來源 | 《物理是什么》

作者 | [日]朝永振一郎

譯者：周自恒

在我們?nèi)缃竦纳钪校幪幎伎梢砸姷轿锢韺W(xué)的影子。就拿我寫這本書所在的這幢公寓的小房間來說，天花板上的熒光燈發(fā)出亮光，書架上擺放著電話、收音機和磁帶，角落里的電冰箱發(fā)出微弱的聲響，灶臺上的換氣扇在不停地轉(zhuǎn)動。

往窗外看，數(shù)根電線架在電線桿之間，電流在電線里穿梭，傳遞著能量和信息。再看對面的一幢大樓，樓頂上高高豎立著特高頻通信天線，下面還可以看到一個水箱，電機將水從下面抽上來，蓄積在這個水箱里。

不管是對面那幢樓，還是我現(xiàn)在所在的這幢樓，它們的外墻之中都有鋼筋，這些鋼筋都要按照物理學(xué)方法測量其強度，然后再根據(jù)物理學(xué)定律進行計算并組裝起來，這樣才能夠支撐起建筑物以抵御地震和強風(fēng)。物理學(xué)這一學(xué)問已經(jīng)成為支撐現(xiàn)代文明的骨架，我們一分一秒都離不開它。

既然我們身邊很多東西都是拜物理學(xué)所賜，那么物理學(xué)到底是一門怎樣的學(xué)問呢？它又是在什么時候、在哪里、由誰提出來的呢？現(xiàn)在那些被稱為物理學(xué)家的人們，又是在為了什么而做著什么樣的工作呢？這些工作又會在將來為我們帶來些什么呢？

物理學(xué)家在創(chuàng)立物理學(xué)時離不開數(shù)學(xué)的幫助，在數(shù)學(xué)中，一般先要對其探討的對象進行定義。當(dāng)然，近代數(shù)學(xué)中也可以不定義對象，而是以無定義的公理系統(tǒng)作為起點。然而，對于物理學(xué)來說，我們既不可能對它進行定義，也不可能對它建立一個公理系統(tǒng)。因為物理學(xué)這一學(xué)問，從創(chuàng)立至今一直在不斷變化，將來也應(yīng)該會繼續(xù)變化下去。

不僅是物理學(xué)，科學(xué)本身亦是如此，無論在任何時代，都是在前人的基礎(chǔ)上進行積累和發(fā)展的。有時候，我們會繼承前人的觀點，并將其打造得更加完善；有時候，我們則需要打破前人的狹隘思想，開辟出新的天地——科學(xué)就是這樣不斷變化的。因此，在這樣的變化過程中，物理學(xué)家究竟以怎樣的方式做過什么，或者說正在做著什么——這樣的問題我想應(yīng)該還是可以回答的。

話說回來，盡管我們無法給物理學(xué)下個定義，但還是需要對它所探討的對象以及大致的游戲規(guī)則和勢力范圍作一些規(guī)定。當(dāng)然，這些要素也是不斷變化的，在這里，我們暫且認為物理學(xué)是這樣一門學(xué)問：

以觀察事實為依據(jù)，探求我們身處的自然界中所發(fā)生的各種現(xiàn)象——但主要限于非生物的現(xiàn)象——背后的規(guī)律。

之所以說 “主要限于非生物”，而沒有完全將生物排除出去，是因為現(xiàn)在有一門學(xué)問叫作 “生物物理學(xué)”，大家可能也都聽說過。此外，“以觀察事實為依據(jù)” 這句話，是為了強調(diào)物理學(xué)不是一種以純粹思辨為依據(jù)的學(xué)問。至于 “自然界”“現(xiàn)象”“規(guī)律”，以及 “背后”“觀察”“思辨” 這些詞具體是什么意思，這里暫且不作定義，大家以自己的常識理解就好。就像以無定義的公理系統(tǒng)為起點的數(shù)學(xué)一樣，本書不妨更進一步，斗膽通過講述這些無定義概念的故事，對“物理是什么” 這一問題做出回答。

