理性所及之处

在很多历史学家——尤其是以欧洲政治为中心的历史学家眼中，20世纪要迟至1914年第一次世界大战爆发才算是真正开始。这个推迟到来的世纪，其标志就是史无前例的两次世界大战以及其中数不胜数的杀戮。随着两次世界大战，旧的政治框架解体，大批的君主和贵族消亡于尘世之中，世界霸主的位置从欧洲转移到了另一块大陆。人类文明遭遇了前所未有的重创，而一个崭新的世界格局随着大战之后的重建和随之而来的“冷战”开始塑造出全新的人类社会，21世纪由此开始。

但如果我们通过另一种视角去观察20世纪，会发现这是一个令人激动不已且奇异的世纪：人类社会在其几千年的文明史中，从没有哪一个世纪曾经取得过如此广泛且深刻的科学进展，人类对于自然界的理解达到了自身此前甚至无法想象的境地。现代科学的根基——物理学，以一种看似是摧毁自身原有基础的方式，在一片废墟之上建造起一个更加辉煌的现代物理学大厦，与之相关的知识几乎全部被重写——可以说，现代社会正是在此基础之上被发明出来的。

这次如今被称为“第二次科学革命”（也被称为“第二次物理学革命”）的重大事件，与之前17、18世纪以英国为中心的“第一次科学革命”有着诸多不同：经过文艺复兴时期，以及哥白尼、伽利略等先贤的积累，当时人们对于天体运行轨道的观测越来越精细，数据也积累得越来越丰富，最终由以牛顿为代表人物的科学家得出引力及运动定律算得上是水到渠成。17世纪的英国社会思想环境相对宽松，也为爆发科学革命提供了社会条件。

相比之下，爆发于20世纪初期的第二次科学革命在发生之前似乎并没有明显的预兆，也出乎当时大多数科学家的预料。这一次物理学革命最初的中心——德国的社会气氛绝对称不上自由宽松。恰恰相反，从20世纪初开始，极端民族主义情绪开始逐渐在德国蔓延开来，在客观上造就了纳粹的兴起，最终导致了第二次世界大战的爆发。但也是在这样严苛且奇异的社会环境之中，一批德国科学家以前所未有的研究方法和澎湃的创造力，又一次改变了人类对于自然界的认识。

第二次科学革命是如此的深刻且复杂：它混杂着战争和政治，伴随着极端民族主义情绪和杀戮。人类的创造性和自我毁灭的倾向几乎同时被表现得淋漓尽致。一方面，人类的创造力以无与伦比的规模爆发开来，天才们成群而来，使人类科学的触角远远超出人类感官的范围，论细微小至不可见的原子核，论广阔则延展到了整个时空——这是人类先贤都不曾想象过的境界，一条条以数学符号写就的公式，成为了不容置疑的自然界的铁律。

另一方面，两颗原子弹的爆炸宣告了世界大战的结束，同时也以这么一种惨烈的方式宣告人类进入了原子时代。人类开始有能力开发原子核中所蕴含的巨大能量，这种能源能够帮助人类摆脱对化石能源的依赖，同时也足以毁灭人类自身。伴随着原子弹的爆炸，第二次科学革命的高潮随之结束，但时至今日，可以说我们仍然生活在这次科学革命的余韵之中，或者也可以说，这次科学革命至今仍然没有结束。现在我们试着简略回顾这场人类历史上绝无仅有的科学进步事件的过程，其实我们所回顾的，正是现代社会的建构史。

肩负着“天才”的名字，仿佛就具有了某种特权，可以无视社会和历史发展规律而肆意妄为，让天才所做的一切都显得无法解释。正因为如此，历史学家们不愿轻易承认天才的存在。但当我们回顾20世纪初这几十年里人类科学进步的历史，又绝不可能忽视“天才”在其中的决定性作用。一个世纪的时间过去之后，当时的一些人如今已经成为了“天才”和“智慧”的代名词。而当我们回顾人类为了建造一个全新的物理学体系，几代人前仆后继，常遇挫折，时有突破，其情节用峰回路转、荡气回肠来形容都不为过。因此即便是在百年之后，这些故事仍然被人津津乐道。

只有当我们尝试着让思绪回到19世纪末期，把自己沉浸在一种机械化的节奏中，沉闷且自满的空气中，同时带着可以预知未来的眼光看看周遭的一切，才可能理解，人类的科学进步虽然是一种必然，但当它真正开始发生，又是一件多么奇妙且令人激动的事情。人类理性的领地将再一次被突破。这一次，人类将同时面对几乎无限的渺小和广阔，以及同样近乎无限的未知。

回望这场科学革命发生之前，也就是处于19世纪末期的欧洲，不得不说当时科学界的氛围显得有些沉闷。不仅没有人预见到一场摧枯拉朽的科学暴风雨即将来临，实际上当时整个科学界陷入到一种前所未有的自满情绪之中，以及由此带来的众多物理学家的无所适从。

始于17世纪的第一次科学革命已经完成，这次革命的中心人物——艾萨克·牛顿已经获得了与希腊先贤们同样崇高的地位。如今日月星辰的运动都已经在人们的掌握之中。

在牛顿发表了著名的《自然哲学的数学原理》一书大约200年之后，另一位来自剑桥大学的科学家詹姆斯·麦克斯韦（James Maxwell）在1864年发表了《电磁场的动力学理论》。这篇论文标志着电磁学的诞生。人们惊喜地发现，电磁学与牛顿力学并无冲突之处，两者结合起来，便构建起了一座华美的经典力学大厦，其间包含了整个宇宙中的所有规律。

