存在的萬有引力和電荷之間的電磁力我們都很熟悉，我們平時感受到的各種力，例如重力、壓力、摩擦力其實都是這兩種力的化身；而強力和弱力則在微觀世界起著作用，強力就是把中子、質子結合在一起形成原子核的力，所以也叫核力；弱力則是電子、中微子等粒子之間的作用力。雖然現在這四種力截然不同，不過在大爆炸之初它們是不分彼此的。
我們現有的物理理論在這時候是完全失效的，雖然物理學家們一直在追求一個能把四種力統一起來，可以解釋萬事萬物的終極理論，但到目前為止還沒有取得成功，所以我們還沒辦法研究這段時間的宇宙。
10-43秒到10-36秒 大統一時期
10-43秒，引力從其他三種作用力中分離出來。不過其它三種作用力依然混在一起，所以稱為大統一。
我們知道正反粒子相遇會發生湮滅，釋放出光子。而在極高的溫度下，光子反過來也會轉化為一對正反粒子。在宇宙之初，兩個過程是勢均力敵的，誰也不會壓倒對方。雖然正反粒子和光子不斷在互相轉化，不過它們總體上的數量卻是不變的。所以，這時候的物質(夸克等粒子)和輻射(光子)是區分不開的。這時的宇宙就像一鍋光子的濃湯，夸克、電子、中微子和它們的反粒子好像湯裡面的鹽，和湯溶在一起無法分割。
10-36秒到10-12秒 弱電統一時期
10-36秒，宇宙溫度下降到了1027K，強力也脫離出來自立門戶了，不過弱力和電磁力依然是一種力。
這段時期內宇宙發生了重大的轉折性事件——暴漲，強力分離出來這個過程，導致宇宙經歷了一次狀態的改變，類似水結成冰，氣體凝結成液體，這種變化一般稱為相變，即物質的本質沒有變，只是存在形式變了。正如水結冰要放出熱量，宇宙這次相變也會釋放出巨大的能量。在巨大的能量推動下，宇宙發生了一次劇烈的暴漲，在10-36秒到10-32秒這一瞬間，宇宙增大了1050倍。同是球形，地球表面和一個足球表面相比就要平坦得多，暴漲前後的宇宙大小對比要比這個例子更加懸殊，所以不論暴漲前宇宙是什麼形狀的，彎曲程度如何，暴漲都會讓現在的宇宙變得非常平坦。
另外這次相變破壞了正反粒子的對稱性。本來正反粒子應該是對稱的，只能成對產生成對消失。可是我們現在的宇宙是正物質組成的正宇宙，那對應的反物質去哪了呢？科學家們曾經想盡辦法尋找宇宙深處的反物質，都是徒勞無功。後來科學家們意識到，這個正反粒子的對稱性未必就是天經地義，可能就是宇宙早期這次強力脫離出來的相變，讓對稱性破壞掉了，導致正粒子比反粒子多了一點點。而就是多出來的這一點點正粒子形成了我們現在這個以正物質為主的宇宙。
10-12秒到10-6秒 夸克時期
到了10-12秒，弱力和電磁力也分離了，從此四大基本作用力各自獨立。
這時宇宙的溫度降低到了1015K，光子能量變低，不能再轉化為一對正負粒子，而正反粒子還會成對湮滅生成光子。正反粒子和光子之間的平衡被打破了，物質和輻射正式分離開來。這種情況下絕大多數正反粒子都成對湮滅，轉化為了輻射。不過正反粒子對稱性破壞時多出的一點點的正夸克倖存下來了，以後組成了整個宇宙的可見物質。不過此時夸克們的能量依然過高，不能穩定結合起來形成我們熟識的質子、中子。這時的宇宙，仍然是光子的濃湯，不過夸克就像結品出來的鹽，已經不溶在光子湯裡面了。
10-6秒到1秒 強子時期
宇宙冷卻到1013K，夸克終於可以結合在一起，中子和質子產生了。把夸克們結合在一起的力就是四種基本作用力中的強力，所以它們結合成的粒子統稱為強子。同電磁力通過電荷發生作用類似，強力也是通過夸克們攜帶著的「荷」起作用的。不過和電荷有正負兩種不同，夸克帶的「荷」有三種，科學家形象的借用了紅綠藍三原色，稱它們為色荷。色荷有個奇特的性質，就是不能單獨存在，要儘力結合在一起。比如兩個上夸克和一個下夸克組成一顆質子，而兩個下夸克和一個上夸克組成一個中子。不同顏色的夸克就會拚命地形成中子和質子等粒子。從此夸克只能被結合在高一級的質子、中子和介子中，宇宙中再沒有一個單獨的夸克了。
這時宇宙中的所有基本粒子都已經齊備了，不過溫度仍然過高，中子和質子不會形成原子核。
1秒 中微子獨立
溫度降到1010K，電子和正電子湮滅產生中微子和光子的過程變得不可逆了，中微子開始脫離了其他粒子和輻射，從此變得不易與其他物質發生反應。同時多數中子都衰變成為質子、電子和中微子，宇宙中本來中子和質子的個數比例是l：l，在這之後下降為1：3。
3分鐘 原初核合成
溫度進一步降低到109K，還沒衰變的中子和質子開始結合形成原子核。核合成的主要產物是2個質子和2個中子組成的的氦核，另外還有少量的1個質子1個中子的氘核、2個質子1個中子的氦3核以及鋰、鈹和硼的原子核。不過由於質子比中子多，最終宇宙中最多的還是核合成過程中剩下的單個質子，也就是氫元素的原子核。
核合成是大爆炸理論的有力證據之一，如果沒有大爆炸，宇宙中開始就只有氫元素，其它各種元素都只能靠恆星聚變來製造。這樣的話宇宙中氦元素所佔比例應該很小，而實際上宇宙元素組成中有25％的氦。另外，恆星製造出來的氦元素分布應該不均勻，而實際上宇宙各處氦元素的含量都是非常接近的。由此可見，在恆星生產新元素之前，宇宙中就已經有豐富的氦了，而這些氦就是有大爆炸之後的核合成過程產生。
30萬年 原子形成
微波背景輻射發出
宇宙繼續膨脹，溫度降低到了3000K，在這之前，光子的能量足夠高，可以輕鬆把原子中的電子撞出來，所以沒有穩定的原子存在，宇宙處在電離態，也就是電子和原子核分離的狀態。而光子也因為這樣不斷和電子碰撞而不能自由傳播，所以宇宙是不透明的。而溫度降低到3000K以後，光子能量不足以把電子撞出來，自由電子沒有了妨礙，開始和原子核結合成為原子。而光子也開始可以自由地在宇宙空間傳播，這批從電子的束縛中逃出的光子充滿了整個宇宙，成為了宇宙的背景輻射。而到了現在，由於宇宙的膨脹導致的紅移使得背景輻射波長變長，進入了微波波段，所以被稱為微波背景輻射。
微波背景輻射的存在，證明了宇宙確實是經歷過一個高溫高密度的時期，是大爆炸理論的又一個有力證據。
30萬年到1億年 黑暗時代
在這之後的宇宙陷入了一個漫長的黑暗時代，宇宙中只有分布均勻的氫和氦原子，沒有複雜的天體，也就沒有任何能發出可見光的東西。黑暗的宇宙中，除了背景輻射，只有中性氫發出的波長
1億年到2.5億年
原星系和恆星形成
黑暗時代持續了1億年，直到最先形成的恆星帶來了宇宙的第一縷曙光。
本來宇宙的物質分布是非常均勻的，不過就如同風平浪靜的海面，遠處看起來光滑如鏡，細看卻有很多細小的漣漪，宇宙中的物質分布在暴漲的時候也留下了一些微小的起伏。那些比周圍密度稍大一點的區域，在引力的作用下就會不斷長大，物質逐漸成團。最開始暗物質和普通物質一起聚集成團，小塊的物質團互相吸引合併成大塊，就像水汽聚集成雲，逐漸形成了網格狀的結構，在網格連接點處成團的物質就是原星系，也是恆星的搖籃。
這些原星系比現在的星系小得多，質量大概有10萬到100萬個太陽的質量，大小有30到100光年。原星系中開始暗物質和普通物質是混在一起的。不過暗物質因為相互作用微弱，沒有摩擦，所以沒辦法減少轉動速度，離心力導致其不能收縮得更小，而普通物質組成的氣體可以通過摩擦降低速度，所以還能進一步的收縮，形成了星系盤，而暗物質依然瀰漫著，成為了包裹著星系的暗物質暈。
星系盤中的氣體進一步收縮，開始形成了宇宙中第一代恆星。這時的宇宙中沒有重元素，只有氫和氦(還有極微量的鋰等元素)。相對於重元素，氫分子發出的輻射要弱很多，氣體雲的熱量沒辦法通過輻射散發掉，所以溫度很高。而氣體溫度越高，形成的恆星就越大，所以第一代恆星都是質量非常大的超巨星。在明亮的第一代恆星照耀下，死氣沉沉的宇宙，開始變得生機勃勃起來，超巨星發出的紫外輻射使得宇宙中的氫原子重新成為電離狀態。
10億年 星系和星系團形成
原星系在引力的作用下互相碰撞合併，形成了後來我們熟悉的星系。星系們互相吸引，形成了巨大的星系團，宇宙的大尺度結構就這樣形成了。星系們合併的進程直到現在也一直在進行著，例如我們所在的銀河系就會在未來和仙女座星系發生合併。
在這期間，質量巨大的第一代恆星由於中心溫度高，核聚變反應非常劇烈，所以已經迅速燃盡走向了死亡。第一代恆星這個核聚變的熔爐中產生的重元素，在它們死亡後散布到宇宙中，為第二代和第三代恆星、以及更加豐富多彩的宇宙提供了材料，例如組成行星的固體塵埃。
90億年 太陽形成
太陽是從一團跨度達到幾光年的巨大星雲中誕生的。很可能是在附近一顆超新星爆發產生的衝擊波影響下，星雲內部一塊區域被壓縮，導緻密度增大。高密度的區域開始在自身引力作用下坍塌收縮。星雲坍縮的過程中，轉動速度不斷增加，溫度不斷升高。星雲逐漸收縮成了一個扁平的盤，並在中心形成一個高溫的原恆星。最終，原恆星中心溫度升高，氫原予核運動速度越來越快，終於可以克服它們之問因為同帶正電而有的排斥力，從而聚變成氦，核反應開始標誌著太陽至此成為了真正的恆星。
90億年 地球形成
在太剛形成的過程中，圍繞中心旋轉的氣體盤中的塵埃由於隨機運動而互相碰撞形成尺寸為千米級的岩石塊，天文學家稱之為星子，星子已經可以靠引力吸積塵埃繼續長大。在星子們爭奪塵埃競相長大的時候，一部分大質量的星子脫穎而出，最終成為了行星。太陽系靠近太陽的區域塵埃等物質比較少，所以星子生長緩慢，最後形成了地球、火星等類地行星；而遠離太陽的區域塵埃和氣體豐富，星予生長迅速，形成了木星和土星這樣的類木行星。
137億年 當今世界
後來地球上產生了生命，經過數十億年的進化產生了人類，人類現在正通過科學手段了解宇宙的歷史。
200億年 地球滅亡
地球上的生命得以存在，依靠的是太陽通過核聚變反應發出的光和熱。而當再過50億年之後太陽逐漸步入晚年，等待地球的必然是一個毀滅的結局。太陽的氫燃料消耗殆盡之後，會開始燃燒氦，生成碳和氧，並膨脹變成一顆紅巨星。巨大的太陽會吞噬掉靠近的行星，先是水星然後是金星。
地球是否能逃脫被太陽的烈焰吞噬的命運呢？一種可能：由於太陽核聚變質量虧損轉化為能量，而且在紅巨星階段會向外拋出大量物質，太陽的質量會逐漸減小，從而導致引力減弱。地球受到的引力減弱，就會在公轉的同時逐漸遠離太陽，沿著一條半徑逐漸增大的螺旋一樣的軌道運動。另外一種可能：太陽膨脹後外層的大氣已經靠近了地球，摩擦使得地球公轉速度變慢，從而軌道變得更加靠近太陽並最終落入太陽中，被太陽的高溫蒸發為氣體。即使是第一種情況，地球不被太陽吞噬，紅巨星的高溫也會把地球烤成焦炭，對人類來說這也是一種實質上的毀滅，總之地球最終被毀滅的命運是註定的。
200億年 太陽滅亡
太陽的紅巨星階段是很短暫的。75億年之後，當氦也燃盡全部變成碳和氧之後，太陽的核心會坍縮形成一顆緻密的白矮星，而外層的氣體則被拋出來形成行星狀星雲，這時太陽可以說已經滅亡了。
不過太陽演化成的白矮星溫度很高，雖然不產生能量，但是靠著餘熱依然可以發出黯淡的白光。當然坐吃山空，終有一天白矮星會徹底冷卻下來，成為死寂的黑矮星，到時候太陽才真正徹底死亡。而白矮星冷卻的過程很長很長，需要10000億年，所以太陽死亡的時間可以是75億年，也可以算做10000億年。
200多億年 太陽系的滅亡
太陽變成白矮星之後，雖然在紅巨星階段損失了不少質量，不過剩餘的質量產生的引力依然可以拉著太陽系外圍的天體圍繞它轉動。火星、木星、土星、天王星和海王星，甚至還有可能包括地球，都會繼續圍繞太陽轉動，太陽系還可以苟延殘喘下去。不過毀滅的命運是不可避免的，太陽質量的變化會擾亂行星們的公轉，導致行星軌道發生改變甚至互相碰撞，一些行星可能最終撞向太陽，被引力粉碎，另外一些則會擺脫太陽的束縛飄向廣闊的星際空間，最終只留下白矮星和圍繞它快速旋轉的碎片。
100萬億年 恆星的滅亡
現在我們的銀河系依然有充足的氣體和塵埃孕育新的恆星，不過很多橢圓星系都已經耗盡了氣體，停止了恆星的製造。總有一天，宇宙中將不會再有新恆星誕生，而已經存在的恆星也總有一天會消耗盡所有的核燃料而死亡，形成白矮星、中子星以及黑洞等緻密天體，即使是最黯淡的紅矮星也會在10萬億年後停止燃燒。在100萬億年後，宇宙所有的恆星都將熄滅，產生的白矮星都已經冷卻成為了黑矮星，宇宙中只剩下了黑矮星、中子星和黑洞，重新變得黑暗。一片死寂的宇宙中，偶爾會有褐矮星碰撞在一起形成一個新的恆星，或者黑洞撕碎了一個恆星的殘骸時會有閃光打破黑暗。大約每一萬億年會有兩個較重的黑矮星撞擊到一起爆發成一顆超新星。
1020年
