愛因斯坦曾經(jīng)說過：“這個(gè)世界最不可理解的就是它竟然是可以理解的?！?至少要感謝他，我們對(duì)宇宙有了更深層次的理解。而在現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石——量子力學(xué)和廣義相對(duì)論——的背后有著六個(gè)基本原理，是我們每個(gè)人都應(yīng)該知道的。

- 原理 1 -

 光速不變?cè)?nbsp;

回到1860年代，麥克斯韋在前人的基礎(chǔ)上統(tǒng)一了電學(xué)和磁學(xué)。電磁理論最偉大的一個(gè)成果就是預(yù)言了電磁波的存在，并證明了電磁波在真空中的傳播速率與真空中的光速 c 相同，從而揭示了光的電磁本性。而且，他也得出了一個(gè)結(jié)論：“光相對(duì)于任一慣性系的速度都為c。” 也就是說光速是不變的。這很奇怪。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，如果有一個(gè)人在移動(dòng)的車上發(fā)射了一枚子彈，對(duì)于一個(gè)站在路邊的旁觀者來說，子彈的傳播速度是它發(fā)射出的速度加上車的速度。

△ 上圖：警察A發(fā)射的子彈以100mph的速度射中強(qiáng)盜，而警察B發(fā)射的子彈則以100-50=50mph的速度射中強(qiáng)盜。下圖：無論是警察A或B，都將以光速c射中強(qiáng)盜。（圖片來源： M. Rulison）

但是，20多年后，美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷在尋找傳播光的介質(zhì)——以太，他們的實(shí)驗(yàn)出乎意料的得出了一個(gè)結(jié)論：光速是一個(gè)常數(shù)！不僅如此，光速還是宇宙的速度極限。無論是物質(zhì)、信息、引力或其它力都無法超越光速。愛因斯坦認(rèn)為光速不變是自然法則，這也成為了他構(gòu)建兩個(gè)相對(duì)論的起點(diǎn)。

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狹義相對(duì)論：

愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，光速不變?cè)碛幸恍┢婀值慕Y(jié)果。想象一下你坐在兩架相互靠近的宇宙飛船中的其中一架，它們分別以90%的光速運(yùn)動(dòng)。從你的角度看，另一架的速度是多少？我們不用去管確切數(shù)字是多少，但肯定不會(huì)大于光速。1905年，愛因斯坦發(fā)表了狹義相對(duì)論，空間和時(shí)間會(huì)彎曲來滿足光速不變。例如，運(yùn)動(dòng)中的時(shí)鐘走的比較慢，也就是說你在一架飛船中會(huì)老的更慢。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)中的尺子也會(huì)顯得更加的短。日常生活中的速度，這些效應(yīng)都是可以忽略的，但是一旦速度接近光速，它們就變得非常顯著。

△ 運(yùn)動(dòng)中的時(shí)鐘走的更慢。（圖片來源： M. Rulison）

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E=mc2：

著名的方程E=mc2就是源自于狹義相對(duì)論，用光速把能量和質(zhì)量聯(lián)系了起來。因此，在歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中，可以通過將兩束質(zhì)子在高能下對(duì)撞產(chǎn)生許多大質(zhì)量的粒子。

擴(kuò)展閱讀：《為什么E=mc2？》

- 原理 2 -

 等效原理 

16世紀(jì)時(shí)，伽利略意識(shí)到在沒有空氣阻力時(shí)，從比薩斜塔扔下兩個(gè)質(zhì)量不同的物體（比如一根羽毛和一個(gè)鐵球），將以同樣速率落下并同時(shí)落地。在阿波羅15號(hào)登月任務(wù)中，宇航員David Scott在沒有空氣的月亮上確認(rèn)了該原理。牛頓認(rèn)為，這之所以會(huì)發(fā)生必須滿足一個(gè)奇怪的巧合：慣性質(zhì)量 = 引力質(zhì)量。為什么會(huì)這樣？對(duì)于這一重要的事實(shí)的思考，愛因斯坦提出了等效原理：在空間的一個(gè)足夠小的區(qū)域，一個(gè)觀察者感知到的引力場(chǎng)的物理效應(yīng)和另一個(gè)在沒有引力場(chǎng)區(qū)域以勻加速運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)者所感知的物理效應(yīng)相同。愛因斯坦認(rèn)為這是他一生中最快樂的思想。

