2．天地如一

在牛顿发现万有引力定律之前，几乎没有理由能让人认定地球上的物理定律和宇宙里其他地方的物理定律是相同的。天上地下各有一套行事的规则。事实上，当时的很多学者认为天上的事是我们这些无能的凡夫俗子无法参透的。如后面第7篇所讲述的，当牛顿冲破这一哲学藩篱，指出一切运动都可以分析和预测时，一些神学家批评他抢走了上帝的所有功劳。牛顿发现，引力令成熟的苹果落下枝头，也正是它使得抛出的物体按照弯曲的抛物线运动，让月球沿着轨道绕地球飞行。牛顿万有引力定律也决定了太阳系里行星、小行星和彗星的轨迹，决定了银河系里数百亿颗恒星的运转轨道。

物理定律的普适性极大地推动了科学发现的进展。引力仅仅是开头而已。想象一下在19世纪，当棱镜（能够将光束分解成各种色光组成的光谱）被第一次对准太阳的时候，天文学家是多么的激动和兴奋啊。光谱不仅美丽，还包含了发光体的温度、成分等许多信息。利用光谱上独特的明线或暗线可以分辨出不同的化学元素。令人们惊喜的是，太阳的化学成分与实验室里的一样。从此棱镜不再是化学家们的专用工具，它揭示出当太阳与地球在体积、质量、温度、位置和外观上存在差异的同时，却含有相同的组分——氢、碳、氧、氮、钙、铁等。但是比起这一长串相同的组分，更重要的是，我们发现所有有关太阳光谱特征形成的物理定律同样也在1.5亿千米以外的地球上适用。

这个普适的概念真是太广泛了，反过来应用也同样成功。对太阳光谱的详细分析发现太阳里存在一种地球上没有的元素。由于它来自太阳，因此这种新物质被命名为氦（源自希腊语helios，即太阳的意思）。后来在实验室里也发现了这种物质。因此，氦成为元素周期表上第一种、也是唯一一种在地球之外发现的元素。

好了，这些物理定律在太阳系里适用，但在整个银河系里也同样适用吗？在整个宇宙里呢？它们自身会随时间变化吗？这些定律逐一得到了检验。附近的恒星也显现出相似的化学成分。遥远的双星被束缚在互耦的轨道上，似乎完全遵守牛顿的引力定律。同理，双重星系也是如此。

另外，就像地质学家研究地层一样，我们看得越远，看到的事件就越久远。宇宙里最遥远天体的光谱显示它的化学成分与宇宙里其他所有天体并无差别。尽管那里的重元素含量较低（重元素主要产生于近代的爆炸星体里），但是描述产生这些光谱特征的原子和分子过程的定律并没有改变。

当然，并不是宇宙里的所有事物和现象都能在地球上找到相对应的存在。

你恐怕从没穿过一团温度高达数百万摄氏度的炽热等离子体，也绝没有在大街上撞见过黑洞。重要的是，描述这些的物理定律具有普适性。当首次对星际星云发出的光进行光谱分析时，又找到一种地球上没有的元素。但是这时元素周期表上已经没有空着的格子了，而之前发现氦的时候还有一些。于是天体物理学家们发明了“nebulium”一词，作为这种未知元素的占位符。最终人们发现，宇宙中的气态星云非常稀薄，其中的原子碰撞概率很低，这时原子中的电子能够表现出在地球上不可能出现的行为。事实上，所谓“nebulium”只是氧离子的特殊表现而已。

物理定律的普适性告诉我们，如果我们登上另一个拥有发达文明的星球，即使当地居民有着和我们不同的社会和政治信仰，但是他们所遵循的物理定律必定与我们在地球上发现并检验过的是一样的。如果想和他们交谈，相信他们绝不会说英语、法语，甚至是中文。你也不知道和他们握手（如果他们有手可握的话）是代表友好还是战争。最有希望的还是用科学的语言进行交流。

20世纪70年代，人类发射了“先驱者10号”和“先驱者11号”，以及“旅行者1号”和“旅行者2号”探测器进行了类似的尝试，只有它们的速度能够逃脱太阳系引力的束缚。先驱者号上带有一块镀金铝板，上面以象形图的形式刻着太阳系的组成、我们在银河系中的位置以及氢原子的结构。旅行者号更进一步，收录了来自地球的各种声音，包括人的心跳声、鲸鱼的“歌声”以及从贝多芬（Beethoven）到查克·贝瑞（Chuck Berry）的多首音乐作品。虽然这样的安排比较人性化，但是还不清楚外星人能不能听懂——假如他们有耳朵的话。我特别喜欢旅行者号发射后不久《周末夜现场》制作的一辑滑稽模仿秀：美国国家航空航天局收到了发现旅行者号的外星人发来的回复，很简单——“再来点查克·贝瑞”。

如我们将在第3篇里所详细阐述的，科学繁荣不仅是因为物理定律具有普适性，也是因为物理常数的存在和永续性使然。万有引力常数，即大多数科学家所说的“大G”，使人可以用牛顿万有引力方程计算引力的大小，一直以来已经历了多重检验。你可以根据G的大小计算出恒星的亮度，换句话说，如果G在过去有稍许差别的话，那么太阳释放的能量的变化要比生物学、气候学或地质学记录所显示的变化大得多。事实上，没有发现任何随时间或空间改变的基本常数——看来它们确实是恒定不变的。