尽管刚刚诞生就成为了物理学的基础之一，但事实证明，身处19世纪的人们仍然没有完全理解电磁学理论的重要意义。经典电磁学理论不仅在随后发生的物理学革命中幸存下来，而且还成为了新物理学的基础之一。正因为如此，后来爱因斯坦才称赞麦克斯韦的成就称得上是“自牛顿时代以来最深刻、最有成效的变革”。而后美国物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）更是称赞道：“从人类历史的长远角度来看，比如说，从现在开始的一万年来看，毫无疑问，19世纪最重要的事件为麦克斯韦对电动力学定律的发现。美国内战与同一年的这一重要科学事件相比，都显得微不足道。”

对于电磁学重要性认识的不足，可能在很大程度上源于人们对于究竟该如何利用电磁以改善自身的生活仍然缺乏想象力。整个19世纪，人类在电器领域最重要的发明当属电灯。德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）在他1893年出版的名著《电波》中，首次描述了隔空传递电信息的想法，随后他通过一套实验证明了自己的猜想。赫兹亲自演示，在一套装置中激发出了高压电火花后，在附近另一套独立装置中会引起较小的电火花——这个精妙的实验证明了麦克斯韦电磁学的正确性以及电磁波的存在，但是当有学生问他“未来的无线电波有何前景”时，赫兹的答案是“我猜，没有”。

短短几年之后，意大利工程师伽利尔摩·马可尼（Guglielmo Marconi）创立了“无线电报信号公司”。无线电波最终跨越了大陆和大洋，被人们广泛用于通信，而赫兹已经在1894年因为血液感染而去世。

对于物理学发展的自满情绪在19世纪末期开始逐渐弥漫开来，认为物理学已经终结的观念即便是在第一流的物理学家之中也不少见。著名物理学家基尔霍夫认为，“物理学的未来，将只有在小数点第六位后面去寻找”（也有人认为这句话出自开尔文男爵），意思是物理学的整体框架已经完成，宇宙万物的规律都已经被发现，留给后世物理学学生的工作，只剩下把一些常数的数值测量得更加精确罢了。

自满情绪自然也会酝酿出一种相对保守的态度。例如被公认为实证主义领袖人物的恩斯特·马赫（Ernst Mach）就认为，所谓“基本真理”只是人类的幻想，他谴责那些想要理解人类感官无法理解的事物——例如分子和无线电波。

科学界的情绪当然会波及到青年学生。马克斯·普朗克（Max Planck）在刚刚进入大学时就曾经被慕尼黑大学的物理学教授菲利普·约利劝告不要选择物理学，因为“这门科学中的一切都已经被研究了，只有一些不重要的空白需要被填补”。但普朗克则执拗地回答道：“我并不期望发现新大陆，只希望理解已经存在的物理学基础，或许能将其加深。”

在19世纪末，人们眼中的世界是决定性的和机械性的，准确且枯燥。英国哲学家阿尔弗雷德·怀特海（Alfred Whitehead）将19世纪最后四分之一时间里科学界的状况描述为“自从第一次十字军东征以来思想最为沉闷的时期”。但是如果我们仔细观察，当时除了电磁学吸引了一部分人的关注之外，热力学研究开始登上舞台，“黑体辐射”问题也让物理学家们感到困惑且心生不安。

所谓“黑体辐射”，指的是人们观察到，即使是在一个漆黑、没有光源的环境中，一切物体也都会发射出某种色光（这种光可能并不在人的视觉范围之内，但是可以被探测到）。那么发射出的光的颜色，以及能量分布规律和原理是什么？想要进行精密研究，就需要挖空一个物体，在其表面留一个小洞，也就是制造一个“空腔”，然后人们在空腔的洞口进行测量。

当时以德国柏林为中心的一批科学家对于黑体辐射问题充满热情。其中刚刚年满31岁，接替了著名科学家基尔霍夫的位置，已经在柏林开始自己学术生涯的普朗克对于这个问题尤其好奇。除了柏林大学的物理学家之外，帝国物理技术研究所的科学家也在进行着同样的研究——他们相信，通过研究黑体辐射问题，就能够设计出更好的电灯。

为什么物体对外释放的辐射与它们的成分、大小和形状都不相关，而是与温度有关？普朗克相信其中有着更为普遍和重要的规律。当时并不引人注目的普朗克写道：“黑体辐射预示着一些绝对的东西。”这与他自博士毕业以来就坚持进行的一项研究有关——他希望找到“时间之箭”的原理。为什么时间有方向？为什么时间总是从过去到未来？普朗克相信，通过研究黑体辐射，得到热力学更加基本的规律，就能解决“时间之箭”的难题。他把这个问题称为“理论物理学的基本任务”。

物理学正是在一种机械、沉闷，但细微处又有些微妙的气氛中进入到20世纪。正因为如此，被誉为“热力学之父”的英国物理学家开尔文男爵（Lord Kelvin）于1900年4月27日在英国皇家学会上发表的题为《在热和光动力理论上空的十九世纪乌云》演讲，才会在之后100多年的时间里被反复引用。

