揭秘物理世界的四大定律

1506年，马丁·瓦尔德泽米勒（Martin Waldseemuller）绘图2-1 1506—1744年的世界地图

从17世纪开始，物理学家们就在努力探索物理定律是如何构造并控制宇宙的。这与欧洲早期的探险家们进行的地理大发现很像（见图2-1）。

1506年，欧亚大陆的版图已然清晰，但南美洲仍在“朦胧”之中。1570年，美洲的轮廓已经清晰，但地图上仍然没有澳洲的丝毫踪迹。1744年，澳洲的版图也清晰了，但南极洲仍是未知领域。

类似的情况也发生在物理世界中（见图2-2）。到1690年，牛顿定律（Newtonian Laws of Physics）已经广为人知。通过力、质量和加速度这些物理概念，以及联系这些物理概念的方程，例如F=ma，牛顿定律可以精确地描述月球环绕地球的运动、地球环绕太阳的运动、飞机的飞行轨迹、大桥的建造原理以及小孩子所玩的弹珠的碰撞原理。在第1章，我们简要地描述过牛顿定律的一个例子：平方反比引力定律。

左图：1570年，亚伯拉罕·奥特柳斯（Abraham Ortelius）绘

右图：1744年，伊曼纽尔·鲍恩（Emanuel Bowen）绘

图2-1 1506—1744年的世界地图

到1915年的时候，爱因斯坦和另一些物理学家已经发现了有力的证据，证明牛顿定律在某些情况下会失效，包括研究涉及超高速运动时（物体以接近光速运动）、涉及超大尺度（例如研究宇宙时）以及非常强的引力场时（例如黑洞）。为了弥补这些漏洞，爱因斯坦提出了革命性的相对论物理定律（relativistic laws of physics）。通过引入弯曲的时间和弯曲的空间的概念（我会在下一章中论及），相对论预言并描述了宇宙膨胀、黑洞、中子星以及虫洞。

图2-2 控制宇宙的物理定律

到1924年的时候，人们已经非常清楚地知道牛顿定律在微观尺度上也不适用了（例如当研究分子、原子和基本粒子时）。为了解决这个问题，尼尔斯·波尔（Niels Bohr）、维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）、埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）等物理学家们为我们引入了量子定律（Quantum Laws）。这种理论认为万物都会有点儿随机的涨落（我将在第25章描述）。随机涨落能从真空中产生新粒子和辐射。量子定律给我们带来了激光、核能、发光二极管以及对化学更深刻的理解。

到1957年，相对论物理定律和量子定律在本质上的分歧变得愈发明显。在引力非常强、量子效应也非常强的情况下，它们作出了不同的预测，且互不相容。这种情况包括：宇宙诞生的大爆炸（见第1章）、黑洞（比如卡冈都亚）的核心部分（见第25章和第27章），以及向过去传递信息的时间旅行（见第29章）。在这些情况下，不兼容的相对论物理定律和量子定律卷进了“火爆的婚姻”中，量子引力理论（laws of quantum gravity）由此产生（见图2-2）。

我们至今还不清楚量子引力理论的具体法则，但是我们获得了一些很有吸引力的见解，包括超弦理论（见第20章），这全要归功于21世纪全世界最杰出的物理学家们的巨大贡献。尽管我们对之有了一些理解，但量子引力理论仍然是一片未知的世界。这反倒给了那些激动人心的科幻小说以施展拳脚的空间，也给了诺兰充分的想象空间，以使他在《星际穿越》中展示了自己精湛的电影技巧（见第27～30章）。