宇宙从何而来(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：傅渥成

出版社：湖南科学技术出版社

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宇宙从何而来试读：

傅渥成把《宇宙从何而来》这本书的书稿发给我的时候，我正在美国圣塔菲研究所（Santa Fe Institute）做为期两个月的学术访问。该研究所坐落在新墨西哥州圣塔菲市北部的一座毫不起眼的小山顶上，但却是全球复杂性研究的学术重镇和中心。所以，在这样一个学术圣地能够读到傅渥成这本讨论复杂、新物理学革命的书更是让我激动万分。

这本书我基本上是一口气儿读完的。能有这样的阅读体验非常难得，至少我自己已经好久没有读过这样的书了。傅渥成巧妙地将物理学史、轶闻趣事和科学概念糅合到了一起，以一种近似意识流的方式呈现给读者。而且，更难能可贵的是，该书科普的内容并不是经典的老掉牙的玩意儿，而是当前理论物理界正在经历的革命——第二次量子革命。我相信，甚至连那些处在前沿阵地的学者们都还没有来得及将这些新知识打包、整理，但这本书居然做到了，而且是那么自然地将知识融入在了一个个的故事当中。

如果用一个词儿来概括这本书所讲述的内容，我更愿意用“系统物理学”，一种采用系统科学和复杂性的视角来重新看待整个物理学的尝试。

什么是系统视角呢？简单说就是“务虚”的视角。都市中随处可见的霓虹灯展示牌上，漂亮女模特正在一边走着“猫步”一步冲你挤眉弄眼，但你会毫不理会，无动于衷。这是因为，你明明知道这个女模特是由成百上千的电灯泡组成的“虚幻泡影”，难道还有什么东西比这更虚吗？然而，当前物理学却在说，没错，但我们的基本粒子就是宇宙霓虹灯上的“虚幻泡影”。

我们都认为凭借着一个人个人的才华和努力一定会获得成功，但是现在的社会学研究却告诉我们你的社交关系才是制约你成功的关键因素。换句话说，重要的不再是事物本身，而是你与周围事物的相互作用关系。还有什么视角比这更虚幻的？现代物理学的最新成果却告诉我们，不仅仅是社交网络，连基本粒子也是这样的。粒子之间的纠缠决定了一切。

看着那些网瘾少年们一个个沉浸在大型网络游戏中不能自拔，我们忍不住会说一句“难道他们就不能活得更真实一些吗？”然而，你凭什么认为你所赖以生存的真实世界就比网络游戏更加真实呢？最新的物理学研究告诉我们，我们整个宇宙就是一台超大号、升级版的“黑客帝国”，只不过，那台模拟用的计算机是一台最新版的量子计算机！很难想象，我们每一个实实在在的灵魂都是这台量子计算机上的转瞬即逝的霓虹图案，还有什么比这更虚吗？

然而，这就是现代物理学！那个我们熟悉的基于原子、像钟表一样运作的牛顿式宇宙已经一去不复返了；取而代之的，是物理学中的“3E”，即Energy（能量）、Entropy（熵）和Entanglement（纠缠）。

Energy恐怕是这三个E中我们最熟悉的一个了，然而我们可能不熟悉的是，能量所代表的并不是可以还原到每个粒子的基本属性，而是一个制约整个系统守恒特性的“系统”属性，而且它和系统所处时空中时间流逝的均匀性密切相关。

Entropy是一个最容易让普通读者摸不着头脑的物理学概念，但却是一个远比力、速度、温度等更重要得多的物理量。甚至熵可以被看作是联通物理与人文、主观与客观、虚拟与实在的重要桥梁。我们都熟悉的是，熵代表了一个系统的混乱度。但令人费解的是，熵不仅与代表无序的死亡、衰败等现象有关；也与生命的起源、自繁殖、进化等代表有序的现象有关。而且，熵又是度量信息的基本单位，制约着互联网、电话、计算机等的运作。所以，熵的含义之广，甚至让我觉得即使科学家也未必全面把握。

就在我们为“熵”头疼不已的时候，物理学又突然冒出了一个Entanglement。可以说，纠缠在未来物理学中扮演的角色会丝毫不亚于能量与熵。这不，最近炒得沸沸扬扬的“第二次量子革命”就把人类期盼已久的“量子引力”理论建立在了纠缠的基础上。谁在和谁发生纠缠并不重要，重要的就是纠缠本身。这种关系不仅决定了物质的基本属性，而且是定义时空的基本物理量。

历史上，每一次重大科学认识突破都会造成人类社会史无前例的变革。然而，就在你对人工智能革命、区块链革命、基因革命等革命应接不暇的时候，物理学却在时空、物质和宇宙等底层革掉了你对整个世界认知的命。张　江北京师范大学教授集智AI学园、集智俱乐部创始人推荐序物理可以这般有趣

我作为二十世纪八十年代末的大学生，当初本科主修物理，纯粹是一种以出国留学为目的，功利性的，缺乏内在兴趣和好奇心推动的行为。尽管野蛮暴力的题海战术可以对付应试教育于一时，但是对许多基本概念实际是模糊的，甚至严重缺失。而对物理研究的历史，人们如何不断提升对于复杂客观世界之理解的曲折过程，是非常无知的。

现在有了闲，对于功利的需求不那么强烈后，发现物理研究是一个非常有趣，值得深入思考，并可以帮助指导实践的东西。

傅渥成同学（真名唐乾元，南京大学物理博士，知名科学科普博主，现任东京大学综合文化研究科特任研究员）将要推出一本物理科普书《宇宙从何而来》，有幸提前获得书稿，读得津津有味，把一些感想随手写出来。

作者在书中，用浅显易懂的语言，把历史上物理学家对客观世界认识的不断提高的故事，娓娓道来。三百页的书，许多片段，读起来都津津有味。处处都可以感受到作者渊博的知识，和对各种物理概念、现象和理论的深刻把握。

几个例子，信手拈来：

人们如何从热质说的认识，变成热是一种能量。

发现能量守恒定律的灵感，来自于一个给水手放血治疗的随船医生。“黑洞”比喻成 社交网络里小众而封闭的粉丝圈。“虫洞”对应于社交网络里面的“长程连接”。“面向对象（个体）”的物理学转向“面向关系的”物理学。

虫洞 = 量子纠缠（ER = EPR ）。

量子力学的“退相干”和“时间之箭”。“时间”和“温度”这两个概念在深层次上的统一性。

信息与物质的统一。

……

普通人没有意识到物理的发展，各种理论的不断更新，是一个非常有趣的过程。里面很多经验教训，方法论，数学模型可以被其它领域借鉴。

如果运用得当，在投资领域是有可能赚大钱的。其中的秘诀，在于使用不同于大众的理论框架，从大众没有看到的角度，看到大众没有看到的价值。

如果像华尔街多数人一样，工具和框架和别人雷同，每天和大家一样读财报，看各种宏观经济数据，用Black-Scholes-Merton（期权定价模型）计算期权定价，算Sharpe Ratio（夏普比率），盯盘累得像狗一样，每天患得患失地计算profit & loss（利润表），很难有大出息。