在21世纪的人们看来，开尔文的这段演讲，正如后世对开尔文的学术地位乃至性格等方面的看法一样，都可以从不同方面进行解读，从而得出完全不同的结论。在经人们事后回忆整理出的这份演讲文稿中，开尔文首先肯定且赞美了宏伟的物理学大厦已经完成——这也是当时大多数物理学家的看法；随后正如题目所示，开尔文以第一流物理学家的直觉提出了在物理学中令人不安的“两朵乌云”——“动力学理论断言热和光都是运动的方式，现在这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。第一朵乌云是随着光的波动论而开始出现的。菲涅耳和托马斯·杨研究过这个理论，它包括这样一个问题：地球如何能够通过本质上是光以太这样的弹性固体运动呢？第二朵乌云是麦克斯韦－玻耳兹曼关于能量均分的学说。”

如今，如同提到“奇迹年”，物理学家们自然会想到1666年和1905年这两个分别属于牛顿和爱因斯坦的神奇年份一样，“两朵乌云”已经成为物理学界最著名的比喻——正是这两朵乌云，最终形成了狂风暴雨，不仅摧毁了华美的经典物理学大厦，还促发了第二次科学革命。

同样是在1900年，潜心研究黑体辐射问题的普朗克并没有解决“时间箭头”问题，无奈之下，他选择了一种更为实际的做法：先找到一种对实验结果的数学描述，而后再去寻求更为深刻的解释。在这样的动机下，分别在1900年的10月和12月，普朗克在德国物理学会两次介绍了自己的成果。他得出了一个连自己都难以相信，更无法解释的结论——在微观领域，能量是以不可分割的形式一份一份地向外辐射的。在这个显得莫名其妙的解释中，还涉及一个常数，人们在之后才意识到这是一个宇宙中极为重要的基本常数，后来以它的发现者命名为普朗克常数（Planck constant），记为“h”。就这样，在1900年，人类进入了量子世纪。

与很多人想象中的刚刚进入20世纪人类就开始了热火朝天的量子革命不同，在量子概念刚刚出现之后，绝大多数人都对它持有否定，起码是怀疑的态度。就连发现量子概念的普朗克自己，在迷惑之余也对其持否定态度，认为这种“一份一份”释放或者被吸收的能量，只是一种数学上的必要，与现实无关。实际上，普朗克终生都保持着对量子概念的保守态度。

在20世纪的第一个十年里，量子学说发展缓慢，并且没有引起太多人的关注。在这十年中，对于普朗克最为有力的回应，以及对于量子学说最大的发展，来自于远离柏林的瑞士伯尔尼。当年伯尔尼专利局中的一个小职员，只有26岁的阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在专属于他的奇迹年——1905年接连发表了4篇论文。其中一篇论文对于普朗克的量子学说做出了强有力的回应和发展，用“光量子”的全新理念解释了当时困扰科学家们的“光电效应”。

历史学家们在提及“奇迹”和“天才”之类的话题时总是难免慎之又慎，他们更习惯于把所有的人物和事件都归结于某些更为宏大且可靠的规律和因果链条之中。但不可否认的是，无论多么谨慎，我们都必须承认，在人类文明的发展史上，1905年是极少数能够和1666年相提并论的奇迹年。人类之中一两位个别的天才在某种特定环境中创造力达到顶峰，从而以一己之力就大大加深了人类对于自然界的认识。

让我们看一看在1905年之前，尚未成为世界名人和天才的代名词，还在为生活和未来发愁的青年爱因斯坦：1879年出生于德国乌尔姆的爱因斯坦在慕尼黑度过了童年。因为无法忍受德国当时沉闷的教育环境，爱因斯坦来到了气氛轻松的瑞士。他在当地的阿劳中学学习，于1896年10月考入了苏黎世联邦工学院。

爱因斯坦的大学生活并没有给他的老师们留下太好的印象：因为尚未意识到数学的精妙及其对物理学的意义，爱因斯坦经常不去上课，数学教授称他为“懒狗”；因为对讲授的内容不满意，爱因斯坦只愿称呼老师为“先生”而非“教授”，这让教授们感到愤怒；因为对一位教授的无理冒犯，爱因斯坦的“物理实验入门”课程只得到了最低分1分而无法通过（这位教授后来因为曾经让爱因斯坦的物理课程不及格而在史上留名）。

从苏黎世联邦工学院毕业之后，虽然爱因斯坦凭借自己的魅力赢得了班上唯一一位女同学米列娃·马里奇的芳心，却因为自己在学校中对待教授的无理态度让自己无法在学术界找到一份工作，只能暂时靠做家教维持生活。

1901年，爱因斯坦向苏黎世大学提交了一篇论文，希望能够由此获得博士学位，却没能成功。时至1902年6月16日，经由朋友格罗斯曼介绍，爱因斯坦终于获得了一份稳定工作，“暂时为联邦专利局三级技术专家，年薪3500法郎”。有了稳定的工作之后，爱因斯坦终于能够专心思考在他还是一个小孩子的时候就苦苦思索的问题：“如果我以光速前行，那么我将会看到什么？”

