万物原理
微信读书导出笔记
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序言 重生
我试图用尽可能简单的方式传达现代物理学的核心信息，同时避免牺牲准确性
我们对物理世界的理解仍处于增长和变化之中。它是有生命力的。
我仔细区分了事实和推测，以此表明我们建立这些事实所采用的观测和实验的本质
也许最基本的信息是，我们的确对物理世界的许多方面都有非常深刻的理解。正如阿尔伯特·爱因斯坦所言：“宇宙是可理解的，这个事实是一个奇迹。”这也是一个来之不易的发现。
也许最基本的信息是，我们的确对物理世界的许多方面都有非常深刻的理解。
我们的理解尽管还不完备，但也让我们达成了许多伟大而惊人的成就。
我喜欢用这种方式来陈述它：通过研究世界如何运行，我们研究上帝如何工作，并因此了解上帝为何。在这个精神下，我们可以将对知识的寻求理解为一种崇拜，而将我们的发现理解为一种启示。
婴儿会建立一个世界模型，来解释在他们感知和环境限制下的经验。从实用的目的来说，这种方法很合适。在我们还是孩子的时候，从日常世界中学习以应对它，这种方式是有效且合理的。 但是现代科学揭示的物理世界与我们婴儿时期建立的模型全然不同。如果我们再次向世界敞开心扉，充满好奇，摒弃先入之见——如果我们让自己得以重生——我们就能以完全不同的方式理解世界。
但是现代科学揭示的物理世界与我们婴儿时期建立的模型全然不同。如果我们再次向世界敞开心扉，充满好奇，摒弃先入之见——如果我们让自己得以重生——我们就能以完全不同的方式理解世界。
有些东西，我们必须学习。比如，世界由一些基本组件构成，它们遵循严格但奇怪且陌生的法则。
心理物理学则揭示，意识并不指挥绝大多数行动，而是处理由执行行动的无意识单元提供的报告。
更引人注目的是受试者如何解释发生的一切。他们并没有报告说某个外力控制了他们，相反，
他们说的是：“我改主意了。”
在重生的过程中，我们可能会迷失方向。但就像坐过山车一样，它同样令人兴奋不已。而且它还带来了一份礼物：以科学的方式重生之后，迎来的世界看起来新鲜、清晰而且惊人地丰富。它们实现了威廉·布莱克的愿景： 一沙一世界，一花一天堂。
以科学的方式重生之后，迎来的世界看起来新鲜、清晰而且惊人地丰富。
引言
II 理解如何控制共同的外部世界，即物理世界，在许多方面当然是一个至关重要的实践问题。例如，为了在狩猎采集的社会里茁壮成长，小孩必须学会在何处找水，了解哪种植物和动物可以吃，以及如何寻找、养殖或捕猎它们，知道如何准备和烹饪食物，以及许多其他事实和技能。
理解如何控制共同的外部世界，即物理世界，在许多方面当然是一个至关重要的实践问题
开普勒、伽利略和牛顿发展的科学方法既保有了尊重事实和向大自然学习的谦逊准则，但这种方法又提倡人们大胆地将所学的知识应用到任何地方，甚至超出了原始证据所在范围。如果它有效，你就发现了有用的东西；如果它无效，你也学到了重要的东西。我将这种态度称作“激进的保守主义”。对我来说，它是“科学革命”的本质创新。
激进的保守主义是保守的，因为它让我们向大自然学习并尊重事实，这是科学方法的关键特征
却没有更深刻的指导性原则将它们联系起来
他想要精确地理解某件事，而不是模糊地理解所有事。他要寻找确切的数学公式，以完全描述他平凡的观察结果，而他最终也找到了。
牛顿的工作令人信服地表明，我们可以通过详细研究简单情形来解决宏大问题。牛顿将这个方法称为分析和综合
在自然哲学里，和数学一样，用分析方法研究困难的事物，应当总是先于综合的方法。这种分析包括做实验和观察，并用归纳法从中引出普遍结论……用这样的分析方法，我们就可以将复合物拆解为各个成分，从运动追溯到产生运动的力；一般地说，从结果到原因，从特殊原因到普遍原因，一直到论证终结于最普遍的情况。