類似於銀河系和仙女座星系，宇宙中的星系不斷發生著碰撞。星系內部其實很疏散，兩個星系碰撞後不會直接就粘成一團，而是會彼此穿越對方。然後由於引力的作用，兩個星系也不會就此分道揚鑣，而是將重新靠近再次碰撞。經過數次這樣的反覆後，兩個星系會穩定下來成為一個星系，兩個星系的中心黑洞也會合併為一個超大黑洞。合併不意味著星系的滅亡，合併後的大星系會長久地存在下去，但是偶爾會有恆星在一次近距離遭遇另外一顆恆星後，由於兩顆星之間引力的作用改變運動狀態而脫離星系。這樣恆星被踢出星系的過程一直持續下去，在大約1020年後宇宙中的星系就都會解體消失。
1030年 普通物質的毀滅
黑矮星也不能就這樣永遠存在下去，粒子物理學家認為質子是不穩定的，它們能夠生存大概1033到1045年。當質子衰變成組成它們的夸克時，所有的黑矮星、中子星和行星都會崩潰，只剩下遊離的光子、中微子、電子和正電子。
10100年 黑洞的末日
即使黑洞也並非永恆，按照霍金的理論，黑洞並不是只進不出的無底洞，黑洞由於量子效應也會發出輻射。如果黑洞吸積物質少於發出的輻射，那麼它們就會逐漸蒸發掉。這時候的宇宙已經沒有物質可供黑洞吞噬了，它們也只能慢慢地等死。質量越大的黑洞輻射越弱，蒸發的也就越慢，而隨著質量不斷減少，黑洞的蒸發速度會越來越快，最終完全消散。對於大質量黑洞，這個過程是非常漫長的，但總有一天末日會來臨，大概10100年後，宇宙中最後一個黑洞也蒸發乾凈了。
難以確定的時間 宇宙的終結
黑洞都蒸發了之後，宇宙中只有輻射和各種基本粒子，整個宇宙的溫度無限趨近於絕對零度。決定宇宙最終命運的將是暗能量的性質。根據暗能量的不同宇宙可能有三種結局。
或者宇宙就這樣膨脹下去，慢慢陷入永恆的黑暗。
或者宇宙停止膨脹開始收縮，最終迎來一次「大坍塌」，甚至可能在這之後發生新的大爆炸，產生一個新宇宙，宇宙有可能就是這樣循環再生。
或者宇宙膨脹不斷加速到了可怕的程度，開始一次「大撕裂」，任何物質，甚至原子都會被宇宙的膨脹撕得粉碎。
宇宙誕生於137億年前，從一片混沌，到產生星系、恆星、整個多姿多彩的世界，其中經歷的過程其複雜程度可想而知。而憑藉人類短短數千年的文明史，就能在一定程度上了解宇宙的歷史，令人不得不讚歎科學力量的偉大。
大科技《科學之謎》
大爆炸理論發展簡史
李慕星
宇宙並非永恆不變，而是有一個開端，這樣的思想古已有之。當然，這很大程度上是受宗教的影響。比如據《聖經·創世紀》記載，世界就是上帝用了六天時間創造出來的。其中太陽、月亮以及眾多星辰是上帝在第四天造出來的。我國古代也有盤古開天闢地之說。
當然在真正的宇宙學產生之前，人們是不可能真正認識整個宇宙的，不過他們仍可以展開天馬行空的想像，去幻想宇宙的樣子。19世紀，美國作家愛倫·坡曾在一本書中寫下自己的幻想：宇宙是來源於一個單獨的原初粒子，在某種力的推動下膨脹。這在一定程度上和現在的大爆炸理論有相通之處。
宇宙是膨脹的
要真正了解宇宙需要的是科學，而不僅僅是幻想。20世紀初愛因斯坦的廣義相對論的提出，給了人們一個研究宇宙的工具，宇宙學真正開始成為了一門科學。愛因斯坦本人首先用廣義相對論研究了整個宇宙，建立了用於描述宇宙的廣義相對論方程，並在引人了一個「宇宙常數」後提出一個穩恆不變的宇宙學模型。後來，蘇聯物理學家弗里德曼去掉了愛因斯坦宇宙常數得到了一個膨脹宇宙的解。
幾乎與此同時，天文學家的觀測也有了重大進展。美國羅威爾天文台的天文學家斯萊弗測量了40多個銀河外星系的光譜，發現只有包括仙女星系在內的5個星系是藍移，其他星系的光譜都存在紅移現象，這說明它們在遠離我們而去。
1927年，比利時牧師和數學物理學家勒梅特獨立於弗里德曼也提出了膨脹宇宙模型，並以此來解釋星系的遠離現象。這樣就把理論和觀測結含了起來。
到了1929年，美國天文學家哈勃通過造父變星測量了出了河外星系的距離，結合斯萊弗得到的星系紅移數據，他發現星系的遠離速度和它們的距離是成正比的，這就是著名的哈勃定律。哈勃定律清楚地表明宇宙是在膨脹的，為勒梅特的理論提供了支持。
宇宙源於大爆炸
1931年，勒梅特進一步發展了自己的理論，還提出宇宙是起源於一塊質量無比巨大的高密度物質——一個極不穩定的超級原子，包含整個宇宙的質量，他把這個叫做「原初原子」。俄裔美國物理學家伽莫夫進一步發展了這個理論，他指出，如果宇宙開始於高溫高密度的狀態，就可以用原初核合成來解釋現在宇宙中氦元素和氫元素的比例。不過當時勒梅特和伽莫夫的宇宙理論非但沒有得到普遍承認，還得到了一個「大爆炸」的諷刺的名字。
1964年，普林斯頓大學的天文學家迪克和皮伯斯推測如果宇宙真的開始於一次大爆炸，那麼現在的宇宙中就會殘留著當時高熱狀態的遺迹，也就是微波背景輻射。幾乎與此同時，美國貝爾實驗室的物理學家彭齊亞斯和威爾遜在對銀河系發出的射電輻射進行精確測量的時候，意外地發現了瀰漫於宇宙空間中的3K微波背景輻射。當彭齊亞斯和威爾遜公布他們的結果後，迪克和皮伯斯立刻意識到這可能就是大爆炸的餘輝。
微波背景輻射的發現給了大爆炸理論強有力的支持，隨著天文學理論和觀測的不斷進步，大爆炸逐漸成為了關於宇宙起源和演化的主流理論。1980年，為了解決大爆炸宇宙模型中的一些問題，吉斯提出了暴漲理論，這個理論後來也得到了更精確的微波背景輻射觀測的支持，更加完善了大爆炸理論。現在，大爆炸理論已經不僅是個假說，而是建立在堅實的觀測基礎上的可靠理論了。
大科技《科學之謎》
時間為什麼不能倒流
賀飛鴻
科學家設想了一個又一個思想實驗，試圖扭轉時間之箭的方向，卻一次又一次地失敗了。到底是誰打碎了我們青春永駐的幻夢？
時光匆匆，覆水難收
時光留不住，春去已無蹤。
時間就像是離弦的利箭一樣，向著未來呼嘯而去，過去發生過的事情從來沒有重現的機會，我們的生命也在時鐘的滴答聲中不斷流逝。然而令人奇怪的是，在物理學的規律中，時問這個變數其實既可以向前，也可以向後的，但是我們在實際生活中卻無法觀察到時間的倒流。
打個比方，如果我們把熱咖啡倒入牛奶中，攪拌形成濃香的混合物的過程，可以算作時間的正向流動，那麼從理論上講，如果混合物中的熱咖啡再從牛奶中分離出來，就可以看成是時間的逆向流動，從物理學定律的角度看，後面這個事件也是完全可以發生的，或者說時間倒流是可能的。可是，無論我們觀察多少杯牛奶加咖啡的飲料，也不會看到一幕牛奶與咖啡分離的場景。
有沒有什麼辦法，能讓時間發生哪怕一秒鐘的倒流呢？
徒勞的麥克斯韋妖
首先讓我們從牛奶加咖啡入手，尋找讓歷史重現的妙招。
為了解釋當咖啡倒入牛奶後，兩者限也無法自動分離的現象，科學家引入了「熵增」的概念。一個系統的熵可以簡單地理解成混亂度，熵增就是混亂度增加的意思。還是以咖啡和牛奶為例，在兩者沒有混合前，咖啡和牛奶是涇渭分明、井然有序的，混亂度低；而當兩者混合後，混合液體內牛奶分子和咖啡分子混在一起，混亂度變高了。
根據熱力學定律，我們的宇宙就處在熵增的過利中。我們知道，當兩個溫度不同的物體貼在一起時，熱量會從高溫物體流向低溫物體，直到兩個物體的溫度相同為止。伴隨著熱量的流動，宇宙的混亂度也在增加。在自然界中，熱量從來不會自發地反向流動，因此宇宙永遠處於熵增的狀態。
如果我們要扭轉時間的箭頭，就等於是要讓宇宙熵減，讓混合溶液中的牛奶和咖啡再度分離，或者讓一個原本溫度各處相同的系統自發地出現一個位置溫度高，而另一個位置溫度低的情況。在19世紀，物理學家麥克斯韋曾經設想過一個所謂的「麥克斯韋妖」：一個封閉的氣體體系被分隔成兩部分，之間有一個可以開關的閥門。一個強大的麥克斯韋妖可以控制閥門的開關，讓高能氣體分子進入一個部分，而低能氣體分子進入另一部分，從而讓原本溫度處處一致的體系中出現高溫的部分和低溫的部分。 (關於麥克斯韋妖，詳見《科學之謎》2009年8月號)
如果真的有麥克斯韋妖，那麼體系就將經歷熵減的過程，時間的倒流就有可能實現了。可惜，科學家從理論上發現，要讓麥克斯韋妖有分開高能分子和低能分子的能力，它必須要花費大量的能量來做「識別工作」，這就等於增加了它自己的熵，增加的熵大於空氣體系中減少的熵，所以宇宙中總的熵還是在增加。時間無法被逆轉。
量子世界中的時間逆轉
在牛奶和咖啡的混合溶液中，我們讓時間倒流的努力失敗了。接下來我們換一個戰場，到量子世界裡去探尋答案。
在量子世界中，所謂的熵並不是指熱量流動或者混亂度，而足指信息。從這個角度說，宇宙是一個信息不斷增加的傢伙，如果要想讓時間倒流，就必須讓宇宙中的信息減少。在量子世界中，我們可以實現時間的逆轉嗎？
最近，意人利和美國的科學家設計了一個思想試驗，來探討量子世界中時間能否倒流。他們設想，在量子世界中有個實驗室，在實驗室中有一個叫愛麗絲的人，她有一個獨立在實驗室之外的朋友——鮑勃。一次，鮑勃給愛麗絲髮送來一個原子。根據量子理論我們知道，當愛麗絲不測量這個原子時，原子的自旋狀態足不確定的，或者說是疊加的，原子既上旋，又下旋。只有當愛麗絲測量它時，它才會出現確定的一種旋轉狀態，要麼上旋，要麼下旋。
現在我們跟隨科學家的思路，來看看信息的變化情況。從愛麗絲的角度來看，當她測量了這個原子後，她的實驗室獲得了一個從外部傳來的信息——原子自旋的信息，這個信息被愛麗絲記住了，並且被她記錄在實驗室電腦的硬碟里。顯然，有信息從原子傳遞到了實驗室，信息增加了，這是一個熵增的過程。在現實世界中，這樣的事例屢見不鮮，比如我們從網路上複製文件，並將文件存儲在電腦硬碟中。
接下來我們從鮑勃的角度來看一看，由於他並沒有測量那個原子，因此對他而言原子的自旋狀態仍然是疊加態的，不確定的；由於愛麗絲的實驗室也處在量子世界裡，所以實驗室也處於疊加態。在局外人鮑勃看來，都處於疊加態的原子和實驗室看上去「完好如初」，原子和實驗室之間並沒有發生信息的流動，因此宇宙的熵並沒有變化。這麼說，時間在鮑勃的眼中停止了嗎？
其實不然，當鮑勃真的深入實驗室觀察時，實驗室和原子的疊加態就將消失，他會看到愛麗絲所見的一幕：信息發生了流動，熵增加了。如果我們要逆轉時間，就要讓鮑勃觀察不到宇宙的熵的變化，或者說去掉增加的熵。怎麼做呢？消除儲存在愛麗絲腦中的記憶，消除硬碟上關於原子自旋的所有記錄。只有經過這一步，鮑勃觀察到的原子就還是那個原子，實驗室就還是那個實驗室。一切似乎回到了從前的那種疊加態。
毫無蹤跡的時間逆流
可惜的是，這樣一個信息逆轉過程違反了量子理論的規律。去掉了愛麗絲的記憶和硬碟的記錄，實驗室內的熵的確減少了，可是曾經有過的熵增過程的任何記錄也消失了，曾經發生過的事情的任何痕迹都被抹去了。
從量子理論的角度講，如果一個事物根本沒有在宇宙中留下任何痕迹，那麼只能說，這個事物根本就沒有在宇宙出現過！愛麗絲的實驗室根本就沒有收到過鮑勃發來的原子信息！
回到對時間的思考上，如果要讓時間倒流，就必須消除時間正常流淌時增加的信息，這信息也許是愛麗絲的記憶，也許是硬碟上的存儲記錄，或者是宇宙中出現的任何新信息。於是，宇宙中即使曾經出現過這樣的時間倒流事件，由於沒有任何可以觀察到的記錄，我們也無從知曉時間是否曾經倒流。
所以在我們的世界裡，時間看上去永遠向前流逝，我們眼角和額頭逐漸增多的皺紋，記載了時問流淌的信息。
大科技《科學之謎》
玻耳與老子學說
張書柏
尼爾斯·H·D·玻耳是丹麥著名的物理學家，1922年諾貝爾物理學獎獲得者。他創建了著名的哥本哈根學派和互補哲學理論。就是這個叫玻耳的丹麥人，是20世紀唯一敢於向愛因斯坦叫板的人。
關於這一點，要追溯到上個世紀初他和愛因斯坦發生的那場著名的爭論。
不可思議的粒子波粒二象性
20世紀初期，物理學家發現了一個奮怪現象，當人們用一種方法和設備測量光的時候，光顯示波的特性：而人們用另一種方法和設備測量光的時候，光則顯示粒子的特性。這就是光的「波粒二象性」現象。
光到底是波還是粒子？波是能量態，粒子是物質態，一個是能量，一個是物體；一個虛，一個實，雙重性怎麼會同時體現在光的身上呢？
更奇怪的是，光顯示什麼特性與人們所使用的測量方法和設備有關，也就是說人為的方法、手段在影響著人們對客觀世界到底「是什麼」的看法。
其實，類似光的「二象性」現象在人類自身也存在著一一比如：錯覺現象、謊言現象、一個人同日寸兼有近視和遠視等現象，都是人類生活中存在的「二象性」現象。
就拿錯覺現象來說，如果說錯覺是不存在的，那麼，錯覺產生的過程本身就不是真實的嗎？如果說錯覺是真實的，但事實上錯覺卻並非是真實情況的反映。
玻耳的互補哲學
當年，為了給光的「波粒二象性」現象一個合理的解釋，玻耳創建了互補哲學，採用互補哲學來解釋這種「二象性」現象。