最终极有可能拉上各种颈椎、脊椎、心血管疾病、抑郁症……把毕生积蓄奉献给医疗行业。

书中提到一个有趣的故事, 物理学家波尔，思维框架里一直把光当成一种波。1923年在所谓的康普顿效应里，人们观察到，X射线和伽马射线与电子作用后波长发生了变化。当时“光作为一种粒子”的概念，还不被主流物理学界接受。

为了解释这个现象，“视波动理论为信条”的波尔，甚至想要弱化能量守恒定律，把它变成一个宏观的统计学定律，而能量微观到粒子上，是可能不守恒的。后来因为进一步的实验结果，和波尔的理论不吻合，波尔终于承认了错误。

在金融投资和很多其它领域内，我们看到的更多的现象是：人们的思维框架一旦固化，当现实和自己的理论不断冲突时，不去反思改正自己的基本理论信条、框架或者范式，而要么是在错误的泥潭里越陷越深，愤世嫉俗地破口大骂；要么走上迷信和玄学的道路。

有趣的故事之二，日裔物理学家南部阳一郎在1957年超导理论BCS模型发布之后，发现里面的超导体能谱中电子的能量动量关系，在数学公式上，和爱因斯坦相对论里面的能量—动量关系，有着很大的相似性。超导体中的“能隙”对应于粒子的“静质能”。

超导体研究属于凝聚态物理，南部的研究属于粒子物理。但是他受 BCS 理论的启发，意识到“超导”和“质量产生”两个现象高度相似，1960 年提出了超导体的自发对称性破缺的理论。并于48年后的2008年，在他87岁高龄时，因此获得诺贝尔奖。

所以不同领域的不同现象，如果数学模型有相似性，要对其高度敏感，这后面可能有不为人知的类似的机制，可以借鉴而进一步发展、完善理论。

我在去年曾有文章介绍，复杂系统的网络模型里，有时会出现某个节点一家独大的情况，其数学模型类似玻色-爱因斯坦凝聚态中的波色子。这个模型可以较好地解释历史上的AT&T（美国电话电报公司）、微软和腾讯等超级垄断公司的长期的良好业绩。可以参见：《王川：从波色-爱因斯坦凝聚态，看强者益强的最高境界（四）》

有趣的片段之三，作者在书中关于“干着搬砖的活，操着劈砖的心”打了一个精妙的比喻：“我们在搬砖的时候，砖对我们来说就是一块刚体。砖的内部构造对我们这些搬砖的人来说并不重要。如果我们是一个胸口碎大石、单手劈砖的表演者，我们的工作从搬砖变成了劈砖，这就像从凝聚态物理学家变成高能物理学家，因为劈砖要比搬砖提供更高的能量，砖块的内部结构就变得非常重要了。搬砖者的有效理论，和劈砖者的高能物理理论，在形式上是有着根本的不同的。只要我们是在研究砖块在低能时的性质，那些高能的状态和相应的运动模式，就可以被冻结起来。对我们的低能有效理论不会产生影响。反而会在层次上形成明显的分割。这些层次间的分离正是演生（Emergence） 的一种表现。”“洗衣服的人，学了化学以后，担心不断运动的水分子，化学键断裂，形成氢气氧气导致爆炸。

有的人了解了蝴蝶效应后，担心蝴蝶扇翅膀会改变本地天气，和全球气候。

人文学者看到宏观统计研究后，未对相关问题有个理性判断，马上批评这些研究忽视了个人的作用。”

大部分专业教育知识可以看成是“劈砖”的技术， 但是在当今这个社会高速发展的复杂网络系统里，‘搬砖’，也就是整合其它资源的能力，远远更重要。悲剧的是，很多专业人士没有区别这两点，专注提高“劈砖”的技能，来试图解决本来属于‘搬砖’的问题，结果陷入长期徒劳无功、挫折、无力、自责的泥潭。

知道“搬砖”和“劈砖”的各自适用范围，该搬的时候搬，该劈的时候劈，搬不动就多劈一会，劈不动就多搬一会, 这非常重要。

物理可以非常有趣。

物理、数学、哲学、金融、生物学、心理学等等学科的结合，可以帮助人们更准确地认识客观世界，有可能帮助你另辟蹊径，发现和创造巨大的财富。

在信息、算力、通信速度大爆炸的时代，物理学和其它学科研究的突飞猛进，正在把我们对客观世界的理解，推到一个前所未有的新高度。

我们目前观察到理解到的东西，还只是冰山一角。更激动人心的发现发明之演生，和它将对人类社会的重构，还等待各位读者去身体力行，贡献自己的一份力量。王　川硅谷独立投资人自序细推物理须行乐

很多年以后，当我在写作您眼前的这本科普书时，我还常常会想起我最初读到《时间简史》的那个遥远的下午。当时的我还是中学生，那是一个常常会被斜面和滑块所困扰的年纪。当我怀抱着心中关于“物理”的许多困惑，翻开斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）这位最知名的物理学家的书，我才发现物理学完全不是中学教科书中所说的那些。我几乎完全没看懂霍金在说些什么，只是有一种“不明觉厉”的情绪。霍金的书在我面前展开了一幅关于宇宙的宏伟画卷：膨胀的宇宙、高维的空间、相互湮灭的物质和反物质、黑洞和虫洞……关于时空的奇妙图景与我的无知重叠在一起，一种渺小的感觉油然而生。

万万没想到，在很多年以后，我竟然“不慎”成了一个物理学博士。在这么多年的学习和研究中，虽然没有取得太多的成绩，但我确信，与当年那个无知的中学生比起来，自己对物理学的理解有了很大的提高。而当我仔细回顾学习物理学的过程时，我发现自己在这一条道路上曾经跨越过三个重要的鸿沟：第一个被跨越的是“中学物理”的鸿沟。

在中学的课堂上，可能每个物理老师都会花费大量的时间来让学生学会画受力分析图，通过图解来掌握力的合成与分解，通过受力分析来求解物体的运动。然而，当我在大学里见识到理论力学（theoretical mechanics）时，我才知道，原来“受力分析”根本就不是“力学”所必须的，伟大的物理学家约瑟夫·拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange）在他的《分析力学》一书中庄严地宣告：“在这本书中找不到任何插图，我在这本书中阐述的方法，既无作图也无须几何或力学的推理，而仅仅是按照常规的统一的代数运算固有的过程。”这对当时的我形成了一种巨大的“文化冲击”。诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）更是在他的文章中一针见血地讨论过这一问题，他指出：“同现代基础物理相比，‘力的文化’定义很模糊，视野有限，而且是近似的……力持续被使用的原因很大一部分是出于精神上的惯性。”类似的文化冲击还有很多很多，而一旦走过了中学物理的鸿沟，我才发现物理学背后隐藏着美妙的结构与形式，这些都是在中学的物理中绝对无法体会的东西。第二个被跨越的是“习题物理”的鸿沟。

