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20 世纪以来，随着相对论和量子力学的诞生，物理学重塑了几乎所有学科，并成为我们理解一切的基础。在本书中，我们将跟随高能天体物理学家张双南老师，从物理学视角洞察世界真相，并感受科学与人文的交融。本书上篇从宇宙演化开始，解读人类从何而来又将走向何方，并介绍了宇宙中的黑洞等遥远天体，虫洞、时间旅行等科学奇想，超新星爆炸、宇宙红移等神秘现象；下篇深入解读了科学的本质、科学的精神、科学的方法与科学的美学，教我们用科学的思维和方法，了解这个物质世界的本质。
书名：前方“高能”! : 天体物理学家的科学人文课
ISBN：978-7-115-67928-4
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著 张双南
责任编辑 韩 松
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20世纪以来，随着相对论和量子力学的诞生，物理学重塑了几乎所有学科，并成为我们理解一切的基础。在本书中，我们将跟随高能天体物理学家张双南老师，从物理学视角洞察世界真相，并感受科学与人文的交融。本书上篇从宇宙演化开始，解读人类从何而来又将走向何方，并介绍了宇宙中的黑洞等遥远天体，虫洞、时间旅行等科学奇想，超新星爆炸、宇宙红移等神秘现象；下篇深入解读了科学的本质、科学的精神、科学的方法与科学的美学，教我们用科学的思维和方法，了解这个物质世界的本质。
当人类第一次仰望星空，那深邃夜幕上的光华便点亮了无尽追问的起点：我们是谁？我们在哪里？我们将去向何方？
这些疑问，在远古时代，指引着物种进化、族群生存、王朝迭代；在当代，从诗人眼中的浪漫，从哲人头脑中的思辨，也从科幻故事的主题，发展为科学家笔下的公式和观测数据。
在很多人的认知中，我是一名物理学家、天文学家，我的日常就是与这些枯燥的公式、数据相伴。我在欧美学习和工作了二十多年，在美国的费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory，FNAL）和美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）工作多年,也在美国的大学里教过书、带过博士和博士后。我现在的工作单位是中国科学院高能物理研究所。
你可能读过科幻小说《三体》。同名连续剧的其中一个拍摄地点就在我们单位。我们主要从事高能物理的研究，比如建造和运行能够把粒子加速到很高能量的加速器、研究这些高能粒子撞在一起的各种后果，从而发现微观世界的物理规律。我们常听到的原子物理、核物理、量子物理等就是这样发展出来的。
因此，在这本书里，我一定会给你讲一些有点“硬核”的物理、天文和宇宙的知识，比如黑洞、虫洞和白洞，再比如平行宇宙与多重宇宙等等。它们会铸就一艘动力无穷的飞船，帮我们开启这场科学与人文的梦幻之旅。这是我写这本书的初衷。
另外，艺术和科学有共通之处。而我，一个科学家，也有业余爱好——比如美学，而且爱到了一定程度——我在中国科学院大学的人文学院开设了一门美学课程，还出版了教材。
著名科学家、1957年诺贝尔物理学奖得主李政道（Tsung Dao Lee）说过，艺术和科学是一枚硬币的两面。另一位著名科学家、1965年诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼（Richard Phillips Feynman）则说，艺术是把明白的事情说糊涂，而科学是把糊涂的事情说明白。艺术和科学到底是什么关系？这也是我写这本书想探讨的问题。
这本书不会把宇宙简化为冰冷的星辰图谱，更不会把科学局限在实验室的玻璃门之内。事实上，从亚里士多德的地心说，到哥白尼颠覆千年认知的日心说；从哈勃用望远镜揭开河外星系的神秘面纱，到爱因斯坦用相对论重塑时空的概念——每一次科学的突破，都是人类思想的一次“高能爆发”。
我当然不会止步于罗列这些发现。我期待和你一起，沿着历史的脉络，拆解藏在科学背后的人文密码：当我们意识到地球并非宇宙中心时，人类的“特殊性”执念如何被击碎？当哈勃证明宇宙“天外有天”时，奥伯斯佯谬又为何让科学家既兴奋又焦虑？
这些思考与讨论，于我十分有趣。
银河系，是千亿星系中的普通一员。正是这种“普通”，让人类对宇宙的探索显得弥足珍贵——更何况，我们还在进行一场关于自身、关于存在本质的从哲学到科学的探索。这一刻，科学的价值也便具象化——不是孤立的知识碎片，而是人类用理性对抗未知的勇气。
最后我想说，这本书也许无法回答你所有好奇的问题——宇宙的奥秘也正如此，它无穷无尽——但人类追问的过程本身，也正是文明成就的璀璨星河。
当我们仰望星空，思索宇宙的浩渺时，很难想象，组成这一切的基本单位竟然微小到无法直接观察到。而要理解宇宙的本质，我们必须从最基础的物质结构入手，向微观世界深入探索。
在本章中，我们将回溯人类对物质本原的思考历程。从古希腊哲学家认为世界基本构成是原子的朴素猜想，到近代科学的发展如何奠定了还原论的基石；从泰勒斯的“万物皆水”到恩培多克勒的四根说，再到原子论的提出，人类不断试图找到世界的最基本组成部分。而这种探索最终催生了现代科学，带来了牛顿经典力学的辉煌成就，并引领我们走向更深刻的理论体系。
