1700950517
叩响天堂之门：宇宙探索的历程 [:1700950054]
1700950518
叩响天堂之门：宇宙探索的历程
1700950519
1700950520
1700950521
1700950522
1700950523
在让我最终选择走上物理学之路的各种原因中，最重要的一个是，我希望能做一些可以“千古流芳”的工作。如果这些工作需要大量的时间、精力以及付出，那么我希望它们最终能成为永恒以及真理的代言。和很多人一样，我也认为科学发展经得起时间的考验。
1700950524
1700950525
在大学时期，我主修物理学，而我的朋友安娜·布克曼（Anna Büchmann）主修英文。具有讽刺意味的是，她选择文科的理由与我选择理科的理由是相同的。她深深喜爱一个经典故事能得以流传百年的感觉。多年之后，当我和她讨论亨利·菲尔丁（Henry Fielding）的小说《弃婴汤姆·琼斯的故事》（Tom Jones ）时，我才得知她在读研究生时为我非常喜欢的一本小说的注释工作，贡献过力量。[1]
1700950526
1700950527
《弃婴汤姆·琼斯的故事》已经出版250多年了，其深邃的主题以及智慧依旧绕梁三日，余音不绝。在我首次访问日本时，我阅读了日本古典文学名著《源氏物语》（Tale of Genji ），也为其紧凑的行文情节而惊叹，虽然此时距紫式部（Murasaki Shikibu）写下这些文字已经悠悠千年。荷马在约两千年前写下了不朽名篇《奥德赛》，即便时过境迁，我们依然能够品味奥德赛之旅的传说及其彰显出的人性之美。
1700950528
1700950529
科学家很少阅读古老的科学文献，我们往往把这些任务留给历史学家与文学批评家。虽然如此，我们依旧对沿袭前人提出的理论情有独钟，不管这些理论是在17世纪由牛顿提出的，还是在16世纪由哥白尼提出的。我们弃其巨著，只取其书中所蕴重要理念的精华。
1700950530
1700950531
科学当然不是那些一成不变的通用法则（这些法则我们在小学时期就已经接触过了），更不是一系列信手拈来的规则。科学是一种知识的演化体。我们正在研究的很多理论，最终都将被证明是不完备的或是错误的。科学理念会在我们跨越已知领域与未知版图的边界时发生巨大变化，而在未知领域中，我们也许可以对揭示事实真相的线索有着惊鸿一瞥 。
1700950532
1700950533
当追寻永恒不变的理论时，科学家必须面对的矛盾在于：他们此时信奉的理念，彼时会因为新的实验结果或者更好理解的出现，而不断被修正甚至被抛弃。合理而值得信任的知识核心经历过实践的检验，往往被不确定的事物所构成的边界所环绕，而这些正是现代科学研究的疆域。如果被更复杂而有说服力的实验工作所证伪，曾经激动人心的理念及想法将很快会成为明日黄花。
1700950534
1700950535
2008年，当竞选美国总统的共和党提名人麦克·赫卡比（Mike Huckabee）选择背弃科学，站在宗教的一方时，他并没有“完全被误导”——至少按他自己的界定是这样的。这一部分是因为“科学信仰”会发生变化，而基督徒们则把权柄授予一个永恒的、不动如山的上帝。
1700950536
1700950537
我们所了解的有关宇宙的科学知识正如宇宙本身一样，不断在演化。长久以来，科学家们抽丝剥茧般地剥开事实的外衣，以揭开潜藏在纷呈表象之下的事物本质。在探寻更小尺度上奥秘的过程中，人们的眼界也在不断开阔，知识在随之增长。当逐渐接触到那些难于接近的尺度时，由于未知领域的减小，人们的知识水平得以增加。而随着知识领域的扩大，“科学信仰”也随之进化了。
1700950538
1700950539
即便飞速发展的技术让一系列更广泛的观察得以实现，我们也不必直接否定过去曾使用过的理论，毕竟它们曾经对我们可以理解的尺度、能量、速度以及密度，作出了成功的预言。科学理论是推陈出新的体系，它会把旧知识纳入更加综合的图景，而这个图景产生于一系列更大范围的理论和实验观察。这种变化并不意味着旧理论必然是错的，而只表示当更小尺度上的新要素被揭示时，原有的规则就不再适用了 。因此，知识可以在随时间扩张的同时容纳旧有的理论。学无止境，永远有新的事物等待我们去探索。正如跋山涉水可使人心荡神驰，即便你不可能遍历全球（更遑论宇宙了），格物致知也是丰富我们生命的一种追求。“吾之知也无涯”，这激励着我们继续迈出求知的脚步。
1700950540
1700950541
我自己的研究领域，即粒子物理学，正在探索更小的尺度，以研究越来越小的物质组分。现在的理论与实验研究试图揭示潜藏在物质内部的存在。但是，物质并非如俄罗斯套娃一样，不断由更小尺度的相同元素嵌套而成。在不断变小的尺度上进行研究的有趣之处在于，在我们进入新领域时，原有的规则将不再适用。新的基本作用力与相互作用也许会在那些尺度上出现，而这些元素的强度在我们现在所研究的尺度上极其微弱，以至于现有的手段根本无法探测到它们的存在。
1700950542
1700950543