在中学和大学，我们做过无数的物理学习题，习题给定了一些条件，要求证明或者求解某些特定的问题，但“习题”完全不同于那些物理学家真正想要解决的问题。对物理学家来说，最重要的根本就不是解题，而是“提出问题”。这世界上有大量的问题根本还没有用精确的数学语言表达，只有一个模模糊糊的想法，物理学家在实际工作中遇到的困难在于，怎样才能将这个想法转变成定义良好（well-defined）的问题？要知道，在阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）提出狭义相对论之前，物理学家并没有合适的语言来描述“追光”这样的问题，对爱因斯坦来说，他需要重新定义“时间”这样基本的概念，这无疑是比解题困难得多的事情。而当问题被提出来之后，“解决问题”也不等同于“解题”。对物理学家来说，没有什么是给定的条件，如果因为条件限制无法测量或者计算某些东西，我们完全可以通过国内或国际合作来解决这些问题。物理学家还可以通过一些简化和近似，将真实世界中复杂的问题抽象为“真空中的球形鸡”，在此基础上对问题进行定性半定量的分析，以获得对问题基本图像的理解。有了前面的这些分析，问题的求解很可能会变成不那么困难的问题，我们甚至可以用多种方法对一个问题进行求解，一个经典的例子就是“气压计问题”：题目要求用一个气压计测量一栋大楼的高度。我们当然可以根据楼顶与地面的气压差来估算楼的高度；不过我们也可以从楼顶扔下气压计通过自由落体公式来计算楼的高度；我们甚至还可以把气压计作为礼物送给大楼的管理员，直接让他告诉自己这栋楼的高度。第三个被跨越的是“科普物理”的鸿沟。“科普物理”是我自己发明的一个词，指的是通常在科普书中所能读到的一些物理学内容，这些内容通常包括宇宙学、量子力学、基本粒子以及弦论等等。这些“知识”也常常出现在科幻小说和科幻电影中，给普通公众一种充满“神秘感”的想象。然而随着我自己也成了物理学领域的研究者，我才突然意识到：这些领域的研究者只是物理学家群体中的少数派，绝大部分的物理学家所关心的是各种凝聚态体系。这曾经让我也觉得非常困惑，为什么这么多伟大的头脑既不去“仰望星空”，也不去钻研物质的最基本构成，而是去关心一些奇奇怪怪的材料的性质呢？我怀着这样的困惑，开始学习固体物理等凝聚态物理课程，才发现一块小小的固体里隐藏着不比宇宙更简单的秘密。在公众所熟知的“科普物理”之外，物理学家们还有另一套完整的世界观。

著名的华人物理学家文小刚曾经在采访中这样对比两种不同的思路：“以前的思路是，你要找一个东西的起源，都是要把它分解，来得到其组成和基本构件，分得越小就越基本……新思路下，结构是更重要的。考虑结构会使我们对自然界的基本性质有更深刻的理解，这跟老思路考虑物质的构件很不同。二者的区别就好比，观察一根绳子时，是看它由什么分子构成的，还是看这根绳子的扭结结构是什么。老思路看重基本构件是还原论，而新思路看重组织结构（序）是演生论。”虽然物理学家们可能以不同的思路为切入点，但物理学内在逻辑是统一的，各种不同领域的研究是存在联系的，这种思路上的差异让物理学的研究变得丰富多彩。

帮助读者们跨越上述三个鸿沟正是我写这本书的理由，我希望可以向物理学的爱好者们展示那些在教科书、习题集和其他科普书籍中较少见到的一些东西——事实上，我在知乎上的许多回答也在进行着这样的尝试。

对于那些大家在教科书中早已熟悉的论题，如能量守恒、热力学第二定律、不确定关系等，我希望本书的讨论可以延伸读者们对相关问题的理解；而面对那些大家习以为常的“问题”，我希望仔细地介绍为什么那些伟大的物理学家可以提出这些重大的问题，这些重大的问题在物理学的发展中起到了怎样的作用；与其他科普书中体系化的叙述不同，读者在阅读本书时不必下定决心从头开始阅读，完全可以从自己感兴趣的章节开始，而针对那些在其他科普书中同样提到的问题，例如“时间是什么”“麦克斯韦妖（Maxwell's demon）”“宇宙的命运会怎样”“量子纠缠是怎么一回事”等等，我希望本书中的讨论可以向读者传达一些更新的理念。此外，由于本人的研究领域主要是与生命系统有关的统计物理，出于本人的趣味，我希望尽可能地将信息、生命和智能的许多讨论穿插到物理问题的分析中，这些问题涉及的都是我所关心的或者是正在研究的领域，希望这些讨论可以为读者提供一些不同的视角，促成更多有意义的学科交流。

理查德·道金斯（Richard Dawkins）在他《自私的基因》（The Selfish Gene）一书的序言中提到，在他写作时，脑海中出现过三位假想的读者：第一个读者是不太熟悉相关领域的一般人；第二个读者是个有些挑剔的专业人士；第三个读者则是从外行向内行过渡的学生。要让一本书同时面对这三位读者，需要非常精细地考虑各种平衡。我平时喜欢阅读各种科普书籍，但我也常常感到强烈的挫败感。杨振宁曾经有一句名言：“有那么两种数学书，第一种你看了第一页就不想看了，第二种是你看了第一句话就不想看了。”遗憾的是，不只是数学书如此，很多科普书也有类似的问题，在写作过程中，我时常警告自己，希望自己不要成为那种“自己讨厌的人”，写出“自己讨厌的书”，希望我的这本书会比通常的科普书更好读一些。不过，说到好读，最好读的莫过于小说了，但过于有趣的叙述却时常与准确的物理学概念冲突。我想到美籍华裔物理学家徐一鸿（Anthony Zee）曾经提到过的一个重要的警示，徐先生曾将爱因斯坦“物理学应尽可能简单，但不能过分简单”的名言改为了“物理学应尽可能有趣，但不能过分有趣”。这也是我非常认同的想法。有趣的故事能让大家对许多物理学定律有更准确和更深刻的理解，但“太有趣”常常会让真正的重点弱化，让读者产生一些多余的联想和不必要的误解。在写作过程中，避免“过分有趣”也是一个非常重要的考量，希望这本普及性质的读物可以兼顾物理叙述的准确性和讨论的前沿性，期待本书能帮助不同知识背景的读者渐渐走到自己的“舒适区”。

