物质世界：一张图，看懂理解世界的语言体系

引言

在“宇宙大爆炸”和“物质世界”这两个系列里，我们聊过很多概念：引力、电磁力、强力、弱力还有电子等。

这些词可能我们都很熟悉，看起来像是在说同一个世界。但是它们来自不同的理论体系。

比如说当我们说苹果落地时，这通常是在牛顿力学的语境里。而说扭曲时空时，这就在用广义相对论了。

很多时候，我们并没有说这些前提。也可能是都默认知道我们在使用哪套理论。

但我觉得还是梳理一下，可以加深一下印象。

一、理论不是“真理”，而是描述世界的工具

我们人类一直在探索宇宙，发现规律并运用规律。我们试图用自己创造的语言解释规律并总结归纳。

为了描述这些规律，我们创造了各种理论。

这些理论并不是凭空想象出来的，而是建立在大量实验和观测之上的。

它们甚至还能预测一些现象，我们越来越相信这些理论。

但这并不意味着它们就是终极真理。

随着观测能力提高，我们总会发现旧理论解释不了的新现象。

于是新的理论出现，但新理论很少把旧理论彻底推翻，而是可能更接近真相。牛顿力学没失效，只是管不了“接近光速”的事。

所以每一层理论都有自己的适用范围。

二、现代物理的大致地图

如果把现代物理看成一张地图，那么它大致可以分成几条主线。

代表人物：牛顿

研究对象：运动、力、速度、加速度

这是最接近日常生活的理论。

我们推桌子、开车、踢球、发射火箭，都主要使用经典力学。

它告诉我们：力会改变物体的运动状态。

但它并不解释力的本质是什么。

代表人物：麦克斯韦

研究对象：电、磁、光

经典电磁学最大的贡献是提出了“场”的概念。

在这里，电荷不是隔空施加作用，而是先改变周围的场，其他电荷再受到场的影响。

这是人类第一次从“超距作用”走向“场”的思想。

代表人物：爱因斯坦

研究对象：高速运动、光速

狭义相对论发现：时间和空间并不是绝对的。

不同运动状态的观察者，对时间和空间的测量结果会不同。

它把时间和空间统一成了“时空”。

代表人物：爱因斯坦

研究对象：引力、宇宙尺度

广义相对论进一步提出：引力不是一种传统意义上的力。

它是时空弯曲产生的几何效应。

我们说的苹果落地、地球绕太阳运动、黑洞形成、引力波传播。

都获得了统一解释。

代表人物：海森堡、薛定谔、狄拉克等

研究对象：原子、电子、微观粒子

量子力学告诉我们：微观世界与日常经验完全不同。

电子不是一颗沿着固定轨道运行的小球。

它更像一种概率分布。状态由波函数描述，我们只能用概率来预测它的测量结果分布。

粒子的状态由波函数描述。

测量之前，并不存在经典意义上的确定位置。

研究对象：基本粒子、基本相互作用

量子场论进一步提出：场才是第一性的。

粒子只是场被激发后的表现。