在自然哲学里，和数学一样，用分析方法研究困难的事物，应当总是先于综合的方法。这种分析包括做实验和观察，并用归纳法从中引出普遍结论……用这样的分析方法，我们就可以将复合物拆解为各个成分，从运动追溯到产生运动的力；一般地说，从结果到原因，从特殊原因到普遍原因，一直到论证终结于最普遍的情况。这就是分析的方法。而综合的方法则假定原因已经找到，并且已被确立为原则，再用这些原则去解释此前出现的现象，并证明这些解释。
V 在我们介绍完牛顿之前，似乎适合再加上另一段引文，这段引文反映了牛顿与他的前辈伽利略和开普勒，以及与所有我们这些追随他们脚步的人之间的亲缘关系： 对任何一个人甚至任何一个时代，要解释所有的自然规律都是一个过于艰难的任务。
我们要求我们的理论能解释非常广泛的现象，且在细节上都和谐一致。我们还坚持让它们为我们提供有用的指引，而不仅仅是把观察到的现象合理化。 皮尔斯深刻地意识到，提高这方面的标准要付出痛苦的代价。它意味着我们丧失了天真。
我们要求我们的理论能解释非常广泛的现象，且在细节上都和谐一致。我们还坚持让它们为我们提供有用的指引，而不仅仅是把观察到的现象合理化。
第一部分 世界有什么
如果你重新审视所有的步骤，你会发现工程师在设计全球卫星定位系统的过程中，依赖于许多并不显然的假设
广义相对论预测时钟走的速度会随着它们距离地面的高度不同产生细微的变化，靠近地表的时钟由于引力更强而走得稍慢，因此它也要对此效应做出修正。
中，揭示了欧氏几何在理论上的缺陷，并提出了克服这些缺陷的方法。从那时起，他的理论思想已经在许多实验中得到证实。 爱因斯坦在狭义相对论中告诉我们，我们需要仔细考虑要测量的“距离”到底是什么，以及如何测量它。
爱因斯坦在狭义相对论中告诉我们，我们需要仔细考虑要测量的“距离”到底是什么，以及如何测量它
我们能测量的实际上是事件之间的间隔。
事件总是发生于空间和时间的某处。事件的几何特征不能只构建于空间的框架之中，而必须构建于更大的时空之中。在广义相对论中，我们进一步了解到时空的几何形状可以受物质或者穿过它的形变波的影响而扭曲（详见第4章和第8章）。
在更全面的时空和相对论的框架中，欧氏几何成为一个对更精确的理论的近似。它在上述的许多实际应用中已经足够精确。测绘员、建筑师和太空项目的设计师都使用欧氏几何，因为它够用且易用。
在更全面的时空和相对论的框架中，欧氏几何成为一个对更精确的理论的近似。它在上述的许多实际应用中已经足够精确
因为它够用且易用。更全面的理论尽管更精确，使用起来却也更复杂。
欧氏几何不能提供一个完整的现实的模型，但这并不会减损其数学上的自洽性，也不会让它的诸多成功失去价值
几何与现实之间的关系是一个要由大自然来解决的问题。
最为基础的结论是，我们发现任何地方都有同一种物质。另外，我们观测到任何地方也都受同一组自然定律的支配。 其次，我们发现物质被组织为一个层级结构。在天空的每一处，我们都能看到恒星。它们倾向于聚集在一起，形成一般包含几百万到几十亿颗恒星的星系。
最为基础的结论是，我们发现任何地方都有同一种物质。另外，我们观测到任何地方也都受同一组自然定律的支配。
其次，我们发现物质被组织为一个层级结构。
而且新的发现还在持续涌现。
我们利用对某一级的理解来为理解下一级做准备。
光走过地球半径这么长距离的时间大约为五十分之一秒
地球半径大约是一百万分之一光年
我们下一个长度的里程碑是地球到太阳的距离。这个距离大约有1.5亿千米，或者9 400万英里。它也等于8光分，或者大约百万分之十五光年。
最近的恒星是比邻星，它距离我们4光年多一点点，有两颗伴星。次近的单个恒星是巴纳德星，在大约6光年之外。如果这些恒星周围存在外星生命，我们要想与他们或者他们未来的半机器移民者取得联系，需要足够的耐心。
