02 尺度

不同于哲学、逻辑学或纯数学，物理学是一门经验性的、定量的科学。[1]它有赖于凭借可重复的观察、测量和实验来检验并证实各种观点。尽管物理学家有时会提出稀奇古怪的数学理论，但衡量这些理论是否有效能的唯一真正标准，是它们能否描述真实世界中的现象，而且我们能比照真实世界来检验这些理论。这就是为什么斯蒂芬·霍金从未因为他在20世纪70年代中期就黑洞辐射能量的方式（一种名为“霍金辐射”的现象）所做的工作而获诺贝尔奖——诺贝尔奖只授予已获得实验确认的理论或发现。同样，彼得·希格斯及做出类似预测的其他人，也要过半个世纪才能等到大型强子对撞机证实希格斯玻色子的存在。

这也说明了，为什么物理学这门科学，只有在观察、实验、定量测量等检验理论的方法所需的工具和仪器发明以后，才能取得真正重大的进步。古希腊人可能擅长抽象思维，他们发展出了哲学、几何学这样的学科，其所达到的成熟、精深的程度，使这些学科至今仍然有效；但是除了阿基米德，他们不是特别以实验的才干闻名。物理学的世界要到17世纪才真正登场，这在很大程度上要归功于在整个科学界中两种最重要仪器的发明：望远镜和显微镜。

假如我们只能认识肉眼可见的世界，那么物理学就走不了多远。肉眼可“见”的波长范围只占整个电磁波谱的一小点，人眼也仅能觉察那些不太小也不太远的物体。虽然原则上讲，如果有数量充足的光子到达我们的眼睛（且有无限长的时间让这些光子到达！），人类也能看到无限的范围，但这也不大可能让我们看到很多有用的细节。但是，显微镜和望远镜一经发明，便给世界打开一扇扇窗户，极大地增进了我们的认识，它们放大了极微小的事物，拉近了极遥远的天体。最终，我们能够做出细致的观察和测量，从而检验并完善我们的观念。

1610年1月7日，伽利略用他改进过的小型单筒望远镜对准天空，之后就永远消除了“我们处在宇宙的中心”这样的观点。[2]他观察到了木星的四颗卫星，并正确地推断出，哥白尼的日心说模型是正确的：是地球绕着太阳转，而非相反。通过观察木星轨道上的天体，他揭示出，并非所有天体都绕地球运转；地球并不处在宇宙的中心，而是像木星、金星、火星等其他行星一样绕着太阳转。凭着这个发现，伽利略闯入了现代天文学。

伽利略引发的不仅仅是一场天文学革命，他同样把科学方法本身置于一个更为坚固的基础之上。基于中世纪阿拉伯物理学家伊本·海什木的工作成果，伽利略对物理学进行了“数学化”。在建立描述或毋宁说预测物体运动的数学式时，按他的话来讲，他毫无疑问地揭示出，自然这本书“是用数学的语言写成的”。[3]

相对于伽利略的天文观测，在尺度的另一端，罗伯特·胡克和安东尼·范·列文虎克也用显微镜打开了一片迥异的新世界。胡克出版于1665年的名著《显微图谱》（Micrographia）包含了令人惊叹的微观世界图样，从苍蝇的眼、跳蚤背上的毛，到前所未见的单个植物细胞。

如今，人类能够探索的尺度有着惊天的范围。我们用电子显微镜能看到单个原子，其直径只有千万分之一毫米；用大型望远镜可以看到465亿光年之外，可观测宇宙的最远处。[4]其他的科学研究都没有如此广大的尺度。不过还是忘掉原子级的精度吧，苏格兰圣安德鲁斯大学的一个团队最近向我展示了如何测量最小的长度，让我大开眼界，印象深刻。他们想到了一个测量可见光波长的办法，借助一种名为“波长计”的仪器，测量精度可以达1阿米，或者说一个质子直径的千分之一——他们让激光穿过一小段光纤，光线于是被打散成颗粒状图案，名为“散斑”，然后对光的波长做极其细微的调节，再记录散斑的变化。

