【每日新书】《物理学的进化》|物理学的进化，本质上是思维方式上的进化。

物理学家写的物理学的进化史。

核心书摘：

《物理学的进化》是美国科学家、物理学奠基人阿尔伯特·爱因斯坦和波兰物理科学家利奥波德•英费尔德合著的科普读物，首次出版于1938年。在本书中，爱因斯坦不仅仅是一位物理学家，而更像是一位哲学家。他在开篇就写道：“我们的目的是用粗线条的轮廓说明物理学家的工作必须像侦探那样用纯粹的思维来进行。我们主要是叙述思维和观念在大胆地探求客观世界的知识中所起的作用。”　

他们通俗文字讲述了物理学观念从伽利略、牛顿时代的经典理论发展到现代的相对论、量子论和场论的演变情况。其中选择了几个主要的转折点来阐明经典物理学的命运和现代物理学中建立新观念的动机所在。爱因斯坦和英菲尔德写这本书的时候，是把读者设定为没有数学和物理基础的人，所以，全书没有一个数学和物理公式，通篇以相对通俗易懂的方式，清晰展现了物理学三百年的发展脉络。

关于作者：

 阿尔伯特·爱因斯坦，美籍犹太人，诺贝尔物学奖得主，科学史上最重要的理论物理学家之一。利奥波德·英费尔德，波兰理论物理学家，波兰科学院院士，建立玻恩一英费尔德、爱因斯坦一英费尔德一霍夫曼理论。

学什么：

1、经典物理学的建立

2、现代物理学的兴起

一、经典物理学的建立

首先，我们来看本书的第一个重点内容：亚里士多德时代的物理学有何特点？科学的方法论又是如何诞生的？

1、亚里士多德与主观臆断

提到物理学的进化，有一位大牛学者是无法绕开的，他就是古希腊著名哲学家、思想家亚里士多德。

物理学为啥会和哲学扯上联系呢？因为在近代物理学诞生之前，物理学并不是一门独立的学科，而是隶属于哲学范畴的。在那个时候，作为百科全书式的学者，以及人类多门学科的奠基人，亚里士多德可谓集古希腊古典学术之大成，他在总结前人研究成果的基础上，出版了《物理学》一书。

在《物理学》这本专著中，亚里士多德提出了自己的运动观，他认为运动可以分成两类，也就是自然运动和非自然运动。所谓自然运动，主要指自由落体运动；而非自然运动，就是指物体需要在施加外力的情况下，才能动起来的状态。

亚里士多德把自由落体定义为自然运动，认为维持自然运动是不需要力的参与的，这种观点显然是错误的，因为现代物理学告诉我们，物体的自由下落，不是自动发生的，是要有引力的作用才行，但这个观点在亚里士多德的时代差不多是真理。

除此之外，亚里士多德还认为，体积相同的两个物体，如果从高处做自由落体，一定是较重的物体下落快，所以物体下落速度的快慢是和物体重量成正比的。他甚至还给出了一个公式：一个一斤重的铁球和一个两斤重的铁球，两斤铁球的下落速度，比一斤的铁球快一倍。但不幸的是，亚里士多德“物体下落的速度和它的重量成正比”的观点，同样是错误的，因为他忽略了空气的阻力因素。

那为啥亚里士多德会得出这些错误的观点呢？这就要说到当时物理学研究的思维方法了。

从思维方法上来说，古希腊时期，学者们通常采用比较原始的观察和想象来搞研究，说白了，就是用主观臆断来解释自然现象，而不是根据客观事实。正如亚里士多德所说：“人们只要依靠纯粹的思维就可以找出制约宇宙的定律，而没必要去做实际检验。”他认为做研究凭借直觉思维就可以了，不需要对所得结论进行验证，这种偏颇的观点束缚了人们上千年。

