宇宙中充滿了神奇的事物，耐心地等待著我們變得更加睿智以去探索。

——伊登·菲爾波茨（Eden Phillpotts）[1]

沒有什么比知道真相更令人愉快了。

——邁克爾·法拉第（Michael Faraday）

大約360萬年前，三個類人猿經(jīng)過一片火山噴發(fā)地時，在新近落下的火山灰上留下了腳印。今天，在坦桑尼亞的萊托里（Laetoli）仍然可以看到這些腳印。這喚起了人們強烈的好奇。正如生物學家理查德·道金斯（Richard Dawkins）所寫：“誰會不對這些類人猿感到好奇呢？他們彼此之間有著怎樣的關系？他們會不會手牽著手？甚至他們能否用語言交談？比如在上新世【1】的某個黎明探討著什么被遺忘的使命？”[2]

當然，我們無從知道這些問題的答案，但我們可以大膽地猜測，這三個原始人可能是阿法南方古猿（Australopithecus afarensis），以及在那遙遠的日子里（遠在現(xiàn)代人類出現(xiàn)之前），他們可能看到的和思考的事情。自然界的大部分事情都是混亂不堪、不可預測的，但有些事情是有規(guī)律可循的，比如太陽的升落、四季的更迭、月亮的盈虧、夜空中的斗轉星移等。我們最古老的祖先也必然會對這樣的自然規(guī)律印象深刻。

那些腳印被印在萊托里之后的數(shù)萬個世紀，人類對這些自然規(guī)律的認知并沒有取得任何進展。然而，大約在公元前3000年，一項重要的發(fā)明——文字——在中東地區(qū)出現(xiàn)了。從此，一切開始發(fā)生改變。文字不僅為記錄天空中發(fā)生的事件提供了手段，還有助于人類更深入地掌握天體的運動模式。在古巴比倫（即現(xiàn)在的伊拉克），已經(jīng)有人能夠對月食、日食這樣的天文奇觀進行預測了。那些有能力做出此類預測并控制相關信息傳播的人，能夠讓其他人心生敬畏。他們即使不想冒充神，也好像擁有超越常人的巨大魔力一樣。

然而，這點魔力與科學的壓倒性魔力相比，完全不值一提。誕生于17世紀的自然科學找到了描述物質世界行為方式的定律，而且這些定律大多具有可移植性。比如，雖然艾薩克·牛頓（Isaac Newton）著名的萬有引力定律是從蘋果的掉落和月球繞地球的運動中得出的，但在其他領域也同樣適用，比如解釋為什么每25小時海洋中會出現(xiàn)兩次潮汐。[3]

掌握某種運動模式，比如日食，僅能預測未來的日食。但是，利用普適定律，科學可以預測未知現(xiàn)象的存在。第一個也是最引人注目的例子就是奧本·勒維耶（Urbain Le Verrier）對未知行星的預測，1846年在夜空中發(fā)現(xiàn)的海王星的方位，幾乎就是這位法國天文學家計算出的方位。這在國際上引起了轟動，勒維耶也因此成了超級巨星。法國生物學家讓·羅斯丹（Jean Rostand）后來寫道：“科學把人變成了神。”[4]

海王星的發(fā)現(xiàn)，戲劇性地展示了科學的核心魔力：能預測到超乎想象的天體的存在，當人們去尋找時，發(fā)現(xiàn)這個天體確實存在于實際的宇宙中。這種能力如此神奇，就連科學界的大咖們也很難相信。眾所周知，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）并不相信自己的引力理論導出的兩個預測：黑洞（black hole）和大爆炸（big bang）。他甚至對第三個預測——引力波（gravitational waves）——是否存在猶豫不決。1916年，愛因斯坦預測了引力波的存在，但一年后，又開始懷疑它不存在，直到1936年才再次預測其存在。最終，他預測的引力波于2015年9月14日被發(fā)現(xiàn)。

