由什么组成的宇宙,系列1粒子和空间时代

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这一章开始我们聊一个看似简单、实则很难的问题，我们的世界和宇宙到底是由什么构成的？也许你心里已经有一个答案了，但你仔细看下来就会发现这件事不仅不简单，而且对它的探索可以说贯穿了整个理论、物理，甚至是整个人类文明的发展。你会在这一趟旅程中看到无数人智慧的光芒。

公元前四百五十年，有一个人叫刘基伯，关于他的生平我们知道的不多，他写了一本叫宇宙学的书，创立了一所教授科学与哲学的学校，不久之后收了一位年轻的弟子，名字叫德谟克里特，这个人的名字很重要，请你记住他，他会对后世的思想产生深远的影响。这两个思想家共同构建了古典原子论的宏伟大厦，老师是刘基伯，德谟克里特作为他伟大的弟子，在知识的各个领域都写了很多的著作。那么刘基伯和德谟克里特发现了什么呢？

当时的人们知道可以借由理性来理解世界，他们确信各种各样的自然现象一定可以归因为某种简单的东西，并且尝试弄清楚这种东西到底是什么。他们就设想了一种基本的物质，万物都由这种基本的物质构成。当时有一个学派叫做米利都学派，这些人就设想这种物质可以汇聚和扩散，从而可以由构成世界的一种元素转化为另一种元素。这个就是物理学的萌芽，虽然很粗糙、很原始，但是它的方向是正确的，现在就差一个伟大的想法与更广阔的视野来理解世界的隐秘秩序。

而刘基伯与德谟克里特提出了这样的想法，他们这个体系的理念是这样的，整个宇宙由无限的空间构成，其中有无数原子在运动。空间没有界限、没有上也没有下，没有中心、也没有边界。原子除了形状以外，没有其他的特性，他们没有重量、没有颜色、也没有味道。他们说甜是约定俗成的，苦是约定俗成的，热是约定俗成的，冷是约定俗成的，颜色也是约定俗成的，实际上只有原子和虚空原子是不可分割的，他们是实在的基本微粒，没法再继续被分割，万物都由它们组成，他们在空间中自由的移动、相互碰撞、彼此勾连在一起，互相推拉，相似的原子彼此吸引，这个就是世界的构成，也就是整个宇宙的实在，其他的一切只不过是这种运动和原子结合的副产品，随机而且偶然。

组成世界的无穷多种物质只是源自于原子的结合，原子聚集的时候，在基本层次唯一能显现的就是它们的形状、排列和结合的顺序。以此为基础，德谟克里特撰写了很多的著作，阐释了一个庞大的体系，处理了物理学、哲学、伦理学、政治学、宇宙学等等问题，但是这些作品全都失传了，我们只能通过其他古代作家的引用，他们对这些理念的总结，来了解德谟克里特的思想。

二十世纪下半叶，最伟大的物理学家理查德费曼在他的物理学讲义的开头写道：假如由于某种大灾难，所有的课都丢失了，只有一句话能传给下一代，那怎样才能用最少的词汇来表达最多的信息呢？他相信这句话应该是所有的物体都是由原子构成的，这些原子是一些小小的粒子，他们一直不停地运动着，当彼此略微分开的时候相互吸引，当彼此挤得过近的时候又相互排斥。只要稍微想一下，你就会发现这句话包含了大量有关世界的信息，不需要任何现代物理学的知识，德谟克里特就得到了这个结论，也就是万物由不可分割的粒子构成。那他是怎样做到的呢？

德谟克里特发现，物质不可能是一个连续的整体，因为物质是连续的整体这个命题中包含矛盾。假设物质是无限可分的，那就意味着它可以被分割无数次。接下来想象一下，你把一块物质无限分割，会剩下什么呢？会剩下有维度的微小粒子吗？那肯定不会的，因为如果是这样的话，物质就不是被无限分割了，因此只会剩下没有维度的点。但是现在让我们把这些点放在一起，把两个没有维度的点放在一起，你没法得到有维度的东西，用三个点、四个点也不行，无论你把多少个点放在一起，都没法得到维度，因为点本身没有维度，所以我们认为物质没法由没有维度的点构成。因为无论多少个点放在一起，都不会得到有维度的东西，德谟克里特推断，唯一的可能性就是任何物质都是由数量有限的、不连续的物质构成，它不可以再分，大小有限，也就是原子。