此外，亚里士多德在《物理学》这本书中，还否认了真空的存在，他还认为地球等天体运动是圆形的，是无始无终的。这些观点，仍然是他凭借直觉思维，主观臆想得出的。

虽然亚里士多德的思维方法充满了各种错误和漏洞，但是这种原始的科学思维，仍然要比远古的巫术思维强太多了。

虽然在人类探索自然规律的道路上，巫术思维和科学思维都是为了探索事物发展的规律而存在的，只不过，巫术思维存在的基础，是和看不见摸不着的“神明”进行沟通。相比之下，亚里士多德的主观臆断方法，摆脱了非自然力量的控制，这在当时来说，已经是一个巨大的进步。而他在物理学发展史上的功绩同样是不可磨灭的，正是亚里士多德第一次提出了一套完整的以直觉观察为基础的、带有朴素哲学框架的、充满错误符号的物理学体系，为物理学后续的发展奠定了科学基础。

2、伽利略与实验物理

从公元前4世纪到公元16世纪，整整一千九百多年，西方学术界都把亚里士多德的物理学观点奉为圭臬，打破这种局面的一个叫伽利略的年轻人。

伽利略出身意大利的名门世家，他的父亲文森西奥是著名的数学家和音乐家，伽利略从父亲身上遗传了一头火红的头发以及独立和孤傲的性格。1592年，伽利略放弃了比萨大学数学教授的职位，来到帕多瓦大学执教。

那个时候，伽利略对亚里士多德的物理学观点就产生了深深的怀疑。对于亚里士多德来说，物理学研究是由直觉观察构成的，而伽利略却认为，这种思维方法遗漏了最重要的一步：物理实验。

受数学家父亲的影响，伽利略从小就对物理实验特别痴迷。早在1583年，伽利略还是比萨大学的一名学生时，他在教堂做礼拜时，就注意到了拱形屋顶上吊灯运动的规律。

伽利略发现，有风的时候，吊灯的摆动幅度时而大一些，时而又小一些，但不管吊灯摆动的幅度如何，摆动一次的时间却是相等的。当时世界上还没有钟表这种计时工具，于是伽利略就用自己的脉搏计时来验证自己的发现。当然，通过物理实验发现“钟摆的等时性”规律，对伽利略来说还是小儿科。

作为近代实验物理学的奠基人，伽利略让人惊叹的地方是应用数学的方法对物理现象进行定量分析。也就是说，伽利略的物理实验是可以量化的，这在当时绝对是一个革命性的思维方法。

所谓定量分析，简单来说，就是找出自然界中的物理现象在数据上的关系，然后用数学公式进行描述。

伽利略在《试金者》一书中说：“自然是一本打开着的大书。但是，如果我们不先学会书里的语言，掌握书里的符号，就不能了解它。这本书是用数学语言所写，符号是三角形、圆形和其他几何图像。没有它们，人们就只能在黑暗的迷宫里劳而无功地游荡。”

伽利略是这么说的，也是这么做的。

在物理学的进化史上，伽利略率先运用数学方法来定量分析物体的运动，对物体运动时的时间、距离和位置等概念都给予了精确的数学表达。他采纳了笛卡尔创建的坐标系，也就是X轴、Y轴和Z轴，把速度分成了匀速运动和变速运动，还引入了加速度的概念，这在当时同样是一种创举。

伽利略最为人称道的实验，还是著名的“斜面实验”。这个物理实验，是伽利略为了研究自由落体运动，在1604年设计的。

斜面实验简单来说，就是在一块木板上，设计了40度、50度、60度等不同的倾斜角度，然后让铜球从斜板上滚下来，以此来测试铜球滚动的运动状态。通过多次实验，伽利略发现，铜球滚落到全程四分之一时用去的时间，是滚动完全程所花时间的一半。

最终，伽利略得出了“斜面上物体下落的距离和所用时间的平方成反比”这个“落体定律”，从而证明了物体下落的时间和物体本身的重量没有关系，这也就终结了亚里士多德得出的“物体下落的速度和它的重量成正比”这一流传了近二千年的错误观点。

毫不夸张地说，在近代科学的各位开创者中，伽利略创造并示范了新的科学实验的传统，他开创了将实验与数学相结合的科学方法，正是他的工作，把近代物理学乃至整个近代科学引上了历史的舞台，这种方法至今还在物理学研究中绽放着持久而强大的生命力。