那么，物理學(xué)這個游戲到底是從什么時候開始，在什么地方確立了其最基本的游戲規(guī)則呢？大多數(shù)學(xué)者都認為是在 16 世紀到 17 世紀的歐洲。正如前面所提到的一樣，物理學(xué)這一學(xué)問也是在前人的學(xué)問的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，這一點毋庸置疑。不過，在物理學(xué)出現(xiàn)之前，對于自然規(guī)律的探索并不都是以觀察事實為依據(jù)的，這其中包含僅通過純粹的思考來確立觀點的思辨主義或神秘主義的哲學(xué)、相信任何現(xiàn)象都是神的旨意的宗教，以及自然哲學(xué)等學(xué)問。除此之外，還包括一些我們現(xiàn)在已經(jīng)不認為是學(xué)問的東西，例如巫術(shù)和魔法。

話說回來，盡管巫術(shù)和魔法現(xiàn)在已難登學(xué)問的大雅之堂，但無論是物理學(xué)，還是它的兄弟化學(xué)，在它們的發(fā)展過程中，巫術(shù)和魔法都扮演了不可忽視的角色。具體來說，占星術(shù)之于物理學(xué)，煉金術(shù)之于化學(xué)，它們之間都有著剪不斷的密切聯(lián)系。

自從人類知道如何冶煉金屬，以及如何預(yù)測日食和月食開始，應(yīng)該說就已經(jīng)有了煉金術(shù)和占星術(shù)的雛形。不過，煉金術(shù)和占星術(shù)形成后來在歐洲流行的體系，一般認為應(yīng)追溯到公元前 2 世紀到公元前 1世紀時期，位于尼羅河口的亞歷山大港。

亞歷山大港據(jù)說是由出身古希臘邊境馬其頓地區(qū)的亞歷山大大帝所開創(chuàng)的城市。亞歷山大大帝統(tǒng)一了當(dāng)時處于內(nèi)戰(zhàn)紛爭之中的各個古希臘城邦，也許是為了鞏固其成果，他決定繼續(xù)出兵征討希臘的宿敵波斯，不但擊敗了波斯國王大流士三世的軍隊，還將遠征的腳步拓展到印度西北部，這段歷史恐怕大家都有所耳聞。亞歷山大大帝在埃及的尼羅河口用自己的名字建立了一座城市，時間大約在公元前 4 世紀左右，這座城市背靠尼羅河三角洲的沃土，面向?qū)拸V的地中海，憑借優(yōu)越的地理條件，逐步形成了連接地中海沿岸、波斯、阿拉伯和印度的貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)，造就了一個繁華的國際化大都市——亞歷山大港。而且，這座城市的創(chuàng)始者亞歷山大大帝年少時，他的父王曾請到雅典哲學(xué)家亞里士多德做他的家庭教師，因此亞歷山大大帝十分熱愛學(xué)術(shù)，他在亞歷山大港建立了學(xué)校和大圖書館，大力鼓勵學(xué)術(shù)發(fā)展。

亞歷山大大帝死后，執(zhí)政官托勒密一世在此建立了新王朝，但統(tǒng)治者對學(xué)術(shù)的熱愛以及對學(xué)者的優(yōu)遇依然不減，希臘本土的很多學(xué)者也開始移居至此，可以說古希臘文明的中心已經(jīng)從雅典轉(zhuǎn)移到了亞歷山大港，希臘化文明（Hellenistic civilization）開始結(jié)出碩果。活躍于此的古希臘學(xué)者包括以幾何學(xué)聞名的歐幾里得、創(chuàng)立圓錐曲線理論的阿波羅尼奧斯，以及以提出地心說而聞名于世的克勞狄烏斯·托勒密。此外，傳說亞里士多德也經(jīng)常從雅典到此地訪問。

除了希臘派學(xué)術(shù)思想之外，亞歷山大港自然也兼容并包了波斯、阿拉伯等東方派，以及埃及本土派的思想。這些思想相互融合，最終產(chǎn)生了一種不可思議的混合體，混合了金屬冶煉和天文觀測技術(shù)，文明中的思辨主義、神秘主義和巫術(shù)，再加上人們內(nèi)心深處的欲望和不安，它們相互糾纏交錯，形成了一團黏糊糊的奇怪的東西，這就是我們稱為煉金術(shù)和占星術(shù)的東西了。一般認為，煉金術(shù)和占星術(shù)大約是在 12 世紀左右才經(jīng)過羅馬傳入歐洲的。