如果我们把一滴水一分为二，会得到两滴水，那可以把这两滴水再继续分，如此反复，但是没办法无限的分下去，分到某一点的时候只剩下一个分子，就到此为止了，没有比一个水分子更小的水滴了。我们已经积累了几个世纪的证据，其中大部分来自化学。化学物质由几种元素化合而成，而且它的比例是按整数分配的。化学家们创立了一种思考物质的方式，他们认为物质由分子组成，而某种分子由固定比例的原子组成，比如说水（H2o）就是由两份氢和一份氧组成的。在二十世纪初的时候，仍然有很多科学家和哲学家不认为原子假说是真实可信的。很多科学家把化学符号仅仅理解为总结化学反应定律的一个方法，而并没有把它当作两个氢原子和一个氧原子组成水分子真实存在的证据。他们会说：看不见原子。接着就会问，那原子会有多大呢？德莫克利特可从来没有测量原子的大小，但是有人可以做到。原子假说的确切证据一直要等到一九零五年，才有一个年仅二十五岁的年轻人发现，这个年轻人的名字众所周知，叫阿尔伯特爱因斯坦，那他又是怎么做到的呢？

他的想法惊人地简单，自从德谟克里特时代以来，任何人都能办到，只要他像爱因斯坦一样聪明、一样善于思考，并且十分精通运用数学来进行并不简单的运算？他的想法是这样，如果我们仔细观察非常小的粒子，比如说漂浮在空气或者液体中的灰尘或者是花粉颗粒，我们会看到他们震动和跳跃。由于震动，它们会随机的运动，缓慢地漂移，逐渐离开初始的位置。液体中这种粒子的运动被称为布朗运动，由生物学家罗伯特布朗命名，他在十九世纪的时候详细地描述了这种现象。

粒子这种运动方式的轨迹就好像随机的在各个方向受到扰动，实际上并不是好像受到扰动，而是真的受到了扰动。粒子振动就是因为受到空气分子的扰动，时左时右与粒子发生碰撞。巧妙的地方在后面，空气中有大量的气体分子，有多少从左边撞击微粒就会有多少从右边撞击它，如果气体分子无穷小并且无穷多，那从左边和从右边撞击的作用就会平衡，在每个片刻都相互抵消，微粒就不会移动。但是分子的大小有限、数量也有限，并不是无穷多，从而引起了涨落。也就是说撞击永远不会完全抵消，只是大部分抵消了。

想象一下，在某一个时刻，分子的数目有限、体积很大，微粒会随机受到明显的撞击，一会儿从左边来，一会儿从右边来，那在两次撞击之间它就会显著的来回移动。另外一方。下面分子越小，两次撞击之间的间隔就越短，来自不同方向的撞击就越容易平衡，并且相互抵消，微粒移动的就越少，用一点数学知识就可以计算这一点，从可以观测到的微粒的运动推算分子的尺寸，爱因斯坦在他二十五岁的时候做到了这一点，通过观察液体中漂移的微粒，计算这个微粒某一个位置移动了多少，他算出了德莫克利特的原子的大小，也就是构成物质的基本微粒的大小。在两千三百年之后，他给出了德姆克雷特的洞见的证据，物质就是微粒。这里有一个重要的洞见，爱因斯坦重现了德莫克利特的设想，并且把它转述成了数学语言，从而能够计算原子的大小。

人们希望能用简单的方式思考世界，能够研究和领悟自然的奥秘，比我们的祖先知道的更多。伽利略、开普勒、牛顿等人将会建立惊人的概念工具，比如说空间中的直线运动，构成世界的基本要素与相互作用，空间是世界的容器，物质的分割是有限的，世界是分立的，这样的观念是原子假说的核心，但是他在量子力学中会以更显著的方式回归。如今他作为量子引力的根本，再一次证明了自身的重要性。这些是我们后面要讲的故事，那让我们回到当年的故事。

在探讨宇宙的最小尺度之前，我们要先看看事情发展的另外一条线，他在我们的头顶。亚里士多德写了一本名为物理学的书，并不是这本书是以这门学科来命名，而是物理学这门学科的名字就来自于这本书。不过亚里士多德的物理学比较粗糙，它不是定量的，我们就没法用它来进行计算。不过他的逻辑是一致的，合乎道理，可以做出正确的、定性的预测。对科学未来的发展更加重要的是柏拉图他意识到了毕达哥拉斯主义的价值，物理学向前发展的关键在于数学。柏拉图给全世界留下了一个重要的遗产，他发现了数学的理论统一性，他宣称数决定形式与理念，数学是理解与描述世界最合适的语言。

