“我唯一知道的是我什么都不知道——蘇格拉底”。
最近我聽到一種說法，就是說現(xiàn)代社會人文學科已經(jīng)到頭了，很難再出現(xiàn)顛覆性的理論。殊不知19世紀末到20世紀初，人們曾經(jīng)也有過相似的念頭，那個時候人們傾向于認為人類已經(jīng)解開了物理學上的大部分謎團，諸多學科已經(jīng)建立完善。一大堆普遍規(guī)律被發(fā)現(xiàn)，物理學上的空缺已基本被填滿，基礎也已經(jīng)很牢靠。許多人認為科學家已經(jīng)沒多少事可以干了——物理學的重大問題都已經(jīng)得到解決，20世紀只是鞏固和提高，似乎不大可能再出現(xiàn)革命。不過，1887年的一個實驗讓這種看法出現(xiàn)了縫隙。
19世紀末科學界的主流觀點認為光是一種波，所以必然需要一種媒介（例如水波必須有水、聲波必須有空氣），人們假設這種媒介稱作“以太”(19世紀以前，人們認為光以太是一種穩(wěn)定、看不見、沒有重量、沒有摩擦的東西，宇宙中充滿這種媒質)。在牛頓物理學中，光傳播就像池塘表面上水波。地球就像一艘在“以太水面"上運動的小船，在小船上的乘客看來，小船激起的漣漪朝著小船運動方向擴展的速度，要比向后擴展的速度慢。因為在前一種情況下要從漣漪原來的速度減去小船的速度，而在后一種情況下卻要把兩個速度相加，這叫做速度相加定理，這個定理一直被看做是不證自明的。因此，在穿過以太運動時，光的速度同樣應該隨著它相對于地球運動的方向的不同而不同。
1887年，經(jīng)過幾年的精心測量，邁克耳遜和莫利得出了一個令他們本人和整個科學界都吃驚而沮喪的結論：地球的運動對光速根本沒有任何影響，不管在哪一個方向上，光的速度都是完全相等的，這個奇怪的結果違反了速度相加定理。如果說有某種實驗結論違反了某個定律，那么只可能有兩個結論，要么這個實驗室錯的，要么這個定律是錯的，如果說這個定律——速度相加定理是有瑕疵的，那么牛頓物理學這座堅固光滑的大廈毫無疑問就出現(xiàn)了某種裂痕，如此建筑在這座大廈之上的所有東西就都無法斷言為毋庸置疑了。于是這實驗結論“就像一股發(fā)霉的味道”一樣。當時的人們還不敢這樣想象——這是古典物理學統(tǒng)治的終結的，牛頓定律并不是在任何時候、任何地方都適用。
1905年，德國物理學雜志《物理學年鑒》發(fā)表了一系列論文，作者是一位年輕的瑞士專利局三級技術審查員，名字叫做阿爾伯特愛因斯坦，那一年他向《物理學年鑒》遞交的五篇論文，其中的一篇概述了狹義相對論。狹義相對論用最簡單的話來說就是：質量和能量是等價的，它們是同一種東西的兩種形式，能量是獲得釋放的質量，質量是等待釋放的能量。由此，他得出著名的質能公式E=mc2（E是能量、m是質量、c是光速）。1998年，霍金在《時間簡史》序言中寫道：“我朋友有建議我書中不要寫公式，那樣會嚇跑至少一半讀者，所以我考慮過不寫，不過后來我還是決定寫且僅寫愛因斯坦的一個公式"E=mc2"。這足見質能公式的地位。愛因斯坦斷言在真空中，光速不變，它是個常數(shù)，由此可以完美的解釋宇宙性質的一些核心問題。狹義相對論也解決了光以太的問題，愛因斯坦的宇宙中不需要“以太”，這種假想出來的東西不存在。那么光速為什么在相同的介質中不變呢？答案是不知道，我們可以反證它，又或者這是實驗測得的結果，不過我們沒有定理在解釋光速為何不變。
狹義相對論是一項深刻而重要的成就，但這只是開始，狹義相對論之所以稱為“狹義”，是因為它研究的是完全無障礙（比如引力的作用）下的運動。愛因斯坦的思考并沒有停止。1917年，愛因斯坦發(fā)表了題為《關于廣義相對論的宇宙學思考》的論文，這個劃時代的理論徹底改變了物理學以及人們對宇宙的認知。簡單來說，廣義相對論的內容是：空間和時間不是絕對的，而是既相對于觀察者，又相對于被觀察者。廣義相對論徹底超出了人們大腦的想象。據(jù)說最初愛因斯坦想為引力問題找個答案，他思考的問題是，要是一個運動中的東西，比如光，遇到了引力這樣的問題會怎么樣？
在廣義相對論眾多概念中，最具挑戰(zhàn)性的，最直覺不到的是關于時間與空間的闡述。時間是空間的組成部分，時間不是絕對的，它可以改變，甚至是不斷變化的。時間甚至有形狀。用霍金的話來說：“一份時間與三份空間無法解脫的交織在一起，形成一份“時空”。愛因斯坦的宇宙不是空的，也不是平坦的，是彎彎曲曲的。我們看不到空間，但我們知道它不是平坦的。所以與其說物體（從天體到鋼筆無所不包）處于空空蕩蕩的太空，還不如說所有的物體（所有有質量的東西）處于一個看不見的“果凍”中。常用的對這個概念通俗的解釋是這樣的：想象一塊柔軟的地毯或類似的墊子，上面放個又圓又重的鐵球，鐵球的重量使墊子伸展和下陷。這大致類似于龐大天體（比如太陽）對時空的作用，凡是有質量的物體都能在時空底墊上造成一個凹坑，當你用一個小球滾過這個底墊的時候，當小球接近底墊下陷的部分，它就會滾向低處。所以對物理學家來說，萬有引力“不是一種力，而是時空彎曲的副產(chǎn)品?！被蛘摺霸谀撤N意義上，引力并不存在，使行星和恒星運動的是空間和時間的變形?！彼跃蛷V義相對論，我對萬有引力的解釋是：天體的弧形軌道并不是由于被某種力牽引的緣故，而是天體在彎曲的時空表面滾過或滑過的自然趨勢。需要說明的是，這種說法并不確切，只是為了便于理解。