时至1905年，爱因斯坦已经发表过5篇物理学论文，但是没能引起任何人的注意，也没能让他获得博士学位。如果此时他回心转意，把目标转向其他领域，在物理学界绝对不会引起一丝波澜。但“奇迹年”就像这次物理学革命一样，毫无征兆地到来了。在当年3月发表的一篇论文中，爱因斯坦创造性地发挥了普朗克的量子概念，并由此解释了光电效应——这篇论文日后会为他赢得诺贝尔奖；在4月完成的论文《分子大小的新测定法》，让爱因斯坦最终获得了苏黎世大学的博士学位——这实际上也是他被引用次数最多、最实用的论文之一；在5月份的一篇论文中，爱因斯坦通过布朗运动来论证分子和原子的切实存在；而奇迹年中最为著名的一篇论文，是爱因斯坦在1905年6月30日的《物理学记事》上发表的《论动体的电动力学》——这篇论文源自爱因斯坦多年来对时空本质的思考。它意味着在这次物理学革命的另一个方向上，研究时空本质的相对论诞生了。

回顾第二次科学革命的第一个十年，会发现它绝算不上轰轰烈烈。一些关键性的突破在当时并没有引起太多人的重视。而在这十年之中的两位主角，其中最初提出量子概念的普朗克终生都对这个概念持有保守谨慎的态度，不愿向前走得太远，注定无法成为这场激进革命的领袖人物。爱因斯坦也没有在量子革命中走得太远，他虽然对量子革命有着开创性的贡献，但在内心里，他又对由量子理念所得出的一整套数学概念和世界观有深深的抵触。他由此留下了一句名言：“上帝不是在掷骰子。”另一方面，爱因斯坦的天才和注意力很快就离开量子领域而转向了另一个人迹罕至，却更加深邃且重要的领域：广义相对论。

相对论的发表并没有让爱因斯坦在伯尔尼专利局获得升职，“文章发表之后是一片寂静”。少有的知音来自柏林。普朗克深深地意识到这篇论文的价值，并且由此和爱因斯坦产生了维持一生的深厚友谊。1907年，普朗克在给爱因斯坦的信中说，他们或许可以用一种广泛的理论“统一所有的自然力量”。虽然当时他们只了解到四种基本相互作用之中的两种（引力和电磁力），但是已经萌发出了建立一种大统一理论的想法，这种想法至今仍然在指导物理学的进步。

当时学术界的“一片寂静”，很可能也是因为在当时，物理学界只包含很少一部分人，远没有现代学术界的拥挤和热闹。根据估计，在1900年，大约只有1500名物理学家。当时德国物理学会只有350名成员，美国物理学会只有不到100人。90年之后，这两个数字分别变为2.5万人和4万人。虽然人数尚少，我们也要注意到，从19世纪最后十年开始，利用一种特殊的方式进行研究的物理学家已经出现，这就是理论物理学家。

从研究方法上来看，理论物理学可以算是对牛顿时代以来科学家们一直使用的研究方法的一种“反向操作”。在牛顿所处的17世纪，测量时间和距离的误差都很大，想要进行精密观测，最好的研究对象就是天空中天体的运行轨迹。可以说，牛顿万有引力学说的建立在很大程度上依靠的是多年来天文学观测所积累的数据。

牛顿本人也是一个英国经验主义的践行者：科学家进行实验，记录实验结果，寻找其中的数学规律，而后做进一步的实验，形成理论，然后发展出更为复杂的实验对其进行验证……这种把数学作为表达方式，以实验和理论猜想相结合的科学研究方法，200多年来已经成为科学发展的一个范式。问题在于，当科学发展已经超出了实验所能验证的范围，或是理论本身超出了科学家自身对于实验的想象力，又该如何是好？理论物理学正是为了应对这种情况而产生的。

所谓理论物理学家，指的是主要通过数学本身作为研究工具，对物理学进行拓展的物理学家。理论物理学家以数学本身为指引，在工作中可以最大限度地摆脱对实验的依赖，依靠数学和想象力进行工作。在这种情况下，数学自身的规律，甚至是它的“美感”，都可能成为理论物理学家灵感的来源。当然，在这个基础上得出的任何结果，仍然需要实验验证作为最终的裁决。

爱因斯坦正是理论物理学家中最杰出的代表。在1905年发表了相对论之后，他马上意识到了这个理论虽然在根本上推翻了牛顿所创造的“绝对时间”和“绝对空间”的概念，揭示了时空的一些特性，但是仍然有明显的局限性。尽管当时量子理论充满诱惑，但是爱因斯坦仍然对自己从少年时期就苦苦思索的有关时空本质的问题更加感兴趣。他需要的是一个思想上的契机，对自己的时空理论进行完善。

灵感出现在1907年11月。爱因斯坦后来回忆道：“我坐在伯尔尼专利局的椅子上，忽然产生了一个想法，人在自由下落时是感觉不到自己的重量的。”这个令他感到震惊的想法“迫使他走向一种引力理论”。后来，爱因斯坦将其称为“自己一生中最幸福的思想”。

这种想法之所以成为拓展相对论的一个契机，让爱因斯坦感到震惊，究其根本是因为它揭示了一个深刻的现象：引力效应和加速效应是等价的。也就是说，有可能找到一种数学方法来描述这种等价，从而形成一个完善的理论把引力效应囊括其中。灵感与成果之间的距离仍然遥远。爱因斯坦还要经历漫长的学习过程，历经错误、遗憾以及巧合，最终才能得出理想结果。

