日期：2014-09-28 17:25:00
　　学生时代，我为自己选择的专业叫做“物理化学”。身边的亲朋好友听到这个名字通常只有两种反应：这么枯燥的东西，你干嘛要学它？这么抽象的玩意儿，你学了又有什么“用”呢？面对众人或讶异或同情的目光，我张口结舌，无言以对。说实话，直至今日，我还是不知该怎么回答这两个问题。而我之所以爱上基础学科，只是因为心中那份难以割舍的好奇。
　　同大多数孩子一样，我在中国式的教育下，从一开始套用公式埋头解题、考啥学啥；到后来随着知识面的拓宽，再回过头来重新审视自己所学……绕了许多弯路，也有了些许收获，愿把流连其间的乐趣，与你一同分享。
　　也许你从未曾想过，物理学家聚会之时圆桌旁是怎样一幅画面：拉普拉斯妖、麦克斯韦妖、芝诺的小乌龟、薛定谔的猫、布里丹的驴子、亚马逊丛林里翩翩飞舞的蝴蝶、超级钢琴旁狂敲键盘的小疯猴……真可谓妖孽丛生、群魔乱舞。即使在最为严肃的学术讲座上：各种“鬼”粒子、“鬼”场……依然不时现身，成为众人关注的焦点。而这些幽灵之所以神秘，只不过由于我们所掌握的信息还不够丰富，随着人类知识的积累，在逻辑思维与观测数据的双重围剿下，它们终将现出原形；而每俘获一只幽灵，就意味着我们距离宇宙的终极真相更近了一步。

　　《星际迷航》里来自二十三世纪的招牌技术“Beam me up”其理论基础源自对爱因斯坦EPR佯谬的破译；而企业号赖以穿梭于广袤时空的“虫洞”也是他老人家广义相对论的一组特殊解——爱因斯坦-罗森桥——的衍生物。即将启程的《星际穿越》让“平行宇宙”概念又一次走到了聚光灯下，这座挑战着每个地球人的想象力的魔幻乐园，其构建砖石竟源自对薛定谔脑海中那只可怜的小猫的一再逼问……

　　纷繁芜杂的现象背后，往往蕴含着至臻至简的运行规则
　　看似一片虚空的画面背后，却极有可能埋藏着层层机密

　　你若用心查探，每一条定律、每一个公式的发现过程都将是一部惊心动魄的推理小说。
　　日期：2014-09-28 17:30:38
　　第一章 光的故事
　　光是生命体最为熟悉却又最为陌生的物质，
　　它绵延亘古，穿越层层时空来到你我面前；
　　它刺破浓郁的黑暗，所过之处万物无不心神摇曳，虚实交错间漾起圈圈涟漪；
　　它无声无息、了无行迹，却又如同血管中跳动的脉搏，一旦消逝，大千世界将随之崩塌于不复……
　　自从智慧的火炬点亮了宇宙一隅这颗祥云缭绕的蓝色星球，星球上一代又一代的探险家们在好奇心的驱使下便从未曾停止追问：与我们朝夕相伴的光，它到底源自何方、竟是何物？

　　最初，古希腊那帮思维漫步者中有人提出这样一个猜想：光是眼内伸出的某种类似触手之物，它能向四方无限延展，并攀附于各物体上；所以，我们看到某样东西实际上是目光触摸到了它。但这一论断很快就被先哲们历经逻辑熔炉千锤百炼头脑给否定：假若看见东西是因为眼球自带发光功能，那如何解释夜晚的存在呢？只要我们从撕开眼皮的一瞬，时刻不停地释放“光须”，黑暗将无处藏身。“两眼泛光说”不攻自破，但光是触手状物质这一想法并未就此在论述中消身匿迹，若干年后一幅更具说服力的图景诞生了：我们之所以能够看见，是因为物体表面散发的“光须”钻入了双瞳之中。如此说来，为了能被人类感知，周围所有的物体都在悄无声息地制造着光芒？为了不被视而不见，每个生命也都必须努力使自己分分秒秒光彩夺目？新理论勉强能够解释“光明”的另一面“黑暗”的存在：只需令所有生物/非生物同时停止发光即可。依据“实体泛光说”，搭建一间小黑屋倒是勉强可行，但若想泯灭苍穹其难度大概不亚于创生三界吧，为了绘制无边的暗夜，难道寰宇设计师真的在一切物质背后都偷偷装上了同一型号的亮度开关？

