我们的宇宙是一件天工神作的艺术品吗?为了探究这一问题,诺贝尔奖获得者维尔切克带领读者踏上了人类2500年探索美的征途,沿途让我们领略了物理、艺术和哲学的锦绣风光。作者从毕达哥拉斯的万物皆数开始,历数人类在认识自然过程中所产生的美丽思考:从开普勒的行星模型,到牛顿的力学,再到麦克斯韦的电磁方程、爱因斯坦的相对论和原子运动的量子美。他指出,有些思考即使错的,但其中蕴含的美仍然会具有强大的生命力。
比如,毕达哥拉斯万物皆数的观点从现代科学角度看显然不正确,但将整数和物理现象联系起来这个想法却生存下来,在现代量子力学中得到了完美体现。《美丽之问》这本书通过量子论和标准模型具体呈现了科学之美,建立在对称性上的标准模型昭示着基础物理已经非常接近毕达哥拉斯和柏拉图的圣殿:物理现实和数学理想之间的完美对应。作者也指出了它的缺陷,从而将读者引向更激动人心的暗物质和暗能量。
每个人都应该对现代科学感兴趣。
充满好奇心的年轻人,即使立志于深度学习,也应该先试试水让自己和科学想法成为好友,然后再慢慢深入细节。阿尔伯特·爱因斯坦在孩提时代读过阿龙·伯恩斯坦的《大众自然科学》,他晚年时曾描述这对他的成长是如何重要。现代科学中充满了应用广泛、出人意料和神奇美丽的想法。任何人,从孩子到退休老人,从艺术家到工人,都能通过了解和思考这些想法来丰富自己的生活和扩展自己的思想。
你不一定要掌握复杂的数学计算,或学习操作复杂的仪器,你依然能受益匪浅。即使不知道所有的细节,你仍然能理解更能享受很多科学知识。现代科学之父,伊萨克·牛顿深谙此道,留下了下面这段美丽的文字:我不知道世界是怎样看我的。但对我自己来说,我只是海边玩耍的一个男孩,时不时会发现一枚更光滑或更漂亮的贝壳,对面前那浩瀚的真理的海洋我完全是无知的。
牛顿说的这种在探索和玩耍中获得的喜悦是我们每个人在孩提时代都经历和体会过的。进一步培养和发掘这种喜悦,我们便能丰富对世界的了解、升华自己人生、让欢乐和自己常伴。我们会因此在精神上永远年轻。
作为一个例子,让我们看一下,关于颜色现代科学告诉了我们什么。对于大多数人,颜色会让他体验到的世界变得生动而绚丽。当人们化妆、挑选衣服、驻足于艺术品前时,他们是在欣赏颜色是如何让世界变得更加美丽的。
不用绞尽脑汁地思考,你就可以欣赏颜色并获得快乐。但是如果我们有好奇心,不想浮游一生,我们便会开始问问题。颜色究竟是什么?它仅仅是自然随意赐予世界的一种美妙的装饰?还是背后有更精彩的故事?对于这样的基本问题,现代科学的答案常常出人意料。我们发现我们其实生活在一种类似液体的媒介里,它弥漫在整个空间里被叫做电磁场。我们通常认为空间是“虚无”的,但现代物理发现空间是一种充满了各种奇妙成分的内容丰富的液体。
我们就像鱼儿一样,生活在一个永远逃避不了,同时早已习惯了的海洋里。科学进一步发现:原来,光是这种液体里一种会传播的振动。我们都知道,声音是空气中传播的振动。太妙了,光和声音居然如此相似,这不是那种诗歌中模糊的相似,而是深刻的物理实质上的相似。关于光科学有更多的发现。我们发现彩虹就像一个特殊的钢琴键盘,每个键上都清晰地标注了对应的音符,只是对于彩虹,每个键对应一种颜色。
这种诗一般的类比其实是建立在众多事实和实验上的。你理解的事实越多,你就越能欣赏这类诗歌的美妙。科学有更深入的发展,它告诉我们,原子其实也是一件件乐器。虽然它们发出的不是声音而是光,但它们工作的原理和我们制作的比它们大很多的乐器是一样的。另外,还有很多我们眼睛看不到的颜色。无线电波、微波、红外光和紫外光、X射线和伽马射线和可见光一样是电磁场的波动。
我们的眼睛虽然看不到它们,但是我们通过思维发现了它们的存在。我们现在可以用各种接收器、发射器来探测、控制、甚至产生它们。尽管我多年前已经熟悉这些光、颜色、和声音的科学事实,可是我每次后静下来重温这些知识的时候,我还是赞叹不已,就像刚刚学到一样。我们生活的世界太妙了!现实的深层结构常常是神奇和隐秘的。当你一步一步深入理解它,你才会发现日常经历的世界是一个迷人的宫殿。
一个人甚至一代人要理解整个自然都太难了。最好先确切地解决一些问题,然后把其他的问题留给后人。最忌试图通过建立一堆假设来一下子理解所有的问题。理查德·费曼,一个伟大的现代物理学家,说过类似的话:我玩的游戏非常有趣。它就是想象,一种穿着紧身衣的想象。前面我一直在强调科学是如何揭示有趣的相似,解放我们的思维。但是这些相似之所以令人信服,这些思维解放而不疯狂,是因为牛顿和费曼在上面引言中表达的谦虚和自律。
这是一个只有一条规则的游戏,这条规则是严格的:大自然是最后的裁判。