尺度让物理学家能够确定与任何特定研究相关的尺寸和能量的范围，它对理解科学的进步以及我们所处世界的诸多方面而言，都至关重要。通过把宇宙按照不同尺度分割为各个可以理解的部分，我们认识到，最佳的物理定律并非必然在一切情形下都相同。我们必须把那些在某个尺度上表现更好的概念，与那些在另一个尺度上更有用的概念联系在一起。采用这种归类方式，我们得以把已知的全部事物都纳入一个统一的图景中。在这个图景中，对不同尺度上事物的描述可以截然不同。
1700950544
1700950545
尺度
1700950546
1700950547
物理学家用来确定研究对象尺寸与能量的标准，可以根据尺度的不同对事物分类。不同尺度的事物可能适用不同的物理定律。
1700950548
1700950549
在本章我们将会看到，按照尺度对事物进行分类，对于明晰我们对科学以及其他事物的思考颇为有益。它也可以帮助我们厘清为何在日常生活的尺度下，构建物质基石的一些微妙性质是如此难以被我们注意到。在这个过程中，本章也会详细辨析科学中的“对”与“错”，以及为什么一些明显激进的理论进展也未必会导致我们已经熟知尺度上的巨变。
1700950550
1700950551
科幻界的怪力乱神
1700950552
1700950553
人们常常分不清“科学知识的演化”与“没有科学知识”之间的区别。他们误解了一种情况，即我们在完全没有一些可信赖规则的前提下，试图发展新的物理定律。在一次加州之行中，我与编剧斯科特·德瑞克森（Scott Derrickson）的一次交谈，使我明确了一些误解的起源。那时，德瑞克森正在忙于一些电影剧本的创作，这些剧本试图提出科学与一些可能被科学家们归入超自然现象的事物之间的潜在联系。为了避免专业性错误，德瑞克森决定让一位物理学家（也就是我）来帮忙审核他那些富有想象力的故事情节。于是，我们在一个阳光明媚的下午，在洛杉矶的一家咖啡店共进午餐，以交流我们的想法。
1700950554
1700950555
由于自知编剧家经常歪曲科学概念，德瑞克森希望他剧中有关鬼魂与时间旅行的故事细节在一定程度上经得起科学的推敲。作为编剧，他需要面对的最大挑战在于，不仅要给观众传达有趣的科学现象，还要把这些现象在电影荧幕上表现出来。即使没有受过正规的科学训练，德瑞克森依旧可以快速接受新鲜事物。所以我向他详细解释了为什么他的故事在物理学上站不住脚，尽管其中某些情节是别出心裁而有娱乐精神的。
1700950556
1700950557
德瑞克森却认为，许多科学家今天看来荒谬的现象往往会在将来被认为是正常的：“科学家们曾经不是也拒绝承认过相对论吗？”“谁曾想到随机性会在基础物理定律里扮演重要角色呢？”[4] 尽管德瑞克森十分尊重科学，且能以史为鉴，但他还是怀疑：科学家们有时不是也会在他们理论的蕴意与适用范围上犯错误吗？
1700950558
1700950559
有些批评家甚至更严苛。他们断言，即使科学家已经能作出一系列伟大的预测，这些预测的可靠性也仍然值得怀疑。怀疑者们坚持，即使有着明确的科学证据支持，理论中也总是有未知的隐情或漏洞。也许死者可以复生，或者他们只是进入了一个通向中世纪或者中土世界的时空之门呢？这些怀疑论者不相信任何一件被科学断言绝对不可能发生的事情。
1700950560
1700950561
尽管保有开放的头脑以及认识到“吾之知也无涯”是人类的大智慧，然而一个谬论[5] 深深地隐藏在这种逻辑之中。只有当我们仔细分析上述思想的意义，特别是应用尺度的概念时，问题才变得清晰明白起来。这些问题忽略了如下事实：虽然总存在我们不能探及的更小尺度与更高能标，在那些情况下物理定律可能发生改变，但在人类日常生活的尺度上，我们已经足够好地掌握了相关物理定律，而它们也在悠长的岁月中经受住了无数次考验。
1700950562
1700950563
当我在惠特尼美术馆遇到编舞者伊丽莎白·斯特布（Elizabeth Streb）时，我们共同受邀在有关创造力的主题上发言，而她显然大大低估了在人类的尺度上，科学知识的基础有多坚不可摧。斯特布提出了一个与德瑞克森问过我的相似问题：“物理学家提出的那些卷曲在一个难以想象的小尺度里的小维度，为什么没有在我们的身体运动时（比如跳舞）产生任何影响呢？”
1700950564
1700950565
斯特布是一位成功的编舞者，通过对舞蹈与身体动作的了解，她对一些科学基本假设的看法非常有趣。然而，我们不能确认新维度是否存在以及它们所扮演的角色。因为于我们而言，它们太小或者太过“卷曲”了，以至于我们无法探测到。通过上述说明，我想表达的是：我们迄今还未在已观测的尺度上找到任何它们的影响，即使是通过最精细的测量也不能找到。额外维度产生的物理现象不够明显，还无法对人们日常的运动产生任何可见的影响，否则额外维度早就被我们观测到了。因此可以推论出，即使我们对量子引力的理解更进了一步，编舞艺术的基础也不会因此而动摇。在人类日常可及的尺度上，这些微观物理规则的影响微不足道。
1700950566