感谢中南博集天卷文化传媒有限公司和知乎的出版部门为本书的出版所做的重要工作。感谢凯风基金会与集智俱乐部在2016年国庆期间主办的“网络、几何与机器学习”研读营，在此次研读营中所讨论的大量问题为本书的写作提供了实质性的帮助。另外，谢晓月老师为本书精心绘制了非常可爱的插画，希望这些萌萌的插画可以缓解读者在阅读严肃的物理讨论时感受到的压力。在这本书写作和完成的过程中，还有大量朋友为这本书的草稿提出过重要的建议，在此特别感谢章彦博、杨凌、刘大可、张倩、王小川、郭瑞东、程嵩、曾培、张雅琦、朱浥青、王雄、党训旺、田凯文等朋友在提高这本书的可读性和语言的准确性方面的重要贡献。感谢我的家人、老师、同学以及来自五湖四海的朋友们对我的科研和写作的理解和支持。

由于本人知识水平的限制，可能在讨论某些具体问题时显得有些肤浅，很多讨论也可能存在一些疏漏，这些不妥之处都应由我本人负责，在此提前向各位专业读者表示歉意，还请各位朋友不吝指教（fuwocheng1024@gmail.com），相关的勘误信息和各类资料的补充会同步在我的知乎账号（@傅渥成）中更新。我自己只求满足于生命永恒的奥秘，满足于觉察现存世界的神奇的结构，窥见它的一鳞半爪，并且以诚挚的努力去领悟在自然界中显示出来的那个理性的一部分，即使只是极小的一部分，我也就心满意足了。阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）PART 01终极的终极The ultimate truth寻求天地间的联系或许是人类这种爱思考的动物所独有的爱好。物理学真正揭示了天地之间的不同现象中隐藏的联系

寻求天地间的联系或许是人类这种爱思考的动物所独有的爱好。在圣经中有“巴别塔”的故事，人类想联合起来建造直通天堂的巴别塔，而上帝阻止了人类的这一计划，并让人类有了不同的语言。此后人类停止了这一工程，并且最终分散到了世界各地。在中国古代的传说中，有一个类似的故事，相传上古时期，天地之间可以相通，而到了少昊之衰时，由于“民神杂糅”，人类对神没有了敬畏之心，因此秩序混乱，引发了许多灾祸。帝颛顼即位后，“乃命南正重司天以属神，命火正黎司地以属民，使复旧常，无相侵渎，是谓‘绝地天通’”（语出《国语·楚语下》。自此以后，天地之间的联系终于断绝，但人类从来没有放弃过探索这些隐藏的“联系”。在地球的各个文明中，都有一群占星家，他们观测天象变化，并据此占卜人间的吉凶，预测历史的行程。直到今天，当我们提起“朱雀玄武”或者“巨蟹天蝎”时，会发现这些寻求联系的尝试仍在影响着我们的文化。

然而，天地间的联系却是以另外的一种面貌展现在我们的眼前。在艾萨克·牛顿（Sir Isaac Newton）发现万有引力定律之前，没人会想到支配苹果下落的力跟支配天体运动的力竟然是一码事。而在本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）放风筝之前，也没有人能真的验证摩擦所产生的“静电”与天空中的“闪电”是一码事。当我们回过头来思考这两个伟大发现，会发现其背后某种象征性的意义。他们比所有的占星术士走得更远，他们是盗火的普罗米修斯，真正揭示了“天”与“地”之间的不同现象中隐藏着的某些联系。我们今天把这些联系称为“物理学”。牛顿：对于同类的结果，必须给以相同的原因

当我们发现各种不同现象之间的联系时，其实还只是揭开了大自然壮丽银幕的一角，物理学家的好奇心和野心还远不止于寻找联系。牛顿在他的巨著《自然哲学的数学原理》（Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica）中曾经提到四条“研究哲学的规则”，其中的第二条规则为“所以在可能的状况下，对于同类的结果，必须给以相同的原因”。牛顿的这种想法很可能来源于一神论（monotheism），但到了牛顿的时代，这种追求“统一”的理念已经变得相对成熟。在牛顿看来，找到这些同类结果背后相同的原因才是更重要的事情，然而这种对“统一”的理论探索却要比对“现象”的研究要困难得多。

这种困难主要表现在三个方面：首先，如果要对各种纷繁复杂的现象找到一个统一的解释，那么在科学界必须已经积累了一定的实验结果，例如牛顿的“统一”就是建立在开普勒（Johannes Kepler）三定律的基础上的，这些伟大的先行者正是牛顿所依赖的“巨人的肩膀”。而在历史上，导线中的电流、指南针的偏转和照进我们眼睛中的光曾被认为是三种完全不同的现象，它们分别对应于电学、磁学和光学，如果没有奥斯特（Hans Ørsted）实验和法拉第（Michael Faraday）电磁感应定律等伟大的发现，那么詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）也很难仅凭自己的想象建立出一套统一的框架来描述电磁现象。如果没有麦克斯韦方程组，即使是爱因斯坦这样天才的人物也无法提出改变世界的相对论了。

另一个困难来源于科学之外。尽管“科学”本身可以独立于“技术”而存在，但科学却并不是独立发展的，很多具体的科学问题是由于技术、经济和社会的发展应运而生的，所以我们其实很难超越自己的时代，提出或者解决科学中的诸多抽象的问题。炼金术曾经长期困扰着不同文明时期的人们，有无数的君王都曾经资助过炼金术士，然而这些尝试都失败了，直到人工核反应的发生，人类才真正控制了元素之间的转化。从这个角度来看，正是由于技术的进步，科学家才提出了正确的问题。曾经人类对制造永动机乐此不疲，而随着工业革命的到来，为了提高蒸汽机的工作效率，在工程师不断地改进技术的同时，物理学家终于提出了正确的问题，于是有了统一各种不同的热现象的热力学；而正是因为有了电动机的技术，当企业主开始考虑是电能更省钱还是蒸汽机更经济的时候，才有了能量守恒定律的发现；随着信息技术的蓬勃发展，在IBM这样的IT企业中，物理学家开始思考信息处理的能耗问题，并最终统一了热力学和信息科学。