廣義相對論可以推導出很多見解，其中之一是宇宙是膨脹或者收縮的。但當時的主流的看法是宇宙是固定的，永恒的，于是愛因斯坦為了這種“正確”的看法，給自己的理論中加上了一個常數(shù)，以使廣義相對論與宇宙學理論相符。幾乎于此同時，埃德溫哈勃正在花時間觀察宇宙星系的光譜。哈勃于1926年發(fā)布了他令人驚奇的結果：大部分星系是紅移的，而且紅移的大小也不是隨機的，而是與星系離開我們的距離成正比。換而言之，根據(jù)多普勒效應，星系之間的距離在增加，也就是說宇宙不是靜止的，而是在膨脹。
可見光由電磁場的起伏或波動構成，光的波長極其微小，而光的不同波長正是人們肉眼看到不同顏色的原因?？梢姽夥秶鷥?，最長的波是紅色的，最短的波是藍色的。多普勒效應是指，當波源向我們靠近時，波的頻率就越高波長也越短，當波源反方向離開我們時，波的頻率就越低波長也越長。這個原理最常見的例子是我們在馬路上遇到拉響警笛的警車或者救護車，當它駛向、經(jīng)過以及駛離我們的時候，我們聽到的警笛聲是不一樣的，所以我們可以只通過警笛聲的頻率來判斷警車是駛向我們還是在遠離我們。
至此，哈勃的觀察與愛因斯坦的理論完全相符了，幾十年后以此為基礎的“宇宙大爆炸”理論成為現(xiàn)代宇宙學中最有影響的一種學說。
在愛因斯坦和哈勃就宇宙大尺度結構方面成果累累的時候，另一些人在努力搞懂微觀世界的科學規(guī)律，這就是量子理論。1910年，科學家盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子內部主要是空無一物的空間，只有當中密度很大的核，比喻一下的話如果把一顆原子擴大到人民大會堂那么大，原子核大約只有一只蒼蠅那么大。但這馬上產(chǎn)生一個問題，傳統(tǒng)原子的假象圖是一兩顆電子圍繞著原子核轉動，就像行星繞著太陽轉動，但事實上這種假想是錯誤的，因為根據(jù)所有傳統(tǒng)物理學的全部定律，這樣狀態(tài)的原子就不應該存在。那么如果用量子力學來描述呢？由于量子理論的基礎是能量的傳輸是一份一份的整體，所以電子就根本不可能像軌道上運行的行星，而是像幽靈一樣的跳躍式，它會從一處消失，在另一處出現(xiàn)，就像瞬間轉移，這就是著名的“量子躍遷”，但是這種描述事實上還不確切，那只是為了遷就我們只管理解能力的說法，更加合乎量子力學的描述是：電子在所有地方同時出現(xiàn)，也在所有地方不出現(xiàn)，它出現(xiàn)或不出現(xiàn)沒有精確的值，只有概率。
電子的另一些古怪表現(xiàn)也讓科學家絕望，它有時候表現(xiàn)的很像粒子，有時候又像是波，這種難以置信的雙重性讓科學家抓狂。薛定諤偏重于電子波的屬性提出波動力學，海森伯偏重電子粒子的屬性提出矩陣力學。于是微觀領域就出現(xiàn)了兩種相互沖突的卻得出同樣結論的理論。最后一種妥協(xié)的辦法“不確定原理”，解決了這個問題，它說電子是一種粒子——不過是一種可以用波來描述的粒子。
古怪的事情繼續(xù)層出不窮。根據(jù)量子理論中的原理，某些成雙結對的亞原子粒子，即使被分開很遠的距離，一方如果旋轉，另一方馬上以相反的方向、相等的速率開始自動旋轉，這就是“量子糾纏”理論。這好比你有兩個臺球，一個在北京，一個在華盛頓，當你旋轉其中一個的時候，另一個馬上以相反的方向旋轉，而且速度完全一樣。這個理論現(xiàn)象于1997年得到了證實。而這種超距作用，即一個粒子可以在幾萬億公里之外影響另一個粒子，完全違反了狹義相對論，因為這種超距離瞬間的傳遞速度遠遠超越了光速。迄今為止，對于粒子是怎么辦到這件事的，誰也解釋不清楚。
量子力學在一定程度上打亂了物理學，結果是現(xiàn)代物理學有兩套規(guī)則，一套用來解釋小世界，一套用來解釋大宇宙，各過各的日子。
應該說21世紀的科學已經(jīng)得到長足發(fā)展，科技極大的改變了我們的生活，但迄今為止我們對我們生活的這個宇宙還幾乎一無所知，“它的年齡我們算不大清楚，我們與周邊的天體以及它們之間的距離我們并不完全知道，宇宙中充滿我們無法識別的東西，宇宙在按照物理學的定律運行，但這些定律的性質我們并不真正了解。”從某種角度來說，這就是我們所知道的宇宙知識的全部。
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