然而，随着研究的深入，物理学家们发现，宏观世界的规律并不能直接套用于微观世界。牛顿的经典理论在探索宏观自然现象时表现卓越，但在微观领域却显得力不从心。面对这种困境，人类科学开始进入新的阶段，量子力学的曙光初现，揭示了微观粒子世界的奇妙与反直觉。
我们在哪里？我们从哪里来？我们要到哪里去？这些当然都是我们非常关心的问题。
不过，在茫茫的宇宙中，“我们在哪里？”这个问题指的其实是地球和宇宙的关系，也是人类从古至今都在问和试图回答的问题。只有搞清楚了我们的地球和宇宙的关系，我们才能够理解人和宇宙的关系，才能够探讨地外文明的问题。
今天我们当然知道，地球绕着太阳运动，地球既不在太阳系的中心，也不在边缘。太阳是一颗普通的恒星，银河系内有2000亿到4000亿颗恒星，太阳既不在银河系的中心也不在边缘。银河系又是一个普通的星系，目前人类能够观测到的宇宙中有几百亿到上千亿个星系，银河系和宇宙的关系就比较有意思了，因为宇宙很可能既没有中心也没有边缘。
可能有朋友就会问了，怎么可能既没有中心也没有边缘呢？这样的宇宙是怎么诞生的呢？宇宙诞生之前是什么呢？宇宙外面又是什么呢？宇宙最终会变成什么呢？有没有平行宇宙？有没有多重宇宙？有没有循环往复的宇宙？
我们首先从地球和宇宙的关系谈起。
亚里士多德等人提出了地心说，也就是地球是宇宙的中心。我们前面谈到了古希腊人的最大科学成就之一就是提出了原子论，但是亚里士多德抛弃了原子论，他接受和发展了恩培多克勒的四根说，这四元素就是火、土、气、水。亚里士多德进一步认为，较重的土元素和次重的水元素要往宇宙的中心跑，气和火很轻，所以要远离宇宙中心。他的说法是有道理的，很显然，地球是由水和土组成的，气在地球上面，火是太阳，这种发光的东西就离地球更远。因此，除了土和水，其他东西都是在天上的，因此宇宙的中心必须是地球。这就是他的地心说的理论基础。
亚里士多德进一步说，只有地球是球形才能满足“宇宙的中心是地球 ”这一条件，因此地球必须是个球。他还从其他方面论证了地球的形状是球形。比如，月食的时候我们看到了弧形的地球阴影，证明了地球是球形的；由北向南旅行的时候，星星在天上的位置有所改变，所以很显然星星是在球面上运动，否则它们的位置不可能变。
▲亚里士多德
（公元前384—前322）古希腊哲学家，形式逻辑的创始人，希腊古典文化的集大成者，极大影响了后世西方哲学与科学思想的发展。
从此之后，整个西方就都接受了亚里士多德的地心说。
亚里士多德的地心说影响很大，从公元前300多年开始，一直到公元1500多年哥白尼的日心说提出之前，持续了将近2000年。
哥白尼于1543年出版了他的著作《天体运行论》，这部著作被认为是现代天文学的开端之一。在这部著作中，哥白尼提出了太阳位于宇宙中心，而地球和其他行星围绕太阳运行的理论，这就是日心说。哥白尼的日心说对后来的天文学发展产生了深远的影响，它颠覆了亚里士多德等人的地心说观念，成为现代天文学的基石之一。
我们今天在天文学中经常提到的哥白尼原理（又称宇宙学原理），就是基于哥白尼的思想，他认为宇宙哪里都是相同的。正是哥白尼的日心说促使开普勒发现了开普勒定律，也正是为了解释开普勒定律，牛顿最后建立了牛顿力学体系，彻底推翻了地心说，给我们带来了科学的大发展，产生了今天的现代科学。
地球和太阳的关系搞清楚了，那么太阳和宇宙是什么关系呢？
在那个时代，人们认为银河系就是整个宇宙，而且这个宇宙是飘浮在空间的一座孤岛，也被称为孤岛宇宙。那么太阳系是否在这个孤岛的中心就是下一个重要问题了。如果在中心的话，那就说明太阳、地球和地球上的人类在宇宙中处于中心的地位，这给大家的感觉就很好。
那如何论证这件事呢？首先得进行观测，要有足够先进的天文望远镜，靠肉眼是不行的。好在伽利略在1609年发明了天文望远镜，从此越来越先进的天文望远镜就推动着天文学飞速发展。20世纪20年代，两个天文学家通过测量我们在地球上所看到的恒星的距离，发现了太阳系并不是银河系的中心。
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我们今天知道，测量恒星的距离是非常困难的。他们当时做了一些假设，比如说某些恒星的光度是常数，是不变的，这样它们的光度大小，就决定了其距离的远近，他们用这种办法来推测所看到的恒星与我们的距离。
19世纪末20世纪初，荷兰天文学家卡普坦发现恒星的分布有一个边缘，于是便建立了他的孤岛宇宙模型。而且他发现，在一些方向上看到的最远的恒星的距离比较远，也就是在一些方向上宇宙（孤岛）的边缘离我们比较远，但是在另外的一些方向上看到的宇宙的边缘距离我们比较近。这样，他就可以通过计算得出太阳系在银河系中的位置，他发现原来太阳系不是处于银河系的中心。
随后美国天文学家沙普利测量了69个球状星团的距离，每个球状星团是由一大堆恒星组成的，这样测量起来更简单一些，因为将整个球状星团里面某一类恒星的光度作为常数也就更加可靠。关于他用的方法，我后面再详细解释，这个方法对天文学的发展影响深远。他测量得到的结论和卡普坦基本上是一样的，也发现了太阳系不是在银河系的中心。
这对人类的观念来说是一个很重要的变化。地心说认为人类是很特殊的，各种宗教学说围绕着地球是宇宙中心这件事说了很多。后来尽管人们放弃了地心说，但即便地球不是中心，太阳是中心也让我们感到自己是很特殊的。但是天文学家发现，原来我们所在的太阳系也不是宇宙的中心，人类的观念要再次经历一个巨大的突破。
那么银河系真的就是宇宙的全部吗？我们人类真的就生活在一个孤岛宇宙中吗？围绕这些问题，就有了天文学史上著名的大辩论。