基於互補哲學，玻耳認為客觀世界的真實面貌是不可能被物理學手段所認識的。
也許有人會說，我們不是已經或者正在對客觀世界作出真實的認識嗎？我們所獲得的真理，不就是真實世界的反映嗎？
如果問題真的就這麼簡單，玻耳的觀點豈不等於是白痴說的話了嗎？
對玻耳的觀點，愛因斯坦非常不滿意，從而發生了與玻耳的爭論。
愛因斯坦多次建立實驗模型，試圖推翻玻耳的認識，但每一次的實驗結果都與他的願望相反。愛因斯坦最終沒能找到否定玻耳對「波粒二象性」的理論解釋。
玻耳之所以認為客觀世界的真實面貌是不可能被物理學手段所認識的，他的看法是：當人們想去了解物體本身的時候，人所採用的、用於了解物體的、人造的儀器會與物體本身發生作用，從而改變了物體的真實狀態，而人們通過物理學手段所看到的不過是物體與那些人造的儀器發生作用的結果。
《老子》對玻耳思想的影響
巧合的是，當玻耳完成了互補哲學對光的波粒二象性的解釋之後，他讀到了道家老子的《道德經》。令玻耳震驚的是，他煞費苦心對光到底是什麼所作的闡述，不過就是《道德經》中所表達的思想：「道可道，非常道；名可名，非常名」。老子的這句話說的是：「道」這種東西是存在的，但我們一旦把它說出來，它就變味了，已經不是原來那個「道」了，所以「道」這種東西又是不可言說的。如果玻耳把「道」理解成「客觀世界」，那麼老子的這句話就概括了玻耳互補哲學的精髓。
老子的思想讓玻耳震撼了！從此不再說他是什麼理論的創立者，而僅僅說自己是個「得道者」。
其後，玻耳親自設計了一個徽標，其中心圖案直接採用的是中國古代道家文化的「太極圖」，他把這個以太極圖為核心的圖案懸掛在辦公室，以此來體現他的互補哲學思想。
當丹麥皇家頒發給他榮譽證書而要求他選擇圖案時，他毫不猶豫地選擇了道家文化的太極圖作為證書的背景。
玻耳是20世紀真正理解了老子思想的西方人，也是最為推崇道家思想學說的科學家。
大科技《科學之謎》
物理學上的三個小妖
我們這個宇宙是個令人困惑的宇宙，我們這個世界是個令人困惑的世界。
一方面，放眼宇宙，似乎一切都井然有序。星系、恆星、行星都按規律變化和運動，毫釐不差，以致科學家一度相信，只要我們願意，我們就可以計算出宇宙的過去和它的未來；而另一方面，這個世界又如此不可捉摸，我們其實無法預報明天的天氣、無法預知地震何時發生，也無法預料哪天會突然中了大獎或者碰上飛來橫禍。
一方面，這個宇宙能發展出高度智慧的、生機勃勃的生命；而另一方面，這個宇宙正在不可避免地走向死氣沉沉的熱寂狀態，一切都將墜入無邊的黑暗之中。
一方面，我們看到的、觸摸到的世界如此真實可感；另一方面，科學家們卻說我們看到的是一個虛幻的世界。
我們能在終極意義上把握、理解這個宇宙嗎?近代以來，物理學家們設想過兩隻無所不能的精靈小妖，試圖把握宇宙，但這幻想破滅了。物理學家還設想了一隻既死又活的類似小妖的貓，通過確定貓的死活來討論無常的量子世界，結果他們永遠弄不清貓究竟是死是活，這隻奇怪的貓至今還在困惑著人類中那些最偉大的智者。
下面就讓我們來了解一下近代物理學史上三個著名的「小妖」吧——當然，它們並非什麼真正的妖精，而是物理學家為了表達自己的思想而假想的精靈。了解了這三個「小妖」的來龍去脈，也就幾乎等於了解了整整一部近代物理學思想史。
第一個小妖：它能無所不知嗎?
宇宙中藏有一個無所不知的小妖？
有一則寓言講了這麼一個故事：一天，有個鄉下姑娘頭頂一罐牛奶到集市上去賣，路過一個賣雞蛋的攤子，她就浮想聯翩開了：假如把這罐牛奶賣掉，我就能買10個雞蛋；假如我把10個雞蛋全部用來孵小雞；如果其中有5隻是母雞，每隻母雞一年生50個蛋，那一年下來就有250個蛋；假如這些蛋又全部用來孵作小雞，且一半是母的，那麼加上前面那5隻母雞，第二年我就會有130隻母雞；這130母雞再……天哪，只需到第三年，我就可以開一個很大的養雞場了!
其實，這個小姑娘的浮想正是我們普通人的日常思維模式：凡事有因必有果，反過來也一樣，有果必有其因；事件甲發生的原因是事件乙，而事件乙發生的原因又是事件丙……天資聰穎加勤奮，就會有好成績；買好車票，就會知道哪一天到達目的地；天氣冷到攝氏零度以下，水就會結冰；冬天來了，春天就不會遙遠——事物的發展總是遵循著嚴格的因果邏輯鏈向前推進。
這種因果決定論曾對西方科學產生過巨大的影響。牛頓發現的三大運動定律就嚴格遵循了因果決定論——宇宙問所有物體都處於力的作用之中，只要知道了物體此刻的運動，在原則上就能推知它的過去和預測它的將來。牛頓本人甚至認為，從宇宙誕生開始，這出大戲就一直按照他所確立的三大運動定律有條不紊地演下去。
拉普拉斯是19世紀上半葉法國著名的數學家、物理學家。他所處的年代正好是牛頓經典力學逐步走向成熟並佔據統治地位的時期，因此，他是一個對因果決定論最深信不疑的科學家。正是基於對牛頓力學的無比信心，他提出，對於宇宙這種有規律的運動，如果存在一個智慧的精靈，她完全可以根據此刻宇宙中所有物體的位置、速度，推斷出它們未來的運動。對她來說，未來沒有什麼是不確定的，一切都可以通過現在的狀態計算知道。
蝴蝶的翅膀趕走了小妖
這個拉普拉斯假定的「智慧精靈」被後人稱為「拉普拉斯妖」。這個能夠準確預測宇宙任何時刻的任何事情的「精靈」，令那個時代的科學家們如痴如醉，他們深信科學能夠無限接近那個充滿智慧的「精靈」，不，也許科學本身經過發展就能成為那樣的「精靈」。
這個暢想多麼迷人!如果「拉普拉斯妖」真的存在，人類總有一天能成為這樣的「精靈」，進而掌握宇宙所有法則和所有細節。整個19世紀，科學家們被這「小妖」吸引著、誘惑著，忘情地奔向這隻「小妖」。
但到了20世紀，無情的現實徹底粉碎了科學家們的暢想。
1961年冬天，美國氣象學家洛倫茨用計算機做天氣模擬運算。為了省事，他在輸入計算機的數據時，把某一天的一個數據省略了小數位最後的3位數字，讓計算機運行，自己則離開了辦公室去喝咖啡。一個小時後，當他回到實驗室時，計算機模擬系統已經運行出了之後兩個月的天氣數據。
洛倫茨一看結果，不禁吃了一驚：新的計算結果與原先的大相徑庭。雖然輸入的這條數據整數部分完全一樣，只是小數點後為0.506，而非完整的0.506127。洛倫茨的計算表明，這個微小的偏差每隔四天就會翻一番，直至新舊數據之間的相似性完全喪失為止。最初小小的差異，最終卻造成兩次計算結果完全不同。
這就是天氣系統中著名的「蝴蝶效應」：初始條件一點微小的偏差，經過不斷放大，對其未來狀態就會造成極其巨大的差別。這個效應借用一個生動的比喻說：亞馬孫河流域的一隻蝴蝶扇一下翅膀，過幾周在北京就可能引起一場風暴，而你那個周末本來打算去郊遊的計劃也隨之告吹了。
由於「蝴蝶效應」的存在，洛倫茨意識到長期天氣預報是註定不可能的。因為人們永遠
不可能得到絕對精確的初始條件，而且由於任何計算設備的內存都是有限的，我們在計算過
程中也永遠不可能保留無限的精度，所有這些誤差都會因為「蝴蝶效應」的存在而迅速擴大，從而使一切高精度的長期氣象預測成為泡影。
「蝴蝶效應」意味著，我們的世界是一個混沌系統，任意一個微小的變化，都會產生無法預測的意外結果。所謂「差之毫厘，失之千里」正是混沌現象的最佳批註。
科學家對混沌現象的發現，徹底擊碎了拉普拉斯對宇宙精確預測的夢想。其實「拉普拉斯妖」本身就能產生「蝴蝶效應」，這個效應一經產生，就破壞了它對未來的預測。
為什麼這麼說呢?因為俗話說「鑼鼓不能偷著敲」，你「拉普拉斯妖」既然如此神通廣大，那總應該讓我們知道你的神通廣大。比方說，假如她在某一瞬間計算出了100年後宇宙間每一個原子運動的精確圖景，她就應該把結果告訴我們。但她如何能在告訴我們的同時又不破壞這個預言呢?
根據牛頓的說法，宇宙問除了力的作用不存在別的作用。因此，「精靈」要想告知我們她的計算結果，也必須通過力的作用，比如通過光或其他通訊方式。但麻煩的是，一有力的作用，物體的運動狀態就要改變，而這個作用她當初做計算的時候可沒有考慮進去。這樣一來，初始條件變了。初始條件一變，由此產生的「蝴蝶效應」，就會完全打亂她關於100年後宇宙原子運動的預言。
回到本文開頭的那則寓言：正當鄉下姑娘想入非非的時候，瓦罐從頭頂上摔下來碎了，她的全部夢想也隨著破滅了。
第二個小妖：無序能自動轉為有序嗎?
小妖抓分子
我們要說的第二個「精靈」產生於熱力學和統計物理。
在自然狀態下，熱量永遠都只能由熱處流向冷處，比如開水放久了會變涼；這個由熱變冷的過程是不可逆的，你不可能再讓這杯涼水自動變成開水；要使熱傳遞方向倒轉過來，只有靠消耗功來實現，比如，你只能把水再次燒開。
這就是熱力學第二定律的基本要義。仔細觀察分子的運動，我們會發現，在一個封閉孤立的系統里，熱分子很快流向冷分子，與冷分子攪和在一起，最後達至冷熱平衡，冷熱對流就停止了，不會出現冷熱水又自動分開的現象。
這種不可逆性隨處可見。一瓶敞口的香水放在房間里，香水不停揮發，香味充滿了整個房間，雖然單個香水分子有可能從空氣中再跑回瓶子里，但要讓空氣中所有的香水分子在某個瞬間都跑回瓶子，空瓶子里突然又冒出一瓶香水來則是不可能的。
物理學上認為，熱平衡前，冷熱水分開的時候，比熱平衡後，冷熱水混在一起時更加有序；同樣道理，香水裝在瓶子里時比充滿整個房間時更加有序；而孤立系統總是朝著更加混亂的方向演化，這種演化是不可逆的。
系統演化是不可逆的，但是，單個分子的運動卻是可逆的，比如某個香水分子能夠從房間里再回到瓶里。這就是說，熱力學第二定律並不適用於單個分子或者分子數少的系統。這個奇特的悖論引起了19世紀英國偉大的物理學家麥克斯韋的注意。為了讓大家看到熱力學第二定律的局限性，1871年他設想了一個假想的「精靈」，大家稱她為「麥克斯韋妖」。
麥克斯韋妖有極高的智能，可以追蹤每個分子的行蹤，並能辨別出它們各自的速度。麥克斯韋認為，在溫度均勻、充滿空氣的容器里，其實所有分子的運動也並不均勻，依然存在著運動速度較快的熱分子和運動速度較慢的冷分子。他假定把這樣一個容器分為兩部分，A和B，在分界處有一個小孔，由小妖把守在小孔處，她能打開或關閉小孔，讓熱分子從A跑向B，而冷分子不能過去，只能呆在A中，同樣，B中的冷分子只能從B跑向A，而
熱分子不能過去，只能呆在B中。這樣，麥克斯韋認為在不消耗功的情況下，B的溫度將提高，A的溫度將降低，冷熱氣體就分開了，這與熱力學第二定律發生了矛盾。
要完成麥克斯韋派給的任務，的確不是一件容易的事，要求這位小妖目光敏銳，身手不凡，不過對此我們倒不必操心，因為既然是「精靈」，想必做到這一點不會有太大的困難。
這個小妖也夭折了
麥克斯韋設計這個思想實驗，本意是想告訴人們，熱力學第二定律只是描述大量分子系統的統計性規律，而不能用來描述單個分子的行為。一旦涉及單個分子的行為，比如在上述例子中，它就有可能失效。不過，後來物理學家發現，即使在這個例子中，熱力學第二定律也並沒有被違反。
我們不妨來具體分析一下。在麥克斯韋妖的操作過程中，有兩個步驟對整個系統的混亂程度造成影響。第一是小妖通過操作小孔的閘門，使冷熱分子分開，這使系統變得更加有序，混亂度減少。但為了做到這一點，她不得不涉及另一個過程，即必須事先取得分子的位置和速度等信息。而要做到這一點，必須要用光照在分子上，讓小妖能看得見運動的分子，並且能夠判斷其運動速度。這個過程涉及到熱量從高溫熱源(光源)轉移到低溫熱源(容器里的分子)，而我們知道，這個熱量傳遞的過程將會導致系統更加無序，混亂度增加(回憶一下前面冷熱水混合的例子)。科學家通過模型計算表明，第一個過程中混亂度的減少並不能抵消第二個過程中混亂度的增加，所以包括兩個步驟的全過程中，系統的混亂度實際上還是增加了，而這恰是熱力學第二定律所預言的：孤立系統的混亂度總是在增加，所以並沒有違反這一定律。
無所不能的「拉普拉斯妖」被現實粉碎了，這個智能極高的「麥克斯韋妖」同樣也在熱力學第二定律面前低下了頭。
這麼說來。我們不僅無法預測未來，也難以阻止世界的無序化。打碎的瓷器無法復原，完整的建築終會坍塌……熱力學第二定律告訴我們，自然界的無序總是在增加。
熱力學第二定律揭示了宇宙令人悲觀的前景：我們的宇宙是一個封閉孤立的系統，按照這個定律，宇宙演化的總體趨勢是越來越混亂，最終達到平衡態，到那時，宇宙中將沒有任何物質和能量的交換，陷入一個死氣沉沉的永恆狀態。
但令人困惑的是，一個不斷趨向無序的宇宙又是如何在其誕生100多億年後產生出了高度有序、有組織的生命的呢?
