撰文 | 文小刚（麻省理工学院终身教授、格林讲席教授）
物理学的四次革命
我们在探索自然的过程中 ， 会发现很多奇妙的现象 ， 我们也发展了很多漂亮的理论来解释这些现象 。 随着发现越来越多 ， 也会有越来越多的理论 。 这时 ， 我们就想把这些不同的理论统一起来 ， 得到一个更加全面更加深刻的理论 ， 用它来理解更多的现象 。 物理学就是这样在“发现、统一、再发现、再统一”的循环中 ， 一次又一次登上人类认知的巅峰 。
每一次大统一 ， 都代表一次物理革命 ， 都给我们带来一个新的世界观 ， 使我们以全新的眼光来看世界 。 这一新眼光就像为瞎子赋予视觉 ， 展示了一个全新的景象 。 每次物理革命带来的认知的角度是如此之新 ， 连我们描写自然的语言都必须是全新的 ， 所用的数学也都是全新的 。 可以说 ， 每次物理革命都给我们带来了脱胎换骨的升华 。
第一次物理学革命是牛顿的力学革命 。 牛顿统一了两个似乎毫不相关的自然现象：夜空中行星的位移和地面上苹果的坠落 。 他用万有引力和力学理论统一地解释了这两个很不同的现象 。 更重要的是 ， 他提出了一个世界观来理解万物：所有物质都是由粒子组成的 ， 而这些粒子的运动满足牛顿方程 。 这使得牛顿力学成为理解万物的普适理论 。 当牛顿发展他的理论时 ， 描写这个理论的数学语言还没有发明 。 牛顿不得不又当一个数学家 ， 发展了这一套数学理论——微积分 。 这是最高层次的发现和创新 。 牛顿既做物理学家又做数学家 ， 非常不容易 。
第二次物理革命是麦克斯韦的电磁革命 。 它把电、磁和光这三种看起来很不相同的物理现象给统一起来了 。 麦克斯韦先统一了电和磁 ， 发明了麦克斯韦方程 。 他发现麦克斯韦方程的波动解——电磁波的波速——和当时测的光速差不多 。 于是 ， 麦克斯韦又提出电磁波就是光 ， 把电、磁和光都统一了 。 第二次物理革命更加本质的地方在于发现了一种新的物质形态：波形态物质 。 和牛顿的粒子形态物质不同 ， 波形态物质运动不是由牛顿方程来描写 ， 而是由麦克斯韦方程来描写的（见《光的奥秘和空间的本源》） 。
第三次革命是爱因斯坦的相对论革命 。 爱因斯坦指出 ， 引力作用其实来源于时空的扭曲 。 在更深的层次上 ， 相对论革命发现了第二种形态物质——引力波 。 引力波不是别的 ， 就是时空扭曲的波动 。 引力波的运动也不是由牛顿方程来描写的 ， 而是由爱因斯坦方程描写 。
从此以后 ， 我们认为世界上有两种形态的物质：粒子形态物质和波形态物质 。 粒子形态物质之间的各种相互作用是由各种波形态物质所引起的 。 描写波形态物质的理论 ， 麦克斯韦理论 ， 爱因斯坦广义相对论及其后来的一个推广——杨-米尔斯理论 ， 也需要一个新的数学语言——纤维丛理论——来描写 。 纤维丛理论描写了时空本身和时空上的场的几何扭曲 。 其后 ， 这种以几何眼光看世界的理论就成为理论物理的主流（见《追求对称之美：杨振宁超越他诺奖的贡献 | 附量子纠缠新观念 》（上、下）） 。
第四次物理革命应该是量子革命 。 量子力学是非常非常深刻的革命 ， 也是最具有颠覆性的物理革命 。 但它不是一个人搞出来的 ， 而是一大群人的共同成果 。 量子革命给我们带来了最深刻的变革 ， 它统一了粒子形态物质和波形态物质 。 它告诉我们 ， 我们世界的真实物质只有一种形态：波粒形态 。 也就是说物质的存在形式又是粒子 ， 又是波；又不是粒子 ， 又不是波 。 这篇文章我们将着重介绍这种不可思议的存在形式 ， 介绍我们世界中的存在为什么有如此诡异的性质 。
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