物理学不仅包罗广大范围的长度，还能测量大范围的时间——从最微小的眨眼一瞬到宇宙级的永恒。这里有一个鲜明的例子。2016年，德国开展了一项实验，物理学家们测量了一段非常短的时间，短得超乎想象。当时他们正在研究一种名为“光电效应”的现象，这种现象就是光子通过撞击原子释放出其中的电子。这一过程首先在爱因斯坦于1905年发表的一篇著名论文中得到了正确的解释，他也因此在多年后获得了诺贝尔奖（而不像你可能设想的那样，是因为他在相对论上的研究）。如今，这个从材料中击出电子的过程被称作“光电发射”，是我们用太阳能电池板将日光转换成电力的方法。

2016年的这次实验，使用了两台特殊的激光器。第一台激光器向一股氦气发出一段短到几乎无法想象的紫外激光脉冲，这股脉冲光束仅持续万万亿分之一秒，或说100阿秒（10–18秒）。[5]第二台激光器的能量稍小（频率落在红外范围），脉冲持续时间也稍长于第一台。该实验的任务是捕捉逃逸的电子，使研究人员能够计算电子被击出原子所需的时间。结果研究人员发现，这个时间更短：仅是第一个激光脉冲持续时间的1/10。实验结果的有趣之处在于，被击出的电子实际上还稍微延迟了一点。大家知道，每个氦原子有两个电子，被击出的电子会受另一个电子的影响，这个影响虽然微小，但还是延迟了电子射出的过程。一个仅持续几阿秒的物理过程竟可以在实验室中以这种方法实际测得，实在令人惊叹。

在我的专业领域核物理学中，还有比这更快的过程，虽然无法在实验室中直接测得。于是，我们转而开发计算机模型，来解释原子核的不同结构以及两个原子核碰撞并反应时所发生的过程。例如，核聚变的第一步——两个重核像两颗水滴似的融合在一起，形成更重的原子核——就是两个原子核中所有的质子和中子非常迅速地重组为新的原子核。这整个量子过程用时不到1介秒（10–21秒）。

在时间尺度的另一端，宇宙学家和天文学家已经能非常精确地计算出（我们这部分）宇宙的年龄，于是我们现在有把握说大爆炸发生在138亿242万年前（误差为几百万年）。我们对这个精确数值有十足的信心，这在有些人看来简直傲慢，而那些死守中世纪观点的人更是根本不信——他们认为宇宙只有6000岁，因此让我解释一下我们是如何得出这个数值的。

首先我们做两个重要的假设，后面我将对此做更为详细的探讨，现在只告诉大家，这两个假设都得到了观测证据的强有力支持：1. 物理学定律在我们的宇宙中到处相同；2. 空间在所有方向上都相同（各星系有同样的密度和分布）。这就使我们有信心认为，从地球上或经地球轨道上的卫星观测站所做的观测可以用来了解整个宇宙。基于这种观测，我们能用几种不同的方法算出宇宙的年龄。

比如，研究银河系里的恒星能让我们了解大量情况。根据恒星的大小和亮度，我们就知道恒星能存在多久，因为亮度决定了恒星热核聚变的燃烧速度。这意味着我们能算出最古老的恒星的年龄，由此就定下了银河系年龄的下限，进而给出了宇宙年龄的下限。由于最古老的恒星约为120亿岁，那么宇宙就不可能小于这个岁数。

接下来，我们的望远镜能观测到从遥远的星系发出的光，通过测量这些光的亮度和颜色，我们能算出宇宙现在和过去的膨胀速度。我们看得越远，就能在时间上追溯得越早，因为我们看到的光线一定是花了上百亿年的时间才到达的地球，并带给我们关于遥远过去的信息。而且如果能知道宇宙膨胀的速度，我们就能把时钟拨回到万物挤在一起的那个时刻，即宇宙诞生的那一刻。

此外，通过研究深空的微弱温度变化（所谓的“宇宙微波背景”/CMB），我们能得到宇宙的清晰快照，反映大爆炸后仅仅几十万年、各种恒星和星系形成之前的情况。这能让我们更为精确地确定宇宙的年龄。

一方面，物理学让我们能在最小和最大的空间及时间尺度上了解宇宙，但另一方面我觉得同样了不起的是，我们发现物理定律能运用在所有这些尺度范围之中。你可能不觉得这有什么奇怪，或许你自然而然地就假定，作用于人类尺度的自然法则也应该作用于其他尺度的空间、时间和能量上。但这绝非显而易见。

为了进一步探讨这一点，我要引入三个概念，这三个概念物理学专业的学生也不一定都会学到，但绝对有必要了解一下：普适性、对称性和还原论。