　　遗憾的是，还没等这群可敬的幻想家沿着密林中新开辟的小径走出多远，罗马人的铁骑便肆意地践踏起他们的家园，凯撒征服埃及之时，被誉为文明灯塔的亚历山大图书馆惨遭战火吞噬，布鲁却姆总馆七十万卷藏书被损毁四十余万；更致命的打击还在后面，公元四世纪，帝国最后一位君王狄奥多西一世（即：弗拉维乌斯?狄奥多西?奥古斯都大帝 Flavius Theodosius Augustus “the Great”）决定将基督设作国教，为了从灵魂深处掌控他的子民，狄奥多西一面疯狂迫害异教徒，一面倾尽全力誓将异端留下的遗迹在他管辖的地域之内一一抹去。声名远扬的亚历山大城自然首当其冲，基督教大教长圣?狄奥菲鲁斯亲自披挂上阵，率领大队乌合之众一路摔抢打砸，恨不能立刻把塞拉比斯神庙夷为平地，位于其中的图书馆分馆也难逃厄运，滔天的烈焰之中，流传千年的哲思妙想须臾间化作一片灰烬……怎奈事与愿违，倚仗强权打造的“统一”不过一副虚空的躯壳，狄奥多西死后罗马帝国迅速走向分裂，可被他推向顶端的基督教会却兀自壮大起来，不但凶残地噬虐着每一个与其不相偕同的思想流派，更逐渐凌驾于皇权之上，成为地中海沿岸真正的统治者。公元415年3月的一天，一伙暴徒在新任主教西里尔的授意下埋伏在希腊学派的传人、亚历山大城最美丽的女儿——数学与天文学家海帕西娅（Hypatia）——出门授课的必经之路上，将她从两轮车中强行拽下，一路拖进教堂，剥得一丝不挂，然后用削磨锋利的蚌壳一块块剜下她的皮肉，这位在生命的终极旅程依然勇力捍卫着自由与尊严、怒斥教廷无耻行径的非凡女性此刻已血肉模糊，息若悬丝；但穷凶极恶的暴徒仍不肯罢休，竟抡刀剁去了她的胳膊和腿，将那尚在颤抖的残肢投入到冰冷的火焰之中……古希腊文明的最后一粒星辰就这样浸没在无际的血海，陨落于历史深处。此后漫漫长夜里，禁锢人心的恐惧像癌细胞一样徐徐扩散至整块欧洲大陆，以其为食的愚昧和妄诞蛆虫般大摇大摆地爬过街头巷道，将它们圆滚滚的身躯挤进每一户房舍、胀满每一颗脑袋。

　　然而，人类精心培育的智慧萌芽岂是蛮力能够轻易摧折，西罗马覆亡之后，大量的书籍与残片被转移到了东罗马（即：拜占庭帝国），在那里它们找到了全新的用武之地——为渐次崛起的伊斯兰文明源源不断地提供生长的养分；同时，阿拉伯人在继承了这笔宝贵的财富之后，也不忘对其进行扩充与拓展；最终，升级版的知识又通过地中海域反哺回欧洲各君主国。这一过程断断续续耗费了近十个世纪的光阴，直到公元十三世纪，曾经那束思辨的微光才再次浮现在大陆上空，此时，它已然修炼作万道霹雳，灼目的光亮凌空划过就如同数柄利剑穿透重重雾霭，将中世纪的阴云驱散殆尽。

