第1章　牛顿的宇宙

我是谁？来自哪里？去往哪里？

这是哲学家思考人生的三个终极问题。实际上，现代物理学也有三个终极问题需要回答，那就是我们生活的宇宙来自哪儿？是什么？有什么？具体而言，宇宙是怎么起源的？宇宙及万物由什么构成？支配宇宙万物按部就班运作的原理是什么？

在宗教神学时代，第一个问题不难回答，宇宙是神创造的！

至于第二个问题，宇宙万物由什么构成，有点复杂，古代世界各地的人们对此也有不同的看法。古希腊人认为宇宙万物是由微小的原子构成。古印度人认为是不可见的“梵天”，肉眼可见的都是幻象。中国神话里没有这方面的具体记载，只道天地来自盘古的血肉，而人类则是女娲用泥巴幻化而来。

而第三个问题，支配宇宙万物按部就班运作的原理是什么？就不是个问题！神的世界，我们凡人的智慧肯定无法领会其奥秘，不明觉厉就行，多想无益。

所以，人们会对太阳的运行轨迹进行观察和记录，总结出规律，以供农耕之需，却没有人去思考为什么太阳会这样运行。人们也会观察记录苹果树什么时候开花结果，何时落地，好及时采捡，但不会有人去想苹果落地的原理是什么。当时的人们认为这一切是天经地义，天地造化使然。

万一宇宙不再按部就班运行怎么办？第二天宇宙就毁灭了怎么办？既然一切都是神创造的，那只能祈求神明来保佑风调雨顺，这对于古人而言也是逻辑自洽的。

开始关注第三个问题的是近代的西方科学家。这些科学家开始质疑之前认为理所当然的事情，比如为什么太阳每天升起又落下，而不飞离地球消失无踪？为什么苹果会落到地上而不是飞上天空？为什么一觉醒来会是明天而不是昨天？为什么发生过的事情无法重来？打碎的镜子为什么不能复原？为什么鸡蛋可以孵出小鸡，而小鸡却不会再变回鸡蛋？为什么人吃饱了会撑？提出这些问题，绝对不是吃饱了撑的。

简单的“为什么”三个字，却是推动人类科学思想诞生的原动力。苹果落地的背后是万有引力的存在，而发生过的事情无法重来这一理所当然的事实背后竟然隐藏着狭义相对论。

公元1687年，《自然哲学的数学原理》横空出世，标志着现代物理学正式登上人类历史舞台。

《自然哲学的数学原理》的作者是英国人艾萨克·牛顿，公元17世纪最伟大的科学家，也是公认的现代物理学的创始人。虽然牛顿是虔诚的基督徒，但他同时认为我们凡人的智商足够理解和学习这个由上帝创造的世界的运作原理。《自然哲学的数学原理》就是牛顿对他所知的世界运作原理的描述和论证。正如牛顿所说的，自己是“站在巨人的肩上”，《自然哲学的数学原理》也是彼时西方科学前沿研究的集大成者。

牛顿之前的意大利科学家、发明家伽利略，发现物体皆有固有的属性“惯性”，即空间内的物体不受力时保持静止（匀速直线运动），物体只有受到外力时才会（加速）运动。伽利略对惯性运动的数学（几何）描述即是如雷贯耳的惯性参考系。而惯性参考系正是牛顿《自然哲学的数学原理》的两大数学基石之一，另一个基石是牛顿自己发明的代数微积分。

牛顿对引力的洞察也是受到伽利略思想的启发。伽利略对“惯性”的定义是空间内的物体不受外力时保持静止或匀速直线运动。实际上地球并没有静止不动或以直线匀速离太阳而去，相反，地球一直围绕太阳公转；伽利略自制的望远镜也观察到了木星的卫星围绕木星公转的现象。显然地球受到了来自太阳的外力，才会绕着太阳公转，就像木星卫星围绕木星公转那般。对这个神秘外力的探究最终引导牛顿总结出了引力方程F=GMm/R2，并发现了物理学最重要的常数之一重力G，第一次科学系统地揭示了我们生活的宇宙是如何运转的。

在《自然哲学的数学原理》中牛顿告诉我们，我们生活的宇宙由两个独立存在互不干涉的部分——空间和时间——构成。空间本身静止不动，有长、宽、高三个维度，虽看不见、摸不着，透明虚无，但却是绝对存在的物理实体。宇宙万物（地球表面的人类、动物和其他物体如轮船、火车及地球、星星、太阳等所有物体）都在这个静止的空间里活动，空间就像一座透明的大房子。

空间中所有物体，大到星球、小到肉眼不可见的微粒，比如传播光的光子皆由更小的、更微不可察的、不可再分的“原子”构成。所有物体包括“原子”都有质量。

所谓物体质量的定义是“受到一定的外力作用时物体维持原来运动状态不变的一个物理量”。通俗地说，就是推动质量大的物体运动比推动质量小的物体运动需要更多的力。所有的物体天生皆有固有的属性“惯性”，即空间内的物体不受力时保持静止（匀速直线运动），物体只有受到外力施加时才会（加速）运动。力的基本定义则是“促使物体改变运动状态或形变的根本原因”。

无论静止（匀速直线运动）还是加速运动，都是相对绝对存在的静止的空间而言，因此物体的运动速度和方向都是相对的。

物体不会与空间本身发生任何相互作用，但物体彼此间有引力相互作用，因为有质量就会产生引力。引力的大小与物体的质量大小成正比，与物体间距离的平方成反比。物体在地球受到的引力为G，即俗称的重力。

包括引力在内的所有力都是相互作用力。对一个物体施加力就会受到反作用力，一个物体受到另一个物体引力作用的同时，也会对其产生引力作用。所有相互作用力都是超距和定域性的。所谓超距作用，可以理解为物体间力的传递速度是无限大的，因此力的作用是瞬时发生的，两个物体无论间隔多远，引力都能瞬间作用于两个物体。也是因为光的传播速度无限大，我们人类才能抬头就看到地球之外遥远的宇宙天体。而所谓定域性，也就是说力必须接触到物体才起作用，不存在隔山打牛的情况，我们能看见物体也是因为光子进入了我们的眼睛。

空间维度之外是独自存在的时间维度。

时间是一维的，但时间维度不同于空间长宽高三维的任何一维，时间维度就是时间本身。时间维度同样看不见摸不着，但我们能感受到时间的流逝。时间就像一条匀速流动的透明天河，正静静地无声无息地载着透明的大房子（空间）匀速地流淌。因此，整个宇宙有且仅有一个匀速流淌的标准时间，不存在今天时间走得快一点，明天时间会走得慢一点，又或宇宙间万物谁的时间走得更快一点，谁的时间走得更慢一点。

牛顿的宇宙在当时来看，堪称对现实世界的完美诠释，因为与我们日常生活的所见所闻基本一致。地球上的物体都被地球引力所吸引，所以苹果会落在地上，人在地面行走，而不会统统飞上天去。同时，地球上的物体也会对地球产生引力，只是较之地球引力都太过微弱，完全可以忽略不计。

地球周围的天体如月球，同样被地球引力所吸引，围绕地球转圈。我们的地球也受到月球引力影响，海洋就因为月球引力而潮涨潮落。此外，一切其他天体也相互被引力所吸引，地球和月亮被太阳的引力吸引，绕着太阳转圈。在地球上的人看上去，太阳每日升起又落下，不会消失无踪。

月球和地球、地球和太阳虽然相隔甚远，但引力无时无刻不在，引力作用似乎的确是瞬时发生的，引力传递速度自然也是无限大的。我们白天抬头就能看见太阳，夜晚抬头就能看见月球或漫天繁星，看见似乎也是瞬时发生的，光速自然也是无限大的。

我们日常生活中要搬运一个箱子，必须有人或机械接触到箱子表面并给箱子施力才能把箱子搬到别的地方。箱子在地面不会自己动起来，搬动质量大的箱子比搬动质量小的箱子更费力。

我们判断一个物体或一个人是运动还是静止的，实际上要根据其在空间的位置有没有发生变换。即使在没有任何人造参照物的旷野草原，双眼所及之处都是碧蓝无云的天际线，我们也能轻易区别出物体是静止的还是运动的。我们说一个人静止不动或一辆汽车静止不动，实际在说这个人或这辆车没有发生空间位移，相对于空间的速度为0。同理，我们提到时速400千米的高铁，实际是在说这辆高铁相对于静止空间的速度为400千米/时。日常我们只是省去了“相对于静止空间”这个不言自明的前提条件。一如我们常说的“红花绿叶”，省去了不言自明的前提条件“用人类的眼睛观察”。完整表述应该是“在我们人类眼睛可视的光波频率内，这朵花呈现红色，叶子呈现绿色”。不仅如此，从高铁的视角出发，高铁上的人也可以认为高铁是静止的，是车外的空间正以400千米的时速运动，只是空间运动方向正好与高铁运动方向相反。换句话说，我们日常提到的物体运动方向的“来”与“往”也是相对而言。

高铁400千米的时速指高铁相对于静止的空间而言，那么相对于以时速200千米同向运动的物体比如一辆飞驰的跑车，高铁的时速自然就相对降为200千米。道理很简单，此时高铁不再以静止的空间为参照物，而是以200千米/时飞驰的跑车为参照物，高铁相对跑车的速度只有200千米/时。如果此时跑车装上火箭助推器，速度也飙到400千米/时，这样跑车和高铁相对速度为0，跑车和高铁上的人会发现彼此处于相对静止的状态。

地球上每一天的时间流速是相同的，不存在今天的一秒比昨天的一秒快一点或慢一点。地球上每个角落的时间流速也是相同的，在英国买的手表，到了中国仍然一秒是一秒，一分钟是一分钟，时间流速不会因为地域不同而突然加速或减速。

由于牛顿的宇宙在数学上以“惯性参考系”为基石，但凡冠有“惯性参考系”名号的物理研究，就是指以牛顿的空间和时间独立存在、空间静止不动、时间匀速流逝、空间万物皆有质量、力的传递速度和光速皆无限大、不受力的物体保持相对静止或匀速直线运动状态、所有运动皆相对静止的绝对存在的空间而言的宇宙为初始条件来开展物理现象研究。

但牛顿的宇宙也有明显缺失。牛顿告诉我们宇宙由空间和时间构成，却没有进一步指出空间和时间又是由什么构成。而是讨巧地用“我不定义时间和空间，因为这众所周知”回避了这个问题。而且牛顿也没有解释清楚为什么一觉醒来会是明天而不是昨天，发生过的事情无法重来。

当然，牛顿宇宙最大的短板是引力方程可以算出引力大小，却无法解释引力本质是什么。物体不受力时保持静止或做匀速直线运动，一如刚才提到的箱子，没有人或机械接触到箱子并给箱子施力，箱子自己不会动。那么地球显然是在太阳引力作用下朝着太阳做加速运动。地球沿椭圆轨道围绕太阳公转，远离太阳时公转速度减慢，靠近太阳时公转速度加快。根据定域性原则，表面并没有直接接触的太阳和地球之间的引力是如何产生的，物体之间产生引力的原理是什么，以及引力是如何作用于物体的，对此牛顿自己也不知道，他半开玩笑地说引力出自上帝之手，戏称为“第一推动力”，似乎以此作为上帝存在的科学证据。直到二百多年后，爱因斯坦提出相对论，引力问题才有了答案。