文/杜豆豆
解读《万物简史》系列4-1：只有想不到的，没有做不到的
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一个新时代的黎明来临了。
19世纪，是物理学大丰收的时代。科学们都觉得，他们似乎已经解开了物理学大部分的谜团。一大堆定律被发现，众多仪器被发明，时下没什么东西好钻研的了。
可德国人马克思·普朗克不这么想，他觉得理论物理学还有待钻研。于是，他首先从熵这个热力学核心问题开始研究，却发现已经有学者发表了成果。于是，他转向了光以太的研究，也就是光在太空中传播的空间媒介。
这个时候，也有其他科学家在研究光以太。比较值得一提的是阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷。
这里，插播一小段迈克尔逊的传奇小故事，讲给你听。
据说迈克尔逊的父亲是个犹太小商人，家里穷供不起他上大学。迈克尔逊就想了个招儿，每日去白宫门口散步，期望能遇上总统交上好运。果然是功夫不负有心人，居然真的在散步时博得了总统的欢心，送他进了美国海军学院攻读物理学。
所谓“只有想不到的，没有做不到的。” 大概说的就是迈克尔逊这看似偶然、实为必然的幸运了。
真正让迈克尔逊声名鹊起的，是他和莫雷合作的一个光以太实验。在这个实验中，他们发现：光无论在任何方向、任何季节都是一样的。而这和之前牛顿所得出的“光在穿越以太时速度不同”的论断是完全相反的。也就是说，牛顿第一次被证明出错了，他的定律并不是在所有情况下都适用！
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物理学研究在悄悄地发生变化，从宏观物理学转向了微观物理学。
之前研究了多年熵的倒霉蛋儿马克思·普朗克，在42岁时有了新成就，他以著名的“量子理论”打开了量子时代的大门。
他认为，能量不是一种流水般连续的波，而是一包包传递的量子。光不一定是波动的。这一理论成为现代物理学的基础。
1905年，阿尔伯特·爱因斯坦在《物理学年鉴》上发表了一系列论文，将物理学研究又推进到了一个新的高度。之后，他在此基础上发展出了他最为知名、且具有跨时代意义的狭义相对论和广义相对论。
狭义相对论认为：质量和能量是等价的。它们是同一东西的两种形式。每个物体内部都包含着极其大量的能量。它解释了放射作用的发生和光速的不变原因，并证明了光以太的不存在。
而广义相对论则提出了引力的概念，认为空间和时间不是绝对的，而是既相对于观察者，又相对于被观察者；一个人移动得越快，这种效果就越明显。时间是可以更改的，不断变化的，甚至还有形状。而宇宙的心总是或者膨胀或者收缩的。但局限的一点是，他提出了一个宇宙常数来迎合当时宇宙永恒的流行看法。
在爱因斯坦之后，又有其他科学家对他的相对论做出了补充。
比如：斯莱弗提出了“宇宙不是静止的”。哈勃认为：宇宙不仅有银河系，还有其他星系；所有的星系正在不断离我们远去，距离越远的星系，退行的速度越快。换句话说，宇宙不是恒定的，而是不断向外膨胀的，根本没有什么固定的宇宙常数。后来，勒梅特根据这些发现，提出了类似现在“大爆炸理论”的“烟火理论”。
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宇宙是如此浩渺无边，生命却又是如此微小。
当物理学家将望远镜对准天上的大宇宙时，也没忘了更微观的小宇宙——原子世界。
著名的物理学家理查德·费曼曾说，“一切东西都是由原子构成的。”
它们很小，大概只有1毫米的千万分之一；它们很多，我们每个人身上都有至少10亿个原子；它们很长寿且不可毁灭，不会因为你的短命而消失，而是会自己寻找用武之地，换句形象点儿的话说，没准儿你的身上就有莎士比亚的原子。