让我们来到20世纪的第二个十年。两位物理学家的相遇，两个场景的转换，标志着这场物理学革命到达了一个高潮。人类分别在极小和极大尺度上理解了自然界更深刻的规律，一套更为广阔的物理学体系即将被建立起来——它不仅将为人类揭示出一个前所未有、光怪陆离的宇宙，还将为人类展示更多的未知。

1911年，在剑桥大学的足球场上，一个司职守门员位置的年轻人高接低挡，身手不凡，却显得并不开心。这个名叫尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）的青年来自丹麦，他刚刚获得了博士学位，拿到了一笔奖学金，渡海来到英国，想要跟随剑桥大学卡文迪许实验室大名鼎鼎的物理学家约瑟夫·汤姆孙（J.J.Thomson）进行博士后研究。但是为人冷淡的汤姆孙对这个来自丹麦的年轻人并不太欣赏，两人一直没有太多交流。出身学术世家，颇有足球和物理学天赋的玻尔在学术上并没有得到发挥的机会，只能在球场上大展身手。剑桥大学是学术重镇，他一时舍不得离开，也不知道一旦决定离开又该去往哪里。

1913年夏天，两位大名鼎鼎的物理学家——普朗克与沃尔特·能斯特（Walther Nernst）乘着火车，风尘仆仆地从柏林赶到了苏黎世。他们要和34岁的爱因斯坦见面，为他提供一份诱人的工作机会。他们为爱因斯坦在柏林设置了一个职位，无需承担任何教学工作，唯一的职责就是进行自己的研究，年薪为1.2万德国马克，是柏林所有教授中最高的。

作为德国物理学界的旗帜，普朗克再也无法忽视爱因斯坦的天才。尽管在他发表了狭义相对论之后，一时并没有太多回应，爱因斯坦仍然留在伯尔尼专利局工作，但是到了1909年，爱因斯坦还是接受了第一份来自学术界的职位，成为了苏黎世大学的副教授，随后他转赴布拉格查理大学任职，在1912年转而又回到苏黎世。此时爱因斯坦已经深深陷入自己关于引力和时空关系的想法之中，迫切需要一个安静的环境全力以赴。普朗克和能斯特专程为他而来，提出的工作机会也不可谓不诱人。但爱因斯坦或许是因为对德国的沉闷气氛有一种本能的抗拒，或许是早年间求职时屡遭学术界拒绝的经历反而让他有些迟疑。他没有直接回应普朗克和能斯特的邀请，而是请这两人偕妻子在苏黎世游览，还特别提到请他们乘缆车游览山景，他会在缆车站台上迎接他们并给予答复。爱因斯坦说那时他手里会拿着一朵玫瑰花，若花是白色的，意味着答案是“不”，若花是红色的，就表示接受。

到了1911年底，玻尔终于决定离开剑桥，转投在曼彻斯特进行原子核研究的欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）。从原子结构研究的历程来看，汤姆孙和卢瑟福之间恰好形成了一种承上启下的关系。这次从剑桥到曼彻斯特的转移，对于玻尔的一生起到了决定性的作用，也令他最终成为揭示原子内部结构，将量子力学革命推向高潮的一位宗师级人物。

汤姆孙早在1897年就发现了一种带有负电荷的亚原子粒子——电子。考虑到原子整体不带电，电子的质量又相对很小，因此汤姆孙构想了一种被称为“梅子布丁模型”的原子结构。在他的构想中，带负电荷的电子就像是小颗葡萄干一样散落在整体带正电荷的圆球形的原子中。这种想法很快就被身在曼彻斯特的卢瑟福打破了。在指导学生做一个著名的“散射实验”时，卢瑟福观察到了一个令他意想不到的结果，用他自己的描述就是：“这是我一生中最难以置信的事件……如同你用15英寸巨炮朝着一张卫生纸射击，而炮弹却被反弹回来而打到你自己一般难以置信。”在实验的基础上，卢瑟福提出了一个全新的原子模型：在原子的中心有一个带正电荷的原子核，在原子核的周围则是带负电荷运行的电子——人们很容易就能发现，这样的结构与当时人们所熟悉的太阳系中以太阳为中心，众行星围绕太阳运转的天体结构非常类似。

问题依然存在。在研究引力问题时，牛顿曾经担心，因为天体之间的相互吸引，行星可能会最终在太阳的表面坠毁，而之所以没有发生这样可怕的事情，是因为其中有上帝的神力进行了干预，不断加快行星运行的速度。科学家们通过将近一个世纪的计算，才发现整个太阳系是一个稳定的系统，它的运转并不需要借助外力干预。这样一个天体系统的稳定性问题终于被解决了。

令人无法想象的是，在200多年之后，科学家们又不得不开始面对一个与之非常类似的问题：人们发现原子的结构与太阳系非常类似——在人们的想象中，一个个电子围绕着原子核高速运转，它们之间通过电磁力联系，而电子之间则会相互排斥。根据电磁学原理，这会导致原子结构非常不稳定，电子一方面会向外发出辐射，另一方面则会因为损失能量而不可避免地向原子核坠落……

见证了前人探索原子核结构过程的玻尔取得了决定性的进步。1913年，玻尔相继在《哲学杂志》上发表了三篇论文，后人将之称为“三部曲”。在这三篇论文中，玻尔将普朗克的量子概念结合到卢瑟福提出的类似于星系结构的原子模型中，用一种革命性的进步方法解决了当时困扰物理学家的难题。人类对于自然界的理解，终于进入到原子的内部结构。原子时代开始了。