　　随着铜镜、玻璃等光学构件在工匠灵巧的双手中打磨得越来越剔透玲珑，人类逐渐意识到：事物不但可以通过眼睛来认识，更可以运用精妙的仪器从不同角度进行观察与测量；暗影中的镜片宁澈如水，但只要把它移到阳光下，其表面就会泛起最耀眼的光华；在暗室的墙壁上凿一个小孔，对面的影壁就能把屋外的斑斓景象一一纳入囊中，但整幅画卷却呈倒立状；将几块凹凸各异的玻璃按照某种特定的顺序组合起来，就可以带领我们去探访肉眼无法企及的世界……千奇百怪的现象共同揭示着一个道理：“看”确实是外部光线投射到视网膜而激起的神经信号，但并不是唯有自发光的物体才能被感知；不会发光的物体也可以倚赖穿梭于近旁的光线来勾勒自己的轮廓，有的甚至借助周遭极其强大的光源让原本不起眼的自己流光溢彩。而所谓黑暗，不过是由于特定区域内，光源暂时熄灭或受到阻隔时，不发光的物体恢复至本来样貌。关于“看”的谜题似乎找到了答案，但更深层的困惑随之而来：我们依据什么来判断一个物体究竟在“发光”还是“借光”？光的本质到底是什么？为了探寻谜底，让我们暂且将自己融入时空之中，化作一团无形无质的泡沫，跟随光束来一场奇幻的旅行吧……

　　日期：2014-09-29 14:05:38
　　如图，穿过界面作一根垂线（即：法线，由图中虚线所示），入射光与垂线之间的夹角叫做“入射角”，反射回原介质的光线与垂线之间的夹角叫做“反射角”，进入另一种介质的光线与垂线之间的夹角叫做“折射角”；那么，各角度之间有什么内在联系呢？
　　人们首先注意到：不论反射还是折射，其角度都会随着入射角的开合而变换。经测量可确定：反射角的大小总是与入射角相等；而折射的情形则更为复杂，光在两种介质间穿行时折射角虽然总有偏移，却始终保持与入射角同比例增减，但究竟是什么因素决定着那个至关重要的比值呢？直到十七世纪初，荷兰莱顿大学的数学教授威里布里德?斯涅耳（Willebrord Snell）把积累多年的观测数据加以拟合，才挖掘出更深一层的规律：光束的偏转率完全取决于各种介质如何“搭配”。这是一个了不起的发现，就上例来说，如果把光束的传播方向上下颠倒，令其从水中进入真空，由于改换并没有触及原先设定的两种介质，因此只需轻轻松松将箭头逐一翻转——折射光变作入射光，而待在真空中的入射光现在则成了折射光——我们即可预知实际情形：此时，入射角反而比折射角更小，但整条折现的形状却维持不变。物理学要寻找的正是那千变万化中难得一见的“不变性”！

　　斯涅耳的结论转换成数学语言，即是大家再熟悉不过的“折射定律”：

　　sinθi/ sinθr = n
　　其中，θi、θr分别为入射角、折射角的大小，n则为光在两种介质间的“相对折射率”。依据该定律，我们只需将任意介质拿到真空之中，测定光束从真空进入该介质的“绝对折射率”n，就能通过计算预测出光在各介质间的路径。例如：已知光从真空钻入水中的绝对折射率为n水，又已知其钻入玻璃的绝对折射率为n玻璃，由斯涅耳原理：
　　Sinθ真空/sinθ水= n水
　　Sinθ真空/sinθ玻璃= n玻璃

　　可得：
　　Sinθ水/sinθ玻璃=n玻璃/n水=n玻璃-水
　　即使还未将玻璃放置于水面，也可由此事先确定一束光从水面进入该玻璃的偏转情况。
　　通过光的直线传播与反射规则，发明家利用几块平面镜按照一定的角度相互拼接制造出了潜望镜；而通过折射定律，晶莹的透镜在科学家手中组合成各式显微镜、望远镜，一步步将视线延拓到缤纷的微观世界、浩渺的九霄之外。但求知的欲望岂肯轻易散却，如若往深处思考你将发现：以上两条我们自中学时代起早已稔熟于心的光学规律，严格说来都比较“唯象”——须得对特定现象进行无数次的观察与测量，才能从海量的数据之中总结出某一经验性的表达式。这样的公式源于归纳，却止于推演。以光的折射为例，如果摆在面前的是两种陌生介质，你尚无机会令一束光从真空穿入其间，以记录偏转角度；此时，若想知晓光在两介质交界面的遭际，即使精致如斯涅尔原理对此也束手无策。不通过实地测量n未知，你根本无法从理论上探求光在未知介质中的传播情形。换句话说，立于数据基石之上的唯象定理兴许能告诉你往后一步是什么，却不能解释往前一步是“为什么”。无垠的介质之中，脚下的路千万条，光为什么偏偏要沿着直线飞翔？与另一种介质相遇之后，转弯的方式有千万种，它又为什么偏偏要遵照某一固定模式前行呢？