这就是我们宇宙的运作方式。

在所有常数之中，光速无疑是最著名的一个。无论你跑多快，永远不可能超过光速。为什么不行？已有的实验没有一个能够找到任何形式的、运动速度能达到光速的物体。严密的物理定律能够预测并解释这一点。这些说法听起来很保守。诚然，过去一些最令人尴尬的科学预言低估了发明家和工程师们的智慧：“我们永远飞不起来。”“商业飞行永不可行。”“我们永远不可能飞得比声音快。”“原子永不可分。”“我们不可能登上月球。”这些你都听过。他们的共同问题是都没有物理定律作为根据。

“我们永远无法超过光速”的论断是本质上完全不同的预言。它来源于经过时间考验的基本物理原理，毋庸置疑。未来星际高速公路上的标志牌一定这样写着：

光速：

不仅是好主意

也是定律。

物理定律的优点在于它们无须执法机构来维持，但是我曾经得到一件愚蠢的T恤，上面醒目地印着“遵守引力”。

许多自然现象是多个物理定律同时作用、相互影响的结果。这常常使得分析更加复杂，大多数情况下需要超级计算机才能处理并分析清楚重要的参数。1994年，苏梅克—列维9号彗星与木星撞击并在木星厚厚的大气层里爆炸，最精确的计算模型需要综合流体力学、热力学、运动学，以及引力作用的知识。气候和天气也是复杂（并难以预测）现象的典型代表。但是控制它们的基本定律仍然有效。木星大红斑是一团持续了至少350年的激烈的反气旋，它发生的物理过程和地球以及太阳系其他行星上的风暴发生过程完全一致。

守恒定律是指某些测量量在任何情况下都守恒不变的定律，它属于另一类宇宙真理。最重要的三个守恒定律是质能守恒定律、动量和角动量守恒定律，以及电荷守恒定律。这些定律在地球上和宇宙里任何我们曾经观测过的地方——从粒子物理的领地到宇宙的大尺度结构——都明显成立。

撇开前面的自夸不谈，天堂也不是十全十美的。我们已经发现，宇宙里85%的引力源我们无法找到。这些暗物质，除了它们的引力效应能被我们感觉到以外，仍无法被检测到。它们可能是由尚未被发现或识别的奇异粒子组成的。然而，极少数天体物理学家仍无法信服，认为暗物质根本不存在——只要修改牛顿引力定律，在方程中增加几项就可以了。

或许有一天我们会发现牛顿万有引力定律真的需要修改。那也没什么，以前就曾经发生过一次。1916年，爱因斯坦发表了广义相对论，重新定义了引力原理的方程，使之适用于质量极大的天体，这是牛顿所不知道的领域，在那里牛顿方程也已经失效。我们得到怎样的教训呢？我们对定律的信心限于已验证的范围内，范围越大，定律描述宇宙的能力就越强。对于普通的引力，牛顿定律足够用了，但是对于黑洞和宇宙大尺度结构，我们需要用广义相对论来解释。它们在各自的作用域里都可以给出完美的解释，无论这个作用域在宇宙里哪个位置。

对科学家来说，物理定律的普适性使宇宙成为一个极其简单的地方。相比之下，人的本性（心理学家的领域）则是极为复杂的。在美国，教育局投票决定学校教授的课程内容，有时候投票人会根据当时的社会和政治潮流，或是宗教价值观来投票。在世界范围内，不同的信仰体系会带来政治上的差异，有时甚至无法和平解决。有些人会对着公交站牌喃喃自语。物理定律的显著特点是无论你是否相信，它们在任何地方都适用。除了物理定律之外，其他一切都是个人判断。

科学家不是没有争论，他们不仅争论，而且还挺多。但是，科学家争论的时候通常是表达对知识前沿一些数据的解释的个人观点。无论何时何地讨论一个物理定律，争论一定很简短：不对，你的永动机想法永远行不通——因为它违反了热力学定律。不，你不能制造一台能回到过去的时间机器——因为它违反了因果律。如果不违反动量守恒定律，不管你是不是盘腿打莲花坐，你都不可能同时飘起还悬浮在地面上。但是，理论上，如果你能设法放一个既有力又持久的屁，或许你可以表演一下这个绝技。

关于物理定律的知识有时候可以给你信心去应付无理的人。几年前，有一次我在美国加利福尼亚州帕萨迪纳的一家甜品店里喝睡前的热可可饮料。我点了鲜奶油，但是当饮料端上来的时候却没有奶油。我告诉侍应我的可可里没有奶油，他却坚持说我看不到奶油是因为它已经沉到杯底了。我知道鲜奶油的密度比任何饮料都低，所以我给了侍应两种可能的解释：要么是有人忘了在我的热可可里加奶油，要么是物理定律到他店里走了样。他不信，拿来一团鲜奶油自己试，结果那团奶油在我的杯子里晃荡了一两下就浮在那里不动了。

你还要什么更好的证据来证明物理定律的普适性？