1 质量起源
存在之轻
物质不像它看上去那么简单。它最明显的特征是对运动的抵制，或称为惯性或质量——称谓不同，理解的深浅亦有差别。通常物质的质量是宇宙更基本的建筑构件——能量——的具体体现，而能量本身是无质量的。空间也不像它看上去那么简单。在我们眼里空无一物的地方不过是我们心灵复杂的自主活动的一种反映。
第1章 把握“世界”
宇宙既非我们过去所认为的那样，亦非它现在所显现的这样。
这世界是怎么回事？面对周围的大千世界，历经磨难的和直面死亡的人们会被逼得问出这样的问题。答案的来源可谓多种多样：古代圣贤之书和传统，他人的爱和智慧，音乐和艺术的创造。每一种来源都说对了一部分。
然而，从逻辑上说，探索答案的第一步应当是搞清楚这里的“世界”是指什么。我们生活的这个世界本身有些重要而又惊人的事情值得说道，这就是本书的主题。我的目的是想让你加深对你我生存其中的这个世界的理解。
感官与世界模型
作为开始，我们用陌生的原始材料来构建我们的世界模型：用演化“设计”的信号处理工具滤去宇宙中多余的信息，使它成为不多的几股输入数据流。
数据流？其实它们更熟悉的名称是视觉、听觉、味觉等。从现代观点看，所谓视觉不过是对穿过我们眼睛微孔的电磁辐射进行取样，而且择取的只是很宽的电磁波谱中很窄的色谱段。我们的听觉监测耳鼓附近的气压，味觉提供对空气中撞击我们鼻膜的古怪气味的化学分析。其他感觉系统则提供另外一些粗略信息，如我们身体的整体加速（运动感觉），皮肤表面的温度和压强变化（触觉），舌头对微量化学成分的简单测定（味觉），以及其他一些感觉等。
这些感觉系统使得我们的先人——我们今天依然如此——建立起一个丰裕、动态的世界模型，并使它们能够有效地应对世界的变化。这个世界模型中最重要的组成部分是那些基本稳定的对象（如人、动物、植物、岩石……太阳、星星、云朵……），其中有些对象变动不居，有些充满危险，有些可食用，有些（那种精挑细选出来令我们特别感兴趣的）则构成理想的伴侣。
那些提高我们感觉的仪器装置则揭示出一个更为丰富的世界。当安东尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）在1670年通过第一台制作精良的显微镜窥视生物世界时，他看到了一个完全不曾预料的隐秘的生物序列。很快他就发现了细菌、精子和肌纤维的带状结构。今天我们知道，引起许多疾病（和健康）的原因在于细菌，遗传基础与微小的精子有关（当然这只是其中的一半原因），而我们的运动能力则与肌纤维的带状结构相关。同样，当伽利略在1610年首次将望远镜指向天空时，他的眼前呈现出一个丰富的世界：他发现了太阳黑子、月球上的山脉、木星的卫星和银河系里亮度不等的恒星。
但使感官能力得以增强的最终机制当属思维的大脑。大脑的思维使我们能够认识到，这个世界一定还有比我们眼睛能看到的更多的东西，而且在许多方面表现为不同的事物。这个世界的许多重要事实不会直接呈现在我们的感官之前。季节的更替，日出日落的周年锁定，5夜空中的星移，更复杂但仍可预料的月球和行星的运动，以及它们与星食的联系等——这些模式不会跳入眼帘、耳朵或鼻子，但是思维的大脑却可以关注它们。在注意到这些规律性之后，思维的大脑很快发现，它们比指导日常计划和预期的掐指估算更有规律。那些隐藏在背后的更深刻的规律很适于运用计算和几何来把握：一句话，更具有数学上的精确性。
其他一些隐藏着的规律则显现于技术和艺术实践领域。弦乐器的设计发展史就是一个绝好的重要例证。大约在公元前600年，毕达哥拉斯曾观察到，当乐器的弦长比为简单整数比时，琴声最和谐。受此启发，毕达哥拉斯及其追随者直观地做出了一项著名的思维跳跃。他们预言，可能存在一种不同的世界模型，它较少地依赖于我们的感官认识，但却与自然背后隐匿着的和谐性更相符，而且也更贴近实在的本来面目。这正是毕达哥拉斯兄弟会信条“万物皆数”的意义所在。
17世纪的科学革命使古希腊先哲的这些梦想开始成为现实。这场革命导致艾萨克·牛顿提出了运动和万有引力的数学定律。牛顿定律使我们可以精确计算出行星和彗星的运动，并为描述一般意义上的物质运动提供了强大的工具。