原來，宇宙從誕生到走向死寂是一個漫長的過程。在這段漫長的時間裡，宇宙雖然整體在走向無序，但一些局部卻處於非平衡態。這些狀態可以通過與外界的物質和能量的交換產生出有序的狀態，甚至是最高級的有序狀態——生命。
根據統計學盼法則，規模越大，其中某個現象出現的概率就越小，比如在一個鎮上，甲乙兩人可以經常碰見，但如果甲在中國，乙在巴西，碰到的概率就小了。同樣，在茫茫宇宙中，生命乃至人類的出現是一個概率極其微小的偶然事件，這也是我們至今沒有發現外星生命的重要原因。
不過，我們的宇宙最終還是逃脫不了熱平衡的宿命，有序這小小的浪花最終也會被越來越暗淡的無序狀態淹沒，生命將不復存在，宇宙仍將歸於死寂。
第三個小妖：不死不活的貓?
還有比不死不活的貓更荒謬的嗎?
我們一直在談妖，怎麼突然談起貓來了?倒不是因為「貓」和「妖」押韻，說溜了嘴。讀了下文，你就會明白，這隻貓能處於既生又死，死活不定的狀態，這樣的本事其實跟妖也差不遠了。
現在讓我們深入到令人迷惑的量子世界。按照丹麥物理學家玻爾一派的解釋，在沒有觀察或者測量之前，一個粒子的狀態是模糊不定的；只有在觀察或者測量的時候，粒子的狀態才確定下來。不妨拿擲骰子做個比方。骰子有六面，在旋轉的時候，哪一面朝上的可能性都存在，這時它處於各種可能性的混合態中；只有等它停下來了，哪一面朝上才最後確定下來，這時那朝上的一面原本幾率只有1／6的，突然變成了l，而其它面朝上的幾率由1／6通通
變成了0。
奧地利物理學家薛定諤根本不願相信粒子的這種模糊不確定性，1935年，他設計了一個「歹毒」的思想實驗，來刁難玻爾。其中用到了一隻貓。
這隻貓十分可憐，它被封在一個箱子里。箱子里有食物，還有毒氣。毒氣瓶上方有一個鎚子，鎚子由一個電開關控制，電開關又由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出粒子，α觸動電開關，鎚子落下，砸碎毒氣瓶，釋放出裡面的毒氣，此貓就必死無疑。
薛定諤說，一個放射性原子，它何時衰變是完全不確定的；只要沒有觀察，它便處於衰變和不衰變兩種可能的混合狀態中；只有確實地測量了，它才隨機選擇一種狀態出現。由於原子的狀態是不確定的，而貓的生死又取決於原子的狀態，所以貓的生死狀態也不確定，只有當我們打開箱子察看，事情才最終定論：貓要麼死了，要麼活著。薛定諤嘲笑道，那麼，當沒有打開箱子之前，這隻貓處在什麼狀態?難道它和我們的原子一樣也處在混合態，即一種生與死的混合狀態之中?一隻貓同時既是死的又是活的，有比這更荒謬的事情嗎?
一切皆有可能
面對如此歹毒的挑戰，玻爾咬咬牙不得不承認，這隻貓在我們打開箱子觀察之前的確處於死與活的混合態中。可是為什麼只要看它一眼，所有別的可能性突然通通消失，只留下確定的一種了呢? 他可說不清楚。
你也許會說，假如這隻貓能說話就好了，它就能告訴我們在打開箱子之前，它處於什麼狀態。可惜貓不會說話，我們永遠無法知道它的感受。
那麼把貓換成人，又如何?這下他總可以說話了吧?那好，我們不妨在想像中把你最討厭的人投到箱子里去，跟隨時砸下來的鎚子和毒氣呆在一起。那這個人假如能生還，他會說自己呆在箱子里時死活不定嗎?顯然不會!他肯定無比堅定地宣稱，自己從頭到尾都活得好好的，壓根兒沒有什麼半生半死的狀態出現。為什麼?因為這次不同，他自己已然是一個觀察者了!他在箱子里不斷觀察自己的狀態，所以在任何時候他都處於活的狀態。
可是，奇哉怪也!為什麼我們對貓就不能這樣說呢?貓也在不停觀察著自己啊。貓和人有什麼不同呢?難道區別就在於一個可以出來憤怒地反駁玻爾的論調，另一個只能「喵喵」地叫嗎?令我們吃驚的是，這的確可能是至關重要的區別!人可以感覺到自己的存活，而貓則不能，換句話說，人有一樣貓所沒有的東西，那就是「意識」!因此，人能夠觀測自己，而貓卻無能為力，只能停留在死和活的混合態中。意識!這個哲學上的字眼竟然出現在物理學中，真是匪夷所思啊!
其實問題還不在於這麼一隻貓，按照玻爾一派的邏輯，這宇宙中一切的一切，只要我們不去觀察的時候，都處在不確定的混合態中。月亮高掛在蒼穹，可是只要我一調轉身，它在不在天空就變得不確定了。這種觀點的確太讓人難以想像了。無怪乎霍金說： 「當我一聽薛定諤的貓，我就想跑去拿槍。」你要想想，霍金是坐輪椅的，他都動了這麼大的肝火!
瘋狂的平行世界
那麼有沒有別的更合理的解釋呢?有倒是有，只是不見得更合理。1957年，美國物理學家埃弗雷特提出一種「平行世界詮釋」的理論。他說，「兩隻貓都是真實的。有一隻活貓，有一隻死貓，但它們位於不同的世界中。當我們向盒子里看時，整個世界立刻分裂成它自己的兩個版本。這兩個版本在其餘各個方面都是全同的。唯一的區別在於其中一個版本中，原子衰變了，貓死了；而在另一個版本中，原子沒有衰變，貓還活著。」也就是說，上面說的「原子衰變了，貓死了」和「原子沒有衰變，貓還活著」這兩個世界將完全相互獨立地演變下去，就像兩個平行的世界一樣。
這樣一來，薛定諤的貓也不必再為死活問題困擾了。只不過是宇宙分裂成了兩個，一個有活貓，一個有死貓罷了。對於那個活貓的宇宙，貓是一直活著的，不存在死活混合的問題。對於死貓的宇宙，貓在原子衰變的那一刻就實實在在地死了，不要等人們打開箱子才看到死貓。
可是我們一旦把這個理論推廣開去，好玄哦!從誕生之時起，宇宙已經進行過無數次這樣的分裂。我們動一下手指頭，掉一根頭髮，腦神經上傳一個電信號，宇宙就要一次次地分裂。我們現在所處的這個宇宙只不過是宇宙海洋里微不足道的一個。在某個宇宙中，小行星並未撞擊地球，恐龍仍是世界主宰；在某個宇宙中，希特勒還活著，繼續殺人；在某個宇宙中，你壓根兒沒出世……這與其說是一種科學理論，不如說是科學幻想了。
的確，拉普拉斯妖、麥克斯韋妖、薛定諤貓等等，這些出沒在物理學中的「小妖」，她們是那麼形象，與之聯繫的問題是那麼重大，很久以來她們一直攫住人們的想像，是科幻小說取之不竭的題材。對她們的討論，毫無疑問也大大推動了物理學的發展。所以，雖然很多時候她們很讓人傷腦筋，但人們還是希望有更多的「小妖」在物理學上出現呢。
愛因斯坦的機遇與眼光
楊振寧
20世紀初對物理學家來說是難得一遇的時機。歷史上從來沒有那麼多革命性的新思想、新發現在短短二三十年內如潮水般湧現出來。有人說，在那個年代，即使是才能上屬於二流、三流的科學家也能做出一流的工作。科學史上也從來沒有過在那麼短的時間內出現那麼多的天才。但是即使群英薈萃，有一個人也依然那麼醒目，像大熊星座一樣居於群星之首，他就是愛因斯坦。在對他無限景仰的同時，人們不禁要問，是什麼機遇和個人特質成就了愛因斯坦一生的偉大、輝煌？
更自由的眼光使他抓住了時代的機遇
26歲的愛因斯坦敢於質疑人類關於時間的直覺觀念，從而打開了通向微觀世界的新物理學之門。
1905年通常稱為阿爾伯特·愛因斯坦的「奇蹟年」。在那一年，愛因斯坦引發了人類關於物理世界的基本概念(時問、空間、能量、光和物質)的三大革命。一個26歲、默默無聞的專利局職員如何能引起如此深遠的觀念變革，因而打開了通往現代科技時代之門?當然沒有人能夠回答這個問題。可是，我們也許可以分析他成為這一歷史性人物的一些必要因素。
首先，愛因斯坦極其幸運：他出生於合適的時代，當物理學界面臨著重重危機時，他的創造力正處於巔峰。換句話說，他有機會改寫物理學的進程，這也許是自從牛頓時代以來獨一無二的機遇。這種機遇少之又少。E．T．貝爾的《數學精英》引用了法國數學家拉格朗日的話：「雖然牛頓確實是傑出的天才，但是我們必需承認他也是最幸運的人：人類只有一次機會去建立世界的體系。」
這裡，拉格朗日引用的是牛頓的巨著《自然哲學的數學原理》中第三卷即最後一卷前言中的話：「現在我要演示世界體系的框架。」
拉格朗日顯然非常嫉妒牛頓的機遇。可是愛因斯坦對牛頓的公開評價給我們不一樣的感覺：「幸運的牛頓，幸福的科學童年……他既融合實驗者、理論家、機械師為一體，又是闡釋的藝術家。他屹立在我們面前，堅強、自信、獨一無二。」
愛因斯坦有機會修正200多年前牛頓所創建的體系。可是這個機會當然也對同時代的科學家們開放。的確，自從1881年邁克爾遜～莫雷首次實驗以及1887年第二次實驗以來，運動系統中的電動力學一直是許多人在鑽研的熱門課題。令幾驚奇的是，當愛因斯坦仍在蘇黎世念書時，他已經對這個課題產生了濃厚的興趣。1899年他曾寫信給他後來的太太米列娃：「我還了赫姆霍茲的書，現正在非常仔細地重讀赫茲的電力傳播的著作，因為我以前沒能明白赫姆霍茲關於電動力學中最小作用量原理的論述。我越來越相信今天所了解的運動物體的電動力學與實際並不相符，而且可能有更簡單的理解方式。」
他追尋此更簡單的理解方式，六年以後提出了狹義相對論。
當時許多科學家對這個課題也極感興趣。龐加萊是當時兩位最偉大的數學家之，他也正在鑽研同一個問題。事實上，相對性這一名詞的發明者並不是愛因斯坦，而是龐加萊。龐加萊在1905年的前一年的演講《新世紀的物理學》中有這樣一段：「根據相對性原則，無論是對於固定不動的觀察者，或是對於作勻速運動的觀察者，物理現象的規律應該是同樣的。這樣我們不能，也不可能辨別我們是處於靜止還是處於勻速運動狀態。」
這一段不僅介紹了相對性這個概念，而且顯示出了異常的哲學洞察力。然而，龐加萊沒有完全理解這段話在物理學上的意義：同一演講的後幾段證明他沒有抓住同時的相對性這個關鍵性、革命性的思想。
愛因斯坦也不是首位寫下偉大的相對論變換公式的人。之前，荷蘭物理學家洛倫茲曾寫出這個公式，所以當時這個公式以洛倫茲變換命名，現在仍然是這樣。可是洛倫茲也沒能抓住同時的相對性這個革命性思想。1915年他寫道：「我失敗的主要原因是我死守一個觀念：只有變數t才能作為真正的時間，而當地時間t』僅能作為輔助的數學量。」
這就是說，洛倫茲有數學，但沒有物理學；龐加萊有哲學，但也沒有物理學。正是26歲的愛因斯坦敢於質疑人類關於時間的直覺觀念，堅持同時是相對的，才從而打開了通向微觀世界的新物理學之門。
幾乎今天所有的物理學家都同意是愛因斯坦創建了狹義相對論。這對龐加萊和洛倫茲是否公平?要討論這個問題，讓我們先引用英國數學家懷特海的話：「科學的歷史告訴我們：非常接近真理和真正懂得它的意義是兩回事。每一個重要的理論都被它的發現者之前的人說過了。」
洛倫茲和龐加萊都沒有抓住那個時代的機遇。他們致力於當時最重要的問題之一，即運動系統中的電動力學，可是他們都錯失良機，因為他們死守著舊觀念，正如洛倫茲自己後來所說的一樣。愛因斯坦沒有錯失良機是因為他對於時空有更自由的眼光。
要有自由的眼光，必須能夠同時近觀和遠看同一問題。遠距離眼光這一常用詞就顯示了保持一定距離在任何研究工作中的必要性。可是只有遠距離眼光還不夠，必須與近距離的探索相結合。正是這種能自由調節、評價與比較遠近觀察的結果的能力形成了自由的眼光。按照這一比喻，我們可以說洛倫茲失敗了是因為他只有近距離眼光，而龐加萊失敗了是因為他只有遠距離眼光。
中國美學家朱光潛先生強調過「心理距離」在藝術和文學創作上的重要性。我認為他的觀念與上述的遠距離眼光是一致的，只是在不同的學術領域而已。在最權威的愛因斯坦的科學傳記《上帝是微妙的……》中，作者選擇這樣一個詞來描寫愛因斯坦的性格：孤持，並且在第三章的最開始引述《牛津英文詞典》對該詞的解釋：「與其他人保持距離；單獨地、孤立地、獨自地。」
的確，孤持、距離、自由的眼光是互相聯繫的特徵，是所有科學、藝術與文學創造活動中一個必要因素。