此外，我们的直觉和偏见还可能误导对这种“统一”的探索。“直觉”常常会让我们过度乐观，相信各位读者在中学物理课上学到万有引力定律与静电荷的库仑定律（Coulomb's law）时，也会很自然地在直觉上建立起二者之间的某种联系：万有引力的大小与两个物体的质量乘积成正比；库仑力与两个带电物体所带的电荷的乘积成正比，更奇妙的是，这两种力的大小都与两个物体间的距离的平方成反比。两种大小相差巨大的力竟然有着如此相似的表达式，这不免会引起我们每个人的思考。这种相似的形式暗示了某些相同的对称性，但这离“相同的原因”还有着很远的距离，直到今天，仍然没有能被实验验证的理论，将电磁相互作用（量子力学）与引力（广义相对论）统一起来。我们的“偏见”又常常会让我们过度悲观，例如在历史上，物理学家、化学家都曾经相信“生命”是某种与非生命的物质完全不同的存在形态，古往今来有无数科学家尝试称量灵魂的重量或者寻求那些与“生命力”有关的特殊的物质或者相互作用，不过这种特殊的物质（或者相互作用）却并不存在，生命与非生命被无情地统一在一起，它们共享相同的物理学和化学原理。“统一”的视角改变了我们看待世界的眼光

在爱因斯坦提出狭义相对论以前，“绝对的时空观”主导了我们对时间和空间的看法。

在1905年爱因斯坦提出狭义相对论以前，我们大家都抱持着一种“天涯共此时”的认知，我们相信所有的人、所有的事物都在同一个时空的舞台上展现：不管是斜面上的滑块、苹果落地、行星运动，或者是电磁场中的粒子……虽然运动的相对速度可能发生变化，但“时间”始终是绝对的。而当狭义相对论被建立起来以后，我们把“时间”看成空间的第四个维度，将时间和空间看成统一的“时空”，自然界中的各种力学、热学、电磁学和光学现象都是在时空的舞台上表演。这些奇妙的表演是否有规律可循？爱因斯坦在狭义相对论中阐明了这种规律，这是一种新的时空观：在所有惯性系中，物理定律有相同的表达形式；在所有惯性系中，真空中的光速不变。这里“相同的表达形式”和“光速不变”体现的都是物理体系某种保持不变的性质。1907年，爱因斯坦的老师闵可夫斯基（Hermann Minkowski）真正找到了在爱因斯坦的框架下保持不变的物理量，他将过去被认为是独立的时间和空间整合到一个四维的时空中，其中时间是一个与三维的空间略有不同的维度。我们今天将四维的时空称为“闵可夫斯基空间”。

闵可夫斯基时空可以帮助我们理解许多狭义相对论有意思的推论，相信大家在阅读各类科幻小说或者科普读物时都已经听说过这些推论。例如，物体运动时，空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化（尺缩和钟慢效应），怎样理解这种时空的变换？在《理想国》（Πολιτεία）中有一个“洞穴比喻”：一群囚徒生活在洞穴里，他们能看到的只是火光在洞穴的墙壁上映出来的自己的阴影，他们却相信这些墙上的影像都是真实的事物。这个比喻有着丰富的内涵，柏拉图希望用这个寓言来解释其认识论，尤其是“教育”对人性所起到的重要作用。洞穴的比喻对我们理解相对论有着绝妙的用处，因为洞穴里的人能直观想象的是二维空间（墙上的投影），无法理解真正的三维空间，而我们愚蠢的人类很容易想象三维空间，却常常难以理解四维时空。洞穴里的人走出洞穴理解三维空间的过程可能有助于我们从三维空间理解四维的时空。洞穴里那些被锁住的囚徒，眼前见到的墙上的影子也会保持不动。这时，洞穴里的“毕达哥拉斯”（Pythagoras）提出了勾股定理，定义了洞穴墙壁上两点间的距离：

但是，如果有个人运动起来，例如当一个人朝着墙走去，他看到自己的影子变大了，在洞穴中的其他人看来，真正有意义的“空间”只是展示着投影的墙壁，而这个人的运动发生在另一个维度（z）上，这个额外的空间维度是洞穴中的人难以理解的“时间”。为了解释这种运动所带来的效应，洞穴里的“爱因斯坦”于是提出了一个洞穴版的“相对论”：运动的物体的尺寸会膨胀（正“时间”方向）或收缩（逆“时间”方向）。随后，洞穴里的“闵可夫斯基”看穿了这一切，他解释说，其实真实的世界不是二维的，我们必须加上“时间”的维度，把空间扩展为三维。在“时间”轴上的运动，导致我们在二维空间中的投影发生了伸缩，可是在三维空间看起来，我们每个人的尺寸仍然是保持不变的。洞穴里的“闵可夫斯基”定义了一种考虑了时间维度（z）的三维空间中的距离：

三维空间中的闵可夫斯基同样对于“时间”有自己深刻的看法。我们对“时间”之所以难以想象，其实就是因为我们是在更高维的“洞穴”中生活的囚徒。在闵可夫斯基看来，尽管爱因斯坦的相对论是“相对”论，但如果我们站到四维空间的洞穴里，我们可以定义出一种新的“距离”，这种距离称为时空间隔（spacetime interval），它是四维空间中的不变量：

这里的i是一个虚数单位，c是光速。时空间隔的不变性其实告诉我们，相对论虽然名为“相对论”，却表现得更像是“绝对体”。闵可夫斯基发现，只要增加一个维度，很多物理量就可以在相对论的时空变换下保持不变，这种相对论的时空变换最早由亨德里克·安东·洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz）提出，但洛伦兹没有爱因斯坦那么深刻的物理学洞见，仅仅是把变换中的“时间”看成数学上的辅助变量。在洛伦兹变换下保持不变的物理量被称为洛伦兹不变量，时空间隔就是一个洛伦兹不变量。

类比这个“时空间隔”的定义，我们还可以将“能量”的概念在狭义相对论下进行扩展。在狭义相对论中，不但物体的运动会让物体具有能量；当物体静止时，能量会与物体的静止质量（这也就是牛顿力学问题中常见的“质量”）m成正比，能量与静止质量之间的换算2关系即为大名鼎鼎的E=mc。因此，在狭义相对论中，一个物体的能量等于：这种被扩展的“能量”概念同样是一个洛伦兹不变量，它与时空间隔有着相似的形式。上面的公式通常被简写为：图1-“洞穴比喻”与相对论这个关系即为相对论中的“能量－动量关系”。因此，在狭义相对论的框架下，不但时间和空间被统一了起来，能量与动量被统一了起来，质量与能量也被统一了起来。