然而，牛顿定律适用的世界模型与我们日常的直观体验有很大的不同。由于牛顿的空间是无限的和均匀的，地球及其表面不具有特殊性。方向上的“上”和“下”以及各个“侧面”本质上是相似的。静止也不具有超越均匀运动的特殊地位。所有这些概念没有一个符合日常的生活经验，它们令牛顿的同时代人，甚至牛顿本人陷入困境。（牛顿曾对运动的相对性感到不安，即使它是牛顿方程的一个合乎逻辑的结果。为了从中解脱出来，他提出了存在“绝对”空间的假设，这样，绝对的静止和运动才有了定义。）
另一个重大进展出现在19世纪，这就是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的关于电和磁的方程组。新的方程组能用精确数学化的世界模型解释更广泛的现象，包括已知的和新预言的光（例如我们现在所说的紫外线辐射和射电波）。但是，我们再一次看到，认识上的重大进展需要重新调整和扩大我们对实在的看法。凡在牛顿描述的受引力作用的粒子运动的地方，麦克斯韦方程组均代之以“场”和“以太”的作用。根据麦克斯韦方程组，我们感官认为空无一物的地方实际上充满了看不见的电场和磁场，它们对我们观察到的物质施加作用力。虽然这些概念始于数学，但场的概念一旦在方程中出现就有了自己的生命。变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。因此，这些场可以来回地相互激活，并形成以光速传播的自生性扰动。自从麦克斯韦以后，我们便认识到，这些扰动正是光的本质。
牛顿、麦克斯韦以及其他许多杰出人物的这些发现大大扩展了人类的想象力。但只有在20世纪和21世纪的物理学中，毕达哥拉斯的梦想才真正得以实现。随着我们对物质相互作用基本过程的描述变得更加完整，我们将看到更多的新现象，观察的方法也大不相同。世界的深层结构完全不同于其表面结构。我们与生俱来的感官并不适于体验我们这个最完备和最精确的世界模型。因此你有必要拓宽你对实在的看法。
力量、意义和方法
当我还是孩子时，我特别喜欢探讨那些与事情表面下隐藏的巨大力量和隐秘意义有关的概念。
我曾被带去看魔术表演，于是就想成为一个魔术师。但是我的第一个魔盒让我感到深深的失望。我懂得了，魔术的秘密并不具有真正的力量，不过是一种诡计。
后来，我迷上了宗教，具体说是伴我成长的罗马天主教信仰。由此我被告知，事物表面的背后都存在着神秘的意义，存在着由祈祷和仪式所支配的巨大力量。但当我学到更多的科学知识之后，我明显感到古代经文中给出的一些概念和解释显然是错误的，当我了解到更多的历史并掌握了更多的史学知识（历史记录）之后，这些书中的好些故事就更值得怀疑了。
但我发现，最令我失望的还不是这些神圣经书中包含的错误，而是它们经不起对比。相较于我在科学上习得的知识，它们拿不出多少真正令人惊讶的有力见解。能够反驳无限空间概念的观点在哪里？能够对抗时间无限延伸概念的观点，能够说明与太阳相当甚至比太阳更大的遥远恒星的观点又在哪里？它们能预见事物背后的力量和新的不可见的“光”吗？它们能说明人类在理解自然过程基础上学会的如何利用和控制巨大能量的事实吗？我在想，如果上帝真的存在，那么他（或她，或者他们，或它）就应当在现实世界中做出一件令人印象深刻的事情而不是在古老的经书中显示自身的存在；与医学和技术在日常生活中产生的奇迹相比，信仰和祈祷的力量是孱弱的，不可靠的。
“打住吧你，”我听到传统卫道士的反对声，“对自然世界的科学研究不会揭示其意义。”
对此我的回答是：给它机会。对于世界为什么是这个样子，科学已经给出了一些非常令人震惊的事实。在你知道它是什么之前，你别指望弄懂它意味着什么。
在伽利略时代，哲学和神学（两个不可分割的领域）教授曾基于繁琐的形而上学观点大段论述过实在的性质、宇宙的结构和这个世界的运行模式。当时，伽利略测量了沿斜面滚动的球的速度会有多快。就这么一件平凡的事情，经院哲学家的论述也是大而含糊，而伽利略的研究则显得清楚准确。旧的形而上学观点从来不曾有进步，而伽利略的工作则最终结出了丰硕的成果。伽利略也关心大问题，但他认识到，要获得事实的真正答案，需要耐心和谦卑。
这个教训在当今依然有效。说明那些具有终极意义的大问题的最好方式可能还是与自然对话。我们必须先提出一些小问题，让自然有机会做出有意义的回应，这些回应很可能使我们感到惊讶。