所以，爱因斯坦在《物理学的进化》这本书中说：“伽利略的发现以及他所用的科学方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”

3、牛顿与抽象思维

如果说伽利略开创了用物理实验的方法来研究物理学的先河，那么，另一位物理学巨擘牛顿，则用一种更加先进的思维方法，把物理学的研究带到了一个全新的高度。

牛顿是位超级牛人：他在数学上发明了微积分；在天文学上发现了万有引力定律；在物理学上，他总结了力学三大定律，开创了经典物理学体系；在光学上，他发现了太阳光谱，还发明了反射式望远镜……有关牛顿的生平，我们今今乐道读书会曾经解读过《最后的炼金术士：牛顿传》，如果您有兴趣，可以在APP里搜一搜这本书。

事实上，牛顿之所以伟大，不仅仅是他有众多耀眼的研究成果，更重要的是他开创了使用抽象思维的方法来研究物理学，并让科学方法论最终得以确立。

什么是抽象思维？

我们都知道，人类是能够思考的生灵，人类的一切行为和意志，都是受思维操控的。一般来说，思维可以分为意象思维和抽象思维两种。其中，我们对万事万物感知所获取的信息，中文称之为“象”，当我们对这些“象”产生了喜怒哀乐的反应，就构成了“意象”。相比之下，抽象思维就是要抽去“表象”，也就是在意象思维的基础上进行再加工，从而透过感性的认知看到事物的本质。

再进一步说，所谓的抽象思维，也可以叫逻辑思维。它的特点是，以抽象的概念、推理和判断作为思考的基础形式，以假设、比较、概括、分析、综合作为思考的基本过程，从而揭示事物的规律性联系和本质属性。

牛顿是近代科学方法论的先行者，虽然伽利略最早提出并践行了数学加实验的物理研究方法，但是牛顿让伽利略的方法变得更加精准。在1687年，牛顿出版了划时代的科学巨著《自然哲学的数学原理》，这本书堪称人类思想史上最伟大的成就之一。

在这本巨著中，牛顿提出：“凡不是从现象中推论出来的，都应该叫做假说；凡是假说，不管它是形而上学的或物理学的，力学的或隐蔽性质的，都不能用于实验哲学之中。在这种哲学中，一切定理都由现象推论而来，并用归纳法概括。”

在这里，牛顿所倡导的概括和推理方法，就是抽象思维的方法，这也是物理学史上，或者说科学史上，抽象思维第一次被正式提出。

接下来，咱们还是举个例子来简单解释一下牛顿是如何把抽象思维，运用于物理学研究的。

虽然我们现在知道，“牛顿在苹果树下读书，被苹果砸中脑袋而发现万有引力”的故事，是后人虚构的。但是，树上苹果下落的现象，的确引起了牛顿的思考，他思考的逻辑是：苹果为什么只落到地上？为什么不能飞上天呢？既然物体向地面方向下落，是因为地球有引力，那这种引力能否也能作用于距离地球更遥远的月球呢？

于是，牛顿开始“用创造性的想象力去理解并联贯那些无序出现的事件”，他开始在开普勒和伽利略的实验观察基础上，进行大胆的科学假设。他从苹果下落这一现象不断向外延展自己的思维，从月球和地球之间的运行关系联想到浩瀚宇宙中，那些周流不息的行星，进而又想象这些星体之间是否存在力的相互作用。

接着，牛顿以他强大的数学运算能力，投入到引力的计算和证明之中，并最终得出了著名的“万有引力定律”，为天体力学和理论天文学奠定了基础。

你看，这个例子中，牛顿得出的物理学成果，并不是通过观察和实验得出的，而是通过抽象思维一点点思考和推理出来的。

二、现代物理学的兴起

接下来，我们来看看本书的第二个重点内容：思想实验和相对论有什么关系？思想实验又是如何推动现代物理学发展的？

1、思想实验

如果说，经典物理学已经离不开抽象思维方法的加持，那么现代物理学的兴起，更是和抽象思维有着紧密的联系。

爱因斯坦在《物理学的进化》中说：“科学发展迫使我们的理论愈来愈抽象，逻辑的和数学的推理愈来愈冗长，因而距离人类的直觉也愈来愈远。而这里就必须运用抽象思维，因为原子和分子等等是不能用显微镜来观察的，而只能用抽象思维来把握。”