△ 愛因斯坦宣稱沒有任何物理測(cè)量能區(qū)別在左圖（加速中的火箭）和右圖（在地球上）中紅色小球的運(yùn)動(dòng)。換句話說，加速度可以“欺騙”你，讓你覺得是在引力場(chǎng)中。（圖片來源： Wikimedia Commons user Markus Poessel）

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廣義相對(duì)論：

愛因斯坦將狹義相對(duì)論和等效原理結(jié)合，發(fā)展了全新的引力理論——廣義相對(duì)論。用惠勒的話總結(jié)：“時(shí)空告訴物質(zhì)如何移動(dòng)；物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲。” 廣義相對(duì)論為我們理解宇宙在大尺度范圍如何工作提供了框架。

△ 彎曲時(shí)空的概念直接源于等價(jià)原理。（圖片來源： Graham Templeton）

擴(kuò)展閱讀：《什么是時(shí)空？》和《廣義相對(duì)論的六大驗(yàn)證》

- 原理 3 -

 宇宙學(xué)原理 

在伽利略時(shí)代之前，哥白尼認(rèn)為地球在宇宙中并不是一個(gè)特殊的地方。一個(gè)世紀(jì)之后，牛頓在他的《原理》一書中假設(shè)太陽(yáng)系被嵌入在一個(gè)均勻的空間之中，該空間在所有方向無限延伸。這些是宇宙學(xué)原理的起源?，F(xiàn)代宇宙學(xué)原理認(rèn)為，無論你朝宇宙中的任何地方或任何方向觀測(cè)，宇宙看起來都是一樣的，沒有任何地方是特殊的。雖然在局部區(qū)域，我們會(huì)看到物質(zhì)以太陽(yáng)系、星系和星系團(tuán)的形式存在，但在一個(gè)足夠大的范圍下，就會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙是均勻與各項(xiàng)同性的。在建立宇宙學(xué)模型的過程中，這一原理使所需要的數(shù)學(xué)大量的簡(jiǎn)化。但宇宙學(xué)原理的有效性受限于我們的視野。例如，2013年天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙一個(gè)由星系組成的巨大超結(jié)構(gòu)，延伸超過100億光年，稱為武仙-北冕座長(zhǎng)城，使宇宙學(xué)原理受到挑戰(zhàn)。

△ 宇宙學(xué)原理認(rèn)為無論朝宇宙的哪個(gè)方向看，我們都會(huì)看到同樣的物質(zhì)分布。。（圖片來源： M. Rulison）

擴(kuò)展閱讀：《宇宙大爆炸是從哪里開始的？》

標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型：

當(dāng)愛因斯坦第一次利用廣義相對(duì)論建立宇宙學(xué)模型時(shí)，他認(rèn)為宇宙是靜態(tài)的：即不膨脹也不收縮。但是，在1920年代，對(duì)遙遠(yuǎn)星系觀測(cè)發(fā)現(xiàn)它們“紅移”了，意味著遙遠(yuǎn)的星系在不斷地遠(yuǎn)離我們。其他科學(xué)家運(yùn)用廣義相對(duì)論加上宇宙學(xué)原理，構(gòu)建了一個(gè)膨脹中的宇宙。這些是現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型的開始。它描述了我們的宇宙起源于138億年前，從一個(gè)熾熱、致密以及無限小的一個(gè)點(diǎn)膨脹至今天我們觀測(cè)到的宇宙。這個(gè)理論也包含了一些我們現(xiàn)在仍然難以解釋的驚喜。