后來，煉金術(shù)和占星術(shù)在歐洲遍地開花，據(jù)說 16 世紀時，歐洲幾乎每一位諸侯都有自己的占星術(shù)士。當(dāng)時的政治形勢十分不穩(wěn)定，當(dāng)需要做出重大決策時，他們就會通過占星術(shù)來決定應(yīng)該如何行動。其中最有名的，莫過于首都位于布拉格的神圣羅馬帝國皇帝魯?shù)婪蚨溃≧udolf II，1552—1612）了。魯?shù)婪蚨朗菬捊鹦g(shù)和占星術(shù)的狂熱擁躉，他在皇宮旁邊建造了一座大研究所，并從整個歐洲招募煉金術(shù)士和占星術(shù)士，讓他們到這里來開展研究。魯?shù)婪蚨乐砸⑦@樣一座研究所，是因為占星術(shù)可以幫助他維持政權(quán)，而煉金術(shù)可以煉金以改善財政，不過這位皇帝的腦子貌似有點問題，據(jù)說最后變得瘋瘋癲癲的。盡管如此，或者說正是因為如此，他對天文學(xué)的進步作出了巨大的貢獻。這樣的說法看起來有點怪，但從某種意義上來說，這也正是歷史的有趣之處吧。

這到底是怎么一回事呢？原來，為天文學(xué)帶來劃時代發(fā)展，并在真正意義上為近代物理學(xué)誕生奠定基礎(chǔ)的德國學(xué)者開普勒（JohannesKepler，1571—1630），正是在魯?shù)婪蚨赖谋幼o下，也是在這位皇帝的研究所里，完成了他的偉大發(fā)現(xiàn)。

自然現(xiàn)象的背后必然存在一定的規(guī)律，而人們最早注意到這一點，正是通過觀察天體的運動。事實上，盡管方法十分原始，但人類進行天體觀測，并由此創(chuàng)立天文學(xué)這門學(xué)問，這一歷史可以追溯到有史料記載之前的上古時代。例如，中國等東方文明和古埃及文明自不必說，美洲大陸的印加和瑪雅遺跡中也發(fā)現(xiàn)了明顯是用于天文觀測的建筑物痕跡。人們找到天體運行的規(guī)律之后，發(fā)現(xiàn)通過這些規(guī)律可以預(yù)測星星的運行，于是他們就想，能不能用這些規(guī)律來預(yù)測地上人類世界中的各種事件呢？對于生活在充滿不安的世界中的古代人來說，抱有這種樸素的愿望也是無可厚非的。

后來，人們發(fā)現(xiàn)地上世界的氣候變化與天體運行之間有著密切的聯(lián)系，于是利用這一經(jīng)驗發(fā)明了歷法。歷法為人們帶來了巨大的益處，于是人們就會自然而然地相信，一定存在某種占卜的方法，能夠?qū)⑻祗w運行與更廣泛的事物聯(lián)系起來，例如人的命運以及社會事件。然而，即便拋開這種愿望，當(dāng)我們仰望夜空中那些嚴格按照規(guī)律運行的繁星時，都會被這種深邃的神秘感所觸動，親身體會到在自然的最深處，一定有什么巨大的力量讓這些星星準確無誤地運行著。我們不禁發(fā)問，支配整個自然界運行的那最深處的規(guī)律到底是什么？正巧，星星的運動是自然現(xiàn)象中規(guī)律性最強的，因此從上古時代，人們就開始不斷探索星星運動的規(guī)律，并以此探求那個終極問題的答案。而且，這一探求并非滿足于肉眼所看到的天體運行這一現(xiàn)象層面的規(guī)律，而是更進一步達到了探索世界構(gòu)造，也就是我們現(xiàn)在所說的宇宙學(xué)的層面。

為了尋找問題的答案，我們剛才提到了亞歷山大港的天文學(xué)家托勒密所創(chuàng)立的天文學(xué)模型，也就是地心說，這是一種以地球為中心的宇宙理論。根據(jù)這一學(xué)說，有七顆行星在圍繞地球運行，分別是月球、水星、金星、太陽、火星、木星和土星，它們的運行方式是由兩個圓周運動疊加而成的復(fù)合圓周運動。托勒密將其宇宙理論寫成了一部長達 13 部的長篇大論，我在這里也無法具說其詳，不過大體上可以理解成下面這個樣子。