从这段话中，我们可以知道，现代物理学的研究是一种更加微观的理论研究。为了推动物理学不断发展，另一种思维方法横空出世了，它就是思想实验。

所谓思想实验，也叫做理想实验，是一种十分特殊的实验方式，它不需要购买价格昂贵的仪器和耗材，而是以研究者的大脑为实验基础，用抽象思维进行操作的实验。

那么，思想实验为什么会成为推动物理学进化的重要手段呢？

我们都知道，物理学研究都是非常超前的，但很多时候，一种物理学的假说或者实验，以当时的科学技术水平来看，是根本不能实现的，所以只能运用科学的抽象方式来进行思想实验，作为实际实验的一种替代。

正如爱因斯坦在书中所说的：“思想实验是假说的一种形式，这往往会导致科学家发现自然界的深刻规律性。”

事实上，爱因斯坦之所以能发现狭义相对论原理，依靠的就是思想实验。

在1905年之前，以“麦克斯韦方程”为核心的电磁场理论成功地解释了光学和电磁学的许多现象，并证明了两者之间的关系，得出了“光属于一定频率范围内的电磁波”的结论。

当时，爱因斯坦就琢磨，如果一个人以光速来运动，他看到的世界会是什么景象呢？电磁波会不会就静止不动了呢？

1905年，在《物理学年鉴》第17卷上发表了爱因斯坦的知名论文《论动体的电动力学》，在这篇论文中，爱因斯坦设计了一个思想实验：

假设，A在一艘速度接近光速的飞船上，拿着一只手电筒，然后在驾驶舱里按下按钮，一束光线从船舱照射出去，而B则站在地面上观察飞船和这道光束。

那么，A眼中的光束和B眼中的光束会有什么区别呢？

在B的眼中，因为飞船的速度接近光速，所以，飞船和那道光几乎是平齐的，而在A的眼中却不是这样，因为光速相对于A来说，还是每秒三十万公里，所以，A看到的那道光束，瞬间就和A拉开了十几万公里。

好了，如果A和B看到的景象都是真实的，那么该如何解释这种矛盾的现象呢？答案只有一种，那就是A的一秒钟相当于B的一小时，他们两个感受到的时间是完全不同的。

从这个思想实验中，爱因斯坦得出了“时间是相对的”这个核心观点，也就是说，没有所谓的绝对时间，时间是和运动密不可分的。狭义相对论由此诞生，经典物理学的时空观遭到了挑战。 

2、量子革命

同样的，思想实验在量子物理学的发展中，也起着至关重要的作用。

在二十世纪末，德国物理学家普朗克为了研究黑体辐射，提出了著名的“普朗克黑体公式”。他发现，要想让这个公式成立，需要做个假设，就是在能量发射或者吸收的时候，并不是可以无限分割的，而是有一个最小单位，这个最小的单位，就是所谓的“量子”。

那么，量子是否真的存在呢？答案是肯定的。

爱因斯坦就是通过另一个思想实验，从理论上证明了量子的存在的，这就是著名的“光电效应”实验。

物理学研究表明，当光照射在金属上时，金属表面就有可能打出电子来。但是，光能否打出电子，和光的强度没有关系，只和光的频率有关。

例如，频率相对高的紫外线，就能打出电子，而频率较低的黄光和红光，就打不出电子，这就是所谓的“光电效应”。

爱因斯坦认为，频率更高的光，比如紫外线等，它的单个量子所蕴含的能量更高，而频率低的光，比如黄光，它的单个量子蕴含的能量则低得多。对于低频率的光来说，它蕴含的量子能量不足，也就激发不出电子，无论光线多强都不行。换句话说，光其实是以量子的形式来吸收能量的，无法累积，也没有连续性。