　　日期：2014-09-29 14:08:39
　　十七世纪六十年代，人类引逗光线的本领日渐高超，有关反射、折射的归纳性法则也已初现端倪，首位尝试解答这一“为什么”难题的天才终于在万事具备之际乘着东风悠然而至，他便是来自法国的职业法律顾问、“业余”数学家——皮埃尔?德?费马（Pierre de Fermat）。弗吉尼亚?伍尔夫曾说过：“所谓天才就像流星一样，他们划过夜空，撕破黑暗，道出真相，然后消失。”费马的一生便是对这句话最生动的诠释，这位命运的宠儿衣食无忧且与世无争，从律师到法官，他表面上循规蹈矩，过着与其贵族身份相符的平顺生活；而私底下，却悄悄为自己营造了一整座美轮美奂的思维殿堂，像个孩童般流连其间尽情玩耍。

　　费马惯于独自潜行，他终身远离专业学术圈，却也偶尔捉狭地浮到水面冒个泡，写上一封短信给当时的某位权威教授，稍许透露点儿他最近游玩时无意间瞥见的美妙景象，微微地撩拨一下整个数学界的神经：一个原本无意流传后世的“费马大猜想”——xn+yn=zn，当整数n＞2时，方程无解（注：公元1995年，英国数学家安德鲁?怀尔斯（Andrew Wiles）历经8年奋战给出了证明过程。由此，它成功晋升为“费马大定理”）——令千万逻辑狂人挠破头皮求证了足足三百五十年；另一个关于多级指数的猜想——“2的2n次方”一定是素数——又让众多数论名家信以为然、琢磨良久，最终……发现那是错误的。关于费马的传奇足有一大箩筐，可惜此处留白太小，写不下。现在，让我们先着重来领略一下费马殿堂的明珠之一“最短时间原理”的风采吧，一个把数学当娱乐的顽童一不小心道破了宇宙的天机。

　　呀 怎么遗漏了费马大人的肖像 补一记~~

　　日期：2014-09-30 21:35:37
　　大约1662年前后，费马在他某张信稿的边页以其一贯的潦草笔锋轻描淡写地留下一行小字：“在从一点行进到另一点所有可能的路径中，光所选择的一定是耗时最短的路径。”这便是赫赫有名的“费马最短时间原理”。也许你会想：这不显而易见嘛，假若光足够机灵的话，放着捷径谁还愿意绕远道呢？但在费马之前，还从没有人尝试过把自己融入一束光来思量其处境；并且一条论断之所以能被冠以“原理”头衔，是因为它严格地建立在事实与逻辑的双重基础之上，光靠凭空揣测是不够的。你可以试着玩几个简单的几何游戏，来证明这一原理（证明过程需要少许微积分知识 感兴趣的筒子请参看章末附录哈）。

　　与逐一检测折射率相比，新原理的优势何在呢？给定任意两种介质，依据原先的方法，若不实地勘测根本无法确定光的路径。而有了费马原理之后，只需知道光在两种介质中的传播速率，就可以先行算出其在界面的偏转角度。事实上，十七世纪的实验设备尚不足以精确测定光的速率，但通过费马原理，由“光在穿越气-液界面时，真空部分的入射角θi总是大于水中的折射角θr”这一现象不难推断：光是为了压缩在水中的行进距离而特意拉长其在真空中的路程。因此，可放心预言：光在水中的传播速率要小于真空。

