上学时候看着教学楼走道上挂着一排排的名人画像、听老师介绍这些人的丰功伟绩，心情澎湃立志长大要成为科学家，但现在还是经常被简单的微积分符号弄得头晕脑胀。在以往的概念里，伽利略就是做了个比萨斜塔实验、牛顿就是被苹果砸中推理出三大定理和万有引力、爱因斯坦做宅男推导出相对论于是有了原子弹，仿佛这些科学家都是顿悟之后突然成为了伟大科学家，这些伟大科学家的伟大理论在日常生活中并没有感到有多大用处。其实以上概念都是错的：伽利略没有在比萨斜塔做过实验、牛顿也没有被苹果砸到头上顿悟、爱因斯坦的相对论和原子弹的产生没多大关系（他只是在曼哈顿计划呼吁书上签了个字），以上伟大理论改变了我们对世界的认知，所有科技带来的便利都与这些理论密不可分，以上都是美丽的误会。
四个关于科学的小知识：
波普尔的证伪说：所有的物理规律（科学定律）都是无法完全“证实”的。也就是说判断一个理论是不是科学理论，关键看是不是具备“预言”和“可证伪性”，“预言”必须能够“证伪”，是可以通过实验被“证伪”推翻的。比如“天下乌鸦一般黑”，凡是有乌鸦生活的地方你都可以去观察、去证实，但不需要你把全世界所有乌鸦都抓住、并且被抓住的乌鸦都是黑的才能证明这句话，只要抓到一只不是黑色的乌鸦就可以证明这句话是错误的。再如“下雨是因为天上的龙在施法”，龙这种生物没有科学理论和观察数据证明其存在，更没有在下雨时观察到龙出现的记录，虽然说这句话的人可以说你们看不到龙是因为龙只能让纯洁心灵的人看到，但没有依据无法证伪，所以这句话不是科学定律。
奥卡姆剃刀原理：需要假设最少的解释性，往往是最接近真相的解释。简单说就是“如无必要、勿增实体”，越简单的描述越接近真相。比如在停机坪看到一架飞机，“这是一架XX航空公司的飞机”、“这是一架XX公司才出产的用最新空气动力学设计的飞机”、“这是一架配备最优秀空乘人员和美食的飞机”，但根据奥卡姆剃刀原理，应该这样描述：“这是一架飞机。”
思维实验：无论你是过去还是现在、或者将来，我们会发现一些实验我们是无法通过目前技术进行的，或者有这个科学条件但没有现实条件去购买实验器材，那就可以在思维里做实验，思维实验不需要任何实验材料，只需要你有足够的想象力和扎实的科学素养，在头脑中模拟的科学实验可以通过数学演算、推导出来并可“证伪”。
佯谬：乍一看肯定是错误的，但最终证明是正确的。比如最开始的宇宙观认为 “地球是圆的”这个观点是天方夜谭，如果地球是圆的那地球上的人不就掉下来了，所以地球是方的，最后证明“地球是圆的”就是佯谬。
科学理论并不是某个科学家或者某些科学家突然顿悟、脑洞大开后的产物，而是经过一代又一代科学家的不断研究和传承，科学理论不断积累到一定程度的必然结果。
两个科学巨匠
科学理论并不是某个科学家或者某些科学家突然顿悟、脑洞大开后的产物，而是经过一代又一代科学家的不断研究和传承，科学理论不断积累到一定程度的必然结果。这有点像看历史类书籍，从科学发展史的角度看待科学，可以更利于学习，积累到一定程度之后那些令人头晕的数学函数，就不再让人望而止步了。当然这不是要求去详细阅读他们的科学著作，他们的理论大部分现在已经过时或者被迭代了，读原著只会让绝大部分人更加头晕脑胀，我们只需要知道当时他们主要做了什么、提出了什么理论，就可以帮助理解现在的理论。
西方科学思维主要源自亚里士多德，亚里士多德认为认知世界的方法是思辨，这种观点统治了上千年。当然亚里士多德并不是一直都很有名，罗马统治后知道亚里士多德的人并不多，直到十字军东征，西罗马帝国的人要到“世界的中心去”，途中必须经过东罗马帝国，而且还要和阿拉伯人“交流”，在这个过程中他们发现了亚里士多德的著作，这时才知道原来先人中有这么个牛人，神学家阿奎那研究并翻译了亚里士多德的作品，从此开启教会科学的大门，请注意这时宗教和科学是一体的，科学的存在是为了在证明宗教的正确性。
