在艾萨克·牛顿爵士写下万有引力定律之前，没有人曾根据任何理由推测出我们身边的物理定律和宇宙中其他地方的是一样的。地球上一直发生的是尘世之事，而天上发生的是天界之事。根据那时基督教的教义，上帝控制诸天，我们卑微凡人的思维无法触及它们。当牛顿提出所有运动都是可理解的、可预测的，从而突破这一哲学障碍时，一些神学家批评他没有留下什么事情给造物主做。牛顿已经想通了，果园里使成熟苹果落下的引力，也同样让被扔出的物体沿着曲线路径运动，还让月亮在轨道上围绕地球转动。牛顿的万有引力定律也同样引导行星、小行星和彗星绕太阳公转，使上千亿颗恒星在银河系内的轨道上转动。

不是别的，正是这种物理定律的普适性驱使着科学发现。引力只是一个开端。想象一下19世纪天文学家们用实验室里的棱镜去观察太阳光，看到棱镜将光束分解成光谱时的那种激动。光谱不仅是美丽的，而且含有发光对象的大量信息，包括其温度和成分。通过光谱里的亮线或暗线可以揭示物质元素的存在。让人们高兴和惊奇的是，太阳物质的化学特征和实验室物质的特征是一样的。棱镜不再是化学家的专用工具，它证明，虽然太阳的大小、质量、温度、位置和外观与地球并不相同，不过两者都含有同样的物质：氢、碳、氧、氮、钙、铁等。但比两者的共享成分清单更重要的是，科学家们认识到在太阳上形成这些光谱特征的物理学定律，跟在1.5亿千米之外的地球上起作用的定律是一样的。

这种普适性的概念被成功地逆向运用，而且成果丰硕。对太阳光谱的进一步分析揭示了太阳光谱中存在一种元素，其特征在地球上没有已知的对应物。作为来自太阳的新物质，它被赋予了一个从希腊文helios（太阳）拼出的名字，这就是氦（Helium），后来这种元素才在实验室里被发现。因此，氦成为元素周期表里第一个也是唯一在地球以外被发现的元素。

OK，物理定律在太阳系中有效，但它们在银河系中还有效吗？整个宇宙呢？穿越时空呢？一步一步地，物理定律接受了检验。附近的恒星被证明也由我们熟悉的物质构成。遥远的双星在相互绕转的轨道上，似乎也知道牛顿引力定律的一切。同理，两个星系组成的系统也是如此。

就像地质学家可以把沉积的地层作为地球历史事件的时间线，我们在太空中看到的距离越远，我们看到过去的时间就越长。宇宙中最遥远天体的光谱显示了与我们在近处空间和时间里看到的相同的化学特征。实际上，在过去重元素比较少——它们主要是在后来几代爆炸的恒星里制造出来的——但描述原子和分子是如何产生这些光谱特征的定律是原封不动的。特别是，有一个被称为“精细结构常数”的物理量——它控制着每个元素的基本光谱特征，必定是在数十亿年间保持不变的。

当然，并非宇宙中所有事物和现象在地球上都有对应物。你可能从来没有穿越过一团温度百万开尔文的发光等离子体，而且我敢打赌，你从来没有在街上迎面遇到过一个黑洞。重要的是描述它们的物理定律具有普适性。当光谱分析被第一次应用于恒星际星云发出的光时，再一次，在光谱当中发现的一个特征并没有在地球上找到对应物。当时元素周期表明显没有给这个新元素留下合适的位置。作为回应，天体物理学家们发明了（nebulium）这个名字占位，直到他们能够弄清楚到底发生了什么。事实证明，在太空中，气态星云是如此之稀薄，以至于原子在没有碰撞的情况下可以跑很远。在这些条件下，电子可以做到在地球实验室中原子内从未见过的一些事情。只是普通氧元素在星云环境里表现出的非同反响的特征而已，在地球实验室环境下通常是不可能发生的。

这一物理定律的普适性告诉我们，如果我们降落在另一个拥有繁荣文明的外星球上，它们将按照我们在地球这里发现和检验过的同样的定律运行——即使外星人怀有不同的社会和政治信仰。此外，如果你想和外星人交谈，你可以肯定他们不会说英语、法语，甚至中文。你也不知道跟他们握手——如果他们伸出的肢体确实是一只手——会被视为战争还是和平行为。你最大的希望是找到一种使用科学语言进行交流的方法。

这种尝试被用在了20世纪70年代的先驱者10号和11号、旅行者1号和2号上。这四艘航天器当时都带上了足够的能量（核动力电池），希望在巨行星引力弹弓效应的帮助下，最终彻底逃离太阳系。

先驱者号上带了一张蚀刻金盘，用科学象形图显示了我们太阳系的布局、我们在银河系的位置，以及氢原子的结构。旅行者号更进一步，还携带一张包含来自地球母亲的不同声音的金质唱片，包括人类心跳、鲸“歌”和来自世界各地的音乐精选，包括贝多芬和摇滚明星查克·贝里（Chuck Berry）的作品。虽然这种信息适合人类聆听，但现在还不清楚外星人的耳朵是否会知道他们在听什么——首先要假设他们有耳朵。我最喜欢的桥段是，在旅行者号发射后不久，在美国国家广播公司（NBC）的《星期六夜现场》滑稽短剧中，他们出示了发现宇宙飞船的外星人的回信，信纸上只写着“再多发点查克·莓果 ”。

科学的繁荣不仅在于物理定律的普适性，也体现在物理常数的存在和持久性上。万有引力常量，经常被科学家亲切地称为“大G”（big G），它就为牛顿的引力方程提供了引力常量大小的测量值。这个量已经默默地接受了亿万年物转星移的检验。如果你做相关计算，你可以确定恒星发光和大G的关系非常紧密。换言之，如果大G在过去稍稍有所不同，那么太阳能量输出的变化就会比任何生物、气候或地质记录显示的变化要大得多。

这就是我们宇宙的统一性。

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在所有的常量中，光速是最著名的。不管你走得多快，你永远也不会超过一束光。为什么不行呢？从来没有任何实验曾显示任何形式的物体达到过光速。经过无数次检验的物理学定律预测并解释了这一事实。我知道这听起来显得很保守。过去一些最低级的科学断言低估了发明家和工程师的聪明才智，比如“我们永远不会飞起来”“飞行将永远不具有商业可行性”“我们永远无法分裂原子”“我们永远无法打破音障”“我们永远到不了月球”。但它们的共同点是，没有既定的物理定律支持这些说法。

“我们永远不会超越一束光”这一说法是一个性质完全不同的预测。它遵循了基本的、经过时间考验的物理原则。未来的星际旅行者将有理由读到这样的路标：

不同于在地球上被抓住违法超速才会被开罚单，物理定律相比于法律的好处是，它们不需要执法机构来维护，因为你根本无法违反它，虽然我曾经有一件极客范儿T恤衫上写着“服从引力”（OBEY GRAVITY）。

所有的测量都表明已知的基本常数以及引用它们的物理定律，既不依赖时间，也不依赖位置。它们是真正的恒定和统一的。

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许多自然现象表现为多种物理定律在起作用。这一事实常常使分析复杂化，在大多数情况下，需要高性能的计算机来算出正在发生什么，并跟踪重要参数。当舒梅克-利维9号彗星在1994年7月高速冲进木星浓厚的大气层然后爆炸时，对这场爆炸制作的最精确的计算机模型结合了各种物理定律：流体力学、热力学、运动学和万有引力定律。气候和天气代表了另一方面的例子——复杂（和极难预言的）现象。但是约束它们的基本定律仍然在起作用。木星大红斑是已经肆虐了至少350年的强气旋，驱动它的是与地球上和太阳系其他地方产生风暴的相同的物理过程。

另一类普遍真理是守恒定律，其中某些测量量在任何情况下都保持不变。最重要的三个是质量和能量的守恒、线性动量和角动量的守恒，以及电荷的守恒。这些定律的证据既存在于地球上，也存在于我们已经想到和看到的任何地方——从粒子物理微观领域到宇宙大尺度结构这样的宇观结构。

尽管有这么多引以为傲的成果，但我们对宇宙的了解也不是完美无缺的。我们无法看到、触摸或感受到我们在宇宙中测量到的85%的引力来源。神秘的暗物质，除了它对我们可见物质的引力，仍未被真正探测到，它可能是由我们尚未发现或识别的奇异粒子组成。然而，少数天体物理学家并不同意，而且认为并不存在暗物质——你只需要修改牛顿万有引力定律，他们认为简单地在方程中加入一些成分，一切都会解决的。

也许有一天我们会知道，牛顿的万有引力定律确实需要调整。那没关系，这事儿已经发生过一次了。爱因斯坦在1916年发表的广义相对论在某种方式上扩展了牛顿的引力定律，从而使之也适用于极大质量的物体。牛顿本人的万有引力定律在这个扩展后的领域中失效了，这是他当时所不知道的领域。我们由此得到的教训是，我们对定律的信心，取决于测试和验证条件的范围。适用的范围越广，定律在描述宇宙时就越有说服力和解释力。对于日常所见的一般引力条件，牛顿定律是很有效的。它在1969年把我们带到月球上，并安全地返回地球。对于黑洞和宇宙大尺度结构，我们需要广义相对论。如果你把低质量和低速度代入爱因斯坦的方程式，它们实际上（或者更确切地说是在数学上）又变成了牛顿方程——在我们对已有定律的持续理解中，我们对物理定律普适性的信心又进一步增强了。

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对科学家来说，物理定律的普适性使宇宙成为一个出奇简单的所在。相比之下，人性——心理的领域——是无限而不可捉摸的。在美国，地方学校的董事会就在课堂上讲授的科目进行投票。在某些情况下，选票是根据文化、政治或宗教潮流的一时冲动而投下的。在世界各地，不同的信仰体系会导致政治上的差异，而这些分歧并非总能和平解决。物理定律的力量和美在于它们无处不在，无论你是否选择相信它们。

换句话说，除了物理定律之外，其他的都只是个人观点。

不是科学家们不争论。我们也争论，有很多争论。但当我们这样做时，我们通常表达的是一些最前沿的观点，这些观点通常涉及对不充分数据的解读。无论何时何地，只要讨论中能够援引物理定律，那么这时的辩论保证是简短的：不对，你关于永动机的想法永远无效，它违反了久经考验的热力学定律；不行，你无法建造时间机器让你回到你出生之前杀死你的母亲，这违反因果律；如果不违反动量定律，无论是否坐在莲花台上，你都不能无缘无故地悬浮在地面之上 。

在某些情况下，关于物理定律的知识可以让你有信心面对粗暴无礼的人。几年前，我在加州帕萨迪纳（加州理工学院所在地）一家甜品店要了一杯热可可，当然是加掼奶油的。当可可送到餐桌上来时，我却看不到奶油的痕迹。当我告诉服务员我的可可没加奶油时，他一口咬定我看不到是因为奶油沉到了杯底。但是，掼奶油的密度很低，会漂浮在人们喝的所有饮料之上。所以我给侍者两个可能的解释：要么有人忘了给我的热可可加掼奶油，要么是在他的餐馆里有另外一套物理学普适定律。他不服气，挑衅地拿来了一块掼奶油，以证明他的断言。结果奶油上下摇晃了几下，就上升到可可上面，稳稳地漂浮着。

你还需要什么更好的证据来证明物理定律的普适性吗？ yZk2k2PvIeD2HuECjlDCBHESHHJKEOEgVg0JTipa+KjRDflc+RParqtoCRa4KNqQ