　　速度与角度，两个原本看似风马牛不相及的物理量通过至臻至简的最短时间原理微妙地联系到了一起，不得不说是对大自然的一次深刻洞见。不止如此，费马对光的行为这一颇具个性的诠释总透着一股子说不清道不明的刁钻气息，自问世之日起数百年来，它就像费马本人一样，激起的赞美与嘲讽两相滔滔、至今仍不绝于耳。按照斯涅耳定理，光从光源出发之后，若碰到另一种介质，由于有事先约定好的折射率，它只需稍稍调整方向便可进入下一层介质继续遨游；整个过程自“先”而“后”，与常人所期待的因果律一一相应和。但最短时间原理的出现却彻底颠覆了这片祥和：光去往每一个目的地时都必须考虑时间消耗，可是，在出发之前光怎么知道它将驻步何方、途中又会遭遇怎样的流转与机变？即便能够预知最终落点，究竟采用何种方式才能寻出最优路线呢？难道出发之前，光已经把所有可能的路线统统探查了一遍？从A到B，你可以数步而至，也可以醉鬼似的歪七扭八地晃荡过去，精力充沛的话尽可以折腾到海角天涯再折返回来……可供选择的道路了无穷尽。

　　日期：2014-09-30 21:36:36

　　本章我们暂且不去探究光是如何自三千弱水之中毫不犹疑地取出了属于自己的那一小瓢，仅只其能够于事件发生之前就知晓结果这一点，就足以令众思想家头疼不已。试想假若你是一束光，要从A点去向B点，遵照时空王国新近颁布的“最短时间章程”，你不仅得知道目的地B的精确位置，更需详细了解沿途将经过几层界面、每层界面的具体位置、各层介质分别是什么……每一段路况都不能疏漏，这样才有可能定制出最优方案。如果你摸不清状况就贸然前行，飞驰了一程之后猛然撞见一界面，这才临时决定进退转圜，如此势必要反复修正原初的轨迹；而既然还有调整的余地，则意味着整条路径并不是最佳方案，比起在出发之前一气呵成勾勒的路线，势必耗时更多。因此，要施行“费马章程”，光必须从站上起跑线的那一刻起，就对所有的选择了然于心，并已为自己挑好路线——沿着结果去谱写过程，这简直就是一场对时间之神的逆袭！“先”和“后”、“因”与“果”颠倒错乱，原本规规整整的逻辑拼图霎时被击成碎片，轰然崩散。

　　恒久以来与我们形影相随的光，背后竟藏匿着如此细琐纷繁的秘密，引得无数哲人顿足惊叹，为之争论不休。随着观测仪器不断改良，多年后人们又发现：费马对光的描述其实尚不够全面，行程除了取极小值之外，有时它也会取定值（例如：光源位于椭圆反射镜的焦点之一时），必要时甚至还会取极大值（这需要做点儿特殊设计对光进行“诱骗”，例如：光源依然位于椭圆一焦点，紧贴椭圆内壁镶嵌一块抛物镜，则光线必定落于抛物面底端）；因此，费马原理最为精确的说法应该是：“过两个定点A、B的光总选择光程一阶变分为零的路径。”而随着人类对物质世界的了解不断深入，“最短时间原理”渐渐化身成羽翼更为丰满的“最小作用量原理”，引申到了诸如相对论、量子场论等现代物理各前沿阵地。然而，有关行程问题的诡谲思辨不过是光奉献给世人的一碟开胃小菜，围绕着它的谜团这才刚刚显露出冰山一角……

　　日期：2014-09-30 21:41:20
　　几乎就在费马发出第一声啼哭的同时，一位游学四方的年轻人正巧途径罗马，向他那亚里士多德学派的同行们展示着一块奇异的“魔法石”。他把魔法石从随身携带的密封盒中取出，一眼望去，那是一块再普通不过的岩石碎片，粗粝而暗淡。可是，当年轻人将石片拿到阳光底下一阵暴晒，再带领大家来到伸手不见五指的暗房，不可思议的景象出现了：漆黑之中，魔法石犹如披上了一件淡彩霞衣，怡然地散发着暖暖的荧光——它把阳光拽进了屋子里！