当时的天文学家发现，宇宙中除了那些星星点点的恒星之外，还有一些云状的结构，被称为星云。于是，关于宇宙大小的问题就转换成了这个问题：这些星云到底是在银河系内，还是在银河系外？如果在银河系内部，那我们的宇宙就真的是一个孤岛了；如果在外部，那就说明银河系外面还有天体，那宇宙就不是只有银河系的孤岛了。这当然是一个重大问题。
◀沙普利-柯蒂斯大辩论
沙普利：星云在银河系内，银河系即整个宇宙。
柯蒂斯：星云在银河系外，同为独立星系。
以天文学家沙普利为代表的多数派认为，星云就是银河系内的天体，银河系就是整个宇宙，就是一个孤岛。而以另一个天文学家柯蒂斯为代表的少数派，则认为星云实际上是和银河系一样的另外的“岛宇宙”，处于银河系以外很远的地方，整个宇宙由无数个这样的“岛宇宙”组成。为此，1920年4月26日，在华盛顿美国国家科学院史密森学会的国家自然历史博物馆，举行了一次沙普利-柯蒂斯世纪大辩论，辩论的双方针锋相对。
当时双方谁也说服不了谁。不但他们两个谁也说服不了谁，根据对现场“吃瓜群众”的调查，辩论之后大家的观点基本上也都没有改变。
▲沙普利（左）与柯蒂斯（右）
当然，科学问题既不能通过辩论解决，也不能根据观点持有者是少数派还是多数派来判断谁是正确的，只能通过科学研究来解决。
当时年轻的天文学家哈勃意识到，要解决这个问题，关键是测量这些星云的距离，如果都在银河系的边界以内，那就是银河系内的天体，否则就是银河系外的天体。这听起来很简单，然而做起来非常困难。
因为测量银河系内恒星的距离已经很不容易了，如果这些是遥远的星系，测量它们的距离当然就更难了。好在哈勃可以使用当时世界上最先进的天文望远镜，也就是位于美国威尔逊山天文台的2.5米口径反射望远镜。
不仅望远镜好，哈勃用的测量方法也非常先进，其原理和前文介绍的卡普坦、沙普利测量银河系内恒星距离的原理是异曲同工的，也就是用我们今天所说的标准烛光的方法。卡普坦和沙普利假设了某些恒星的发光强度大致是一样的，距离越远就越暗，就像有一根蜡烛，亮度是恒定的，放得越远就越暗。如果知道了标准烛光的绝对光度，也就是在我们确定距离的地方的亮度，我们根据观测到的标准烛光的明暗程度，就知道它离我们的距离。只不过当时卡普坦用的标准烛光不是太精确，测量的恒星距离误差较大，无法用来测量星云的距离。因此，哈勃得用更准确的标准烛光，前面我们所说的测量了恒星星团距离、坚持星云在银河系内的沙普利就使用了这样的标准烛光。
这个标准烛光就是造父变星的周光关系，是现代天文学最重要的研究工具之一。
1908到1912年，美国女天文学家亨丽埃塔·斯旺·勒维特在对小麦哲伦云内的造父变星进行研究时，发现了造父变星光度与光变周期之间的关系，被称为勒维特定律。也就是只要简单地测量某个造父变星的亮度变化的周期，就能够计算它应该有多亮，然后根据实际测量的它的光度，利用勒维特定律就可以得到它的距离。
▲勒维特
（Henrietta Swan Leavitt, 1868—1921）
美国天文学家，哈佛大学天文台计算员，发现“周光关系”。
造父是中国古代的一个人物，造父一星就以他命名，这颗星就是中国古代二十八星宿中“危宿”中的一颗，也是现代称为仙王座（Cepheus）的五颗星之中的δ星，是一颗变星。变星有一个很有趣的命名法则，就是用某个类型的第一颗星来命名这一类变星，因此这一颗变星就成了第一颗造父变星，所有类似的变星都统称为造父变星。
实际上，直到今天，造父变星这个标准烛光都还是天文学研究的重要工具之一，我们很多关于宇宙起源、演化，甚至未来的理解都和使用这个标准烛光密切相关。
但是仅仅知道造父变星光变周期和光度的关系还不够，我们还需要知道造父变星到底有多亮。
只有知道了造父变星到底有多亮，也就是它的绝对亮度，它才能成为真正的量天尺，否则就只能知道不同造父变星离我们的相对距离，而不是绝对距离。在科学研究上，某个物理量的绝对值被称为刻度或者标定。因此，要知道某个标准烛光的绝对亮度，就需要知道离我们最近的标准烛光的距离。
这里你可能会觉得，我们陷入了循环论证的困境：前面说要测距离，所以需要标准烛光；现在说要知道标准烛光到底是多亮，又需要知道它的距离。
实际上并不是，我们前面说的是需要用标准烛光测量遥远天体的距离，这里是要标定离我们最近的标准烛光的距离，而测量离我们近处天体的距离已经有直接的办法了。
这个办法就是利用周年视差的三角视差法。
三角视差法的原理非常简单，就是利用地球绕太阳的运动。在地球上不同的时间，天体在天图上的位置会有所不同，当然在相隔半年时间时天体的位置变化最大。天体离我们越近，位置变化就越大。这样就等于知道了一个三角形的两个角和一个边长，边长就是太阳和地球之间的距离，也被称为一天文单位，然后我们就可以根据几何学知识计算这个天体的距离了。如果天体在天上是运动的，也就是有自行，用这个方法原则上也能够测量出来。
1角秒就是1/3600度，比如半年变化1角秒的天体离我们的距离就称为1秒差距。秒差距是一个方便使用的天文距离单位，大约是31万亿千米，或3.26光年。银河系中心距离我们大约8000秒差距。在地球上看起来，这样距离的天体半年时间里在天上最大的位置变化只有大约万分之一角秒，用普通的望远镜根本就观测不到。因此，为了测量银河系外天体的距离，就只能使用标准烛光接力的办法，而不能用三角视差法。
有了当时最先进的望远镜和最精确的量天尺，哈勃终于发现，宇宙是天外有天、无边无际的。