1905年，愛因斯坦另一個具有歷史意義的成果是他於3月間寫的論文「關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點」。這篇文章首次提出了光是帶分立能量為hv的量子。常數h由普朗克於1900年在其大膽的關於黑體輻射的理論研究中提出。然而，在接下來的幾年裡，普朗克變得膽怯，開始退縮了。而1905年的愛因斯坦不僅沒有退縮，還勇敢地提出關於光量子的「啟發性觀點」。這一大膽的觀點當時完全沒有受到人們的讚賞，從以下的幾句話就可以看出這一點：八年後，當包括普朗克在內的一些德國知名科學家提名愛因斯坦為普魯士科學院院士時，推薦書上說：「總之，我們可以說幾乎沒有一個現代物理學的重要問題是愛因斯坦沒有做過巨大貢獻的。當然他有時在創新思維中會錯過目標，例如，他對光量子的假設。可是我們不應該過分批評他，因為即使在最準確的科學裡，要提出真正新的觀點而不冒任何風險是不可能的。」
這封推薦書寫於1913年，其中被嘲笑的光量子假設指的就是上述愛因斯坦於1905年大膽提出的想法。」可是愛因斯坦不理這些嘲笑，繼續把他的想法向前推進，於1916至1917年確定了光量子的動量，進而發展為1924年對康普頓效應的劃時代的認識。
在那些年裡，即在1924年康普頓效應確立之前，愛因斯坦完全孤立，因為他對光量子的深邃眼光不被物理學界所接受。
廣義相對論是他的一次純粹的創造
關於廣義相對論，愛因斯坦沒有抓住什麼機遇：他創造了這個機遇。這是一次純粹的創造。
在1905年至1924年之間，愛因斯坦的研究興趣主要在廣義相對論。作為科學革命，廣義相對論在人類歷史上是獨一無二的。其設想宏偉、美妙、廣邃，催生了令人敬畏的宇宙學，而且它是一個人獨自孕育並完成的，這一切讓我想起《舊約》里的創世篇(不知愛因斯坦本
人是否曾想起這個比較)。
當然，我們很自然也會想起其他的科學革命，例如牛頓的巨著、狹義相對論、量子力學。不同之處在於：牛頓的工作確實是宏偉、美妙、廣邃的。對。可是在他之前有伽利略、開普勒，還有更早的數學家和哲學家們的成果。他也不是當時唯一在尋求萬有引力定律的人。狹義相對論和量子力學也都是影響深遠的革命。可是它們是當時許多人研究的熱門課題，都不是由一個人所創建的。
而廣義相對論卻是愛因斯坦獨自一人通過深邃的眼光，宏偉的設想，經過七八年孤獨的奮鬥，建立起來的一個難以想像的美妙體系。這是一次純粹的創造。
他的新眼光改寫了基礎物理學的發展進程
愛因斯坦逝世50年來，他的追求已經滲透了整個理論物理基礎研究的靈魂，這是他的勇敢、獨立、倔強和深邃眼光的永久證明。
廣義相對論代表引力場的幾何化。自然而然它使愛因斯坦接著提出電磁場的幾何化。從而又產生了將所有自然力幾何化的想法，即統一場論。此發展成為他後半生的研究重點，但他的努力沒能成功。
由於沒成功，也由於自20世紀20年代初，愛因斯坦將其注意力幾乎全部放在這項研究上而忽略了像固體物理和核子物理這些新發展的領域，他經常遭受批評，甚至嘲笑。他對於統一場論的投入被描述為著魔。這種批評的一個例子是拉比於1979年在普林斯頓舉行的愛因斯坦百年紀念上所講的話：「當你想起愛因斯坦於1903或1902年至1917年的工作時，那是極其多彩的，非常有創造力、非常接近物理，有非常驚人的洞察力；然而，在他不得不學習數學，特別是各種形式的微分幾何的時期以後，他就改變了。他改變了他的想法。他的那種對物理學的偉大創意也隨之改變了。」
拉比是否正確?愛因斯坦有沒有改變呢?
答案是：愛因斯坦的確改變了。改變的證據可以在他1933年的斯賓塞演講《關於理論物理的方法》中找到：「……理論物理的公理基礎不可能從經驗中提取，而是必須自由地創造出來……經驗可能提示適當的數學觀念，可是它們絕對不能從經驗中演繹而出……但是創造源泉屬於數學。因此，在某種意義上，我認為單純的思考可以抓住現實，正如古人夢想的一樣。」
雖然你可以同意或反對這些非常簡要的論點，但是你必須同意它們強有力地描述了愛因斯坦在：1933年關於如何做基礎理論物理的想法，而且此想法相對於他早年的想法有極大的變化。
愛因斯坦自己對這一變化非常清楚。在他70歲出版的《自述》里，我們看到：「……我作為一個學生，並不懂得獲取物理學基本原理的深奧知識的方法是與最複雜的數學方法緊密相連的。在許多年獨立的科學工作以後，我才漸漸明白了這一點。」
很明顯，在這一段里，「獨立的科學工作」指的是他於1908年至1915年期間創建廣義相對論的長期奮鬥。長期奮鬥改變了他。是否朝更好的方向改變了呢?拉比說：不是，他的
新眼光變成徒勞無益的走火入魔。我們則要說：他的新眼光改寫了基礎物理學目後的發展進程。
物理學上兩個水火不容的理論
相對論和量子力學是支撐20世紀物理學大廈的兩大支柱，在上世紀初它們在物理學上引發了一場革命。但讓人遺憾的是，它們在因果觀念上卻是格格不入的，以至於後來的物理學家想建立量子引力理論，試圖把它們聯合起來的時候，卻遭到了失敗。
相對論革新時空觀
相對論在物理學上引發的是一場時空觀上的革命。
這個世界上還有比光速更快的物質嗎?相對論告訴我們沒有。因為光子的靜止質量為零，它在真空中的速度已是物質運動速度的極限。任何一種物質，只要稍有一點質量，它在無限趨近光速的同時，其運動質量也趨於無窮大。最終，所有靜止質量不為零的粒子都無法達到光速。也許負質量的物質能夠超越光速，但現實中找不到這樣的物質。
相對論還告訴我們：物質的運動與時間、空間是互為影響的，不存在固定不變的時間和空間。當物質接近光速運動時，時間和空間都在發生變化，時間在變慢乃至停滯，空間在壓縮、彎曲乃至趨近於零。這就是愛因斯坦為什麼把自己的理論稱為「相對論」的原因：時間是相對的，空間是相對的，當物質運動貫穿於時間與空間時，時間與空間也隨之變化。但相對論效應在低速運動的世界裡很不明顯，基本觀察不到。
如果真有什麼物質的運動速度超過光速，那時間恐怕就會倒流，因果事件中作為「果」卻可以發生在「因」之前，這在現實中也是不可能實現的。
當然在某種情況下的超光速是存在的，比如說你朝月球晃動手電筒，你手的微小晃動被地月之間的距離成千上萬倍地放大了，所以很容易就能讓落在月球上光斑的移動速度超過光速。遺憾的是，這種超光速是虛的，光斑之間不能傳遞任何信息，而我們通常問的「能否超光速」指的都是「能否超光速傳遞能量和信息」，所以相對論跟上面說的那種現象並不矛盾。
「抽風」的量子世界
量子力學則在微觀物理學領域引發了另一場革命。
在微觀世界裡，單個的粒子運動可以說毫無規律可言，一切都來自不可預測的偶然性，或者說「心血來潮」：一個粒子在這一刻處於這一位置，但沒有任何東西對它作用(在這種情況下，按照牛頓力學或者相對論，它應該保持原來的運動狀態)，下一刻它突然處於另一個你完全想不到的位置了。按照經典力學，我們想像電子繞原子核運動應該有一條清晰的軌道，就像行星繞太陽運動一樣，但因為電子隨時隨地的「感情衝動」造成「出軌」，這條軌道就變得模糊不清了。量子力學只能告訴我們粒子運動的各種可能的概率是多少。
以原子核的衰變為例。假如一種原子核的壽命是6小時，那並不是說所有這種原子核的壽命都必定是6小時。事實上，有的原子核壽命可能只有3小時，有的呢，卻達10小時。壽命6小時不過是一個平均值。假如你從中單獨拿出一個原子核來，問物理學家，它什麼時候會「死亡」，他可說不上來。他只能告訴你，在這一刻它「死亡」的幾率是多少，在另一刻它「死亡」的幾率又是多少。
如果說相對論完全顛覆了我們固有的時空觀念，量子力學則顛覆了我們的因果決定論。我們日常經驗的世界是一個具有明確因果關係的世界，任何事情都不會無緣無故發生。打個比方，假如你發現自家客廳里出現一隻皮球，你肯定會想：這會不會是別人買的?或者是窗外的人玩球時不小心掉進來的?絕對沒人會認為，這個皮球是從地板里沒來由地自己冒出來的。
但是一旦進入微觀世界，粒子永遠都是毫無來由地跳來跳去，根本沒有因果邏輯可言。你想要一個運動中粒子的情況嗎，量子力學卻只能告訴你一些幾率：這個粒子出現在空間某一點的幾率是多少?它擁有一定能量的幾率是多少……等等。
鬼魅式是遠距作用
相對論不允許這個世界上存在超光速事物，假如量子力學與相對論是協調的，那麼在量子世界裡也不應該允許超光速事物存在，但事實上並不盡然。
在微觀世界裡有一種令人迷惑的量子糾纏效應：假設一個粒子衰變為正反粒子對，由於動量守恆，衰變後正、反粒子沿著相反方向相離運動。它們相離甚遠時，比如一個已經跑到銀河系中心，另一個還留在地球上，在如此遙遠的距離下，它們仍具有特別的關聯性，當其中一個被操作(例如對它進行測量)而狀態發生變化，在銀河系中心的另一個也會即刻發生相應的狀態變化，雖然它們相隔好幾萬光年。
這種鬼魅似的遠距作用，似乎證明兩個粒子可以違背相對論中光速不可超越的限制，通過超光速的秘密通道進行通信。難道粒子不僅拋棄了因果論，還拋棄了整個時空?至今沒有人能夠回答。這不禁使我們想起著名理論物理學家費曼的一句名言：「我確信沒有人能懂得量子力學。」
兩個水火不容的理論
確實，相對論和量子力學展示了與我們日常經驗完全不同的世界，使我們又驚訝又不好理解。相對論是關於高速世界和宏觀世界物質運動的理論，而量子力學則是關於微觀世界物質運動的理論。
相對論不允許超光速存在，也不允許因果關係顛倒過來；而量子力學不僅顛覆了因果決定論，而且還允許超光速的量子糾纏現象存在，所以這兩個理論在本質上是互不相容的。
難道在同一個宇宙中，宏觀世界和微觀世界是相互分裂的?同一個宇宙竟然左手彈著和諧的因果節奏，右手卻彈出毫無章法的曲調?物理學家們對這種結果不甘心，一個很自然的想法是，把它們「聯合起來」！事實上，後來的物理學家也就是這麼做的。他們把狹義相對論和量子力學「撮合」到一起，建立了相對論量子力學。
可是，當物理學家試圖讓量子力學和廣義相對論「聯姻」的時候，卻遭遇了重大挫折。在微觀世界，不僅物質運動，甚至時空本身也存在著量子漲落。在廣義相對論看來是光滑的時空，拿到量子力學的「顯微鏡」下一看，原來時空布滿了「噼里啪啦冒泡」的「量子泡沫」，這是讓廣義相對論措手不及的。因此在宏觀上描述時空性質很成功的廣義相對論，要對付這種冒泡的時空，可就無能為力了。
可是要描述量子的時空和引力，必須把廣義相對論和量子力學結合起來才行，這是物理學上最大的挑戰之一。雖然目前有些理論已經開始試圖解決這一難題，但並沒有從根本上解決廣義相對論和量子力學在因果關係問題上的不協調。
從失敗中，人們開始意識到，相對論和量子力學事實上在思想上是根本對立的。不涉及原則時能彼此合作，一旦涉及原則，就變得水火不相容了。許多物理學家認為，也許要再來一場物理學上的革命才能解決這個問題。
英國天文學家詹姆斯稱「地球是活著的」，其「蓋亞末日」理論震驚學術界
「瘋狂科學家」宣判地球死刑
2009年對於90歲高齡的詹姆斯·洛夫洛克來說是夠忙的。這位「蓋亞理論」的提出者、曾被人稱為「瘋狂科學家」的英國天文學家最近出版新作《消失的蓋亞：最終警告》，他把矛頭指向政府間氣候變化專門委員會(IPCC)，言論也越來越悲觀。《自然》雜誌稱讀這本書
「就好像聽到了BBC宣布世界末日到來一樣」。此外，洛夫洛克在接受《自然》雜誌採訪時表示，他要今年晚些時候成為一名「太空人」，用自己親臨太空的形式告誡我們如果再不採取行動，人類將面臨突然的災難，屆時惟一的自救方式只能是離開地球家園。
「蓋亞」是大地之神，她已從「美麗女神」變成了「復仇女神」
一直以來，洛夫洛克都是媒體關注的焦點。這次他發表的觀點驚人的悲觀，充滿了末日到來的震撼，連新書的副標題都題為「最後的警告」。
最初的「蓋亞理論」很容易讓讀者誤以為蓋亞是一個積極的地球整體，它能夠自我調節，維護平衡，為地球上的有機體提供適宜的生命條件。洛夫洛克在後期發表的作品中轉換了情緒：現在的蓋亞女神蒼老、報復心強，似乎隨時都會爆發她的憤怒，讓人類舔嘗自己貪婪的代價。新書獲得了極高的評價。
洛夫洛克畢業於哈佛大學。從上世紀60年代開始，他以氣象學家的身份開始研究地球。他發現，從大氣化學的角度來看，地球極其不穩定。但它卻依然存在了幾十億年。因此，地球自身肯定擁有某種力量來維持穩定，就像一個生命有自我凋節的功能一樣。洛夫洛克把這種能夠進行自我調節的有機系統叫做「蓋亞」。在古希臘神話中，蓋亞是大地之神，又叫做「母神」或「大神」，顯赫而德高望重。她是世界的開始，所有的天神都是她的後代。宙斯是她的孫子。事實上，西方人一直到現在還經常用「蓋亞」來代稱地球。