但我们如何验证它呢？
朝着波长更长的方向移动，且越遥远的星系移动得越明显。这被称作红移
多普勒指出，如果一个波源离我们远去，它发出的波形中离我们较远的波峰会随着波源的远离而离得更远，因此抵达的波会被拉长。换言之，观察到的波与静止时的波源相比，会朝着更长的波长移动。因此，对哈勃红移的直接解释就是星系都在离我们远去。
由于我们无法看到某个时间以前，我们也无法看到某个距离之外，这个距离就是光在有限的时间内传播的距离。无论实际的宇宙有多大，当前“可见的”宇宙总是有限的。
然而并不存在像可以让可见光通过的玻璃那样的材料，让我们可以打磨成透镜来控制X射线。由于不存在透镜，放大图像的经典方法就成了无本之木。 幸运的是，还存在一种极为不同的方法可以奏效，它被称为X射线衍射。
然而并不存在像可以让可见光通过的玻璃那样的材料，让我们可以打磨成透镜来控制X射线。由于不存在透镜，放大图像的经典方法就成了无本之木。
幸运的是，还存在一种极为不同的方法可以奏效，它被称为X射线衍射
射线衍射相机拍摄的“照片”看起来完全不像物体本身，但是它以加密的形式包含了关于物体形状的丰富信息。
不幸的是，X射线衍射图样提供的信息并不足以令你仅通过数学计算就重建物体的形状。它们就像被损坏的数字图像文件。
于我而言，解释阶梯是我们构建世界更广泛的模型的一个漂亮的例子和隐喻。在自然的视觉里，我们必须将进入我们视网膜的二维图样还原为三维空间中的物体。理论上讲，由于缺乏足够的信息，这是不可能完成的任务。为了补足信息，我们加入了关于世界如何运行的假设。我们利用颜色、阴影和运动在模式上的突然改变，识别出物体和它们的性质、运动和距离。
于我而言，解释阶梯是我们构建世界更广泛的模型的一个漂亮的例子和隐喻。
为了补足信息，我们加入了关于世界如何运行的假设
婴儿和突然获得视觉的盲人都需要学习如何看世界。他们通过经验学习如何利用已知事物，基于简单情形建立起一个有意义的世界。从X射线衍射图样中学习如何“看见”一个物体的这一系列集体努力，也是为了完成相似的任务：寻找各种各样的技巧以获得一个有意义的世界。
盖革–马斯登实验建立了一个探索亚原子世界的范式，这一范式从此主导了研究基本相互作用的实验
我们同样构建了一架解释阶梯，利用我们对每个阶段的现象的理解来设计探测更深层次的新实验，并解释其结果。
或者，宇宙是否真的是“多元宇宙”，每个宇宙都包含着不同的物质形态和物理定律？回答这个问题最直接的方式就是观测发生在遥远处的奇异现象。倘若这样的现象发生了，我们就可以建立起多元宇宙的实验依据
一个逻辑上完美但有些令人遗憾的可能性是，关于基本定律和宇宙学的其他事实虽然意味着我们生活在多元宇宙中，但是也意味着包含着不同物质和物理定律的部分只有在非常遥远的将来，当视界膨胀到把它们都包含在内时，才相互可见。
我将这种可能性称作遗憾，因为我们原本想用一个理念来阐释我们所经历的世界中的具体现象，但这个理念却指向了另一个层级。这听起来就像魔法一样神奇，但我们必须忠于实验结果。
测量亚原子尺度的距离时，我们必须使用迥异于欧几里得所设想的像刚性直尺那样的工具，因为那些工具的缩小版压根儿就不存在。然而欧氏几何依然成功地在我们的基本方程中存在着。在这些方程中，基本粒子（以及支持它们的场）占据在无缝的连续空间中，正如欧几里得假定的那样，这个空间的所有部分都等价，长度和角度的测量结果遵守勾股定理。
然而欧氏几何依然成功地在我们的基本方程中存在着。
大自然到目前为止都让我们这样侥幸成功，这一事实堪称一个不解之谜。
空间也是一种物质。它是一种会动态变化的存在，既可以扭曲也可以移动。
将广义相对论和量子力学结合之后，我们通过计算得出，空间是某种持续颤抖的果冻。
