序言
重生

I

这本书讲的是我们可以从对物理世界的研究中学到哪些最基本的道理。我遇到过许多人，他们对物理世界很好奇，也很想知道现代物理学是如何描述它的。他们可能是律师、医生、艺术家、学生、教师、父母，或者单纯只是好奇的人。他们拥有智慧，但缺乏知识。在这里，我试图用尽可能简单的方式传达现代物理学的核心信息，同时避免牺牲准确性。我在写这本书的时候，心里始终装着我好奇的朋友们和他们的问题。

于我而言，这些基本定律不仅仅包括概述物理世界如何运行的简单事实。诚然，这些事实既强大又奇丽，但是帮助我们发现它们的思维方式同样是一个伟大的成就。根据这些基本定律，我们人类在这个宏大图景里扮演着什么角色？这是个很重要的问题。

II

我选择了十条宽泛的原理作为我的基本原理，每条形成了一章的主题。我会从不同角度解释和证明每一章的主题，然后对它未来的发展做出一些有根据的推测。这些推测颇为有趣，我也希望它们读来令人激动。我想通过它们传达出的另一层基本信息是：我们对物理世界的理解仍处于增长和变化之中。它是有生命力的。

我仔细区分了事实和推测，以此表明我们建立这些事实所采用的观测和实验的本质。也许最基本的信息是，我们的确对物理世界的许多方面都有非常深刻的理解。正如阿尔伯特·爱因斯坦所言：“宇宙是可理解的，这个事实是一个奇迹。”这也是一个来之不易的发现。

正因为物理宇宙的可理解性如此令人惊讶，它不能被假定，而必须被证实。最有说服力的证据是，我们的理解尽管还不完备，但也让我们达成了许多伟大而惊人的成就。

在研究中，我试图填补我们理解上的空白，努力设计新的实验以推进可能性的前沿。对我来说，写这本书是一件快乐的事情，它让我回顾和反思一代代科学家和工程师在跨越时空的合作中达成的一些突出成就，同时也为之惊叹。

III

这本书也能为传统宗教的激进主义思想提供一个替代方案。它提出的基本问题与宗教相同，但解决它们的方式是参考物理现实，而非借助文本或传统。

有很多我尊敬的科学伟人都是虔诚的基督徒，如伽利略·伽利雷、约翰内斯·开普勒、艾萨克·牛顿、迈克尔·法拉第、詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。（在这方面，他们代表了他们所处的时代和环境。）他们认为可以通过研究上帝的杰作来接近和尊敬他。爱因斯坦尽管并不信仰传统意义上的宗教，但也有类似的态度。他常常提到上帝（或者“那个老人”），正如他最著名的格言所言：“上帝难以捉摸，但并不心怀恶意。”

他们以及此时此刻的我所抱有的进取精神，都超越了特定的教条，无论是宗教的还是反宗教的。我喜欢用这种方式来陈述它：通过研究世界如何运行，我们研究上帝如何工作，并因此了解上帝为何。在这个精神下，我们可以将对知识的寻求理解为一种崇拜，而将我们的发现理解为一种启示。

IV

写这本书改变了我对世界的看法。它开始只是一份阐述，但后来发展为一种沉思。当我反观写作材料的时候，两个包罗万象的主题出乎意料地展现在我眼前。它们的清晰与深刻令我震惊。

第一个主题是丰富。世界很大。当然，在晴朗夜空仰望苍穹足以让你感受到空间之广阔。而经过更加仔细的研究，在了解了空间尺度的数字以后，你的头脑更是会被震惊到不知所措。但是空间的浩渺只是自然之丰富的一个方面，而且它并不是人类经验中最核心的方面。

首先，正如理查德·费曼所言：“于微纳处天地宽。”我们每个人体内都包含了远比可见宇宙中的恒星数量还多的原子，我们的大脑包含的神经元数量也和我们星系中的恒星数量相当。内在宇宙为外在宇宙提供了有价值的补充。

空间如此，时间亦如此。宇宙的时间也很丰富。在追溯到大爆炸的时间长度面前，人类的寿命顿时变得不值一提。然而，我们将讨论到，人完整的一生所包含的有意识的瞬间，远多于宇宙历史包含的人类寿命的数量。我们被赋予了丰富的内在时间。

物理世界也充满了此前未被开发的资源，供人们创造和感知。科学表明，我们周遭的世界包含的已知可利用的能源和材料远多于人类当前正开发的。认识到这一点，可以赋予我们力量，也应当能激励我们的雄心壮志。

在没有辅助的情况下，我们只能感知到科学探索揭示的现实中很小的部分。以视觉为例，我们的视觉感受是我们与外部世界间最宽广和最重要的接口，然而它对太多东西视而不见了。望远镜和显微镜揭示了海量的信息，这些不为人知的宝藏编码于我们肉眼通常无法察觉的光线之中。另外，在电磁辐射谱这个无限长的键盘上，我们的视觉仅限于可见光这一个八度范围，它的一侧是从无线电波到微波再到红外线，另一侧是从紫外线到X射线和伽马射线。即使在我们可见的这个八度范围内，我们的颜色视觉也是模糊的。尽管现实有诸多方面是我们的感觉不能认识的，但我们的头脑让我们超越了自身的天然极限。拓宽认知的大门是一场伟大而持续的冒险。