洛夫洛克假設，地球是一個複雜精緻的超級有機體「蓋亞」，它的大氣圈、岩石圈、低溫層、水圈等各個組織都在積極互動，將地球的氣候和生物、地理、化學條件維持在最佳狀態。後來，洛夫洛克和他的支持者們將這一假設上升到理論的高度。他們認為這一假設已經在事實上被證明了。
在很長一段時間內，「蓋亞」假設在科學界內部並沒被完全接受，洛夫洛克甚至或為被奚落的對象。洛夫洛克認為，地球自身有著反制回饋的機能，能夠將有害因素去掉。他著名的言論就是：「地球是活著的!」這一假設挑戰了古典科學觀，不少他的同僚批評他的論點不科學，認為他的論斷過於主觀，沒有足夠的證據證明地球也是—個生命。因此，在很長一段時間內，「偽科學」、「不科學」、「瘋狂科學家」等頭銜套在了他頭上。
地球目前是「可持續後退」。難道真理掌握少數人手中
隨著時間的推進，以及氣候變化成為全球最熱的話題，科學家們也越來越發現金球各個圈層的複雜性和互相作用，「蓋亞假說」正在逐步地被接受。1997年，洛夫洛克獲得了號稱環保界「諾貝爾獎」的「藍行星」獎。然而，洛夫洛克還是沒有進入主流科學界。他的語出驚人一次次地在科學界引起軒然大波——尤其是在氣候變化領域。他將「大氣變暖」叫做「大氣加熱」，堅信惟一能阻止「大氣加熱」的方式只有核能。他在《蓋亞的復仇》—書中大力提倡核能。他認為，與核能的作用相比，風能、太陽能等其他新能源只是「小兒科」。
在他的書中，還有其他很多驚人言論，比如他認為對於地球上的60多億人而言，「可持續發展」只是一個幻想，他認為更應該提的是「可持續後退」。在洛夫洛克看來，現在大部分研究氣候變化的科學家都沒有抓住重點。他說：「我聽著他們談論地球，就好像是另外一個行星，跟我們一點關係都沒有。他們有人討論冰川融化，有人討論雨林危機，但沒有人將這些放到一個地球的整體環境中來討論。如果你這麼做了，你就會發現那是一個可怕的大危機。」
而在新書《消失的蓋亞》中，洛夫洛克將矛頭指向了IPCC。他說《京都議定書》是一個笑話；說歐洲的碳交易是一個騙局，只會增加企業利潤卻無助於減排；說給一個世紀設置氣候變化的模式毫無作用，儘管這個模式推出了氣候變暖的漸變過程，但真實的氣候系統複雜多變，大地、海洋、大氣相互關聯，沒法用簡單的模式概括出來。洛夫洛克認為，氣候會進入一個全新的熱系統中，一旦那天到來，任何行為都是為時已晚。
洛夫洛克認為災難在某天會突然降臨，導致地球大部分人口的死亡以及大規模星移民。他堅信，蓋亞和人類社會都會面臨崩潰。
現在，越來越多的人將這名90歲老人稱為「綠色英雄」。他的書一次次地引起人們的注意。洛夫洛克的言論越來越悲觀，但一直未受到主流科學界的重視。也許真會有一天，大家會發現他是對的?
（《新京報》7．31） 《特區文摘》2009.08.14～20.746.08版
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蓋亞機制
庫珀·米爾實驗室的詹姆斯·洛夫洛克提出一種觀點：認為生命總是力圖調節自己的局部環境，建立起一個反饋機制來維持地球的可居住性。
他的假說認為行星是一個巨大的生命體，可稱之為「蓋婭」（希臘神話中的大地女神）。這個概念把地球看作是一個半有機化、半自動化調節的系統，維持所需要的足量氧氣好植物需要足量的二氧化碳。蓋婭機制通過控制溫室效應，調節生命必需物質——氧氣、水、土、岩石的再循環，來保持海洋和大氣層的適度溫度。然而，這個機制並不完善，因為地球仍然處於溫和期和冰川期的交替變化中。
一個偶然之間的偉大發現
一個偶然之間的發現，道理說清楚了又很簡單，卻讓發現者獲得了諾貝爾物理學獎。他是怎麼發現的？為什麼這項發現意義如此重大？
在射擊場上，一名新兵瞄準靶心扣動了扳機，「嘭」的一聲，子彈飛離槍管。「又打偏了！」他罵了一聲，站了起來。這時教練官走過來，問他：「你剛才用肩膀頂住槍託了沒有？」新兵紅著臉說：「沒有。」教練官於是訓斥他：「怕傷了皮肉，是不是？我不是告訴過你，射擊的時候一定要用肩膀死死頂住槍托，要不然子彈發出去時會對槍托造成一個反衝，這個反衝作用同時又會對子彈的飛行造成影響的，這樣一來子彈還怎能瞄得准呢？」新兵照著教練官的話再試了一次。這一次終於射中了。
原子核的共振吸收現象
有意思的是，看似這麼簡單的一個道理，在微觀物理學領域，差不多有30年時間竟然沒有一個物理學家能想的到。而第一個在微觀領域注意到這一現象的人，後來獲得了諾貝爾物理學獎。那麼他是怎麼發現的？為什麼這個發現意義如此重大？為了說清這一點，讓我們先來了解—下微觀物理學的一些基本知識。
我們知道，原子是由原子核和核外電子構成的。電子在核外有許多軌道，這些軌道對應著不同的能量。當電子處於能量最低的軌道時，整個原子的能量也最低，我們稱此時的原子處於「基態」。而把其它能量較高的狀態稱為「激發態」。激發態與基態的差值叫「激發能」。對於一個原子，基態只有一個，而激發態可以有很多個。原子的激發態一般是不穩定的，核外電子總是設法釋放出能量（發射出x射線）回到穩定的基態。釋放的能量就是該激發態的激發能。
打個比方，我們都知道石頭在山坡上是不穩定，一有風吹草動就要滾到山谷去。假如把山谷看作「基態」，山坡上看作「激發態」，那麼山坡到山谷的勢能差就可以看作是「激發能」了。石頭在山坡的高度越高，「激發能」也就越大。
現在讓我們撇開電子單獨談原子核。原子核是由質子和中子構成的。對於它們，雖然已經不能像原子中的電子繞著原子核跑一樣來想像，但基態和激發態的概念對於原子核依然適用。也就是說，一個原子核也有一個最低能量的基態和許多個能量較高的激發態。而且，激發態也是不穩定的，處於激發態的原子核想方設法釋放能量回到穩定的基態。不過，此情況下它釋放的不是X射線，而是能量更高的γ射線。釋放的γ光子能量也等於該激發態的激發能。
那麼假如反過來，外界有一束γ射線照射在處於基態的原子核上，又會怎樣呢？原子核是不是就無條件地吸收這些γ射線，都「跳」到激發態去了？不，事情並不那麼簡單。我們知道，微觀世界跟宏觀世界的一個重要區別就是：在微觀世界裡，能量是不連續的，而是一份一份的。這就好比說，在宏觀世界，能量就像水流一樣，可是到了微觀世界，能量卻像一陣子連發彈。這種現象叫能量的「量子化」。在現在這種情況下，能量量子化的表現是：只有當γ射線的能量剛好等於原子核的某一個激發能時，γ射線才會被原子核吸收，否則就被「拒之門外」。這有點類似城市裡投幣式的公交車，就算你帶了很多錢，但假如身上沒帶買票所需的1元硬幣，你也一樣上不了車。
當照射的γ射線的能量剛好等於原子核的某一個激發能時，那些處於基態的原子核就強烈吸收這些γ射線，「跳到」激發態去，我們就稱這種現象為「共振吸收」。因為此時γ射線的頻率剛好等於原子核激發所需的頻率（能量直接跟頻率有關），因此發生了共振。這就好比跳繩，一個人如果能合上繩的拍子，她就能持續跳下去；假如合不上拍子，那麼她恐怕連鑽都鑽不進去。
實現共振吸收遇到的困難
那麼，讓我們再進一步想：當一個原子核A由激發態回到基態，發出一個γ光子，這個光子假如再遇到另一個處於基態的原子核B，是否能夠被共振吸收，使原子核B從基態又「跳」到激發態？理論上說這是沒問題的，但是實際情況卻遠非這麼簡單。
原因其實很簡單，就是我們在文章一開頭提到的反衝作用在作怪。比方說，當處於激發態的原子核A發射一個γ光子時，就像槍打出一顆子彈一樣，這個原子核受到Y光子的反衝作用而向後退。這個反衝讓原子核A帶走了，部分能量，這樣一來，發射出的Y光子，實際上能量要小於原來激發原子核A時的能量。假如再拿這個γ光子去照射另一個處於基態的原子核B，由於能量不夠，就沒法使B原子核「跳」到激發態去了，也就是說不能使原子核B發生共振吸收。
那麼，假如事先提高入射的γ射線能量，使它的能量一部分用來抵消原子核反衝帶走的能量，餘下的剛好等於激發能，這樣一來不是一樣能實現原子核的共振吸收嗎？你也許會說。
的確，假如我們只想讓一兩個原子核發生共振吸收，那麼這不失為一個好辦法。但是一兩個原子核的共振吸收根本不能提供我們一些有用的信息，只有大量原子核發生共振吸收才可以。可是原子核一多，γ射線射向每一個原子核的角度就會有所不同，原子核反衝所帶走的能量也不同，這樣一來，為了讓儘可能多的原子核發生共振吸收。應該把γ射線的能量一開始設定為多少好呢？一個預先設置的γ射線能量迎合了一些原子核共振的「胃口」，但另一些原子核又完全不「買它的賬」了，所以在此情況下顧此失彼，是行不通的。
實現原子核大規模的共振吸收，是許多物理學家的夢想，因為通過此種方法可以「窺視」原子核內部更細微的結構，但30多年來這個夢想一直沒法實現。直到有一天，一位年輕的物理學家偶然間發現了一條克服這一困難的「妙計」。
偶然之間的偉大發現
1957年底，年僅28歲的德國物理學家路德維希·穆斯堡爾在做原子核共振吸收的實驗時，為了減少原子核熱運動對實驗的影響，他特意把樣品的原子核事先注入到透明的晶體中。他用一束特定能量的γ射線照射這些原子核。照他的預想，因為反衝的干擾，所以這些原子核不會發生共振吸收。但實驗中卻發現很多γ射線已經被晶體里樣品的原子核吸收了。
那麼，這是否就是物理學家們夢寐以求的共振吸收現象呢？一般來說，發生共振吸收時，γ射線的吸收是最強烈。又因為共振吸收對γ射線能量特別敏感，只有當γ射線的能量剛好能激發原子核時才會發生。所以只要對γ射線的能量做個「微調」，比較一下不同能量的γ射線吸收的效果就可以了。
那麼又如何對γ射線的能量做「微調」呢？這時，穆斯堡爾想到了一個巧妙的辦法。他到玩具店訂購了一個轉盤。他把γ射線的放射源塗到這個轉盤的邊緣，再把它裝在能夠屏蔽γ射線的一個密閉容器里，只留下一個小孔道讓γ射線射到裝有樣品的晶體上。當轉盤轉起來時，放射源也跟著運動起來。當放射源運動的時候，由於多普勒效應，它發出的γ射線能量有個微小的變化，而變化的大小又可以通過調整轉盤轉速來控制。這樣，他就能夠輕而易舉地微調γ光子的能量了。
穆斯堡爾發現，只有當轉盤靜止不動的時候，γ射線的吸收才最強烈：當轉盤轉動起來，發出的γ射線能量有了微小的改變，吸收就變得微弱了。由此可見，只有在放射源靜止時發出的γ光子能量才與樣品中原子核的激發能嚴格匹配。換句話說，此時的吸收正是共振吸收。
但是，前面不是說由於存在原子核的反衝，要實現共振吸收是很困難的么，現在怎麼輕而易舉就發生了？正是對這一點，穆斯堡爾一時百思不得其解。
可貴的是，穆斯堡爾並沒有把這個反常現象忽略過去。之後，他一方面繼續進行實驗和觀察，一方面從理論上進行探討。有一天，他突然意識到：會不會由於晶體晶格的牢牢束縛，原子核在吸收γ光子時就不再有反衝了？譬如一條船凍結在河裡，人不論跳上船還是從船上跳下，船都不會發生反衝一樣？沒有了反衝，共振吸收當然就容易發生了。
穆斯堡爾趕快把自己的實驗結果和結論寫成論文。不過那時他並沒有意識到這項發現的重要意義，所以論文寫成後只是投給了當時沒什麼人閱讀的德文《自然科學》雜誌。沒想到他的論文很快引起了極大的反響。各國科學家紛紛對此展開研究，並把這項技術應用於各個領域。後來，人們還用「穆斯堡爾效應」來命名這一現象。1961年，為了表彰穆斯堡爾的貢獻，瑞典皇家科學院決定把該年度的諾貝爾物理學獎授予他。那一年，他才32歲。
洞幽燭微的探測技術
穆斯堡爾效應從原理上說，其實很簡單，它之所以能得諾貝爾獎，主要是它的用途實在太大。有了它，一些需要高精度的實驗也可以開展了，因此穆斯堡爾效應可以稱得上是一項洞幽燭微的探測技術。