后来哥白尼提出了日心说，但他在献书教皇时说：日心说只是为了方便计算进行的假说，不是事实。教皇深以为然还催促此书尽快出版，但哥白尼知道自己的学说会给宗教带来多大的冲击或者是对自己的想法存在不确定性，所以《天体运行论》在他临死前才出版。
哥白尼死后的57年内，从1534年保罗三世教皇开始，连续十三任教皇任期都比较短，其中在位时间长的格利高里十三世在位十二年、最短的克莱门八世只在位12天。教皇的不停变更让教廷的政策延续性无法得到保证，民间各种思想不断涌现，科学自由思想也得到了难得的发展空间。这时期出现了大名鼎鼎的布鲁诺，但根据目前学界的研究，他24岁时获得了神学博士学位并且成为道明会的神父。道明会是基督教的一个教派，最大的志向是扑灭一切异端，著名的宗教裁判所就是道明会负责运行的。在道明会工作期间，布鲁诺看了很多书，知识面扩展很大，虽然他科学素养不怎么样、对数学一知半解但这并不妨碍他脑洞大开，当他接触到《天体运行论》后，他将所热衷将神秘学说和赫尔墨斯法术与热门的日心说结合起来，他认为宇宙是无限的所以天体也是无限的；太阳只是这里的中心，别处还有更多的太阳、更多的中心。看到这里是不是觉得布鲁诺的想法很正确、属于超前思维？但以上这些说法没有任何科学逻辑推论和支持，所以最多只能算假说而不是科学。后期他甚至提出对圣母玛利亚、三位一体和耶稣神性的质疑，而且以日心说为噱头大力推广太阳崇拜和赫尔墨斯法术。宇宙是无限的、有多个太阳这对教会没多大影响，但对神的质疑就触碰到教廷的底线了，于是他被列为不受欢迎的人。在游走多国的时期（跑路）他还不断的宣扬自己对神质疑的言论，力求推广自己的神秘记忆学和巫术，最终在威尼斯被宗教裁判所抓捕。最初教皇提出处理意见：认错并回到老工作岗位：宗教裁判所工作，布鲁诺回复：认错可以，但回去工作不干。就这样你来我往、互相扯皮、软磨硬泡8年之后，失去耐心的教皇下令处予布鲁诺火刑。所以，“科学斗士”这个名号对布鲁诺而言名过其实，这只是一个美丽的误会。
1609年，当望远镜出现的时候，一个威尼斯人找到商人定做了镜片用于制作8-9倍的望远镜，然后将望远镜第一次看向了天空，这个是就是伽利略。
伽利略：在伽利略之前，科学服务于宗教、科学和宗教并没有分开、认知世界的方式采用思辨。伽利略通过将望远镜对向天空（天文望远镜）获得了不少观测数据，结合整理后的历史天文观测数据后，他发现了木星的卫星、太阳黑子、金星的盈亏，提出了银河是由大量不同天体组成的。看到这里只能说明他是一个伟大的天文学家，但他对科学的贡献不仅如此。亚里士多德认为物体的自然状态是静止的，只有受到外力才会运动，但伽利略通过大量实验和数据证明：物体在不受外力状态下，不是静止的，而是一会一直以匀速直线运动下去。亚里士多德认为重的物体比轻的物体下落速度更快，伽利略提出不管物体重量是多少，加速度都是不变的（理论推导，但在真空状态下才能证明。这个论断在阿波罗15号登月后，宇航员大卫.斯科特在月球上让锤子和羽毛同时落地时得到实证。）著名的比萨斜塔实验来自于此，当然这是一个美丽的传说。除此以外他还提出潮汐理论（尽管不正确）、解释抛物线原理、通过显微镜观察昆虫等等，按照现在的学科划分，伽利略是一个伟大天文、物理、生物、数学家，学霸级牛人。
