最偉大的智力冒險

前言  我們為何生活於此

未知與探索

01 從納尼亞的衣櫥到柏拉圖的洞穴
對隱秘世界的嚮往
科學發現的本質

02 望穿黑暗，揭開光學奧秘的面紗
光到底是什麼，一個長達 400 年的疑問
是粒子，還是光波？
法拉第的“場”

03 光在鏡中，找尋光的本質
從白光到七色光譜
電磁統一
光就是一種電磁波

04 去而複返，解開光速的謎題
所謂靜止狀態，不過是一種幻覺
到底怎樣測量光速

05 四維時空，縫合時間與空間
“先來”與“後至”
什麼才叫“真實”

06 現實的影子
光是波也是粒子
上帝不和宇宙擲骰子

07 量子世界，奇幻宇宙
海森堡不確定性原理
大自然並不關心人類的想法
瘋狂的量子世界

08 時間的褶皺
反粒子真的存在嗎
虛粒子為什麼必須是一個
對稱性必不可少

09 衰變與碎片
一毫釐品質之差，讓我們能夠存在於世上
10分鐘的永恆

10 核裂變，太陽光芒萬丈之源
處處皆有弱相互作用
太陽能量的來源之謎

第二部分  絕望與拯救

11 構想新粒子，絕望時代的絕望之舉
原子核問題，物理學家最為困惑的問題
去構想些新粒子
問題依然存在

12 巨人們的遠征
一切始於兩大理論
如果讓“左”“右”互換

13 進化至美：對稱性的反擊
將完美隱藏於我們司空見慣的事物之中
別將棋子挪得太遠

14 冷酷世界：破缺的到底是好是壞
從秩序到對稱破缺
發現超導

15 活在超導世界
誇克，一個美妙的粒子
磁懸浮，超導體最為驚人的特質之一

16 物理學所能承受之重：對稱性破缺
自發對稱性破缺的破綻
希格斯粒子，一個“漂亮的模型”

第三部分 榮耀與啟示

17 希格斯場：錯誤的地方，正確的時間
我們生活的世界，真的就是一個“超導體”
希格斯場如何凝聚，決定了你我的存在

18 大霧散去，量子力學的黃金時代
電弱統一理論的兩面
“飛機”是隱形的

19 我們存活于一個自由世界
是時候徹底“殺死”量子場論了
正反誇克的相互作用
那些和我們存在有關的“基本量”並不是基本的
W 玻色子和 Z 玻色子，我們房間裡的兩頭大象

20 讓粒子對撞，發現新粒子
建造高能加速器，讓兩束粒子對撞
希格斯粒子，粒子物理的大聖杯

21 21 世紀大教堂
大型強子對撞機，人類有史以來最為複雜的機器
大教堂和加速器都是人類文明最好的紀念

22 問題多過答案
下一層現實正在召喚我們
把大統一事業進行到底

23 漫無目的的宇宙
宇宙正處於一個新的“暴脹”階段
宇宙根本就不在乎我們的喜好
後記  虛懷宇宙
 

在我的故事之初，便有了光。

當然，在時間的起點，光就已經存在。可在我們談論時間的起點之前，不妨先去探索一下人類自身的起點，也是科學探索的起點。這趟探索之旅意味著回歸科學與宗教的初衷：渴望發現我們經驗中的宇宙之外的存在。
 
對隱秘世界的嚮往

對許多人而言，正是這種渴望賦予了宇宙某種目的和意義。人們將其昇華為一種對隱秘世界的嚮往。那片隱秘世界應該是個世外桃源，沒有原罪，沒有痛苦，也沒有死亡。可對另一些人而言，隱秘世界有著完全不同的含義。它應該是一個存在於我們感知之外的物理世界。透過這個隱秘世界，我們可以洞悉事物的行為，而非空談行為的意義。這個隱秘世界築起了我們的生活體驗，對它的理解是我們改變人生、環境和未來的力量源泉。

這兩個世界的對比，出現在兩部風格迥異的文學作品之中。

第一部是 C. S. 路易斯（C. S. Lewis）的小說《獅子、女巫和魔衣櫥》（The Lion, the Witch and the Wardrobe）。這部 20 世紀奇幻兒童文學經典充滿了基督教的色彩。它描繪了一段發生在很多人身上的童年經歷—到床底下、壁櫥裡或閣樓上尋寶，搜索隱秘世界的蛛絲馬跡。故事講述了第二次世界大戰期間，幾個學童為躲避戰火而離開倫敦，來到鄉下生活。某天，他們意外地爬進了一棟鄉下別墅的大衣櫥裡，進而發現了一個名為納尼亞的奇妙世界。故事中，孩子們得到了獅王的幫助，最終拯救了納尼亞王國。而為了戰勝邪惡，獅王如同基督一般甘受羞辱，並在祭壇上自我犧牲。

儘管路易斯的童話有著明顯的宗教暗示，我們仍然可以換個角度來看看這個故事—它是一則無關乎神明或者惡魔的寓言。這則寓言向我們揭示了一個波瀾壯闊、令人生畏的未知世界。它就靜靜地存在於我們的感知之外，等待著我們鼓足勇氣將其發現。而一旦被發現，它便能夠豐富我們對自身的理解，並為那些急需歸屬感的人提供人生的目的和價值。

大衣櫥散發著熟悉的舊衣服的味道。藏在裡面的傳送門安全地與外界隔離，卻又顯得愈發神秘。這樣的設定需要突破經典的時空觀。如果一個觀測者只是徘徊於衣櫥的前後，那他什麼也發現不了。只有進入衣櫥之後，他才能發現那個隱秘世界。這也意味著，人在衣櫥內感知到的實際空間肯定比衣櫥本身要大得多。