廣義相對論曾預言，光子從星球表面傳播到太空，頻率會逐漸降低，在光譜中將朝著紅的一端移動。但是這個變化實在太微弱了，假如在地球表面和上空
在微觀物理學領域，人們用穆斯堡爾效應來探測原子核的精細結構和驗證微觀物理學的一些基本規律。比如，穆斯堡爾效應發現之後不久，美國華裔科學家吳健雄就用它證實了在弱核力作用中一項守恆定律的有效性。
此外，穆斯堡爾效應在化學、生物、地質、冶金等各個領域都有廣泛的應用，如今已經形成了一門重要的邊緣科學——穆斯堡爾譜學。一個偶然的發現會在這麼長時間裡應用於如此多的領域，這恐怕是穆斯堡爾本人也沒預料到的。（吳越《科學之謎》2009.10）
小貼示
多普勒效應：
多普勒效應最初是由奧地利物理學家多普勒提出來的。他在理論上證明，當波源移向觀察者時，觀察者接收到的頻率將變高，而波源遠離觀察者時，接收到的頻率將變低。波源的速度越高，所產生的效應越大。對於光波，頻率變化也就意味著能量變化。
所有波動現象（包括光波）都存在多普勒效應。一個常見的例子是火車的汽笛聲，當火車接近觀察者時，其汽鳴聲會比平常更刺耳，因為頻率變大了；而火車離去時，聲音變得低沉了，因為此時頻率變小了。
粒子的「穿牆術」
吳越
《聊齋志異》里講過這麼一個故事：有個姓王的年輕人，到嶗山求仙，師傅傳授他一穿牆術，能毫無阻擋地穿越牆壁。師傅告誡他，穿牆前可不能有私心雜念，否則要失靈的。這位年輕人唯唯稱是，可回去後就把師傅的告誡忘在了一邊，向妻子吹噓起來。妻子不信，叫他試試。他便在離牆幾尺遠處，猛地—下往牆上沖，結果一頭撞到牆上，額頭起了一個大包，在妻子面前出了洋相。
的確，在我們的經驗世界裡，穿牆術是不可能的，此類事情只能出現在傳說故事中。但是，在微觀的量子世界裡，粒子的「穿牆術」不僅稀鬆平常，而且物理學家已經利用它來做了許多有益的事情。
粒子穿牆的秘訣
當然了，有一點需要一開始就澄清一下：對於粒子來說，它穿的「牆」一般來說不是實物的牆，而是由電荷排斥力、核力等作用力形成的無形的能量「牆」。比方說，一個粒子要克服電荷排斥力進入原子核內，至少需要10兆電子伏特的能量，而這個粒子的動能卻只有6兆電子伏特，那麼對它來說就好比有一堵無形的能量「牆」把它擋在了原子核外。
假如一個人被一座大山擋住了，他又沒有力氣爬到山頂翻越過去，那他就只能老老實實在山的一邊呆著了，這是我們的日常經驗。不過對於微觀粒子來說，遇到了能量的「高山」或者「牆」，它可不會束手待斃，相反，它會鬼使神差般地出現在「山」或者「牆」的另一頭。這在量子物理學中叫「隧道效應」，形象地說，彷彿「山」底下有個隧道讓粒子鑽了過去。
要解釋這一現象牽涉到物理學中描述微觀粒子運動的最重要的理論一一量子力學。在量子力學中，微觀粒子都具有波粒二象性，說通俗一點就是既是粒子，又是波。作為粒子我們好理解，但是作為波，就不好理解了，因為這種波不同於我們通常所說的聲波、電磁波，它有一些奇怪的特性。一方面，它具有我們通常所說的波的反射、透射（或者說折射）、衍射等全部特點；可是另一方面，它和我們日常生活中的波又不一樣，它表示粒子在空間某一點的可能性有多大，就像某一時刻一個人在家、在辦公室，或者在商場、電影院、體育場的概率有多大一樣，因此這種波又叫「概率波」。當一個粒子遇到能量形成的障礙、它的粒子性對此束手無策時，就顯出波動性的一面來（粒子彷彿是一個高明的對手，硬碰硬不行，就來軟的），於是就產生了波的反射、透射。可能大部分波被「能量山」擋住了，反射了回來；但還是有小部分被透射過去，跑到「山」的另一頭去了。這也就是說，粒子總有一定的概率通過隧道效應穿「牆」而過。
這個「能量牆」越薄，粒子穿牆而過的概率就越大。即使這個「能量牆」無窮高（當然這只是一種理論上的假設），經典物理學認為已經把所有粒子都擋在外面了，但在量子物理學上，粒子依然有一定的概率穿過去。而對於宏觀物體，比如前面《聊齋志異》中提到的姓王的年輕人對著—尺厚的牆，從理論上說，他穿過去的概率也依然存在。不過這個概率實在太微小了，有科學家計算了—下，大概在整個宇宙137億年的年齡里才可能發生一次。這麼看來，隧道效應只有在微觀世界裡才顯著。
這樣，量子力學就解釋了粒子穿牆的秘訣。粒子的隧道效應可以用來解釋許多物理現象。比如說α粒子的衰變等。
α粒子的穿牆術
我們知道，原子核是由質子和中子組成的，質子和中子是通過核力結合在一起的。核力是所有作用力中最強的吸引力，它就像一座高高的「能量牆」，把質子和中子囚禁在原子核內。所以按經典理論，不論原子核內的粒子跑到外面去，還是外面的粒子跑進來，都必須能量高到足以克服這座「能量牆」才行。但是早在上世紀初，科學家就發現，有些原子核會自動釋放出α粒子，自身衰變成別的原子核。這些α粒子能量並不高，根本不足以克服核力築成的能量「高牆」，那麼這些α粒子是靠什麼本領「越獄」的呢？
俄裔美國物理學家伽莫夫（你總記得這個名字吧？就是那位提出宇宙大爆炸理論的物理學家）對此給出了一個滿意的解釋：α粒子是通過量子隧道效應跑出原子核的。雖然α粒子自身的能量並不高，但因為量子隧道效應的存在，它總有一定的概率跑到原子核外，這就引起了α衰變。這個解釋後來被實驗所證實。
穿牆術和掃描隧道顯微鏡
假如兩片金屬不貼在一起的話，一塊金屬中的電子是難以跑到另一塊金屬上的，因為電子跑出金屬時，會受到金屬表面正電荷的強烈吸引作用，無法自由活動，這實際上也等於形成了一個無形的「屏障」。按照經典物理學，電子只有獲得足夠高的能量才能突破這個「屏障」跑到另一塊金屬上。可是按照量子的隧道效應，即使電子的能量沒那麼高，它也有一定的概率突破這一「屏障」，從而產生隧道電流。
這個電流非常敏感，一定的電壓下，電流隨兩塊金屬之間的距離的增加而急劇減小。即使間距只改變大約一個原子的尺寸大小，電流也會改變數十倍或者數百倍。
於是科學家就想：如果把兩片金屬中的一片換成一根極其尖銳的探針，那麼，在探針和金屬片之間也會產生隧道電流。只要移動針尖，讓它在金屬片上方逐點掃描，由於金屬片表面凹凸不平，導致探針和金屬片表面之間的距離時大時小，進而引起隧道電流急劇地變化。這樣一來，隧道電流的變化也就反映了金屬片表面凹凸不平的變化。這豈不相當於一架精度非常高的顯微鏡？
掃描隧道顯微鏡就是根據這一原理製造出來的，它可以觀察單個原子、分子，並可對物體表面進行加工，精細到幾個納米的程度。例如。美國IBM公司的科學家通過掃描隧道顯微鏡實時監控，在銅表面上把48個鐵原子排列成一個圓環狀，鐵原子之間的距離只有0.9納米。
粒子的「穿牆術」是微觀世界區別於我們所在的宏觀世界的重要現象之一。它給我們帶來許多技術上的奇蹟，但有時候也給我們造成不便。比如，現在計算機的元件越做越小了，但卻不能無限小下去。一個原因就是當元件小到一定程度時，電子會不打招呼就穿過絕緣層，造成致命的短路。為了研製體積更小、功能更強大的計算機，科學家將不得不去尋找更好的方法和材料。
如何理解波粒二象性
杜仲
微觀粒子的波粒二象性是憑我們的日常經驗很不容易理解的一種現象。光子怎麼既是一種粒子，又是一種波呢？這太難理解了。說實話，這個問題不僅讓一般的讀者頭疼，即使請教專門研究粒子的科學家，他們也未必能說得清楚。所以，當有讀者來信要我們談談對波粒二象性的理解時，我實在感到很為難。我所能做的恐怕只有一件事了，那就是領著讀者把物理學家如何提出波粒二象性這一概念的歷史簡單回顧一遍。
這種回顧雖然不能從根本上解決讀者的疑問，但也許多少會讓他心安。這就好比說我做了一道菜，有位客人剛嘗了一口就皺著眉頭說：「這味兒真怪！」彷彿我加了外星人的佐料。我沒法解釋為什麼，只好把他領進廚房，把菜譜攤開，當著他的面把這道菜再做一遍，讓他知道我用的都是很普通的佐料，那麼，即使他不願再吃我的那道菜，至少也會給個公正的評價：我既沒偷懶，也沒畫蛇添足，所以難吃怪不得我。
波動說走上歷史舞台
波粒二象性最初是從光身上發現的，所以讓我們從對光的本質的認識談起。
人類對光的認識最早可以追溯到我國的戰國時期，那時墨子做了世界上最早的「小孔成像」實驗，首次提出了光沿直線傳播的科學解釋，並用此原理解釋了物體和投影的關係。
此後的一千多年裡，人們陸續發現了光的反射、折射現象，但對光的本質的思考，卻延至17世紀才開始。1655年，義大利數學家格里馬第在實驗中讓一束光穿過兩個小孔後照到暗室里的屏幕上，他發現在兩小光斑的邊緣有一種明暗相間的條紋，這讓他聯想起了水波的干涉，於是格里馬第提出：光可能是一種類似水波的波動，這就是最早的光的波動說。
微粒說佔了上風
到了18世紀，科學史上的一位巨人——牛頓也開始對光的本質問題發生興趣。牛頓篤信原子論，認為世間萬物都是由原子構成的，光也不例外，所以他提出，光是由微粒構成的。
用光的微粒說很容易解釋反射、小孔成像等現象，解釋折射雖然麻煩點，但也勉強過得去。但是為什麼兩束光彼此交叉卻互不影響呢？假如光是粒子，那麼兩束光相交，彼此應該相撞才是，怎麼能相安無事呢？這可沒法用微粒說來解釋。
與牛頓同時代的另一位科學家惠更斯則認為光是一種波，他發展和完善了光的波動說。用惠更斯的波動說很容易解釋光的反射、折射以及交叉傳播互不干擾等現象，但惠更斯當時把光看成是像聲波一樣的縱波，所以另有一些現象比如光的偏振（因為偏振是橫波特有的一種現象），是他無法解釋的。
這樣看來，光的微粒說和波動說當時各有缺陷，但因牛頓在學術界的巨大威望，微粒說一直佔據著主導地位。
波動說反敗為勝
到了19世紀，英國物理學家托馬斯·楊開始對牛頓的光學理論產生懷疑。楊氏做了一個著名的雙縫實驗，觀察到了明暗相間的條紋，這種現象稱為光的干涉。干涉現象是波所特有的，微粒說無法解釋。
此外，人們還發現了光的衍射現象：假如你用一塊紙板擋住一束光，紙板上只留一個小孔，那麼紙板後面會留下一個光斑；孔開得越小，光斑也越小。那麼，孔開得非常非常小的時候，光斑是不是也變得非常非常小了呢？不是的。當孔小到一定程度，後面的光斑反而變大了，而且出現明暗相問的圖案。這就是光的衍射現象。光的衍射也是只能用波動說才能解釋的一種現象。
托馬斯·楊還進一步修正了惠更斯的波動說，提出光波是一種橫波，而不是縱波，這樣就能解釋光的偏振和其他種種曾經困擾波動說的現象了。這一來，微粒說開始轉向劣勢。
給微粒說致命一擊的是英國物理學家麥克斯韋，他提出光其實是一種電磁波。他的說法後來被德國物理學家赫茲所證實。到了這個時候，光的微粒說基本上已經沒有市場。
但是光的波動說也並非無懈可擊。19世紀末，科學家發現某些金屬在光的照射下會釋放出電子，這一現象被稱為光電效應。光電效應讓人困惑之處在於：當光的頻率大於某個值時，入射光哪怕十分微弱也可以瞬間產生電子；當光的頻率小於某個值時，入射光再強、照射時間再長，也無法產生電子。這一點用光的波動說是無法解釋的。因為按波動理論，任何頻率的入射光，只要照射時間足夠長，金屬中的電子積累了足夠的能量，總可以飛出金屬表面。
光的雙重身份
對光電效應的正確解釋是愛因斯坦給出的。此前，德國物理學家普朗克已經提出量子假說。這個假說認為，物質輻射或吸收的能量只能是某一最小能量單位的整數倍，這就好比說，你買雞蛋的時候，只能買整數個，不能買半個；這個最小的能量單位叫普朗克常數，是一個固定的數值。
愛因斯坦提出，我們也應該把光的能量看成是一份一份的，每一份能量可以看成是一個光子，每份光子的能量是普朗克常數與頻率的乘積。至於光照強度，只是光子的數量多少而已。
對於金屬中的電子，它要想跑出金屬表面，需要克服金屬的吸引力，這個數值是固定的。金屬中的電子一次只能與一個光子作用，當光子的頻率（也就是光子的能量）小於某個數值時，它不足以把電子打出金屬表面，那麼即使光照時間再長，強度再大也一樣不起作用。這就好比你開槍朝一塊鐵皮射擊，一顆子彈就可以擊穿鐵皮，因為這時子彈的動能很大；但如果不用槍，而是你拿大把的子彈用手擲過去，你用的子彈再多，擲的時間再長，也依然一粒都擊穿不了，因為這時每粒子彈的動能都太小了。