在那个时代人们认为光是无限大的，光的传播不需要时间，伽利略对此提出质疑，他认为光不可能无限大，世界上不应当出现无视空间的存在，于是他尝试测量光速：在视界良好的两座山上分别站立两个人，他们各自提着一个灯。A山上的人看到B山上的灯就记录下时间并且立即打开自己手上的灯，B山上的人看到A的灯记录时间立即打开自己手上的灯，如此经过大量实验数据和计算可以推断出光的速度，这个实验当然以失败告终，只能用“追求科学需要特殊的勇气”自嘲。
伽利略的理论通过大量的观测、实验数据最为证据，开创了提出理论、通过理论预测、进行观测或实验的科学方法；他提出一且科学必须建立在理性思维之上，而理性思维不能依靠直觉、不能依靠思辨去进行，而是必须通过实证，尤其是通过数学的方法论进行。伽利略的理论推翻了亚里士多德的学说，并建立起自己的相对性原理：在任何惯性系中，力学规律保持不变。
他的理论得到大家的认同，其他科学家在他的理论之下不断对自然进行探索。史蒂芬·霍金对他的评价：“自然科学的诞生要归功于伽利略”，爱因斯坦也称他为“现代科学之父”。但和亚里士多德一样，伽利略的理论并不是一切的真理，很多现象都无法通过他的理论得到解释，随着科学的发展，他的理论需要迭代更新，进行迭代的人就是另一个牛人：艾萨克.牛顿。
牛顿：牛顿是遗腹子，母亲改嫁后没有带他走，直到改嫁后的老公去世后才带着孩子回来，所以牛顿和他母亲的关系一直不好。牛顿的舅舅看到这孩子挺可怜的，在老家经常被欺负，于是将他送到了剑桥大学三一学院（这是专科神学院，和现在的剑桥大学没关系）。出生贫穷的他虽然在三一学院受尽贵族们的白眼，但他发现了赚钱的好机会：拿奖学金，并且开创了校园小额贷款的商业模式，获取了自己第一桶金。如果仔细观察他的一生，会发现他用三分之一时间用在炼金术上（如何点石成金），三分之一用在神学上（150万字神学手稿！），三分之一用在科学上，就是这三分之一让他成为科学巨匠。他发明了微积分（经过一场大争论后和莱布尼茨平分）、发表《光学》奠定现代光学基础、发表《自然哲学的数学原理》提出著名的牛顿三定律构建经典力学、参与制定英国金本位制度设计，阐释重力并提出万有引力（和苹果没关系，根据史料考证这段时间他因躲避瘟疫回到老家，落在头上的是栗子）、所以说学霸的世界根本不是一般人能明白的。他是历史上最伟大的炼金术士（没有之一）、物理学家、天文学家、数学家、自然哲学家、神学家，他还是皇家造币局局长和皇家学会会长，能做到这点的绝对是空前还很可能绝后（学科划分越来越细的今天，要做到这点可能性太低了）。他的一生是科学研究的一生、战斗的一生（喜欢大战各位科学家，比如胡克、莱布尼茨等等）、是孤独的一生（终生未娶），诗人蒲伯为牛顿做的墓志铭：自然和自然规律隐藏在黑夜里，上帝说：降生牛顿！于是世界就有了光明（妈妈问我为什么跪着看书）。关于他的事迹可以翻看《最后一个炼金术士》、《牛顿传》、《牛顿新传》等书。
根据牛顿的理论，我们可以精准的（分秒不差）预测月食、日，可以通过计算预言未被观测到的天体，就连阿波罗登月用到的都是牛顿的理论，随着牛顿预言的一个个被证明，他似乎已经成为神，除了最后一个预言：以太。