1913年的爱因斯坦，最终手持一朵红色玫瑰在缆车站台上迎接普朗克和能斯特夫妇。他最终选择去柏林继续研究引力和时空的问题。研究也有了进展，爱因斯坦得出了一个结果，这个结果预言了光线在经过大质量天体时会发生偏转。想要验证这样的预测，爱因斯坦需要一次日食。

第一次机会出现在1914年的克里米亚地区，然而由于“一战”爆发，这次对日食的观测未能如愿。爱因斯坦派去进行观测的三个人背着望远镜和照相机，结果被俄国士兵当作间谍逮捕，错过了日食——实际上这对爱因斯坦来说是一件好事，因为他当时得出的结果是错误的。

一个新的时代，一群新的物理学革命者即将登上舞台，将这场物理学革命进行下去。

将量子概念应用到解释原子内部结构的想法最终大获成功，也让玻尔接替普朗克，成为这次物理学革命量子领域的又一位代表性人物。通过“三部曲”论文，玻尔不仅分析了氢原子的结构，解释了氢原子光谱，还论述了其他原子的结构以及元素周期表。1917年，玻尔回到了祖国丹麦，开始筹建理论物理研究所。这个机构迅速汇集了一大批既有想象力又有天赋的青年人，他们希望在玻尔的基础之上进一步发展量子力学——后世把这些人，以及受其影响的人统称为“哥本哈根学派”。

这些成长在新时代的年轻人丝毫没有上个世纪在经典力学影响下产生的陈旧思想，把量子思想、数学和想象力结合在了一起。正是在这样数百年一遇的时机中，出现了一些类似于“神启”一样的时刻。1925年初，哥本哈根学派的代表性人物，当时只有23岁的维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）因为患有严重的花粉热，远赴寸草不生的位于北海上的黑尔戈兰岛休养。他一边休养一边思考解决原子结构内在诸多问题的方法。多年后他回忆道：“在黑尔戈兰岛，有那么一刻，灵感忽然闪现……已经是黑夜了。我费力演算，他们做了验算。后来我走出去，躺在一块岩石上，面朝大海。看到太阳升起，我很幸福。”

海森堡的发现被称为“矩阵力学”，他用矩阵的形式来表达量子力学。这种方式在当时大多数人看来还太过新鲜，感到不习惯。一年之后，1926年，时年38岁的奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schr?dinger）用人们更习惯的方式来表达量子力学——“薛定谔方程”由此出现。薛定谔随后证明，海森堡和他自己所使用的两种方式在数学上等价。

量子力学的出现是如此突兀，与经典力学是如此地格格不入，因此格外适合想象力丰富的年轻人参与，年长者反而容易显得思想陈旧，跟不上时代的脚步。到了1926年初，四篇关于量子力学的重量级论文出现，来自当时的四个无名小卒：沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）、恩里科·费米（Enrico Fermi）、海森堡和保罗·狄拉克（Paul Dirac），其中最年长的泡利当时也才25岁——这四个年轻人日后都成为了学术大师，但当时德国人将量子力学形容为“小男孩物理学”。

量子理论显得如此怪诞，又是如此地有力量。有些科学家因为无法接受量子思想的内在逻辑而逐渐与之分道扬镳，其中最为著名的就是薛定谔和爱因斯坦。薛定谔虽然发现了量子力学最基础的方程“薛定谔方程”，却对自己的工作并不满意，认为自己不应该提出一个莫名其妙的“波函数”概念。爱因斯坦更是坚信在量子力学光怪陆离的表象之下，必定还有更为坚实的物理学基础，他坚称“上帝不是在掷骰子”。

正是在爱因斯坦和薛定谔讨论量子力学的内在缺点时，两人把量子力学中“同时处于两种状态”的所谓“量子叠加态”与现实生活中宏观物体的生命状态联系在一起，创造了著名的“薛定谔的猫”悖论。关于一只猫究竟是否能像一个微观粒子一样同时呈现出又死又活的两种状态的叠加，至今人们仍然争论不已，这也显示出人们仍然对量子力学以及生命的本质缺乏理解。

尽管有年老的科学家退出，但量子力学却仍然突飞猛进。正像普朗克所说：“新的科学真理的取胜，不是靠说服对手，令他们看到光明，而是因为它的反对者最终都将死去，而熟悉它的新一代随之成长起来。”这句话如今被称为“普朗克法则”（Planck’s Principle）。

年长的挚友普朗克曾经劝告爱因斯坦不要进行广义相对论的研究，因为“第一，你不会成功；第二，即使你成功了，人们也不会相信你”。爱因斯坦却不顾普朗克的好言相劝，埋头于他“终生最伟大的研究”。经过8年的卓绝奋斗，爱因斯坦最终取得了成功。从一个思想实验开始，在好友格罗斯曼的帮助下，爱因斯坦通过几何语言得出了描述整个时空运动规律的相对论。人们习惯于把之前只能应用于惯性系的相对论称为狭义相对论，而把后来有着更广泛应用的版本称为广义相对论。

