撰文 | 文小剛（麻省理工學院終身教授、格林講席教授）
物理學的四次革命
我們在探索自然的過程中 ， 會發現很多奇妙的現象 ， 我們也發展了很多漂亮的理論來解釋這些現象 。 隨著發現越來越多 ， 也會有越來越多的理論 。 這時 ， 我們就想把這些不同的理論統一起來 ， 得到一個更加全面更加深刻的理論 ， 用它來理解更多的現象 。 物理學就是這樣在“發現、統一、再發現、再統一”的循環中 ， 一次又一次登上人類認知的巔峰 。
每一次大統一 ， 都代表一次物理革命 ， 都給我們帶來一個新的世界觀 ， 使我們以全新的眼光來看世界 。 這一新眼光就像為瞎子賦予視覺 ， 展示了一個全新的景象 。 每次物理革命帶來的認知的角度是如此之新 ， 連我們描寫自然的語言都必須是全新的 ， 所用的數學也都是全新的 。 可以說 ， 每次物理革命都給我們帶來了脫胎換骨的升華 。
第一次物理學革命是牛頓的力學革命 。 牛頓統一了兩個似乎毫不相關的自然現象：夜空中行星的位移和地面上蘋果的墜落 。 他用萬有引力和力學理論統一地解釋了這兩個很不同的現象 。 更重要的是 ， 他提出了一個世界觀來理解萬物：所有物質都是由粒子組成的 ， 而這些粒子的運動滿足牛頓方程 。 這使得牛頓力學成為理解萬物的普適理論 。 當牛頓發展他的理論時 ， 描寫這個理論的數學語言還沒有發明 。 牛頓不得不又當一個數學家 ， 發展了這一套數學理論——微積分 。 這是最高層次的發現和創新 。 牛頓既做物理學家又做數學家 ， 非常不容易 。
第二次物理革命是麥克斯韋的電磁革命 。 它把電、磁和光這三種看起來很不相同的物理現象給統一起來了 。 麥克斯韋先統一了電和磁 ， 發明了麥克斯韋方程 。 他發現麥克斯韋方程的波動解——電磁波的波速——和當時測的光速差不多 。 于是 ， 麥克斯韋又提出電磁波就是光 ， 把電、磁和光都統一了 。 第二次物理革命更加本質的地方在于發現了一種新的物質形態：波形態物質 。 和牛頓的粒子形態物質不同 ， 波形態物質運動不是由牛頓方程來描寫 ， 而是由麥克斯韋方程來描寫的（見《光的奧秘和空間的本源》） 。
第三次革命是愛因斯坦的相對論革命 。 愛因斯坦指出 ， 引力作用其實來源于時空的扭曲 。 在更深的層次上 ， 相對論革命發現了第二種形態物質——引力波 。 引力波不是別的 ， 就是時空扭曲的波動 。 引力波的運動也不是由牛頓方程來描寫的 ， 而是由愛因斯坦方程描寫 。
從此以后 ， 我們認為世界上有兩種形態的物質：粒子形態物質和波形態物質 。 粒子形態物質之間的各種相互作用是由各種波形態物質所引起的 。 描寫波形態物質的理論 ， 麥克斯韋理論 ， 愛因斯坦廣義相對論及其后來的一個推廣——楊-米爾斯理論 ， 也需要一個新的數學語言——纖維叢理論——來描寫 。 纖維叢理論描寫了時空本身和時空上的場的幾何扭曲 。 其后 ， 這種以幾何眼光看世界的理論就成為理論物理的主流（見《追求對稱之美：楊振寧超越他諾獎的貢獻 | 附量子糾纏新觀念 》（上、下）） 。
第四次物理革命應該是量子革命 。 量子力學是非常非常深刻的革命 ， 也是最具有顛覆性的物理革命 。 但它不是一個人搞出來的 ， 而是一大群人的共同成果 。 量子革命給我們帶來了最深刻的變革 ， 它統一了粒子形態物質和波形態物質 。 它告訴我們 ， 我們世界的真實物質只有一種形態：波粒形態 。 也就是說物質的存在形式又是粒子 ， 又是波；又不是粒子 ， 又不是波 。 這篇文章我們將著重介紹這種不可思議的存在形式 ， 介紹我們世界中的存在為什么有如此詭異的性質 。
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