前文讲了美国女天文学家勒维特发现了勒维特定律，也就是造父变星的光变周期和光度的关系，并用这个关系测量了小麦哲伦云和地球的距离。1912年哈勃从牛津大学毕业。1917年，28岁的哈勃从芝加哥大学博士毕业，到威尔逊山天文台报到，然而很快第一次世界大战爆发，他应征入伍服役于美国陆军，并于1919年结束兵役回到威尔逊山天文台工作，开始在星云里面搜寻造父变星，并且利用造父变星测量星云的距离。1924年，哈勃在美国天文学会和美国科学促进会共同召开的一个会议上宣布了他的发现，也就是测量了仙女座大星云和三角座旋涡星云中的造父变星的距离，它们的距离都是大约90万光年，远远大于银河系的尺度10万光年。
换句话说，哈勃明确无疑地证明了这两个“星云”不在银河系以内，而必须在银河系以外，且它们都是和银河系类似的星系。由于其他众多星云和这两个星系在形态上很类似，但是更小更暗，因此它们就肯定是更远的星系。以此类推，最直接的结论就是，银河系以外有无数距我们更远的星系，宇宙天外有天，宇宙无边无际。这是当时天文学的一个重大发现，哈勃的这一发现也直接建立了一个天文学的重要分支——观测宇宙学。
我们的宇宙为什么是这样？这是人类一直在思考和探索的问题。
我们后面还会提到人择原理，简单来说就是，宇宙之所以是这样，就是因为人类的存在。有人可能会觉得，这不是等于什么都没说吗？其实并不是这样，因为首先我们得知道宇宙是什么样的，是什么样的科学规律使得宇宙变成了今天的样子，因此就必须探索科学规律。
人类的任何行为都受价值观的影响，对科学规律的探索当然也不例外。简单来说，随着时间的推移，人类形成了还原论、突现论等不同的科学观，这些不同的科学观都对我们今天对科学规律的探索和我们对宇宙的认识产生了深远的影响。
从古希腊开始的本原论到今天的还原论，是现代科学发展的最重要的一条主线。人类今天所拥有的现代科学与技术、对宇宙的深入理解，都和这条主线密切相关。
首先，我们从古希腊米利都学派说起。
古希腊哲学里面最主要的一个学派，就是米利都学派。米利都学派最主要的代表人物就是泰勒斯，他被称为科学和哲学之祖，也被称为世界上最早的物理学家，他是米利都学派的创始人。米利都是一个地方，位于今天的土耳其。
泰勒斯是第一位探寻世界本原的哲学家。根据他的哲学观念，世界的本原就是水。请注意，这里本原的“原”是原因的原，也是原子的原。泰勒斯提出了水生万物，万物最后又变成了水。但是他没有解释这个观点的由来，也许他看到了冰是固体，化了却变成水，水再加热能变成气，也许他觉得这种转化就是世界上万物转化的关键，所以他就认为所有东西都是水组成的。我们如果观察自然就会发现，动植物里很多的组织成分也是水。所以泰勒斯的观点有合理的成分。
但他有一个叫作阿那克西曼德的学生不同意他的观点，阿那克西曼德认为，不是所有的东西都是由水组成的，他觉得万物中可见的任何一种物体都不是本原，我们表面上看到的东西，比如水、动植物都不是本原，本原是我们看不到的东西。我们眼见不是实，眼见的是表面的东西，不是本质的东西。他认为真正的本原是一种我们看不到却是组成万物的东西，这种东西叫作“无限定”或“无定形”。当然我们无法猜测他当时是如何得出这个结论的。今天的世界确实是这样，组成世界的东西不是肉眼可见的。如果不借助精密的仪器，我们连分子都看不到，也看不到原子，更看不到原子里面的东西。因此，真正的、更本质的东西都不是肉眼可见的，这可能是他当时的看法。
◀米利都学派的哲学观
泰勒斯：水为万物本原。
阿那克西曼德：眼见不为实，“无限定”为万物本原。
阿那克西米尼：气为万物本原，统一前两位的理论。
但是阿那克西曼德的学生阿那克西米尼认为，他的老师是胡说八道。他认为组成世界的本原应该是能感受到的一种东西，这种东西就是气。气可以转化成任何一种物质，具有类似水的特征；虽然也不可见，但气是存在的，我们呼吸时显然是吞吐了什么，但是谁能看得到气呢？所以气具有“无限定”的特征，但又是一种实际存在的东西，气显然可以由水转化，这个结论可以观察得到，比如水会越烧越少，逐渐蒸发成气。所以他觉得阿那克西曼德和泰勒斯的理论都有正确的一部分，他把他们的理论统一了。
从这里我们也可以看到一个有趣的现象：他们师徒三代，学生并不是竭力维护老师的学说，而是想方设法突破，提出新的学说，这正是我们今天特别提倡的一种科学精神。
另外还有一个重要的古希腊学派，就是毕达哥拉斯学派。这个学派是我们比较熟悉的，他们对数学进行了深入的研究，不过他们最关心的问题仍然是宇宙为什么是这样的。毕达哥拉斯学派通过研究数得到了关于数的一些规律，所以他们对于世界本原的观念就和以前不一样了，建立起来的理论就是万物皆“数”。但这个“数”不是我们今天讲的数，他们的“数”讲的是整数，他们认为万物都是整的，否则就不合理，就不应该存在。所以数不但是万物的本原，而且呈现了万物存在的状态和性质，万物都应该是由某些数组成的。
比如，毕达哥拉斯学派考察音乐，发现好听的音乐，其音波的频率之间都有一定的比例，所以他们认为天上的规律也应该是这样，于是开始设想从地球开始到任何一个天体的距离都是一个整数的比例，当然，地球位于宇宙中心是毫无疑问的。他们认为整个宇宙都是非常和谐的，就像音乐一样符合各种比例，这样组成的宇宙就非常合理。
今天，我们知道这个说法并不正确，但它还是有非常积极的意义的。这是第一个关于宇宙运行情况的猜测，是第一个系统的宇宙理论体系。后世的很多学者费了很大的精力，就是要实现毕达哥拉斯学派的理想，用毕达哥拉斯学派的整数的观念来解释太阳系等。尤其是他们关于和谐宇宙的这种想法，对后世的哲学思想有着非常深远的影响。因此，毕达哥拉斯学派不仅在数学上取得了重要的成就，对于我们认识宇宙、认识自然规律方面也有重要的贡献和启发。