极小、众多、永恒存在，这是原子的三个特性。而这三个特性是由约翰·道尔顿第一个发现的。
约翰·道尔顿，一个出生在英国贫困织布工家庭的孩子，12岁就当上了当地贵格会学校校长并通读牛顿《原理》的天才，25岁开始长居曼彻斯特、在一所小巷小学教孩子加减乘除的数学老师，在它1808年发表的著作《化学哲学的体系》中，他第一次描述了原子的性质以及不同原子如何结合。
约翰·道尔顿最让我佩服的，是他一生勤奋努力、淡泊名利的为人。
远离名誉，名誉反而来亲近。
他是皇家学会会员，有一大堆奖章，被授予高额退休金。他去世时，4万人送葬，在《英国名人词典》中，他是条目字数最多的三位科学家之一，仅次于达尔文和莱尔。
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但当时的现实是，很多人还是怀疑原子存在的，因为没有依据。直到1905年爱因斯坦在他论布朗运动的论文中，才首次提出了原子存在的证据，可惜，也没什么人注意。
真正让科学家们认可原子存在的英雄，是天才欧斯内特·卢瑟福。
他揭秘了原子的结构和性质，认为原子是由原子核和电子组成的。电子围绕原子核的运动，不是像人们想象的行星绕太阳运转一样，而更像电扇旋转时的叶片。
然而，这里面是有问题的。比如，围绕原子核旋转的电子会不会坠毁呢？带正电荷的质子怎么能一起待在原子核里，而又不把自己和原子其他部分炸得粉碎？
前一个问题，卢瑟福的同事尼尔斯·玻尔给出了答案。他在1913年的论文《论原子和分子的构造》中提出，电子只能留在明确界定的轨道里，但可以通过“量子跃迁”转入不同的轨道，而不会飞入原子核。
后一个问题，卢瑟福自己有了新发现：原子核不会爆炸的原因，是因为质子的正电荷被中子抵消了。
但新的问题又出现了。科学家们发现，电子的表现有时像波，有时像粒子。比如，路易-维克多 · 德布罗意亲王就说：“如果电子是波，电子行为的某些反常就消失了。”
这样的矛盾让物理科学家们陷入了困境。埃尔文 · 薛定谔和海森伯对此分别提出了波动力学和矩阵力学两种全然相对的理论。
这种相互对立的局面，后来被海森伯首先打破，他提出了“海森伯测不准原理”，认为电子只有被观察到了，你才能确定它存在，在此之前，你根本无法预测它在特定时刻的位置。
更多的科学研究结果也证明，原子是无形状的，电子更像是没固定形状的云。
1925年，沃尔冈 · 泡利提出了“不相容原理”，认为某些成双结对的亚原子粒子，即使分开很远，一方马上会知道另一方的情况，而且，这一对姐妹粒子会以相反方向、相同速度自旋。
薛定谔著名的思想实验“薛定谔的猫”，说明的也正是量子世界这种无法直觉的性质。
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但爱因斯坦可不喜欢量子理论，他说，“上帝不玩骰子”。
甭管他喜欢不喜欢，反正，物理学有了两套规律：小世界的量子理论和大宇宙的相对论。
相对论的引力可以解释行星绕太阳转的原因，但到了粒子层面，只能说不。只有量子理论才能解释，为什么原子会拢在一起，到底借助了什么别的力量。
而1945年，罪恶的战争让原子弹在日本爆炸，似乎让人们更深地了解了原子。
但这一事件也在告诉人类：科学玩不好，也可能毁灭人类。
不是所有的科学探索，都是灿若明珠的，有时，也会是臭名昭著。
下次，我们就来讲一个科学史上关于贪婪和死亡的故事。
（未完待续）
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作者简介：杜豆豆，IT从业20余年，曾先后研修英语、计算机、美学和心理学专业。早年创过业，后就职多家全球知名IT外企，现工作于某研究院。书痴一枚，闲时码码字。兼任多家平台签约作者，会员合伙人，万卷好书工作室、万卷好书读书会创立人。