而這恰恰是宇宙的一個特徵。廣義相對論中，時間和空間具有動態性。舉個例子，對站在黑洞“視界線”（物質一旦進入視界線，便再也無法逃脫）以外的人來說，黑洞的體積可能極小；可對於進入黑洞內部的觀測者來說（假設他尚未被引力撕成碎片），他所看到的黑洞體積可能大不相同。儘管沒有確鑿的計算支持，但確實存在一種可能性，即黑洞內部存在著一扇通往其他宇宙的傳送門。

讓我們回到正題。在文學作品、哲學想像及其他領域中，還存在著另一種針對隱秘世界的想像。在這種想像中，那個總是存在於我們感知之外的宇宙，與現實空間的真相有著密切的聯繫。

以上觀點的雛形出現在一段“上古”故事中，它比路易斯的奇幻小說足足早了2300年。此處，我所指的故事即是柏拉圖所著《理想國》（Republic）中的“洞穴寓言”。在整部《理想國》中，這則寓言是我的最愛。儘管出現甚早，“洞穴寓言”卻一針見血地闡明了理解隱秘世界的必要性，及其可能帶來的風險。

在這則寓言中，柏拉圖將生活在經驗現實中的人們比作一群從小就生活在洞穴中的囚徒。他們被迫終生面朝石壁。石壁是他們眼中唯一的真實世界。囚徒們的背後有火堆，一些物體在火堆前移動，火光將石壁照亮，也將物體投影到石壁上。於是，囚徒們總能看到一些影子在石壁上移動。

在高中課本裡，我第一次讀到了“洞穴寓言”。課文取自柏拉圖《對話錄》1961 年英譯本。下面這幅圖來自我當年的教科書。現在看來，這幅圖顯得有些可笑。儘管它只是圖形化了《對話錄》對洞穴的描述，可它帶著幾分鮮明的時代感。舉個例子，為什麼所有的囚徒都是衣著不多的女性？在柏拉圖的時代，男孩子大概更受歡迎。

柏拉圖稱，囚徒們會錯認影子為現實，甚至還會給影子起名字。這樣的行為並不是非理性的。相反，我們很快會發現，他們眼中的現實在某種意義上相當現代——現實即我們可以直接度量的世界。科幻小說家菲力浦·K. 迪克（Philip K. Dick）給出了我最認可的“現實”定義。在他看來，“現實是一種即便你不相信它，它卻依然在那裡的存在”。對囚徒而言，他們唯一能看到的就是影子。儘管物體的移動也會產生各種雜訊，可囚徒們只能聽到聲音經由石壁反射所發出的回聲。

接著，柏拉圖將哲學家比作囚徒中的特殊一員。有人解除了他的枷鎖，強迫他看看身後的火焰，再命令他越過火堆，走向洞外的陽光世界。剛開始，這個可憐人一定會痛苦不堪，火焰和洞外照進來的陽光會刺痛他的雙眼。所有的事物都和它們的影子大不相同，展現出全新的模樣。柏拉圖指出，這個剛剛獲得自由的囚徒或許還會對影子念念不忘，在他看來，事物的影子相比事物本身更為真實。

之後，這個可憐人被人硬拉出了洞穴，完全暴露在陽光之下。他的困惑和痛苦成倍遞增。可最終，他會適應真實的世界。他會去看星星、月亮和天空。伴隨他前半生的諸多幻象最終散去，他的思想和靈魂獲得了解放。

柏拉圖接著指出，如果此人重返洞穴，將會有兩件事發生。第一，這個人的雙眼無法重新適應洞穴的昏暗環境，無法很好地辨識影子。他的囚徒同伴們會笑話他老眼昏花，抑或智力衰退。第二，囚徒社會會設定目標計畫，可現在他會覺得，這些計畫短視而可憐。囚徒社會也會選賢任能，嘉獎那些擅長辨識影子、預測影子動向的人。可現在他會覺得，這些人絲毫不值得尊敬。此處，柏拉圖套用荷馬的詩句寫道：
 
他寧願活在地上為窮人做牛做馬，也不願再回到洞穴，像囚徒一樣思考、生活。
 
以上就是自幼生活在幻象世界中的人們的故事。在柏拉圖看來，芸芸眾生幾乎都是這樣的人。接著，寓言指出，從洞穴到日光下的上升之旅，其實是在類比將靈魂上升到可知世界的過程。

我們可以清晰地看出，柏拉圖認為，只有進入純粹的可知世界，人們才能用真相取代種種幻象。在他看來，人類之中，只有一小部分人能夠完成這一旅途，我們稱之為“哲學家”。令人欣喜的是，今天的人們有了基於推理和實證調查的科學。它使得我們中的很多人都有機會踏上這趟旅途。可是，當代科學家面臨著相同的挑戰：發現影子背後的真相，探究不隨我們感知變化的真實世界。

儘管柏拉圖在寓言裡面沒有明說，但我們不難想像以下場景：重回洞穴的人會告訴囚徒夥伴們他在洞外的見聞——太陽、月亮、湖泊、森林，以及其他人及其文明。他的夥伴們大概會覺得他不僅老眼昏花，而且徹底瘋了。

這種想法極其現代。前沿科學正在大步前進，離我們所熟悉的世界越來越遠，也離我們從生活體驗中總結出來的常識越來越遠。藏在我們體驗之下的現實世界正變得愈發令人難以理解和接受。一些人甚至甘願接受迷信和神話的指引，以求獲得一絲慰藉。