1915年11月，爱因斯坦在普鲁士科学院做演讲，报告了自己的成果。这标志着人类文明史上最优美，也最深刻的思想成果之一——广义相对论的诞生。爱因斯坦和他的理论在社会意义上的成功则要等到1919年。在第一次世界大战刚刚结束之后，英国数学家和物理学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）为了通过观测又一次日食现象来验证广义相对论，率队前往西非普林西比岛。为了确保观测成功，同时还有另外一支队伍前往巴西。

根据广义相对论，光线在经过一些大质量的天体，例如太阳时，会发生些微偏转；实际上，根据经典的牛顿力学计算，光线在经过太阳时同样会发生偏转——但是两个理论计算所得出的偏转角度并不相同。爱丁顿正是要借助日食现象，确定哪一种理论的预测才是正确的。时至今日，如果我们分析爱丁顿当年取得的观测结果，会发现考虑到误差，他的观测结果实际上是在牛顿理论和爱因斯坦的理论之间。但是因为爱丁顿早已在心里确信广义相对论的正确性，因此他当时毫不犹豫地向全世界宣布了广义相对论的胜利。

1919年，第一次世界大战结束不久，一个英国人不辞劳苦去验证一个德国人的科学理论，这件事本身就有着重要的象征意义。而广义相对论在经过了第一次的验证之后，它的力量才开始逐渐显露出来。可以说，人类历史上没有哪一种理论可以如此深刻地改变人类对于整个宇宙的认知，也没有哪一种理论成为了人类探索整个宇宙形态的基础工具。宇宙以一种前所未有的神秘、怪诞且未知的形象展示在人类面前。在广义相对论的描述中，时空本身生动了起来。就像物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）所说的，“时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲”。

没有广义相对论，就没有宇宙学的诞生。从此之后，黑洞、星系、宇宙大爆炸、引力波等宇宙学概念，逐渐成为了人们司空见惯的名词。要知道，在广义相对论诞生之前，人类对此还一无所知。人类可能永远无法离开太阳系，但是人类的理性已经借助广义相对论的力量，回溯到了宇宙诞生之初，也到达了百亿光年之外。

这次起始于20世纪初期，以德国为中心的第二次科学革命，一个鲜明的特点就是其发源的时间和地点，都与20世纪两次惨绝人寰的世界大战有很大的重合之处。战争与科学前所未有地紧密结合在一起。科学技术成为了战争中强有力的助燃剂，科学的发展对战争的走势也起着决定性作用。而无数心怀理想的科学青年和科学家们，则不幸地以各种形式被卷入战争之中。他们有的沦为战争的牺牲品，有的抛弃家园逃离战争中心，有的则成为了罪恶的帮凶。

让我们看看战争对科学和科学家们都做了些什么：量子力学的开创者和领军人物普朗克，其长子于1916年死于战争，次子则在战俘营中度过了两年——活过了第一次世界大战的次子埃尔温·普朗克最终因为被卷入刺杀希特勒的密谋而在1945年被杀害。

作为一名爱国者，直到“二战”末期，英国皇家空军的轰炸已经摧毁了他在柏林旺根海姆街21号的家园，普朗克依然坚持向公众做科学演讲，希望为后纳粹时代的德国保留科学的种子。这位品德正直的科学家不得不在很长一段时间里屈从于纳粹：他做过赞扬希特勒的演讲，行过纳粹礼，也曾经对驱逐犹太学生、解雇他的犹太裔同事的命令一一照办；另一方面，普朗克也曾尽力帮助犹太裔同事逃离纳粹的魔爪……这位在政治上软弱的科学家，崇高的名誉最终被他的祖国所玷污。

犹太裔德国科学家弗里茨·哈珀（Fritz Haber）在第一次世界大战期间发明了毒气，造成了近百万人的死亡。哈珀的妻子克拉拉·伊梅瓦尔博士因为不忍眼见丈夫作恶，在他面前手持他的手枪饮弹自尽。最终哈珀也因为自己犹太裔的身份受到迫害，不得不逃离德国。

在第一次世界大战的战场上，当时年龄已过40岁的德国物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）自愿参军。在战场前线，他一边计算炮弹轨迹，一边对爱因斯坦刚刚发表的广义相对论感到激动不已，得出了爱因斯坦方程第一个，也是最重要的一个精确解。而他因为在战场上感染病毒，于1916年病逝。

以爱因斯坦为首的众多犹太裔物理学家逃离德国，随后这个第二次科学革命的中心随着纳粹的覆灭而被彻底摧毁。曾经的天才少年、量子力学的创始人之一维尔纳·海森堡一度投身纳粹。1941年，海森堡曾以纳粹占领军的身份前往哥本哈根会见自己的恩师玻尔。身份已经完全转变的两个人究竟都谈了些什么？是否涉及开发原子弹？海森堡在内心里是否真的支持纳粹？这些问题不会再有明确的答案，而后世根据这个事件，基于想象创作的话剧《哥本哈根》则已成经典。虽然在战后，海森堡声称自己是故意做错了计算，让纳粹无法开发出原子弹，但这样的声明却无法令人信服，他最终锒铛入狱。

做出某个重大科学发现、促进科学进步的步伐也与战争的进程有着千丝万缕的联系。被称为最后一个全才的意大利物理学家恩里科·费米，一生做出了众多发现，也曾经是意大利物理学研究的一面旗帜。但在进行原子核实验时，因为实验设计等因素，费米居然没能发现原子核裂变这样重要的自然现象。最终，从德国逃到瑞典的犹太裔科学家莉泽·迈特纳（Lise Meitner）和奥托·弗里施（Otto Frisch）通过分析同事的实验结果，在1938年发现了核裂变现象。事后得知此事的费米懊恼不已，引为自己一生中最大的遗憾。但是站在历史的高度，我们不禁会想，如果费米在1935年就在意大利发现了核裂变现象，那么纳粹很可能在开发原子弹的进程中领先盟国，战争完全可能会出现另一种结局。