△ 根據(jù)天文觀測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型繪制了宇宙的演化時(shí)間線。（圖片來源：WMAP Science Team）

擴(kuò)展閱讀：《關(guān)于宇宙大爆炸，你需要知道的五個(gè)事實(shí)》和《可觀測(cè)宇宙有多大？》

- 原理 4 -

 量子化 

1900年，普朗克試圖用數(shù)學(xué)更好的描述從燈泡輻射出來的能量。當(dāng)時(shí)的理論跟實(shí)際觀測(cè)不符。在幾次失敗的嘗試后，普朗克發(fā)現(xiàn)他能夠消除該隔閡，但是他不得不作出一個(gè)大膽的假設(shè)：一個(gè)物體輻射出的電磁能并不是連續(xù)的，而是以一份份能量包的形式。普朗克一開始認(rèn)為這些“量子”是理論的局限，而不是對(duì)現(xiàn)實(shí)的描述。但是到了1905年，愛因斯坦在研究光照射金屬會(huì)驅(qū)逐電子后提出了光電效應(yīng)，認(rèn)為光是由離散的粒子組成的，稱為光子。但這僅僅只是開始。隨著量子理論的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)不僅能量是一份份的，許多其它的性質(zhì)，比如電荷和自旋，都有一個(gè)最小的單位。為什么必須是這樣，沒有人知道。

△ 普朗克提出電磁輻射的能量是被量子化的，而不是連續(xù)的。（圖片來源：C24）

擴(kuò)展閱讀：《十個(gè)問題，帶入認(rèn)識(shí)量子力學(xué)》

- 原理 5 -

 不確定性原理 

如果你踢一個(gè)足球，你可以同時(shí)知道它在哪里以及它要去哪里。但是，在亞原子粒子世界，情況就不這么簡(jiǎn)單了。你對(duì)一個(gè)粒子的位置知道的越精確，你對(duì)它的動(dòng)量知道的就越少，反之亦然。這就是量子不確定性原理，在1920年代中期由海森堡提出。它不僅連接了位置和動(dòng)量，也連接了能量和時(shí)間，以及其它。不確定性并不是來自于測(cè)量裝置的精確性，而是根本的限制了我們對(duì)這個(gè)世界能夠有多少理解。正是因?yàn)椴淮_定性原理，粒子才有機(jī)會(huì)“隧穿”在經(jīng)典物理中不可能克服的能量障礙，使發(fā)生在太陽(yáng)的核聚變成為了可能。它也允許粒子能夠在看起來空無一物的真空中短暫的出現(xiàn)。

△ 我們永遠(yuǎn)無法同時(shí)知道粒子的位置和速度。（圖片來源：Chad Orzel）

擴(kuò)展閱讀：《量子力學(xué)的又一次勝利：一個(gè)80多年前的預(yù)言被驗(yàn)證》

- 原理 6 -

 波粒二象性 

在20世紀(jì)初，當(dāng)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)光其實(shí)是由光子組成的時(shí)候，使人們非常困惑。因?yàn)樵谶@之前，光也表現(xiàn)出所有波所具有的性質(zhì)，比如干涉和衍射。在1924年，德布羅意提出，這個(gè)行為是普遍的，而且是雙向工作的：像波的光可以表現(xiàn)粒子的行為，而電子和其它的物質(zhì)粒子也可以表現(xiàn)出波的行為。在這個(gè)波粒二象性的圖景中，一個(gè)量子物體同時(shí)處于所有可能的位置或狀態(tài)，稱為“疊加態(tài)”，只有在進(jìn)行測(cè)量后才會(huì)坍縮為其中的一個(gè)狀態(tài)。薛定諤對(duì)此構(gòu)想了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：一只貓同時(shí)處于生和死的狀態(tài)。量子疊加態(tài)的魔法也是未來建造量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵。