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第1章
万物由原子构成

如果地球即将毁灭,而你是地球上唯一一个还活着的人,但很快,你就将被γ射线暴吞噬,如果这时你手上有纸笔,剩下的时间只够你写下一句话作为留给后世文明的遗言。如果碰巧你是一名物理学家,你想着,这句遗言一定要为未来文明再启时留下最重要的信息,它代表着我们这一时代人类文明对于物理学最重要的认知,请问你会写下哪句话呢?

2012年,曾经是玛雅传说中世界末日出现的一年,恰巧在这一年张首晟教授负责斯坦福大学本科生的“新生入门研讨会”。他也借由世界末日这个话题,向学生们提出了一个核心思考题,那便是如果真的存在如电影《2012》中拍摄的、人类新打造的“挪亚方舟”,每个上船的人只能携带一个信封,在信封上写上一句话,作为保留人类知识的唯一办法,请问你会写下哪句话?这就是我们开篇的问题,关于这个问题,伟大的物理学家费曼曾经几乎是不假思索地给出了他的答案:万物是由原子构成的(Everything is made of atoms)。

张首晟教授在斯坦福大学

著名的理论物理学家,理查德·费曼

“万物是由原子构成的”,这个知识点在当代,几乎是尽人皆知。但为了证明这个结论,人类花了两千多年时间。万物是由原子构成的,它其实揭示了两个道理。第一个道理是“万”与“一”的关系:不论“万物”如何千变万化,它们都是有基本构成单元的,那就是原子,即复杂的事物是由简单的事物构成的。第二个道理则是“大”与“小”的关系:万物的概念包含万有,自然可以有无比巨大的事物,如天体星系。原子则又是无比微小的事物。所以“万物是由原子构成的”,其实也是在说,大的东西都可以拆分成更小的东西。

那么,小的东西是否又可以拆分成更小的东西呢?就这样把小的东西拆分成更小的东西,不断重复这个过程,是否会有一个尽头呢?会不会拆到一定程度,就没有办法继续拆了呢?即是否存在一种构成万物的基本物质单元呢?

关于这个问题,东西方的古代哲学家,其实做出了相似的猜测。《庄子·杂篇·天下》中曾经提到一位被称为“惠子”的智者所说过的:“一尺之棰,日取其半,万世不竭。”这并不是庄子本人的观点,庄子只是对惠子的观点进行了引述,其本意在于讽刺惠子“弱于德,强于物”的行为特点,而庄子本人对于“日取其半,万世不竭”的态度并不明朗,也许庄子本人认为这样的问题并不重要,个人的德行才是重点。那我们姑且认为,庄子作为一位东方哲人,隐晦地表达了,万事万物存在基本的构成单元。而在西方,古希腊哲学家留基伯(Leucippus)与德谟克里特(Democritus)师徒二人,则是明确地提出了“原子论”。

古希腊哲学家留基伯

古希腊哲学家德谟克里特

“原子论”的基本思想是:万物的基本构成单元是原子(atom)(当然该定义与现代物理学所认知的原子定义大为不同);除了原子之外,则皆为“虚空(void)”,这与现代物理中的“真空”概念类似。但下一个问题立刻出现了:构成万物的基本单元只有一种,还是有好几种?原子论显然认为只有一种,但现代粒子物理却告诉我们,已经被找到的基本粒子,居然就多达61种。其实不必说现代粒子物理学的结论,如果我们秉承“大的东西是由小的东西构成的,复杂的东西是由简单的东西构成的”这一信念,便会发现:如果出现不同,我们总是可以认为,存在更基本的构成单元,这种不同来源于基本单元不同的排列组合。

这种“大东西由小东西构成,复杂的东西由简单的东西构成,最基本的构成单元应当只有一种”的思想,在哲学上有一个更广为人知的名字:还原论(reductionism)。

还原论的哲学理念认为,整体的性质可以通过了解其组分的个体性质,以及组分个体之间的作用关系完全得出。还原论的思想可以说几乎贯穿了人类对自然、宇宙规律以及基础物理学的研究两千多年,一直到今天,它依然是现代粒子物理最为核心的理念,甚至可以说是信念。的确,在这两千多年探索的道路上,秉承还原论的哲学理念,人类在基础物理的研究道路上攻城略地,获得了极其璀璨的成就。它带来的科研成果惠及人类生活的方方面面。无怪乎费曼选择留给后世的一句话遗言是:万物是由原子构成的。还原论的哲学理念实在太成功了。

还原论认为大的东西由小的东西构成,这句话固然是不言自明的,因为就目前来说,它完全符合我们的经验,从归纳的意义上来说,它是个直到目前为止,都尚未被证伪的命题。复杂的东西由简单的东西构成,目前看来也完全符合我们的经验,但严格来说,我们只能说复杂的东西“可以”由简单的东西构成,而我们却无法证明复杂的东西不能构成简单的东西,或者说,构成简单东西的未必是更简单的东西,是否也有可能是更复杂的东西呢?这个问题留到后文再来审视,你会发现,复杂的系统也能产生简单的秩序。

相比于“大”与“小”的关系,以及“复杂”和“简单”的关系,对于还原论来说,更关键的点应当是:是否能从构成整体的个体的自身性质,以及个体之间相互作用的规律,完全得出整体的性质?关于这个问题,还原论的答案是肯定的。但反还原论(anti-reductionism)却认为,未必。我们先不急于了解反还原论的观点,先来回顾一下还原论在帮助人类认识自然方面都做出了哪些贡献。秉承还原论的思想,前辈科学家们把人类文明提升了好几个档次。 jQ4lg4lWrm5CTaiKWhK80oBHpu7XojpDTZBAta51Vuv0G1vwQAra/ssPhbJLX9Ot

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