在量子物理学后续的发展中，物理学家还运用思想实验，得出了量子的不确定性理论，也叫“测不准”理论，也就是在量子世界中，没有一个客观存在的绝对世界。

量子理论认为，不存在所谓的客观真相，整个世界的发展也都充满了不确定性。而且量子论还告诉我们，世界存在着多维度的时空，但各个时空之间又是平行的，没法取得联系。

量子物理学的这种惊世骇俗的观点，其实并非是标新立异，这种观点在大乘佛法中早就出现过。我们今今乐道读书会总讲跨时空对话，在今天这个环节，我们就来简单说一说量子理论和佛法之间的关系。

最能彰显佛教智慧的《金刚经》上说：“一切有为法，如梦幻泡影，如露亦如电，应作如是观。”这句经文，很能代表大乘佛法的观点，通俗来说，就是大乘佛法认为，世间一切的有形物质都是虚幻而不实在的。

相比之下，小乘佛法则认为，包括人在内的世间万物，都是五蕴也就是“色、受、想、行、识”等物质的因缘和合，故而小乘佛法提出了“无我”的观点。

而大乘佛法更进一步，不仅认为“我”根本就不存在，还认为，五蕴自身也是虚幻不实的。

大乘经典《心经》上说：“色不异空，空不异色。受想行识，亦复如是。”

我们简单翻译这段经文，可以理解为，不管物质现象“色”或者各种精神现象，都是变化莫测的，而不是恒定不变的。

而爱因斯坦认为，根据量子理论，质量和能量其实是可以相互转换的。如果能量大量集中在一个地方，那它所示现出来的就是物质的形态，而能量聚集相对少的地方，就是所谓的“场空间”。

在这里，物质和“场空间”本质上是性质相同的东西，只不过是以不同的形态、不同的方式来显现而已。也就是说，根据量子理论的研究，“场空间”是无处不在的，也是无处不有的，它永远无法被消除，是世间一切物质现象的核心载体。所以，我们刚才提到《心经》中的“色”就相当于量子物理学上的“物质”；而“空”呢，就相当于量子物理学上的“场空间”。

由此我们就可以发现，“色”与“空”是不能截然分开的，正如物质和“场空间”是无法决裂的一样。

总之，在“世间法”中，人类能够看到万物的实体之所以是“空”，就是因为万物的实体不过是各种元素的因缘和合，而有聚合就一定会有消散。

万事万物，一旦缘分尽了，也就成了“空”。从这个意义上说，我们生活的客观世界，其实也是因缘和合而形成的，一旦因缘散去了，这个世界也就将不复存在了。

受写作时代和个人学术观点差异的影响，《物理学的进化》这本书中关于量子物理学的内容很少，毕竟这本书首次出版是在1938年，那个时候，量子物理学的理论体系才刚刚建立不久。

不过我们今今乐道读书会曾经解读过《上帝掷骰子吗：量子物理史话》，这本书对量子物理学发展的来龙去脉有相对详细的讲述，如果你对这一部分内容有兴趣，不妨在我们的APP中去搜一搜，作为今天这本书的延展阅读。

结语

以上就是《物理学的进化》这本书的主要内容。

一部人类的发展历史，就是人类改造自然、利用自然的历史，而每一次重大的技术变革，乃至社会革命都有物理学参与的身影，因此，作为一门最最基础的自然科学，物理学在人类生活中扮演着十分重要的角色。

而物理学的发展和演进，也并非单纯是一些概念或者定律的迭代，更多的是思维方法的不断更新。

从亚里士多德时代的直觉思维，到伽利略将实验和数学结合，开创了定量化的研究方法，再到牛顿和爱因斯坦等人把抽象思维、思想实验等方法引入到物理学的研究，最终让科学方法论得以确立。

一代又一代的物理学研究者用实际行动告诉我们，物理学的发展，本质上是思维和观念的进化。未来的物理学，也许还会有更多的思维和方法更新，让我们拭目以待吧。

【编辑：王岳】

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