伽利略认为光不是无限的，光的传播有需要介质；牛顿认为时间是真实存在但与一切事物都无关，时间绝对、均匀的流逝，和任何性质无关（绝对空间理论，牛顿理论体系建立在绝对空间理论之上，宇宙空间无限大，万有引力是一切的根本定律），光由无数细小颗粒组成，在空无一切的宇宙中传播介质就是以太。现在牛顿的体系只需要证明以太的存在，就可以说明人类已经掌握了宇宙的终极奥秘。于是在万分期待中，麦克尔逊和莫雷进行了著名的科学史上最成功的失败实验，在万众期待中实验结果出来了：干涉仪没有观察到任何条纹移动，实验没能证明以太的存在反而证明了以太不存在，难道牛顿错了？难道统治物理学界的经典物理体系错了？牛顿不会错、经典物理不会错，毕竟这个理论体系绝大部分已经得到证实，以太绝对是存在的，只是不知道什么原因我们无法证明而已，无数科学家开始在以太存在的基础上继续求证。因此这也被开尔文男爵称物理学界的第一朵乌云，另外一朵乌云是：太阳为什么能经久不息的散发能量。剥开这两朵乌云的是另外一个牛人：阿尔伯特.爱因斯坦。
相对论
物理专业毕业的专利局三级专利员（审核申请专利是否符合专利申请规定）爱因斯坦也在琢磨这朵乌云，于是他开始思维实验来进行推导。通过麦克斯韦和赫兹已经证明电磁波的存在，振荡的电场产生振荡的磁场、振荡的磁场产生电场，电磁波是存在的并且光也是一种电磁波，通过麦克尔逊-莫雷实验证明了光速是不变的，以太不存在，那根据奥卡姆剃刀原则可以推导出：光速是不变的。结合伽利略和牛顿的理论体系：在任何惯性系中物理规律不变，推导出物体运动速度越快，质量越大，所以质量也是相对的（牛顿认为物体质量不变），速度越快质量越大，速度越接近光速，质量就会变得无穷大，这就是著名的质速公式。从质量是相对的，又推导出时间和空间也是相对的，时间会膨胀、空间会收缩，整个空间不是虚无的而是可以看成一个整体。以上想法爱因斯坦写到了《运动物体的电动力学》中，这篇论文在主编普朗克的推动下于1905年发表在德国《物理学年鉴》，这就是狭义相对论。
狭义相对论发表以后得到物理学界的重视，虽然爱因斯坦的理论有严密的数学计算和逻辑推导，但暂时得到实验数据证明，而且爱因斯坦自己也知道狭义相对论有不足之处。狭义相对论虽然迭代了牛顿经典物理理论体系的一部分，但还是建立在牛顿惯性系定律之中，但在现实尤其是宇宙中真正的惯性系并不存在、并没有真正匀速运动的物体，时间、空间还是分离的，于是他继续开始自己的思维实验。
质量是相对的，那能量与质量关系是什么？根据洛仑兹变换式（相对论因子）推导出的质速公式，根据质量守恒定律进行推导（推导过程看不懂）爱因斯坦得出：质量和能量是可以互相转换的，质能公式为：E=mc2，这就解释了为什么放射性物质能够散发出巨大的能量，为什么太阳能够经久不息的散发能量，解决了盖在物理学界的最后一块乌云。爱因斯坦并没有停止自己的思维实验，他在不断弥补狭义相对论的缺点。
牛顿理论体系中万有引力是一切物理定律的根本，他认为质量发生变化后，引力大小也会瞬间随之发生变化。狭义相对论认为光速恒定并且没有任何物体的运动速度能够超越光速，质量会根据速度的变化而发生变化。比如太阳突然爆炸了，按照牛顿理论体系，地球在瞬间就会感受到，但根据狭义相对论地球需要8分钟之后才能感受到，并不存在超距，那关键问题来了：引力到底是什么？经过推导，爱因斯坦认为引力不是力，而是空间弯曲的外在表现；引力就和光一样是一种波，在传递过程中如同落入水中的石子，会发生波澜，这就是引力波。（引力波概念提出1916、1918年，在2016年得到实验证明并获得诺贝尔奖）。引力就是加速度，引力越大光线就会弯曲得厉害，引力会引起时间和空间的弯曲，通过爱因斯塔的推导可以精确推算出引力对空间造成的弯曲程度。那怎么通过实验数据证明这个理论呢？