虽然面临着诸多的困难，可一旦科学家们建立起了某些统一，我们就如同从洞穴内走出，那些长久以来困扰我们的问题终于有了解决的可能，我们看待世界的角度便从此焕然一新了。曾经提出过哲学命题“我思故我在”的法国著名哲学家勒内·笛卡尔（René Descartes）还是一位科学家，他不但是直角坐标系的发明人，在他的《折光学》（1637年）一书中，为了解释光的本质还提出了两种假说，这两种假说后来分别发展为以牛顿为代表人物的“微粒说”和以克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）为代表人物的“波动说”。这两种观点的争论曾经以“波动说”的胜利宣告结束，而麦克斯韦的“统一”更是让“波动说”达到了巅峰。然而，在麦克斯韦去世后八年（1887年），德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Hertz）发现了光电效应（Photoelectric Effect），此后又过去了十八年，在一个奇迹的年份（1905年），爱因斯坦发表了《关于光的产生和转化的一个探索性观点》，重新将光看成一种粒子，提出了“光子”的假说。终于，在1924年，出身公爵家庭的王子路易·维克多·德布罗意（Prince Louis-Victor de Broglie）受到爱因斯坦理论的影响，提出了“波粒二象性”（wave-particle duality）的观点。德布罗意说：“我的根本主张，是要推广这种波与粒子的共存性（coexistence）。”这一观点深深影响了后来量子力学的发展——既然光这样的电磁波可以表现出粒子的性质，那么电子这样的粒子应该也会表现出波动的性质——埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）、保罗·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）等人提出了描述电子波动的运动方程，建立起了量子力学大厦的重要根基。薛定谔因而开始思考宏观物体的量子特性问题：宏观物体也可以处在如同“波”的叠加态中吗？基于对这一问题的思考，他提出了著名的假想实验——“薛定谔的猫”。在这一假想实验中，只要不进行测量，那么猫就可以处于“死”与“活”的叠加态，这种状态颠覆了我们对宏观世界的想象。而近年来，随着技术的发展，科学家们也有了越来越大的野心，科学家们开始考虑将冷冻的细菌制备到量子叠加态，而这又可能带来全新的问题，如果存在着意识的生命体能够观察自身，那么处于薛定谔猫态的细菌，是否可能通过对自身的观测让自己保持不死之身呢？这时，我们突然又想起了笛卡尔，或许正是因为科学家们在近400年里对“统一”的求索，最终回到了“我思故我在”的问题上。爱因斯坦：通往大统一的道路不是一帆风顺的

对“统一”的追求深深影响了一代又一代的物理学家，爱因斯坦正是其中最具代表性的人物。在提出了伟大的狭义相对论之后，爱因斯坦又开始思考更宏大的问题。由于一个处在封闭空间中的观察者无论采用什么测量方法（例如投掷小球、跳高、单摆实验……）都无法区分自己到底是处于引力场还是处在一个加速参考系之中，爱因斯坦因此提出了“等效原理”。自此，“引力”和“时空”建立起了联系。在牛顿的万有引力定律中，“引力”是一种力，这种力拉着物体，不断改变运动物体的速度，而在广义相对论中，引力是时空扭曲的一种效果。在这种视角下，天体的运动应该解释为，在一个弯曲的时空中，物体的运动受到了影响。

爱因斯坦的广义相对论方程给出了质量与时空曲率的基本关系。在广义相对论的框架下，我们已经不能再简单地把物理规律看成是在“时空”的舞台上表演，而应该把时空也看成是戏剧的一部分。在弯曲的时空中，不但一般物体的运动会受到影响，光线也不会再沿着直线传播，而是会去往时间流逝最慢的地方，光线因而沿着弯曲时空中的“测地线”进行传播。如果要验证爱因斯坦的广义相对论，就要观测光线在引力场中的弯曲，而这一点在爱因斯坦的理论提出后不久就得到了验证，1919年11月，英国皇家学会和皇家天文学会举行联合会议，正式宣布了英国天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿（Sir Arthur Stanley Eddington）所率领的赴非洲和南美的观测队的最终结果及结论，爱丁顿的两个观测队通过在日食期间观测光线在太阳附近的弯曲，证明了广义相对论的正确性。亲历了发表会现场的哲学家艾尔弗雷德·诺思·怀特海（Alfred North Whitehead）这样回顾当时的场景：“那种洋溢着浓厚兴趣的气氛完全是希腊戏剧式的。我们都齐声称颂着这一卓越事件在发展过程中所显示出的命运的律令。”

受到这一巨大成功的鼓舞，爱因斯坦又开始了新的尝试，在爱因斯坦看来，所有的物理定律应该有着相同的起源，于是，爱因斯坦开始建立这样一种能够统一引力和电磁力的“统一场论”。然而，爱因斯坦的这一尝试却失败了，更为要命的是，正因为其全身心投入对统一理论的研究，加上其对量子力学“上帝掷骰子”的概率解释的抗拒，从二十世纪三十年代开始，他就把自己孤立在了物理学的其他研究之外。在电磁相互作用和弱相互作用的“统一”方面做出过重要成就的物理学家史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）这样评价爱因斯坦的这一错误：“也许爱因斯坦的最大错误是变成他自己成就的囚徒。世界上最自然的事情，就是一个往日获得过巨大成功的人试图沿用曾经如此管用的方法来获得进一步的成功。我们不妨想想1956年苏伊士危机期间一位貌似懂行的苏联军事专员对埃及总统迦玛尔·阿卜杜尔·纳赛尔（Gamal Abdel Nasser）所提的建议：‘将你的部队撤到国家中部，然后等待冬天。’”然而遗憾的是，埃及冬季平均最低气温大约为14℃，这一温度与西伯利亚夏季的平均温度大致相当，老办法终于还是遇到了新问题。图2-广义相对论将引力视为空间的弯曲狐狸知道很多事，但是刺猬只知道一件事

为什么爱因斯坦会陷入这一困境之中呢？美国著名的数学物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）在他的《反叛的科学家》（The Scientist as Rebel）中提到过相关的问题。在他看来，与爱因斯坦犯了同类错误的人还有尤利乌斯·罗伯特·奥本海默（Julius Robert Oppenheimer），奥本海默是美国“曼哈顿计划”的主要领导者。在战争开始前，奥本海默曾经研究过爱因斯坦广义相对论方程，1939年，在德国入侵波兰的当天，奥本海默和他的学生曾经在《物理评论》（Physical Review）上发表过一篇关于广义相对论问题的论文，在这篇论文中指出：一颗质量足够大的恒星可以造成极致密的堆积，以致光都无法穿越——我们今天知道，奥本海默所预言的正是“黑洞”（black hole）的存在。然而，随着曼哈顿计划的成功，战争终于结束了，此时的奥本海默已经不再对黑洞这样的问题感兴趣了。爱因斯坦也是如此，虽然作为广义相对论的提出者，但随着他在统一论方面研究的不断深入，他自己也对黑洞这样的问题失去了兴趣，甚至对于黑洞的存在性也不再感兴趣。戴森曾经就这一问题与奥本海默讨论，“这种视而不见和漠不关心是怎样产生的？我从未跟爱因斯坦直接讨论过这一问题，但是我跟奥本海默讨论过好几次，我相信奥本海默的回答也适用于爱因斯坦。奥本海默在晚年时相信，只有能导致物理学基本公式发现的问题，才值得严肃的理论物理学家关注。爱因斯坦肯定也持同样的观点。关键是找到正确的方程。一旦找到了正确的方程，研究这些方程的特解就成了二流物理学家或研究生的常规练习。在奥本海默看来，我们自己去操心那些特解的细节，简直是在浪费他的或我的宝贵时间。”