他这个洞见意义深远，这也正是西方科学成功的原因之一。据说柏拉图在他学院的门上刻上了这样一句话，“不懂数学者不得入内”。在这个信念的驱使下，柏拉图提出了一个极其重要的问题，现代科学也在探索这个问题的过程中逐渐的形成，能不能找到天上可见天体遵循的数学规律呢？当时夜空中很容易观察到金星、火星和木星，他们看似在其他星体间随机的往复运动，那能不能找到一个数学规律来描述和预测他们的运动呢？在接下来的几个世纪，很多天文学家继续研究，使古代天文学达到了相当高的水平。其中最著名的一位就是托勒密，他写了一本书叫至大论，这本书它呈现出了天文学严密、精确而复杂的数学系统，能够近乎完全、精确的预测天上行星看似随机的运动，达到了人类视野的极限。这本书证明了数学让世界可以被描述、未来可以被预测。托勒密总结了希腊天文学家几个世纪以来的研究成果，运用数学公式精确地预测了行星看似无序的运动，并且以巧妙的方式系统地呈现出来。即便是在今天，只需要具备一点点知识，你就可以翻开托勒密的书，学习里面的技巧，来计算两千年后火星的位置。

在托勒密之后的一千多年，哥白尼能够实现印度、阿拉伯、波斯，几代天文学家无法完成的飞跃。它并不是对托勒密体系进行简单的研究、应用和小修小补，而是全面的完善，它鼓起勇气、彻底的变革。哥白尼对托勒密的至大论进行了修改，天体不再围绕地球运转，太阳取而代之成为宇宙的中心，地球和其他天体都围绕着太阳运动。后来天文学家开普勒证明了，哥白尼体系真的可以运转的比托勒密体系更出色，通过仔细分析新的观察结果，开普勒就证明只需要借助几个新的数学定律，就可以精确描述绕着太阳运行的行星的运动，甚至可以达到前所未有的精度。

那是在一六零零年，人类第一次找到了比一千多年前亚历山大时期更出色的解答。当开普勒在寒冷的北方计算天空中的运动的时候，伽利略得到了一个来自荷兰的新发明望远镜，并且做出了改变人类历史的一个动作，把望远镜指向了天空。伽利略确信地球和其他的行星是一样的，他说如果天上的运动精确遵循数学定律，而地球和其他行星一样是天上的一部分，那么也必然存在精确的数学定律，掌管着地球上物体的运动。伽利略深信自然的理性，也对毕达哥拉斯和柏拉图可以通过数学来理解自然的观点很有信心，他决定研究地球上的物体不受约束，也就是物体自由下落的时候该怎样运动，他确信存在着一个相应的数学定律，并且反复地尝试发现它。

于是伽利略完成了人类历史上第一次实验，让物体自由下落，并且尝试精确测量它的下落速度。实验的结果意义很重大，我们也都知道了物体并不像人们以前认为的那样，以某一个恒定的速度下落，物体的速度在运动过程中逐渐的增大，在这个过程中保持不变的并不是下落的速度，而是加速度，也就是速度增大的快慢，神奇的是对所有物体来说，这个加速度都是一样的。伽利略第一个对这个加速度进行了粗略的测量，发现它是一个常量，大小大概就是九点八米每秒的平方，也就是说物体每下落一秒，速度就增大九点八米每秒，这是人们发现的描述地球上物体的第一个数学定律，自由落体定律。

再后来，伊萨克牛顿深入研究了伽利略和开普勒的成果，撮合二者之后做出了更伟大的发现，牛顿在他的自然哲学与数学原理中写道：你可以想象地球像木星一样有许多的卫星，再想象给它加上一些月亮，特别是有一个环绕地球运行的小月亮，它距离地球最近，只比山顶高一点点，这个小月亮会以多大的速度运动呢？之前的开普勒定律描述了轨道半径和周期的关系，其中周期就是指轨道绕一周所需要的时间。我们知道真正的月亮轨道半径和它的周期也就是一个月，我们也知道小月亮的轨道半径也就是地球半径，那通过简单的比例关系，我们就可以计算出小月亮的环绕周期，结果是一个半小时。这个小月亮会每一个半小时绕地球转一圈。