现代人可能难以想象的是，在100多年前，量子理论、狭义相对论这些基础科学理论都是在连电灯都没有普及的情况下被发现的。如今我们只需要拿起一部智能手机，就能够发现这次科学革命对现代生活的决定性影响：手机的设计和制造依赖计算机和半导体科学技术的发展，就连人们离不开的定位系统也需要根据接收到的卫星数据，利用广义相对论进行计算才能得出正确位置。如今以马克斯·普朗克命名的卫星正在宇宙空间中探测宇宙刚刚诞生时留下的信息，绘制最为精密的宇宙地图……

谈及开始于20世纪初的第二次科学革命，它对现代生活的塑造固然重要，但是更为深远的影响则在于，它向人类展示了更广阔的未知——这些未知，正是人类理性至今所未及之处。

20世纪70年代，在美国加州大学伯克利分校的一间教室里，两个物理学专业的研究生伊丽莎白·劳瑟（Elizabeth Rauscher）和乔治·韦斯曼（George Weismann）常常展开激烈的辩论。久而久之，越来越多的人加入到这场辩论中来。从1975年5月开始，每周五下午4点，这群人通常会在伯克利理论物理研究所的一间教室里辩论到深夜。而他们所辩论的，都是涉及物理学基础的一些问题——量子力学的哲学基础是什么？它究竟能不能代表客观实际？究竟该如何理解“薛定谔的猫”？人类意识的本质是什么？……后来人们习惯于把这群人称为“基础物理学小组”（Fundamental Fysiks Group）。

想象基础物理学小组在当时展开辩论的场景，与70年之前的物理学革命中的前辈人物进行辩论的场景可能非常相似——几个满怀研究物理学热情的年轻人聚在一起，激烈表达着自己的思想。真理越辩越明。他们也结成好友，相互支持，最终成就彼此的科学事业……这样的场景，在20世纪初的伯尔尼、柏林、哥廷根、哥本哈根、剑桥、曼彻斯特……都曾经发生过。

遗憾的是，伯克利的这群年轻人最终并没有取得令人瞩目的科学成就。但这个小组的存在本身就意味着一个事实：第二次科学革命并没有完结，它还留下了更多的难题和未知。探索仍然在继续，只不过人类进行科研的主要方式已经从科学家们的辩论变为“大科学”项目。

深埋地下、周长27公里的大型强子对撞机在2013年发现了希格斯玻色子，最终完成了科学家在20世纪60年代提出的标准模型；臂长达到4公里的激光干涉引力波天文台在广义相对论诞生百年之际，终于在2015年首次探测到了引力波信号，验证了相对论最为缥缈的预测。

更深刻的问题依然存在。现代物理学的两个支柱——量子力学和广义相对论，至今在理念和数学形式上都无法统一，这就形成了一个看似荒唐的事实：物理学家如果需要研究极小尺度的问题，就会使用量子力学；而如果问题涉及星系、宇宙等大尺度，又要自动换成广义相对论；如果问题的尺度与我们日常生活的物体相似，那么可以近似使用牛顿力学……自然界的规律理应是统一的，怎么会因为尺度问题而彼此不相容？这就意味着还需要进行更多的工作，取得一个统一性的理论。

量子力学自身也远非完美。在极小尺度下，物质的运动规律乃至存在的方式都完全发生了变化，那么所谓物理实际的意义又在哪里？生命的本质又是什么？在一个机械化的世界里，人可以完全作为旁观者或者实验者出现，通过记录实验数据总结自然界的规律。但是在量子力学的描述中，人本身不可避免地成为了量子系统的一部分。而且在进行实验观测时，人的意识也不可避免地被卷入物理学之中。那么，意识的本质又是什么？

在宇宙中，星系、黑洞，以及各种神奇的天体的名字都已经成为了人们日常生活的一部分，但是通过观测和计算，人们发现所有这些可见的物质其实只占到整个宇宙中极小的一部分。而更为重要的物质和能量，我们目前对其一无所知，只能将其命名为“暗物质”（dark matter）和“暗能量”（dark energy）。

如果说17世纪开始的第一次科学革命让人类第一次认识到了理性的力量，那么从20世纪初开始的第二次科学革命则让人类的理性几乎覆盖了整个宇宙，同时也让我们开始面对此前根本无法想象的未知。

（本文写作参考：《普朗克传：身份危机与道德困境》，布兰登·布朗著；《恩里科·费米传》吉诺·塞格雷、贝蒂娜·赫尔林著；《爱因斯坦传》，沃尔特·艾萨克森著；Quantum Generations，Helge Kragh；Physics：A short History，John Heilbron；Niels Bohr：A Very Short Introduction，John Heilbron；Ernst Rutherford：And the Explosion of Atoms，John Heilbron；以及相关媒体的报道） 基础数学量子效应万有引力普朗克公式普朗克物理科学革命普朗克常数量子意识广义相对论自然科学量子通信爱因斯坦分子和原子