科學的核心魔力似乎不可思議，因為沒人知道它為什么有效。人們只知道，物理學家的預測來自數(shù)學公式或描述宇宙各種特性的方程，卻不知道為什么這些方程如此完美地描述了物理世界。或者，套用20世紀奧地利物理學家尤金·威格納（Eugene Wigner）的話：為什么數(shù)學在自然科學中毫無道理地有效？簡而言之，宇宙有一個孿生的數(shù)學兄弟，可以寫在紙上，也可以寫在白板上，但為什么宇宙會有這樣一個孿生兄弟？這是一個天大的謎團。

理解科學核心魔力之所以重要，是因為它是物理學有效性的關鍵所在。物理學家們自然想知道，為什么他們的研究仰仗的主要工具如此有效。如果理解了這一點，便很可能揭示出宇宙中一些非常深刻的東西，以及為什么宇宙是現(xiàn)在這個樣子。

在這本書中，我將講述一些曾經(jīng)施展過科學核心魔力的數(shù)位物理學家的故事。不過他們的做法各有不同，這也很引人注目。蘇格蘭人詹姆斯·克萊克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）可以說是牛頓時代與愛因斯坦時代之間最偉大的物理學家。盡管麥克斯韋的思維能力超強，但他的思維過程本質上與常人的思維過程沒有太大區(qū)別。他也是先在腦海中使用齒輪之類的日常物體來構造諸如電和磁等現(xiàn)象的機械模型，只有當他確信已經(jīng)掌握了事物的本質時，才用數(shù)學術語表達自己的模型。麥克斯韋用著名的電磁方程組（equations of electromagnetism）描述電和磁的現(xiàn)象，揭示了光是電磁波，并預測了無線電波的存在，從而使21世紀的超鏈接世界成為可能。但是，英國物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）的做法卻與其大相徑庭。這位堪稱“物理學上的斯波克先生”只是憑空“捏造”了一個公式，就描述了在稀薄的空氣中以接近光速傳播的電子運動。狄拉克方程（Dirac equation）是狄拉克在一張紙上擺弄出來的方程，并且他堅持物理應該同數(shù)學一致，從而用該方程預測了現(xiàn)在毋庸置疑的反物質（antimatter）宇宙，使該方程成為刻寫在威斯敏斯特大教堂石地板上僅有的兩個方程之一。

本書講述的關于麥克斯韋、狄拉克以及許多其他人的故事，我都力求內容翔實，有據(jù)可依。如果談到的科學家還活著，而且愿意接受采訪的話，我就去采訪；對于那些已經(jīng)去世的人，則利用我所掌握的事實，把他們身邊發(fā)生的事件戲劇化。例如，麥克斯韋認識到光是電磁波的那天就是從現(xiàn)有的事實中拼湊起來的。在蘇格蘭格倫萊爾莊園度暑假回來后，麥克斯韋確實去了倫敦國王學院的圖書館，在一本參考書中查閱了空氣的介電常數(shù)和磁導率的測量值。這些事實是由威廉·韋伯（Wilhelm Weber）和魯?shù)婪颉た茽杽谑≧udolf Kohlrausch）提供的。麥克斯韋的確每天在肯辛頓大街的家與斯特蘭德的國王學院之間來回奔波，他經(jīng)常步行去，乘坐馬車回；經(jīng)過皮卡迪利大街，可以轉去阿爾伯馬爾街的皇家科學院，有時他會在那里停留一段時間。麥克斯韋和妻子凱瑟琳（Katherine）也的確經(jīng)常在海德公園和肯辛頓宮花園騎馬，凱瑟琳的小馬查理是通過火車從格倫萊爾莊園運送過來的。

我希望通過將科學預測和預測被證實的戲劇化故事，生動地再現(xiàn)科學發(fā)現(xiàn)誕生的情境，并為讀者呈現(xiàn)這些科學家在那一刻的思考，以及他們即將揭示無人知曉的宇宙秘密時的興奮心情。那些對科學史感興趣的人也可以從我提供的大量參考資料中受益。

從這些“魔術師”的故事里，你可以了解他們如何用筆和紙，不僅預測了未知世界、黑洞和亞原子粒子的存在，而且預測了反物質、在空氣中傳播的看不見的波、時空中的漣漪（即引力波）以及更多其他東西的存在。這些故事就是關于科學的核心魔力，以及這種魔力是如何將人變成神的。