▲毕达哥拉斯
世界的本原只能是一种物质吗？
后面的学者继续思考物质的本原问题，就有了非常著名的恩培多克勒的四根说（又称四元素说）。他认为之前的学者所认为的宇宙起源，比如水、气或者“无限定”都太单一了，解决不了我们这个复杂世界的本原问题。他认为需要稍微复杂一点的东西，但是他的基本思想还是与前人一脉相承的，也是由非常基本的几个东西来构建我们这个复杂的世界。恩培多克勒认为这几个基本的东西就是所谓的“火、土、气、水”，这四种元素是组成万物的根，这四根的各种组合，就形成了我们的这个世界。
但是这四根本身是相互独立的，没有直接组合与分离的能力。它们要想组合成一种东西，需要外部的因素，这就相当于今天我们所说的基本粒子和作用力，至少从思想的层面上恩培多克勒有这个意思。他认为这些因素是爱和恨，很有诗情画意。爱使它们组合在一起，恨使它们分开。而爱和恨这两个因素互相斗争，就产生了世界的万千变化。这在思想上也和中国的阴阳五行说类似，后者需要有金、木、水、火、土这五行，然后五行又靠阴阳的作用，也就是相生相克，最后产生出复杂的世界。
恩培多克勒的四根说和中国的阴阳五行说形成的时间差不多，相当于中国的战国时期，只不过中国的阴阳说和五行说大约在商朝的时候就已经出现了，到了战国时期二者结合起来，形成了系统的阴阳五行说。古希腊的四根说后来又被亚里士多德继承和发扬光大，对于亚里士多德建立他的科学体系起了重要的作用。然而遗憾的是，中国的阴阳五行说则一直没有发展，至今仍然停留在哲学和文化的层面，不仅没有产生出真正的科学，今天还被试图用来取代科学。
然而，上文这些对世界的本原的思考都问过这样一个问题：不管是哪种本原，本原是由什么组成的？
这实际上就是还原论的精髓，认为物质有最基本的结构和组成。而支配这种最基本的结构和组成的物理规律，就是最基本的物理规律。人类从最基本的物理规律和最基本的物质结构和组成出发，应该能够解释这个世界和宇宙的所有事情。
古希腊的有些学者就走上了这条路，他们发展了原子论，这是古希腊自然哲学中最接近现代科学的一个猜测，是在公元前5世纪的时候诞生的，原子论的创始人之一是留基伯。我们目前知道的原子论的观点主要是由德谟克利特和伊壁鸠鲁传下来的，他们认为世界万物都由原子组成，原子是最基本的东西，没有比它更基本的了，今天的基本粒子概念也来源于此。他们认为，虽然我们用肉眼看不见这样的原子粒子，但是原子不但存在，而且是永恒运动的，所以自然界的变化实质上就是原子的聚散及运动。整个世界无非是原子和虚空，原子聚合在一起把虚空填实就成了物质。如果我们以今天的观念来考察古代的思想中哪些最终发展成了现代科学，那么原子论确实是今天现代科学的一个主要起源。
因此，古代原子论是欧洲最早、最完备、最接近近代自然科学的物质结构的哲学猜测。之所以说它是哲学猜测，是因为那个时候的人们还完全没有去验证原子到底存在不存在的意识，当然也没有验证以前所谓的四根说的意识，所以它们都是哲学猜测。原子论是古代自然哲学最大的成就之一，因此，如果简单地讲科学史，从原子论讲起也是可以的。
说来简单，但其实还原论直到牛顿时代才彻底成气候，到爱因斯坦时代才成为现代科学的主流。人类以还原论为基石取得的第一个辉煌成就，就是在1687年出版的牛顿的著作《自然哲学的数学原理》，这是牛顿的巅峰之作，是牛顿对“我们的宇宙为什么是这样”的回答。
爱因斯坦试图进一步回答“我们的宇宙为什么是这样”这个问题，就建立了他的相对论理论，包括狭义相对论和广义相对论，该理论把时间、空间、物质、能量都统一到了一个理论框架里面，是比牛顿的理论更加深刻和基本的理论，这使得还原论达到了一个高峰。随后，进一步发展还原论，并且统一所有的物理规律，就成为爱因斯坦的毕生追求。
在仔细讲牛顿之前，我们先聊聊当时的科学背景。
我们知道，日心说和地心说的争论，最终以日心说胜利而结束。哥白尼于1543年在他的巨著《天体运行论》中提出了日心说。虽然日心说很有道理，而且比当时流行的地心说更加简洁，但是很多人仍然不相信，况且这个理论对行星运动的描述也不够精确。
半个多世纪之后，哥白尼日心说的“信徒”开普勒在1609年至1619年期间提出了开普勒定律，这是对日心说的推广，这些定律能够非常精确地描述行星运动的规律。然而，开普勒无法解释开普勒定律背后的道理，因此，很多人仍然不相信日心说。
然后牛顿横空出世了。
开普勒于1630年11月15日去世。十几年之后，牛顿于1643年1月4日出生，于1687年出版了他的巅峰之作——《自然哲学的数学原理》，这可以说是现代自然科学最重要的一部著作。牛顿在书里用的是古希腊几何的公理化方法，因为当时人们普遍接受的逻辑思维方法就是先建立公理，然后进行推导，这其实就是还原论的基本思想，即从更深刻、更基础的原理出发，解释已知的现象，甚至预言未知的新现象。牛顿用这种方法，把我们今天熟知的牛顿运动定律和万有引力定律作为公理，换句话说，他不去解释为什么有这些公理，而是假设这些公理是对的，然后推导出了当时已知的开普勒定律。
▲牛顿
这是人类历史上第一次从更深刻、更基础的原理出发，精确地解释已知的规律。后来，1846年，法国天文学家和英国天文学家利用牛顿的理论，计算出了海王星的位置，于是预言了它的存在，后经德国天文学家用望远镜证实。这也是人类历史上第一次预言并且发现一个以前不知道的天体。