这种处理问题的方式并不是自然产生的。生活中，我们需要利用手头掌握的信息迅速做出决定。人在猎物面前要迅速投出他的矛，否则他自己就成了猎物的牺牲品。他们没有时间停下来先研究完运动定律、矛的空气动力学并计算好运动轨迹再采取行动。想一口吃成个胖子是肯定行不通的。进化使我们变得善于学习和运用经验法则，而不是去寻找终极原因和对事物进行细微的区分。我们的优势不在于为了抓住可观察结果背后的基本规律而去进行长长的计算，这方面电脑要比我们强得多！
要想从与自然的对话中充分受益，我们必须先学会使用它的语言。那种让200000年前非洲热带草原上的人们能够生存繁衍下来的思考模式将不再有效。因此你得更新你的思维方式。
质量的中心地位
在这本书里，我们将探讨一些能够想象得到的重大问题。如物理世界的终极结构问题，空间的性质，宇宙的内涵和人类的未来等问题。不过，受伽利略的启发，我将在与自然对话的过程中按照这些问题出现的具体情形来处理这些问题。
我们首先遇到的大问题是质量。为了深入理解质量概念，我们将一路领略牛顿、麦克斯韦和爱因斯坦在这一问题上的观点，考察许多最新也是最奇怪的物理概念。我们会发现，对质量的理解将使我们能够处理关于统一性和引力这样的根本性问题，这些都是当前最前沿的研究。
为什么质量是如此重要？我来给你讲个故事。
很久以前，有一种叫作物质的东西，它非常结实，有重量，而且永远在那里。而另一种被称为光的东西却完全不同。人们用不同的数据流来感觉它们：用触觉来感觉物质，用视觉来感觉光。物质和光一直是——现在仍然是——对实在的其他各个方面的一种有力的隐喻：肉体的和精神的，现实的和潜在的，地上的和天上的，等等。
物质从无到有出现的一刹那，一定是个奇迹，就像耶稣用6条面包使五千众人果腹。
物质的科学实质，其不可再分的核心，是质量。质量规定了物质反抗运动的能力，也就是它的惯性。质量是不变的，即具有“保守性”。它可以从一个物体转移到另一个物体，但永远不会增生或被消灭。对牛顿来说，质量定义了物质的多少。在牛顿物理学中，质量提供了力和运动以及引力源之间联系的桥梁。而在拉瓦锡看来，质量的稳定性及其精确的守恒性，则构成了化学的基础和富有成果的发现指南。如果质量看上去消失了，那就得找出新的物质形式——哇，氧气！
光没有质量。光不用推动就可以以巨大的速度从光源传递到接收器。光很容易就可以产生（发射）或湮没（被吸收）。光也不具备引力那样的拉力。你在元素周期表中找不到光的位置，这周期表里分布的可都是物质的各种构件。
在近代科学诞生前的几百年以及诞生后的两个半世纪里，实在分为物质和光似乎是不言自明的。物质有质量，光没有质量；并且质量是守恒的。如果有质量物质与无质量的光始终彼此隔绝，那么物理世界就无法实现统一的描述。
在20世纪的前半叶，相对论和（特别是）量子理论的出现摧毁了经典物理学的基础。现存的物质和光的理论几同废墟。这一创新性的破坏过程使得我们有可能在20世纪下半叶建造起一个新的更深刻的物质/光理论，它将彻底破除自古以来对两者分离的认识。新理论认为，世界是建立在充满以太的多层级空间基础上的，我称其为“网格”。新的世界模型尽管极其古怪，但却非常成功而精确。
新世界模型为我们提供了对普通物质质量起源的新认识。有多新呢？这么说吧，物质的出现与相对论、量子场论和色动力学均有关系——后者是研究支配夸克和胶子行为特有规律的学问。如果不深入运用所有这些概念，你就不可能理解质量的起源。这些概念都是20世纪才出现的，而且只有（狭义）相对论是一个真正成熟的理论。量子场论和色动力学至今仍是活跃的研究领域，还有许多问题有待解决。
这些理论的高度成功以及从中获得的许多新知，使得物理学家带着希望进一步整合的思想跨入21世纪。这些思想是：继续在实现对自然界表面上各不相同的力予以统一说明的大道上前行，力争实现对我们今天运用的各层次物质间表观上各不相同的媒介予以统一的描述并检验。对这些思想是否正确，我们已经有了一些诱人的正面迹象。随着大型加速器LHC（大型强子对撞机）开始运行，在未来几年我们就将看清楚这些概念的有效性。
听：一个良好的宇宙就在隔壁，我们走吧。
——e.e．卡明斯