V

第二个主题是，我们必须“重生”才能正确地欣赏物理宇宙。

当我在充实这本书的内容时，我的外孙卢克出生了。在撰写草稿期间，我开始观察他人生的最初几个月。我看到他睁大眼睛研究自己的双手，并开始意识到自己可以控制它们。我看到他学会伸出手抓住外界物体时感到的快乐。我观察到他用物体做实验，扔掉它们又寻找它们，他不断重复这个过程，好像是不太确定会得到什么结果似的，然后在找到它们时又快乐地笑起来。

通过这些和许多其他的方式，我可以看到卢克正在为世界建立一个模型。他用永不知足的好奇心和极少的先入之见接近它。通过和世界互动，他学到了几乎所有成人都认为理所当然的事情，比如世界分为自我和非自我，思维可以控制自我的运动而不能控制非自我的运动，以及我们可以观察物体而不会改变它们的性质。

婴儿就像小小科学家，做实验并得出结论。但以现代科学的标准，他们做的实验非常粗糙。婴儿没有使用望远镜、显微镜、质谱仪、磁力计、粒子加速器、原子钟以及其他任何我们用来构造我们最真实也最精确的世界模型的仪器。他们感受到的温度仅限于一个小范围内，他们沉浸在一种化学成分和压强非常特殊的大气中，地球引力把他们（和环境中的一切）往下拉，同时地球表面支撑着他们，等等。

婴儿会建立一个世界模型，来解释在他们感知和环境限制下的经验。从实用的目的来说，这种方法很合适。在我们还是孩子的时候，从日常世界中学习以应对它，这种方式是有效且合理的。

但是现代科学揭示的物理世界与我们婴儿时期建立的模型全然不同。如果我们再次向世界敞开心扉，充满好奇，摒弃先入之见——如果我们让自己得以重生——我们就能以完全不同的方式理解世界。

有些东西，我们必须学习。比如，世界由一些基本组件构成，它们遵循严格但奇怪且陌生的法则。

而有些东西，我们必须抛弃。

毕竟，量子力学向我们揭示了，你不可能观察一个东西而不改变它。每个人接收到的来自外部世界的信息都是独一无二的。想象你和一位朋友坐在一个非常暗的房间里观察一束昏暗的光线。将这束光调得非常非常暗，比如用多层布料蒙在它上面。最终，你和你的朋友只能看到间歇性的闪光。但是你们看到闪光的时间是不同的。光已经被分解为单个量子，而每个量子不能被共享。在这个基本层面上，我们感受到的世界是不同的。

心理物理学则揭示，意识并不指挥绝大多数行动，而是处理由执行行动的无意识单元提供的报告。使用一种叫作经颅磁刺激（TMS）的技术，实验员可以选择刺激受试者的左脑或右脑的运动中枢。对右运动中枢施加一个特定的TMS信号会导致一次左手腕的抽动，而对左运动中枢施加一个特定的TMS信号会导致一次右手腕的抽动。阿尔瓦罗·帕斯夸尔–莱昂内（Alvaro Pascual-Leone）在一个具有深远意义的简单实验中巧妙地使用了这种技术。他让受试者在收到一个提示时决定他们想要抽动左手还是右手的手腕，并在收到另一个提示的时候执行他们的意图。如果他们已经决定抽动右手腕，他们的左运动区就会活跃；如果他们已经决定抽动左手腕，他们的右运动区就会活跃。通过这种方式，研究人员可以在运动发生前预测受试者做出了何种选择。

然后，揭示真相的转折出现了。帕斯夸尔–莱昂内偶尔会施加一个TMS信号来反驳（并最终推翻）受试者的选择。然后，受试者抽动的就会是TMS强加的那只手，而非自己最初选择的那只手。更引人注目的是受试者如何解释发生的一切。他们并没有报告说某个外力控制了他们，相反，他们说的是：“我改主意了。”

细致的物质研究揭示，构成我们身体和大脑——“自我”的物理平台——的东西和构成“非自我”的东西相同，而且似乎是紧密相连的，这违背了我们的一切直觉。

在我们婴儿时期急于理解事物的过程中，我们也学会了误解世界和自己。在通向深刻理解的航程中，有许多需要抛弃，也有许多需要学习。

VI

在重生的过程中，我们可能会迷失方向。但就像坐过山车一样，它同样令人兴奋不已。而且它还带来了一份礼物：以科学的方式重生之后，迎来的世界看起来新鲜、清晰而且惊人地丰富。它们实现了威廉·布莱克的愿景：