　　这个顽皮的年轻人就是伽利略，而他手中的魔法石学名叫做“硫化钡”，博洛尼亚的炼金术士给它起了一个极富诗意的名字：“太阳海绵”。如今，我们当然知晓硫化物晶体之所以会发光，是由于其分子在热辐射的激发下释放能量的缘故，但四百年前人们还不具备探索微观领域的能力。长期浸淫在教会对各自然现象形而上学的解读当中的学院元老顿时惊得目瞪口呆，他们曾坚信：光是发光物体与生俱来的独门绝技，由上帝赋予的属性岂容篡改？但眼前这个胆大妄为的年轻人却把光从太阳身上剥离下来，装进了石头里。对那帮笃信教条的亚里士多德接班人来说，这行为无异于在他们眼皮底下把永恒的微笑从玛利亚圣洁的面庞摘下，移花接木般地镶嵌到一头驴子脸上。

　　虽说伽利略自己也搞不懂手里这块“太阳海绵”的发光机制，但透过黑暗中那温润的光华他敏锐地觉察到其中一定包藏着尚不为世人所知的玄机。于是，在希腊时代终结之后，上千年来伽利略第一个对光的身份问题做出了不同于亚里士多德的解读，他认为：光是由许多肉眼无法分辨的细小颗粒组合而成。就像水滴或沙粒，光作为一类实体不但能够被度量，同样也可与其他物质发生相互作用：碰撞、穿透、停驻……既然是一种独立于外物的存在，那么将光从一个地方转移到另一个地方当然无需什么骇人的“妖术”。该理论雏形不仅模糊了发光物体与普通物体之间的界限，更否定了把光当作一件虚无的依附品的古旧观念，被惹恼的老学究们气急败坏地想要掐灭这“异端”的嫩苗，然而在岩石碎片满溢的柔光面前，任何反驳都显得苍白无力。

　　就这样，“光由微粒组成”这一猜想鲜活地跃入了大众的视野。为探究世界的本来面目，伽利略从踏上征程的一刻起就不顾艰险、直奔那已知与未知相交接的边缘地带而去。由于他不仅如同先哲那般长于逻辑，更创造性地以观测数据作为自己所有构想的坚实后盾，因此，就连犬牙交错的教义罗网也奈何他不得。其后的四十年间，与保守势力明里暗里相互较量成了这位勇士人生的伴奏曲，伴随着揭示宇宙奥秘的主旋律一起，为开启人类心智谱写了一段段荡气回肠的乐章……

　　日期：2014-10-01 15:21:18
　　到十七世纪末，物理作为一门独立的学科以初成气候，作为伽利略当仁不让的头号继承人，学界重量级人物艾萨克·牛顿为其坚信的“微粒说”提供了又一漂亮例证，他用自己亲手打磨的三棱镜把一束白光撕成若干色彩斑斓的缎带——红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫——该现象背后的原理可由折射规律延伸而得：翱翔于真空时各单色光速率一致（该实验在普通的室内环境即可演示，这是因为各单色光在空气中的速率也近似相等），但进入“物质层”（例如：玻璃）后速率不再相同，因此它们在气-固交界面的折射率也互不相等。如图所示，原本融为一束的白光在穿越透镜时共经历了两轮转向，而组成白光的各单色光每次转向时都得顺着由各自固有折射率所确定的转角前行，随着路径间的距离越拉越大，最终，红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫便彻底分道扬镳。从微观的角度看，这一过程就好似把一群本性迥异的单色光颗粒一一拆分开来，让它们回归各自的终极队列。

　　注：其实牛顿涉猎光学领域之初，原本在“微粒说”与“波动说”之间摇摆不定，为了与前辈罗伯特·胡克一争高下，才彻底站到了他的对立面支持微粒派。这段公案在此不赘述，有兴趣者可查阅相关资料。
　　日期：2014-10-01 15:22:23
　　光感叹道：
　　原来“我”其实是“我们”，阵型一变，透明的光亮也能化作天空中一弯长虹。
　　从这一观点出发，我们可以很好地理解光在均一介质为何沿直线传播——正如无外力作用时笔直前进小球；在不同介质的交界处为何发生反射与折射——正如小球碰到阻隔时根据障碍物的软硬度、粘稠度等性质来决定弹回还是穿入……然而，面对光所展现的另外一类特性，“微粒说”却不得其门而入。

　　日期：2014-10-01 15:28:44