这两个第一次，不仅彻底奠定了牛顿作为现代科学第一人的地位，确立了牛顿的理论是人类历史上第一个系统的现代自然科学理论，也证明了还原论科学观的巨大威力。从此，探索和发现更深刻、更基础的原理，就成为科学研究的最高追求。
当然，牛顿在这部巨著里面也坦言，他无法解释自己所采用的这几个公理，只能留给后世科学家沿着还原论的路线去理解了。
爱因斯坦就是这个后世科学家。
爱因斯坦于1905年发表了狭义相对论，他发现时间和空间都是相对的，时间和空间也是相互联系的，合起来称为时空。他也发现，质量和能量能够转化。而在牛顿的理论里面，时间和空间是绝对的，而且都是独立的，质量和能量也是独立的，不能转化。1916年，爱因斯坦发表了广义相对论，进一步建立了质量、能量和空间、时间的关系。爱因斯坦的理论表明，只有在速度远远低于光速、引力也很弱的情况下，牛顿的理论才成立。
因此，从还原论的科学观的视角来看，爱因斯坦的理论是比牛顿的理论更深刻、更基础的理论。爱因斯坦并没有停在这里，因为他知道，他的理论还不能包括当时已经发展很成熟的电磁理论，他后半生的主要科学研究工作就是试图发现可以把引力和电磁的规律统一起来的更加深刻、更加基础的理论。
但是遗憾的是，他没有做到。最主要的原因，是那个时代的物理学的主流已经转向了量子力学，而爱因斯坦认为量子力学不完备。他在质疑量子力学完备性的同时，毕生孤独地追求他的还原论，也就是引力和电磁的规律的统一。
与此同时，物理学家对微观世界的探索使得还原论继续高歌猛进。
尽管爱因斯坦没有参与，但是当时物理学的前沿研究已经转移到了微观世界。我们今天从还原论的观点看物质世界，就知道物质是由分子组成的，分子是由原子组成的，原子是由原子核和电子组成的，电子无法进一步分割为更小的粒子，因此是基本粒子（现在“基本粒子”这一概念已更多地被“粒子”取代）。但是原子核还可以继续分为中子和质子，中子和质子是由夸克组成的，夸克无法继续分割，也是基本粒子。然而，这并没有结束，我们还想知道这些基本粒子是怎么产生的，它们之间是怎么相互作用的，这些作用的原理是哪里来的，等等。
沿着和爱因斯坦完全不同的还原论的路线，在理解微观世界的本质的过程中，物理学家们发现了另外两种力，也称为基本相互作用，分别是弱相互作用和强相互作用。物理学家们首先统一了弱相互作用和电磁相互作用，建立了电弱统一理论，这是迈向物理规律统一的重要一步。然后他们又把强相互作用统一进来，完成了粒子物理标准模型，这个模型几乎可以解释我们目前已知的微观世界的所有现象。粒子物理标准模型的建立是物理学至今为止取得的最伟大成就之一。在这个过程中，大约30位物理学家获得了诺贝尔物理学奖。这当然也是还原论的重大成功！
目前，还有很多科学家在继续沿着还原论的路线探索，不仅试图把引力统一到目前的理论（被称为大统一理论）框架下，还更雄心勃勃地寻求能够解释一切的巨统一理论，被称为万物理论。如果真的能够找到这个理论，还原论可能就真的彻底成功了！那么这样的理论真的存在吗？
即使还原论的路线还能够继续走下去，但还原论就是科学的唯一可能性吗？就是唯一正确的科学观吗？就是唯一正确的科学路线吗？底层的理论真的能够解释上层的所有现象吗？所有的复杂现象都能够由最简单的原理产生出来吗？很多科学家并不这么认为，于是就有了突现论等科学观。在这些观念的指导下，科学家也同样取得了很多非常重大的科学成就。
爱因斯坦说过，提出一个好问题，比解决一个问题还重要，那我们就从国外一个著名的“edge”网站上提出的一个问题讲起。edge网站每年会提一个年度问题（annual question），然后邀请学术界和社会各类人士非常简要地回答。
2014年这个网站的年度问题是，什么科学理念可以退出历史舞台了？（What scientific idea is ready for retirement?）
各种各样的回答都有，其中有很多回答都是“万物理论可以退出历史舞台了”。这么回答的包括美国著名的圣菲研究所的杰出教授、该所的前任所长杰弗里·韦斯特，普林斯顿大学的爱因斯坦讲席教授、著名的天体物理学家保罗·斯坦哈特等。
看来，尽管还原论取得了巨大的成功，但它的终极目标——发现能够解释万事万物的万物理论，并不被众多科学家接受。
我的态度是开放的。我认为还原论的终极目标是很伟大的，是非常值得继续探索下去的。而我们现在的所谓粒子物理标准模型（后简称标准模型），距离还原论的理念还很远。这里我需要讲一点稍微“硬核”一点的物理知识。
标准模型认为存在12种基本粒子，包括6种夸克（上、下、奇异、底、顶、粲）和6种轻子（电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子）。这些基本粒子构成了物质的基本组成部分，而它们都有相应的反粒子。这样就有了24种基本粒子。标准模型还包括了传递基本相互作用的粒子，这些粒子被称为规范玻色子，它们是光子（传递电磁相互作用）、W和Z玻色子（传递弱相互作用）和胶子（传递强相互作用），一共4种。这样就有了28种基本粒子。此外，标准模型还有希格斯玻色子，它是负责赋予其他基本粒子质量的粒子。这样就有了29种基本粒子。
为了描述这些基本粒子的性质和它们之间的相互作用，还需要一大堆的物理学常数，包括光速、普朗克常量、元电荷、电子质量等。目前，国际公认的基本物理常数约有26个，这些常数在物理学研究中扮演着重要的角色，用于描述和解释自然界的各种现象。然而，这些常数只能通过精确的实验测量得到，并不能从理论上推导出来。即使如此，这个标准模型也还不能解释天文学研究过程中发现的占宇宙总质量和能量的96%的暗物质和暗能量。