想必大家應(yīng)該知道，我們在天上所看到的星星中有恒星也有行星，恒星在天上排列成固定的形狀（即星座）一齊轉(zhuǎn)動，這就好像有一個巨大的球把我們包裹在里面，這個球不停地轉(zhuǎn)動，而恒星就附著在這個球的表面。星座不但形狀固定，其位置也是固定的，和地面上觀測的地點和時間無關(guān)，這就暗示了地球位于這個天球的中心。相對地，行星的位置不是一成不變的，它們穿行于星座之間，有時與星座同向運行，有時又與星座反向運行。行星在天球上的運行軌跡是曲折往復(fù)的，這意味著它們并不是單純地圍繞地球做圓周運動。因此，托勒密提出，行星的運動是由兩個圓周運動組合而成的。

具體來說，他首先想象有一個以地球為圓心的大圓，然后再想象有一個圓心位于大圓上，并繞大圓轉(zhuǎn)動的小圓，而行星則在這個小圓上轉(zhuǎn)動。其中，小圓叫作 “本輪”（epicycle），而大圓叫作 “均輪”（deferent）。這個模型看起來過于復(fù)雜，而且有明顯的人工痕跡，但在當(dāng)時的觀測水平下，人們所能夠看到的天球面上的所有行星運動，都可以用這個模型來解釋。

托勒密提出地心說是在公元 2 世紀左右，這一學(xué)說在提出之后相當(dāng)長的一段時期里都占據(jù)著統(tǒng)治地位，大多數(shù)人都信奉這一學(xué)說，直到 16 世紀哥白尼（Nicolaus Copernicus，1473—1543）提出了日心說，才動搖了它的地位。

正如大家所知，哥白尼的日心說是一個以太陽為中心的世界觀，其中水星、金星、地球、火星、木星和土星都圍繞太陽運行。如果要用一句話來概括哥白尼的學(xué)說，那就是行星之所以在天球面上時而順行時而逆行，并不是由托勒密所說的那種復(fù)合圓周運動所導(dǎo)致的，而是因為我們觀測它們時所處的地方，也就是地球本身，同樣是在運動的。進一步說，我們所看到的天體的周日運動，實際上是由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的視覺現(xiàn)象；而天體的周年運動，則是由于地球公轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的視覺現(xiàn)象。盡管地球也在運動，但星座的大小看起來是不變的，這是因為天球本身非常大，所以相對而言，我們可以認為地球始終處于天球的中心位置，這就是哥白尼學(xué)說的內(nèi)容。

如果從純粹的數(shù)學(xué)角度來看，哥白尼的學(xué)說相當(dāng)于將觀察天體的視點從地球轉(zhuǎn)移到了太陽，這樣一來行星運動就從復(fù)合圓周運動變成了簡單圓周運動，僅此而已。實際上，哥白尼發(fā)表該學(xué)說的著作序文中有這樣一段前言，大意是說地心說和日心說在本質(zhì)上并沒有區(qū)別，這段話是這樣說的：

天文學(xué)并非試圖尋找行星不規(guī)則運動的 “原因”，即便找到了該原因，也并非意味著要將其當(dāng)作真理去說服他人，而只是為天文學(xué)家計算天空中日月星辰之運行提供正確的基礎(chǔ)，因此如果對天球上所見的同一運動存在不同的假說，則天文學(xué)家將選擇其中更容易解釋的一種。

當(dāng)然，一般認為這段前言并非出自哥白尼本人，而是出版該著作的神學(xué)家安得利亞斯·奧西安德爾（Andreas Osiander）在出版時加上去的。我們不知道這段話到底是這個人的真實觀點，還是為了回避來自教廷的壓力而為之，無論如何，至少哥白尼本人相信自己的工作比單純的 “容易解釋” 更有價值。事實上，哥白尼的學(xué)說包含了托勒密學(xué)說中所沒有的一個重要元素，因此比后者的內(nèi)容更加豐富。關(guān)于這個重要元素，我們將稍后探討，但無論如何，日心說不僅提出了一個比地心說更加簡潔的世界觀，同時將人類觀察自然的視點從地球這一狹隘的世界中解放出來。這一點堪稱是革命性的，稱日心說標(biāo)志著近代天文學(xué)的開端也正是因為這一點。在哥白尼發(fā)表其學(xué)說半個世紀之后，日心說才被真正賦予了超越 “容易解釋”“內(nèi)容豐富” 的意義，后來開普勒提出了他的理論，為牛頓的工作奠定了基礎(chǔ)。