戴森与奥本海默或爱因斯坦有着完全不同的风格。戴森本人曾经沿用哲学家以塞亚·伯林（Isaiah Berlin）的比喻，将科学家分成“刺猬”和“狐狸”两类，伯林的这个比喻来自于一句古希腊谚语：“狐狸知道很多事，但是刺猬只知道一件事。”伯林用“刺猬”和“狐狸”对人类历史上的许多思想家和艺术家进行分类，其中刺猬型的思想家会用某种基本的观点去看待人类社会中纷繁复杂的诸多事情，这样的思想家包括柏拉图“柏拉图”、黑格尔（G.W.F.Hegel）等人；而狐狸型的思想家则是对许多事情感兴趣，这样的思想家包括亚里士多德（Aristotle）、威廉·莎士比亚（William Shakespeare）等。将这一想法延伸到科学界，沉迷于统一理论的爱因斯坦无疑是“刺猬”，而戴森本人则无疑是“狐狸”了。因为戴森本人的数学背景，他曾经“快乐地寻找我的数学技巧可以派得上用场的科学领域”，他研究过粒子物理、统计力学、凝聚态物理、天文学、生物学中的各种问题。在戴森看来，“科学是一种艺术形式，而不是一种哲学方法。科学上的伟大进展通常得自新的工具，而不是得自新的学说。”爱因斯坦广义相对论的发现本身就可以作为戴森这一论述的最好例证。爱因斯坦的相对论无疑是一种“新学说”，但这种新学说的建立却与“新工具”的使用是分不开的。爱因斯坦在思考与引力有关的时空弯曲的问题时曾经遇到过巨大的困难，于是他向大学同学并且是数学家的马塞尔·格罗斯曼（Marcel Grossmann）请教，格罗斯曼告诉爱因斯坦他所需要的是一种新的数学工具。这种爱因斯坦在当时还没有听说过的工具是由数学家波恩哈德·黎曼（Bernhard Riemann）建立的，它可以很好地对弯曲的空间中的几何问题进行定量的刻画。而爱因斯坦正是借助着这种新的数学“工具”，将引力描述为因物质与能量而弯曲的时空，最终建立了广义相对论。形式上的统一

为什么“新工具”如此重要？这是因为新工具常常可以帮我们实现“形式化”（formalized）的统一。一些曾经难以描述的困难问题，在新工具的帮助下，常常可以对应为那些我们已经熟知的问题。在我们日常的语言中，一些不经意间的“比喻”也蕴含着形式化的对应。例如当我们描述网络上一些广告信息的传播时，我们会将其称为“病毒营销”，而当我们自己能抵制一些网络上的不实信息时，我们会说自己已经对谣言“免疫”了，这里的“病毒”和“免疫”等词其实将互联网上的信息传播过程等价为了一个传染病的传播问题，这种对应也的确是可以形式化的。

西方有句谚语：如果它看起来像鸭子，游泳像鸭子，叫声像鸭子，那么它可能就是只鸭子。这背后也有着朴素的物理原理。即使这只鸭子是一只天鹅所假扮的，但因为这种相似性，我们至少在描述它的形态、游泳和叫声方面，可以用“鸭子”的方程来描述。如果两种完全不同的事物可以用相似的方程来描述，这两种不同的事物就达成了“形式上的统一”，两件完全不同的事物会表现出许多深刻的相似性。正因为如此，疾病控制中的若干方法同样可以成为控制舆论的手段，而病毒的传播和进化的战略可以帮助营销人员不断花样翻新自己的宣传策略。这种“统一”仅仅关注于问题的形式而非本质，因此正是“狐狸”们所钟情的方法论，更重要的是，如果不同的问题背后存在着形式的相似性，那么当我们解决了其中一个问题时，就意味着我们很可能不只是解决了这个问题本身，还解决了与这个问题有关的位于不同学科分支中的一大类问题。正因为如此，物理学家常常可以轻松切换自己的研究方向，并且也不用那么担心会因为学科的发展陷入低潮而失业，这真是非常激动人心的一件事。

这种“形式上的统一”在物理学中有许多有趣的实例。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆（Andre Geim）和他的学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）在实验中成功地从石墨中分离出石墨烯（graphene）。海姆本人是一个有趣的极客，他曾经因为将一只青蛙悬浮在磁场中而获得搞笑诺贝尔奖。当海姆看到他的学生用透明胶带来清洁石墨表面时，他的好奇心再次爆发了，他把胶带放在显微镜下观察，发现胶带粘上的石墨厚度竟有几十层，于是，一种“崭新”的制备方法诞生了，海姆反复地用透明胶带来粘已经变得很薄的石墨层，最终，当胶带上粘着的碳原子只剩一层时，石墨烯就被发现了。石墨烯是一种二维材料，它是单层的石墨，它由在平面上排成蜂窝状的碳原子构成。研究石墨烯的电学性质时，物理学家们发现，石墨烯中的电子运动非常诡异，通常，电子的能量与动量的平方成正比（因为动能中有速度的平方项），然而石墨烯中电子的能量与动量间却呈线性关系，电子的质量仿佛是不存在的。这种“质量不存在”的性质让我们想到了一些其他粒子（例如没有质量的光子），而光子是一种以光速运动的粒子，描述光子的运动会需要用到相对论。虽然石墨烯中的电子运动的速度很快，但却并不是光速，不过这种运动的特征又太像相对论性的粒子。从形式上来看，石墨烯中的电子可以用相对论量子力学（狄拉克方程）来刻画，正是因为这种性质，石墨烯成为一种罕见的可帮助物理学家研究相对论量子力学的凝聚态物质。

下一个有趣的例子仍然与相对论有关。根据广义相对论，因为引力所导致的时空弯曲，光线不再沿着直线传播，而是沿着弯曲时空中的“测地线”传播。因此，如果在光线传播的道路上突然出现了一个大质量的天体（例如黑洞），那么光线就会发生偏转。这种光线的偏转就类似于“透镜”的作用，我们在中学都做过类似的实验，在阳光下，用一个放大镜（凸透镜）可以将平行的太阳光进行弯折，使之汇聚在纸上的一点，最终，因为聚焦点局部的高温，这张可怜的纸会被点燃。透镜的这种扭曲光线的作用与引力所导致的弯曲有着极大的相似性，因此，物理学家将光线在引力场中的偏折称为引力透镜效应（gravitational lensing），通过分析来自于天体背后的光源的扭曲，可以帮助人们研究类似于“透镜”的那些天体或者星系的引力场的性质。更有趣的是，我们还可以考虑一个与之相反的问题，既然天空中的天体与“透镜”有着类似的光学性质，那么我们也可以利用一些具有特殊性质的光学材料，构造出类似于“黑洞”的人造结构，这些人工的“黑洞”，一方面可以作为研究广义相对论的小型装置，另一方面也为能源的收集等问题打开了新的思路。图3-石墨烯的结构示意图图中的碳原子（用圆球表示）周期排列形成了蜂窝状的结构图4-引力透镜与普通光学透镜的相似性南部阳一郎：在不同的领域间架起桥梁