根据开普勒运动三大定律和牛顿万有引力定律可以推算出水星的近日点位置，但实际观测数据和理论推算市数据存在差异，每个水星年的近日点都不在一个位置上。同样更具万有引力定律，水星附近应当存在一个天体影响了水星的轨道，但没有任何证据证明这个神秘天体的存在，是什么导致水星近日点的异常？这就是水星轨道难题。爱因斯坦在《相对论浅说》中提出：根据他的推导，当星光掠过太阳时，曲率为1.7角秒，这个推断可以解决水星轨道难题，水星难题是时空弯曲效应造成的。公认恒星的位置相对于地球是不变的，只需要在日全食发生时，测量太阳最近恒星与最远恒星之间的距离，就可以证明他的推导。果真在不久有一次日全食，观测结果证明了爱因斯坦的正确，《泰晤士报》为此刊发了一篇文章，名字为：“科学革命-宇宙新理论-牛顿理论大崩溃！”以上结论就是广义相对论。
爱因斯坦的相对论让时间和空间不再分离，时间就是空间，空间就是时间，时间和空间是一个整体，这就是时空。根据他的相对论体系，可以解释宇宙的运行，宇宙的奥秘终于真正揭开了面纱。根据相对论推导：宇宙并不是稳定的，宇宙处于不断膨胀的状态，这让爱因斯坦寝食难安，最后自己添加了一个宇宙常数让宇宙稳定下来。但没多久就被哈勃迭代，哈勃发现了银河系外的星系-仙女星系，并且证明了星系之间的距离变大，虽然哈勃推翻了宇宙常数但间接证明的相对论的正确。在相对论基础上，根据质量越大、时空弯曲越大，那有没有可能有一种质量大到一定程度的物体，能够让光都无法逃逸，令时空都处于静止状态，这就是黑洞理论，由黑洞又可以推导出白洞（爱因斯坦提出）、虫洞（爱因斯坦-罗森桥）的理论存在。在相对论基础上，推导出三维空间中的运动可以分解为三个维度上的运动合成，加上时间这个维度呢？四维空间是不是就是真正的时空，有四维空间会不会有更多维度空间？在相对论基础上，我们得知宇宙是不断膨胀的，那宇宙的起源是什么，会不会存在某个质量无限大的“奇点”，宇宙就诞生于奇点的某次大爆炸之中？这是宇宙大爆炸理论。相对论改变了我们对宇宙的认知，更加速了物理的发展。
当然相对论也不是完美无缺的，也面临挑战。爱因斯坦认为光速是恒定的，是由光子组成的，光子聚集在一起就会产生波的特性，但从单个光子来看又具备粒子性，这就是“光波二象性”，这个理论也让爱因斯坦于1921年获得诺贝尔物理学奖。但哥本哈根派玻尔为首的对此提出质疑，在托马斯.杨的双缝干涉实验中确实可以证明“光波二象性”，但请问从单个光子看，在这个实验中光子到底是通过了左缝还是右缝？通过实验，惊奇的发现如果我们观察电子就会发现电子不能同时通过双缝，但我们如果不观察电子只看结果，又发现电子同时通过了双缝，结果就是电子位置不确定、电子的运动也不确定，哥本哈根学派认为原因和结果是互补的，不存在先后，原因和结果是互相影响的。爱因斯坦对此嗤之以鼻，他一直坚持因果论，认为上帝是不会这么随意，更不会掷骰子，一切都可以根据原因推导出结果，于是他提出没有物体的运动速度能够超越光速，假设两个基本粒子相隔很远（光都来不及跑一遍），是不可能知道对方的旋转状态，这就是EPR实验。但在1982年的EPR实验中虽然没能证明超光速的存在，但证明了量子纠缠的存在。量子力学就和相对论水火不相容，爱因斯坦晚年也在尝试建立统一场论，完善相对论，从宏观到微观实现理论统一，但他没能成功，直到最近弦论的提出，才让我们看到了一丝希望。
从科学的发展我们可以看出，某些改变我们认知的科学理论体系的诞生并不是某个科学巨匠一时脑洞大开，或者顿悟之后的结果，这些伟大理论都是建立在无数前辈的了研究之上，通过不断积累产生的。正如牛顿所说：是因为站在巨人的肩膀上。（此话最初是牛顿为了打击身材矮小的胡克而言，还是一个美丽的误会）。而伽利略、牛顿、爱因斯坦等人不是推翻、颠覆前人的理论体系，而是随着认知的发展更新、迭代前人理论体系，从而建立新的理论体系，不断迭代人们对世界的认知。
读《时间的形状：相对论史话》随笔