还原论的基本理念就是，越基本、越深刻的理论，应该越简洁。在还原论拥护者看来，由几十种粒子和几十个物理学常数构成的标准模型简直是丑爆了，而且不能解释暗物质和暗能量，因此还原论的拥护者们继续探索下去就很自然了。
我认为，即使找不到所谓的万物理论，科学家在探索的过程中取得的任何进步，都非常有利于人类理解自然规律。
但是为什么自然规律一定要有终极的、最简洁的形式呢？毕竟，还原论就是一种理念，自然规律并不一定真是这样的，而且也不一定只能是这样的。
那么，逻辑上都有哪些可能性呢？
一种可能性就是，其实物理规律有很多种可能性，甚至无穷多的可能性，而恰好我们的这个宇宙、我们的这个自然界里出现的，就是我们目前的这个标准模型而已，没法再进一步解释为什么是这样了。这个可能性和我们在前面的话题里谈到的人择原理有关，也和一个目前非常火的科学理论——超弦理论，以及平行宇宙、多重宇宙有关。
另一种可能性就是，即使还有更底层、更简洁的理论，但是它们对我们理解更高层次、更复杂的世界和现象毫无帮助。
简单来讲就是，不同的层次、不同的复杂程度，需要不同的科学规律。
比如，要描述原子的性质，需要理解原子核和原子核外电子的性质，也在一定程度上需要理解原子核内质子和中子的性质，但是并不需要用到组成质子和中子的夸克的性质，实际上从夸克的性质也推导不出原子的性质。要描述分子的性质只需要理解原子和电子的性质，也在一定程度上需要理解原子核的性质，但是不需要用到质子和中子的具体性质了。要描述细胞的性质，就只需要理解分子的性质，也在一定程度上需要理解原子的性质，但是就不需要用到原子核的性质了。
毕竟，我们的世界基本上就是由细胞、分子和原子组成的，我们为什么还要继续沿着还原论的路线走下去呢？不赞同还原论的学者们的观点也是很有道理的。
从另一个方面来看，从简单就一定能够得到复杂吗？
◀菲利普·沃伦· 安德森
（Philip Warren Anderson， 1923—2020）
美国理论物理学家，1977年诺贝尔物理学奖得主。
哲学中有一个重要的思想，就是从量变到质变。物理学家、诺贝尔奖得主菲利普·沃伦·安德森曾经说过，“More is different”，意思是多就是不同。换句话说，复杂有复杂的规律，还原论对我们理解复杂现象并没有帮助。这就是emergentism的基本思想，有时候翻译为层展论（或呈展论），更多地翻译为突现论。
目前，突现论已经成为一种跨学科的理论，在物理学、生物学、社会科学和其他领域中得到了广泛的发展与应用——用于描述复杂系统中新的特性和行为，如何从其组成部分的相互作用中产生出来。“突现”指的是，在复杂系统中，整个系统的性质和行为不能简单地通过其组成部分的性质和行为来解释。相反，系统的整体性质是由组成部分之间的相互作用和组织产生的。
◀乔治·帕里西
（Giorgio Parisi， 1948— ）
意大利理论物理学家，2021年诺贝尔物理学奖得主。
2021年的诺贝尔物理学奖主要表彰的是获奖者对人们理解复杂系统的开创性贡献，而其中一位得主乔治·帕里西原来就是在还原论的主要研究领域——粒子物理领域做研究的理论家，而他研究的目的之一也是理解宇宙中的复杂现象对天体形成和演化的作用。
在人类的这些科学探索中，想象力起到了重要的作用，尤其是人类在仰望星空的时候，对宇宙的各种想象，不但催生了天文学这一最古老的自然科学，也对人类艺术和人类文明的进步起到了重要的作用。
大爆炸理论能很好地解释我们今天的宇宙，但这就是正确的宇宙演化理论了吗？科学就是刨根问底。很多人已经逐渐认识到，大爆炸理论实际上存在几个非常严重的问题，有人就脑洞大开，灵光一现，提出了一个非常奇怪的理论，这个理论不但解决了大爆炸理论存在的问题，而且带来了“多重宇宙”这一概念，它甚至有可能“一统天下”，把物理学理论都统一起来，实现还原论的终极目标。
我们前面都是在大爆炸理论的框架下解释并且理解我们的宇宙，但是大爆炸宇宙模型本身还有严重的问题，最主要的就是磁单极子、巧合性和视界疑难。
第一个是磁单极子疑难。
英国物理学家保罗·狄拉克早在1931年就利用他的理论预言了磁单极子的存在。当时他认为，既然带有基本电荷的电子在宇宙中存在，那么根据对称性，理应有带有基本“磁荷”的粒子存在。在这之前，狄拉克建立了著名的狄拉克方程，也就是相对论性的量子力学方程，简单来讲，就是把爱因斯坦的狭义相对论和量子力学结合了起来。利用这个方程，他成功地预言了正电子的存在。这个预言于1932年被实验所证实了，从此，科学家开启了研究反物质之门。狄拉克也因此于1933年获得了诺贝尔物理学奖。
虽然狄拉克对“磁荷”，也就是之后被称为“磁单极子”的预言引起了大家的重视，后来的粒子物理大统一理论也预言了磁单极子的存在。然而，寻找磁单极子的各种实验都没有探测到磁单极子（尽管我们还不能排除磁单极子的存在，但是至少说明宇宙中磁单极子非常少）。
第二个是巧合性疑难。
简单来讲，尽管宇宙中的天体多姿多态，但是宇宙整体的参数太像是人为给出来的，比如宇宙中所有物质和能量之和貌似恰好让宇宙的时空是平坦的，而人类对宇宙的观测表明，宇宙的时空也的确是平坦的。举个简单的例子，我们都学过的三角形的三个内角之和是180度，这其实只有在平面几何的情况下才成立。而在广义相对论里，弯曲时空才是自然的。在考虑所有可能的参数的情况下，宇宙中大尺度三角形的内角之和都应该显著地偏离180度——要么小于180度，要么大于180度，恰好等于180度就实在是太巧合了，也太反常了。我们常说，事出巧合必有妖，事出反常必有妖。那这个妖是什么呢？这就是巧合性疑难，也称为平坦性疑难。