一位伟大的数学家曾经说过这样一段话：“数学家能找到定理之间的相似之处，优秀的数学家能看到证明之间的相似之处，卓越的数学家能察觉到数学理论之间的相似之处。而最顶级的数学家能俯瞰这些相似之处之间的相似之处。”物理学家也是如此。爱因斯坦那样的物理学家寻求“终极定律”式的统一，但也有部分的物理学家首先关注于形式，希望从中发现不同的领域间隐藏的联系。著名的物理学家南部阳一郎（Yoichiro Nambu）先生的一位学生曾经这样描述当他见到南部先生时的第一印象：

我初次见到南部阳一郎先生大约是在十年前，当时是在芝加哥大学的一次研究生讨论班上，我在后排。我看到台上的小个头的男人，穿着整洁的西装，在黑板上画着弯弯曲曲的线。有时候他说这些线是在超导体内发现的涡旋线，有时候他说这些线是连接夸克之间的弦。在不同的领域之间建立起桥梁，这让我觉得困惑，但同时又为此而着迷。

南部的这种看似“跳跃”的风格的确会常常让人感觉困惑。公众更是不太理解这种基础性的工作，即使是受过一些科学教育的学生，普遍容易理解的物理学突破应该是要么像超导现象那么直观，要么就是一些基础性的实验发现，例如2012年欧洲核子中心（CERN）发现希格斯粒子（Higgs boson）那样的突破，希格斯粒子与物质获得质量的原因直接相关，因此这种“上帝粒子”的发现曾经引起媒体的广泛关注。有趣的是，南部关于“对称破缺”的工作正是将“超导”与希格斯粒子这两个看起来风马牛不相及的研究领域建立起联系，深深地影响了后来的研究者。2013年，因为希格斯粒子的发现，理论物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）也获得了诺贝尔奖，希格斯曾经在回忆自己的研究经历时，特别提到了南部先生在1960年所发表的论文，他说：“尽管我的名字被戴上这个领域的王冠，但是南部阳一郎首先提出，费米子（Fermion）的质量应该是由类似超导能隙形成的方式产生的。”

为什么南部会发现这二者之间的联系呢？这或许与南部本人的教育背景有关，他在东京大学接受的教育，在当时的日本，有以汤川秀树（Yukawa Hideki）等为代表的一代物理学家，这些物理学家在粒子物理方面有着很深的造诣，在战后，这批物理学家很快就赢得了国际学术界的尊重。所谓的“粒子物理”，研究的是物质的基本构成，从微观的视角出发，关心夸克、电子、光子、中微子等基本粒子。然而这些基本粒子理论的研究者主要集中在京都大学，南部所在的东京大学相对凝聚态物理更强一些。所谓的“凝聚态物理”，研究的是凝聚态物质（主要是固体）的性质，因为是研究材料整体的性质（如电学、磁学和光学性质等）。关于“希格斯粒子”的研究很显然属于粒子物理的范畴，而“超导”相关的研究很明显属于凝聚态物理学。这两种研究的区别非常明显，还是以超导为例，超导现象应该是电子表现出的某种“集体行为”，而这种集体行为显然是与单个电子性质完全不同的——正因为如此，凝聚态物理和粒子物理看起来是相隔非常遥远的两个分支，可南部在诺贝尔奖的颁奖演讲中特别提到：“我必须承认，早期对凝聚态物理的那些基础研究对于我是非常有帮助的。”此后，虽然南部转向了基本粒子的研究，但他却并不“专一”，南部曾经将他的基本粒子理论称为“超导体模型”，可见凝聚态物理也对他产生了重要而深远的影响。

为什么南部可以将“超导的起因”与“粒子质量的产生”这两个完全不同的问题建立起联系呢？要想理解南部的思路，首先我们必须回到“超导”现象本身。超导现象在1911年由著名的低温物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）在液化氦气时最早c发现。所谓“超导”是指材料在低于某一温度（转变温度T）时，电阻变为零的现象，这一性质暗示我们超导材料具有无损耗输送电能的潜力；1933年，德国物理学家瓦尔特·迈斯纳（Walther Meissner）发现在材料的电阻变为零的同时，材料还表现出完全抗磁性，即超导体内部磁场为零，超导材料表现出对磁场的完全排斥，这一性质暗示我们超导材料在磁悬浮等方面也具有重要的应用。在迈斯纳发表他的重要发现的同时，希特勒上台，在德国爆发了排犹运动，有一对出生于富裕犹太家庭的兄弟被迫流亡，这对兄弟的名字分别叫海因茨·伦敦和弗里茨·伦敦（Heinz London and Fritz London），仿佛如他们的姓氏“伦敦”所暗示的那样，他们流亡英国，去往牛津大学从事低温物理研究工作。兄弟两人恰好一人擅长理论，另一人擅长实验，他们一起建立了描述超导体的电动力学方程，成功地解释了超导体的迈斯纳效应。我们在这里可以简单介绍伦敦兄弟的一个有趣的想法：为什么在超导体里面没有磁场呢？我们前面已经提到，麦克斯韦方程告诉我们，电、磁和光本质上都是一码事，那么在超导体内，没有磁场，这就意味着电磁波在超导体里面突然“刹车”了。

我们不妨沿着伦敦兄弟的想法继续思考下去。当光子可以“刹车”时，岂不是我们可以追上光的运动？这种“超光速”的问题让我们马上想到了爱因斯坦。的确，爱因斯坦是最喜欢思考“追光”问题的人。爱因斯坦在1900年从苏黎世联邦理工学院（ETH）毕业，但仅仅是毕业——还没有拿到学位。他接下来的两年没有找到教职，在数学家格罗斯曼的父亲的帮助下，他去了伯尔尼的专利局工作。这段专利局期间的工作经历使得爱因斯坦成为民间科学家们心目中的“祖师爷”，当然，爱因斯坦显然不是民科，他在专利局期间的工作甚至也不是与他此后的诸多发现毫无关系的。我们今天回顾狭义相对论时，常常会觉得奇怪：为什么爱因斯坦会想到光速跟测量之间的关系？因

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