這麼一來，光的微粒說在某種程度上又復活了。但單憑微粒說畢竟無法解釋光的干涉、衍射等現象，所以物理學家不得不接受這樣一個尷尬的事實：光具有雙重身份，既是粒子又是波，有時表現為粒子，有時又表現為波。
一切物體皆具有波和粒子的雙重身份
你也許會說，那麼這樣理解可不可以：波動性是光的集體行為，粒子性是光的個體行為？這就好比一串珠，每一個珠代表一個光子，當整串珠振動起來的時候就表現出波動性？這個想法很直觀，可惜科學上證明是錯誤的。
物理學家做過這麼一個實驗：用一架每次只能發射一個光子的儀器向一個顯示屏發射光子，中途光子要經過兩條並排的、很細的狹縫。在實驗中控制好，只有等一個光子到達顯示屏後，才發射下一個光子。起初，顯示屏上出現一個亮點，表示有一個光子已經打在顯示屏上了。隨著實驗的進行，這些點越積越多，最後竟然出現了明暗相問的干涉條紋！
如果光的波動性是光子的集體行為，那麼光的干涉現象是容易理解的。我們可以說，之所以產生干涉，是因為許多光波相互疊加，它們的波峰或者波谷彼此相消或者相長，所以出現了明暗相間的條紋。但是現在，每次只有一個光子通過狹縫，周圍沒有別的光子與它作用，怎麼也會出現干涉條紋呢？由此，科學家不得不承認，單個的光子也有波動的特性。
事實上科學家後來發現，不僅光子，其它的實物粒子，比如電子、原子甚至分子，也表現出波動的特徵。比如，在上面那個實驗中，把光子換成電子甚至大分子碳60，在顯示屏上也一樣產生干涉條紋。推而廣之，宇宙間萬物，小至基本粒子，大至天體都具有波粒二象性，只是宏觀物體的波動性很不明顯、不易觀察而已。
如何理解波粒二象性？
我們平常所說的水波是大量水分子做上下振動產生的，可是現在人們發現，單個的光子、電子就具有波動的特性，這如何理解？
說到這裡，你可別皺眉頭，我們又要不得不涉及深奧的量子理論了。
在中學物理課上，如果你面對一個波形圖，老師會告訴你，這個波形橫坐標x軸代表的是空間位置，縱坐標代表波的振動幅度。在波峰或波谷處，振動幅度最大，在x軸與波相交的位置，振動幅度則為零。
可是如果是一張粒子的波形圖，量子物理學家卻會告訴你完全不同的內容。沒錯，橫坐標還是代表空間位置，但縱坐標代表的卻是在該位置出現這個粒子的概率！比如說，在波峰或波谷處，出現這個粒子的概率最大，而在x軸與波相交的點上，出現這個粒子的概率為零。這就是說，我們應該把單個粒子的波理解成一種「概率波」，它告訴我們這個粒子出現在空問某處的概率！
你也許會說，既然量子物理學家所說的「波」與我們通常理解的波不一樣，幹嘛他們還要用「波」的名字以至於把我們搞糊塗呢？這是因為這種「波」雖然十分特別，卻依然保留有普通波在空間中瀰漫以及幾列波可以相互疊加的特性。
除非遇到障礙，波總是傾向於充滿整個空間，這一點是容易理解的。你在池塘里用手輕輕點—下水面，水波就蕩漾開去，過一會兒傳遍整個池塘。至於波的疊加，你也不會陌生。當兩列水波相遇的時候，在波峰對波峰，或者波谷對波谷的地方，水面就上升或者下凹得更厲害了；而在波峰對波谷的地方，水面突然變得平靜了。事實上，波的干涉正是波的疊加特性引起的。
有了這點知識，現在讓我們回頭看看物理學家是如何解釋上述單光子雙縫干涉實驗的吧。
當一個光子發射出去後，因為其波動性，光子的波就朝整個空間瀰漫開了。光子好像具有分身術，一部分波穿過一條狹縫，一部分波穿過另一條狹縫，這兩部分波相互干涉。本來，假如是普通的波，干涉的結果引起的是振動幅度發生變化，但現在既然振動幅度代表的是粒子的概率，那就是說，干涉的結果使得顯示屏上不同位置出現光子的概率發生了差異，有的位置出現光子的概率大，有的位置出現光子的概率小。在發射了大量光子後，那些出現光子概率大的區域，接收到的光子多，就比較明亮；那些出現光子概率小的區域，接收到的光子少，就比較暗，於是就形成了明暗相間的圖案。
的確，把粒子的波動性解釋成粒子在空間某處出現的概率，這在我們日常的宏觀世界中完全找不到類似的例子，因此不要說我們普通的讀者，就是物理學家自己也不好解釋，像愛因斯坦這樣的大物理學家就終生反對這種解釋。但是物理學家走到這一步也是迫不得已啊，因為除此之外，他們已經嘗試過許多別的解釋了，都行不通。現在的這種解釋雖然顯得有些古怪，畢竟已經解決了許多問題。至於它是暫時的呢，還是已經一錘定音，再也不會被推翻，這誰都不好說。也許科學自身的發展會解決這個問題的。
關於物理常數
E=mc2
杜仲
大多數物理學定律都是以方程的形式來表述的，在方程的兩邊，除了一些變數，還會出現一些常量。常量既不隨時間變化，也不會因為是在地球上還是在其他宇宙空間而改變，即在整個宇宙中普遍適用，所以又叫普適常數。
物理學上的常數與數學上的常數不同。數學常數可以在理論上推導出來，比如圓周率π，其數值就可以通過高等數學的辦法推出來，你要精確到小數點後面幾位，就可以精確到幾位。而物理學常數卻不能從理論上推出，只能通過實驗測量得到。
常數在物理學上很多，但通常認為只有四個常數是最基本的，它們決定了從微觀粒子到整個宇宙的物質運動性質。這四個常數是：光速c、萬有引力常數G、普朗克常數h和波耳茲曼常數k。限於文章內容，我們只介紹前三個，另外再介紹一個物理學上的重要常數。
物理常數簡介
真空中的光速c是個常數，這是狹義相對論的必然要求。狹義相對論假設，不論我們以什麼樣的速度飛行著去測量真空中的光速，它的數值總是保持不變，這就是光速不變原理。雖然這只是愛因斯坦引進來的一個假設，但既然迄今所有的實驗都證明狹義相對論是正確的，那麼這個假設自然也是對的。現在測得的真空中的光速c約等於30萬千米／秒。
萬有引力常數G是牛頓提出萬有引力定律時引進來的。萬有引力定律指出，在任意兩物體之間都存在著引力，其大小與兩物體質量乘積成正比、與距離平方成反比。比例常數叫萬有引力常數，記為G，其值為6.67428×10
普朗克常數是微觀物理學中的重要常數，它是20世紀初由德國物理學家普朗克提出量子論的時候引進來的。普朗克的量子理論認為，光的能量不是連續的，以一個個叫做光子的小單元作為單位。光子的能量與光的頻率成正比，比例常數就是我們所說的普朗克常數，其值為6.62607×10-34焦耳·秒。
除了這些，其實基本電荷e、電子和質子的質量等常數在物理學中也很基本，我們就不一一介紹了。
以上這些常數後面都跟著單位，就是說要是單位變了，其數值也會跟著改變。比如，要是真空中的光速選厘米／秒為單位，其數值就要乘上100。
既然都是常數，那麼由這些常數通過加、減、乘、除、平方等各種運算之後也依然是常數。通過適當的組合，我們可以讓它們的單位相互約去，最後得到不帶單位的常數。舉個例子，如果拿質子和電子的質量在同一單位制下相除，得到的就是一個不帶單位的常數了。這種不帶單位的常數叫無量綱常數。
有一個無量綱常數在物理學中非常重要，叫精細結構常數α，它就是由以上的基本物理常數通過適當的組合得出來的（α=e2／2ε0hc，ε0為真空中的介電常數），其數值約為1／137.036，或者近似為l／137。這個常數的重要性下面會講到。
一切皆因巧合
有讀者問，為什麼這些常數是這個值，而不是別的值呢？說實話，歷史上許多大物理學家曾經對這個問題撓破頭皮。比如英國物理學家愛丁頓就認為，物理學的最終目的就是尋找描述宇宙的所有常數，並從一個基本的理論中把它們一個個都推導出來。假如真能實現，那自然就能回答上面這個問題了，可惜目前還沒有這樣的理論，物理學家最多只能做一些籠統的猜測。
比如弦論宇宙學認為，最初存在著10500個宇宙，每個宇宙都具有不同的物理性質，也就是說，在這一個宇宙里，用的是這一套物理常數，在另一個宇宙里，用的又是另一套物理常數；後來，這些小宇宙泡泡多數被擠破了，少數倖存了下來，我們的宇宙就是其中的一個。為什麼在我們的宇宙里，一些重要的物理常數，是現在這個數值？這個理論解釋說，那是因為我們剛好處於物理常數設為這些值的一個小宇宙泡泡里，並且這個泡泡在膨脹過程中有幸保存了下來；如果我們生活在另一個宇宙泡泡中，它們就會是別的值，所以一切皆因巧合。這就好比一團肥皂泡，有大有小，如果我們把肥皂泡內的溫度、壓強認定是這些肥皂泡的「基本物理常數」的話，那麼每個肥皂泡的「基本物理常數」都是不同的。它們得到自己的「基本物理常數」純屬偶然。因為在此過程中，那些不慎得到一組不和諧的「基本物理常數」的肥皂泡（比如說壓強太大），早就被擠破了。
著名的美國宇宙學家約翰·惠勒也表達過類似的觀點。他認為，宇宙其實周而復始地在爆炸、膨脹、收縮著，每一次大爆炸產生的宇宙，都採用了與以往不同的物理常數組合。我們現在的這些常數，不過是宇宙歷史上無限多組合中的一組罷了，因此一點都沒有特別之處。
一切皆為了人的存在
還有一種觀點認為，物理學常數之所以是這個值而不是別的值，一切皆為了人的存在，這就是著名的人擇宇宙的觀點。
物理學家早就注意到，我們的宇宙跟精細結構常數的關係特別微妙。只要精細結構常數稍有微小的變化，宇宙間萬物的性質就會完全改變。比方說，假如精細結構常數哪怕變小1％，分子問的化學鍵就會斷裂；而精細結構常數變大一點，情況會更糟，那樣的話原子核都無法存在。還有，如果萬有引力常數是現在這個數值的10倍，那麼所有星體將以比現在快10倍的速度燃燒，太陽將會耗盡其元素，膨脹進入紅巨星時期，早己把地球徹底蒸發了。而萬有引力常數稍稍變小點，所有星體就會變得比現在更冷，就不會發生像超新星那樣的爆炸；可是構成生命的元素（碳、氧等）均是藉助超新星爆炸而產生的，要是超新星不爆發，當然就不會有生命出現了。
我們的宇宙對物理常數如此敏感，只要這些常數稍有變化，宇宙中就不可能誕生我們人類。這不禁讓人想起古代文學家宋玉描寫美人的一段話：「東家之子，增之一分則太長，減之一分則太短；著粉則太白，施朱則太赤……」
可是，既然人類已經在宇宙中產生出來，而且今天你我還在談論物理常數問題，那麼可見我們賴以生存的這個宇宙就非要採用現在的這套數值不可。這套常數彷彿是為了我們的存在量身定做的。
常數也許不「常」
關於物理常數，最讓人吃驚的看法是：這些常數也許不「常」，它們也會隨著時間而變化。
最先提出這個猜想的是大物理學家狄拉克（就是那位最先預言反粒子存在的英國物理學家）。狄拉克對自然界中的一些無量綱常數情有獨鍾。他注意到，在同～距離，質子和電子之間的電荷作用力與它們之間的萬有引力之比，差不多是1039倍；而宇宙現在的年齡與光通過一個原子的時間（原子的直徑除以光速）相比也差不多是1039倍。萬有引力和宇宙的年齡屬於宇宙學尺度的範疇，而電荷作用力和光通過一個原子的時間屬於微觀物理學的範疇。所以狄拉克認為，以上兩個數值屬於同一量級絕不是巧合，而是因為宇宙學尺度和微觀尺度之間存在著目前尚未發現的某種聯繫。這就是著名的狄拉克大數猜想。
後一個比值因為與宇宙的年齡有關，而宇宙的年齡是隨著時間的推移在逐漸增大的，所以這個比值也會隨時間在增大。為了確保兩個比值相等，那麼前一個比值，即萬有引力與電荷作用力的比值也將不會是常數，而是隨著時間增大。狄拉克猜測，正是這個比值里的萬有引力常數G在隨時間增大。
還有科學家通過對類星體（據認為可能是宇宙中最遙遠的星系的中心）的光譜分析表明，精細結構常數可能正隨時間變化。因為精細結構常數是由一些基本物理常數通過適當組合得到的（α=e2／2ε0hc），如果是這樣，那麼至少有一個基本物理常數也在隨時間變化，不是電子的電量，就是普朗克常數或光速。科學家目前推測變化的可能是光速。不過這個變化極其微小，在過去100億年里，它大約只改變了百萬分之七。這麼小的變化還不足以影響相對論在星系尺度上的應用。但是涉及像探測遙遠天體發出的引力波這樣一些特別敏感的實驗時，這種影響就不能忽略了。
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