第三个是视界疑难。
由于宇宙整体的尺度非常大，相距最远的两端距离接近500亿光年，这就是宇宙的视界，也就是可观测宇宙的最大尺度，而宇宙的年龄只有不到140亿年，所以即使以光线联系，相距最远的两端也不可能建立任何因果关系，因为根据狭义相对论，不可能出现超光速的通信。但是，各种观测的结果表明，宇宙两端的“模样”竟然几乎一样，它们似乎私下里已经有过了“交流”。它们是怎么“交流”的呢？这就是视界疑难。
这三个巨大的疑难问题困扰了学术界很多年，而解决上述三个疑难问题实际上只需要一个灵感，可谓一石三鸟，而且是三只各飞各的、看起来毫不相干的巨鸟。
◀艾伦·古思
（Alan Guth，1946— ）
美国物理学家，主要研究领域为宇宙学、粒子物理学，1979年提出宇宙暴胀理论。
当时年轻的物理学家艾伦·古思提出了一个古怪的想法：其实现在距离特别远的宇宙两端，一开始距离很近，是可以建立因果关系的，而且也进行了充分的“交流”，当然那时候宇宙的密度和能量特别高，所以也有很多磁单极子，然后突然宇宙就开始了一个比大爆炸还厉害得多的膨胀，称为暴胀；在这个期间宇宙的尺度不是按照哈勃定律那样线性增加，而是指数增加，在几乎注意不到的极短时间内，宇宙的尺度就变得比较大了，原来正在密切“交流”的局域还没有来得及说再见，就已经相距甚远，以光速通信也不可能。因此，后来尽管宇宙的局域分开得已经很远了，但是当时的宇宙模样被保留下来了。这样就首先解决了视界疑难。
而且我们可以在这个框架下进行研究。即使一开始宇宙很不平坦，不管是闭合的，还是开放的，然而由于膨胀的速度太快，任何不平坦处都会瞬间被拉平，和最简单的整容拉皮有异曲同工之妙。拉平之后，谁又能知道以前宇宙是怎么凹凸不平的呢？这样也就解决了巧合性疑难。
同样，即使一开始宇宙中磁单极子很多，但是由于暴胀的速度太快了，暴胀的过程中根本来不及产生新的磁单极子，然后宇宙就到了正常的大爆炸阶段，宇宙中的磁单极子密度就变得非常低了，导致现在根本就探测不到了。这样就把磁单极子问题也解决了。
一开始大家都觉得这样的猜想很厉害，但仔细研究之后，还是发现了不少问题。
最严重的问题之一，就是这个暴胀虽然很妙，但一旦开始（暂且不管是怎么开始的），貌似就刹不住车，无法进入我们今天观测到的正常的大爆炸阶段。那么宇宙如何能够优雅地退出这个凶猛的暴胀？除非暴胀的各种参数能被精细地调节，否则基本上没有可能产生现在的宇宙。
◀安德烈·林德
（Andrei Linde，1948— ）
俄裔美籍理论物理学家，混沌暴胀理论和暴胀多重宇宙理论的提出者。
以俄罗斯科学家安德烈·林德为代表，一些物理学家提出了一类理论——混沌暴胀。简单来说，就是他们认为实际上发生了非常多的暴胀，每个暴胀都不一样，都产生了不同的宇宙，恰好有一个就是我们的这个宇宙。这些宇宙就是多重宇宙，基本上同时产生，所以也可以说是平行宇宙。当有人问我宇宙外面是什么的时候，我就回答，是另外一个宇宙，只不过和我们的宇宙可能非常不同，这就是在多重宇宙或者平行宇宙框架下的回答。
这种宇宙模型的科学基础是超弦理论。
2009年，在北京人民大会堂召开了一次很大的国际学术会议，纪念伽利略发明天文望远镜400年，我是这个会议的组织者之一。会后，我们几个组织者决定出版一本书，作为这个会议的文集，我是三位科学编辑之一，另外两位分别是哈佛大学和芝加哥大学的教授，我负责邀约和审查黑洞与宇宙演化方面的论文。这本书后来也翻译成中文出版了，中文题目是我起的，叫作《天文学革命——仰望星空400年》。其中的一篇文章就是关于平行宇宙的，两位作者之一就是前面提到的林德教授，执笔人是他的学生。我其实并不太相信平行宇宙和多重宇宙，我是把他们这篇文章作为对几个代表性宇宙模型之一的介绍收入书中的，但是他们文章的观点很强硬，强调他们的模型就是唯一正确的模型。我作为科学编辑，建议他们弱化观点，或者提供更加强有力的论证，以说明他们的模型是唯一正确的模型。他们真的这么做了，其基本逻辑是，现在能够把量子力学和引力理论统一起来的理论就只有超弦理论。其实这个观点我也不同意，但是当时他们就是这么写的。根据超弦理论，宇宙的暴胀必然存在量子涨落引起的混沌暴胀，因此就必须有平行宇宙或者多重宇宙。学术研究允许争论，允许有不同的观点，所以我就同意他们的文章以这种方式出现在那本文集里。
除了平行宇宙和多重宇宙，还有一个类似的说法，就是多世界诠释，这和对量子力学的诠释有关。
量子力学的多世界诠释是由休·埃弗里特三世于20世纪50年代提出的一种量子力学的解释方式。一个量子系统在被测量之前是处于叠加态的，也就是说，其状态是多个可能状态的叠加，但是如果做测量的话，就只能得到其中的一个状态，而且每次测量很可能得到不同的状态。根据埃弗里特的解释，每个世界对应量子系统的一个可能状态，测量之前的叠加状态就是多个世界的状态的叠加，每次测量得到一个状态就相当于分裂成了一个平行的世界。因为我们实际上总是在不停地进行量子测量，所以就有了无数个世界，这就是多世界的解释，也可以说是平行宇宙。
当然，到底有没有平行宇宙，有没有多重宇宙，有没有多世界，今天的科学研究还无法给出明确的答案，也许未来能够给出答案，也许永远都给不了答案，但这并不妨碍科学家们继续探索宇宙的奥秘。