剛才的內(nèi)容似乎已經(jīng)偏離了占星術(shù)的話題，然而天文學(xué)得到如此發(fā)展的背后，占星術(shù)多多少少扮演了一定的角色。很多例子可以佐證這一點，據(jù)說托勒密在當(dāng)時是一位頗具威望的占星術(shù)士；剛才我們提到的天文學(xué)家開普勒，他可謂是時代的寵兒，為探求行星運行的規(guī)律傾注了畢生的心血，最終提出了沿用至今的開普勒定律，而這一切的起點也是因為占星術(shù)。

然而，我們需要關(guān)注的并不是開普勒的動機，而是他能夠完成這一偉大發(fā)現(xiàn)的原因，這是因為他的研究方法和前人相比有著根本性的不同。古代哲學(xué)家所提倡的自然哲學(xué)大多不以觀察作為依據(jù)，而是帶有思辨所伴隨的強烈的神秘主義色彩，開普勒自身也像前人一樣，時常在神秘主義的森林中迷失方向。然而，引領(lǐng)他完成這一偉大發(fā)現(xiàn)的并非這樣的思辨，也不是巫術(shù)，而是以準確的觀察事實為依據(jù)進行嚴密的數(shù)學(xué)推理，這種方法是在前人身上難得一見的，而這也正是近代物理學(xué)所采用的方法。與他同時代的另一位學(xué)者伽利略（Galileo Galilei，1564—1642）所主張的 “實驗”，也是一種前人所未能重視的強力武器。后來，新一代學(xué)者牛頓（Sir Isaac Newton，1642—1727）將伽利略的 “實驗” 與開普勒的 “觀察” 相結(jié)合，奠定了 “以觀察事實為依據(jù)探求自然規(guī)律” 這一物理學(xué)的特質(zhì)。我剛才曾說，物理學(xué)這門學(xué)問是在 16 世紀到 17 世紀確立的，指的正是這件事。

剛才我們簡單梳理了自然哲學(xué)如何從原始的哲學(xué)中脫胎出來形成了物理學(xué)，又如何洗去身上的巫術(shù)和魔法痕跡。然而，為了讓大家更明確地理解古代自然哲學(xué)與物理學(xué)之間特質(zhì)的差異，我們需要對開普勒、伽利略和牛頓的工作和思想進行更具體的闡述，這也是后面的章節(jié)所要涉及的內(nèi)容。正如大家所知，伽利略曾因異端嫌疑在羅馬教廷接受審判并被判有罪，因此我們的話題必然要涉及宗教與物理學(xué)的關(guān)系。然而，宗教與科學(xué)的關(guān)系這個命題對我來說有些過于龐大了，因此對于這個問題，我們只能淺嘗輒止。

物理學(xué)的特質(zhì)得以明確的 16 世紀到 17 世紀到底是怎樣一個時代呢？到底是離我們很近還是很遙遠呢？也許大家對于這個時間無法一下子產(chǎn)生具體的印象，因此我來列舉同時期日本所發(fā)生的一些事件，供大家參考。哥白尼提出日心說是在 1543 年，這時火炮剛剛傳入日本。此外，德川時代的數(shù)學(xué)家關(guān)孝和與牛頓正好是同一時代的人物。開普勒和伽利略位于上面兩個年代的中間，當(dāng)時日本正好是豐臣家滅亡，德川家興起的時候，在牛頓誕生三年之前，日本進入了鎖國時代。物理學(xué)就是在這樣一個時代從歐洲發(fā)展起來的。

《物理是什么》

作者：朝永振一郎

譯者：周自恒

諾貝爾物理學(xué)獎得主、知名物理學(xué)家朝永振一郎科普作品，日本物理學(xué)啟蒙名作。

本書為著名日本著名物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎得主朝永振一郎先生的物理啟蒙科普作品，書中以思索“物理是什么”為線索，以宏闊視野、精深筆觸，通俗講述了從早期哲學(xué)思辨到煉金術(shù)、占星術(shù)，再到近代科學(xué)的物理體系的發(fā)展，并重點講解了物理發(fā)展過程中的核心原理。