那么做圆周运动的物体并不沿直线运动，他不停地改变方向，而方向的改变是由于存在加速度，小月亮加速度的方向指向地球的中心，这个加速度很容易计算。牛顿完成了这个简单的计算，结果是九点八米每秒的平方，这个数值和伽利略在地球上进行的自由落体完全相同，这个是巧合吗？牛顿说：这绝对不是巧合，如果结果是相同的，那原因也一定相同。所以让小月亮做圆周运动的力和让物体落到地面的力完全相同。我们把让物体下落的力称为引力。

牛顿领悟到的是，让小月亮环绕地球运动的是相同的引力，没有这个引力的话，它会沿直线飞走。那么真正的月亮环绕地球运动也一定是因为引力，环绕木星运动的卫星受到木星的吸引，环绕太阳运动的行星受到太阳的引力，没有这个引力，天体会沿直线运动。因此宇宙是一个巨大的空间，物体通过力的方式相互吸引，并且存在一种统一的力万有引力，任何物体都会吸引其他的物体。

我们现在觉得这个观点稀松平常，但回到当时，牛顿的这个洞见是真的可以改变世界的。因为那个时候的人们都相信天上的规则和地上的规则是不同的，甚至人们都不知道地上还有一套数学可以描述的规则。通过对小月亮进行简单的计算，牛顿推导出了万有引力的大小随距离的变化关系，这个比值我们今天称为牛顿引力常量，用字母G表示，代表引力gravity。在地球上这个力使物体下落，在天上这个力使行星和卫星在轨道上运动，这二者是同一种力。

在中世纪，亚里士多德的世界观占主导的地位，牛顿的发现对这种概念、结构是一种颠覆。亚里士多德和那个时代的科学家们相信地球是在宇宙中心的球体，被其他天体环绕，宇宙是嵌满星星的广阔、无垠的空间，没有边界，也没有中心，物体在其中自由地做直线运动，直到其他物体产生的力使它发生偏移。而牛顿说，在我看来，也许上帝最初是用实心、坚实、坚硬、无法穿透、可移动的粒子来构造物质的，它们具有特定的大小和形状，以及其他特定的属性，与空间呈一定的比例。牛顿力学的世界十分简单，可以总结成下面这句话：世界是由什么构成的？是由空间、时间和粒子构成的。这个世界有广阔、均匀的空间，粒子在其中永不停歇的运动，彼此之间相互作用，除此之外别无他物。

牛顿体系的威力超乎想象，十九世纪和现代社会的全部技术都依赖于牛顿的公式。到今天，三个世纪已经过去，但我们现在建造的桥梁、火车、摩天大厦、发动机、水力系统、我们驾驶飞机、进行天气预报，在探测到行星之前就能预测它的存在，把太空船送到火星，这些全部有赖于以牛顿公式为基础的理论。没有牛顿的小月亮，现代世界都不会出现，一个关于世界的新观念、一种有效的预测未来的方式，这些都是牛顿革命的伟大遗产。那如此看来，理解宇宙的终极秘诀已经被人们发现了，世界包含巨大的空间，随着时间流逝，粒子运动，并且以力的方式互相吸引，我们可以写出描述这些力的确切公式，而且这些公式都非常有效。在十九世纪，人们认为牛顿不仅是最有智慧、最有远见的人，而且也是最幸运的人。因为基本定律只有一个体系，他十分幸运地做出了这个发现，一切似乎已经尘埃落定了。那果真是这样吗？当然不是了。

到此为止，我们探寻宇宙构成的故事到了这样一个节点，空间、时间、粒子和引力。这当然不是我们今天对宇宙的理解，我们的故事也远未结束。但是到此为止，人们的视野要比德谟克里特时代宏大得多，因为人们不只是用头脑中的概念来理解世界，而是和数学、毕达哥拉斯的遗产，还有天文学家们伟大的物理学传统相融合。牛顿的世界，是德谟克里特世界的数字化，这一步非常非常的重要。牛顿明白，他的方程没办法描述自然界中存在的所有力，除了引力，还有其他力作用在物体上，物体并不是只有在自由下落的时候才运动。牛顿留下的第一个问题就是要理解其他可以影响我们的力。而这个问题要一直等到十九世纪才得到解答，并且会带来两件意想不到的大发现。

人们对宇宙是怎样构成的这个问题将会有更深刻的答案，这些内容我们就留到下一期再说。最后，感谢这段时间在后台给我留言的朋友们，因为你们的支持，让我有了分享的动力。我们下章继续。