两点之间距离的典型涨落就可以达到甚至超过距离本身
02. 丰富的时间
如果我们知道如何利用生命，它将是漫长的
提出一个非常基本的问题：时间是什么？
时间在心理上似乎不如空间那样有形可触。我们不能在时间中自由移动，甚至也不能重临某个选定的时刻。某个时刻一旦流逝，便成为过去。它总是一开始不在当下，然后成为当下，最后再次离开当下
时间就是阻止所有事情同时发生的东西。”
我们可以用这些周期中的某一个来测量其余的
观察到一个共同的、普遍的速度，是我们了解到的关于物理世界运作方式的一个深刻事实
为了表达这个速度，我们可以说整个世界的周期都接入了某种东西，它告诉它们何时循环。这个东西就被定义为时间
时间是给事物变化伴奏的鼓手。
我们在很高的精度上拥有共同的时间流逝的观念。
我们每个人都是一座时钟，尽管难以精确读数。
人类的生命弧线也表明，时间不仅控制了周期事件的进展，也控制着非周期事件的进展。
随着人们在科学上的认识逐渐深入，并系统性地研究物理世界的运动和其他类型的变化，他们会一遍又一遍地发现，到目前为止，每种情形中的所有变化都遵循一个共同的节奏。天体位置的变化、在力的作用下物体位置的改变、化学反应的进行、光线经过空间的过程，所有这些以及更多的变化都以同一个时间的节奏演化。
每种情形中的所有变化都遵循一个共同的节奏。天体位置的变化、在力的作用下物体位置的改变、化学反应的进行、光线经过空间的过程，所有这些以及更多的变化都以同一个时间的节奏演化。
换言之，在我们对物理世界中的变化如何发生的基本描述中，出现了一个通常被写作t的量。这也正是人们问“现在几点钟？”时所谈到的东西。那就是时间。时间是时钟测量的东西，变化中的万物都是时钟。
有两种可以测量非常长的时间的方式：放射性计年和恒星天体物理学。
既然宇宙的年龄远长于5 730年，这就出现了一个问题：为什么还存在14C？这里的关键事实是，会有新的14C原子核通过宇宙射线的作用在地球大气中产生。这个产生过程弥补了衰变的损失，保持了14C和12C在大气中的平衡。
既然宇宙的年龄远长于5 730年，这就出现了一个问题：为什么还存在14C？这里的关键事实是，会有新的14C原子核通过宇宙射线的作用在地球大气中产生。这个产生过程弥补了衰变的损失，保持了14C和12C在大气中的平衡。
生物要么直接从大气中摄入碳，要么在碳从大气溶解到水中不久后从水中摄入碳。它们摄入的碳反映了当前大气中14C与12C含量达到平衡的比值。然而一旦碳被吸收到生物体内，衰变的14C就不再获得补充。此后，它的比例就会以可预测的方式随时间下降。因此，通过测量一份生物来源的样品中14C和12C的比例，我们就可以得出样品来源最后活着摄取碳的时间。
尼安德特人并没有留下记录，然而多亏了碳同位素计年，我们得知他们在欧洲兴盛了好几十万年，直到4万年前才灭绝
科学家用铀和铅的同位素来测定西格陵兰岛的矿物样品（片麻岩）的年龄，结果一致得出年龄约为36亿年。因此，我们推断这些岩石形成于36亿年前
天文学家预测，我们的太阳会在大约50亿年后成为一颗红巨星。然后它会吞噬水星和金星，而地球上的事物也会被搞得一团糟。
有许多恒星大约形成于相同的时间（在宇宙尺度上）
太阳和地球以接近当前的形态存在了大约50亿年。
人类以接近当前的形态存在的时间要短得多，只有约30万年。这相当于大约一万代人，或者5 000个人类寿命的长度。
把许多创造性的想法压缩到一个人的生命中是可能的
人类信号处理的一个根本限制因素，是神经元互相通信时使用的脑电活动（动作电位）的脉冲之间的间歇期（也称潜伏期）。这个恢复周期将每一秒内脉冲的数量限制为几十到几百次，具体次数取决于神经元的类型。电影通过连续展示一系列静止画面来形成看似会动的影像，每秒展示的画面数（被称为帧率）低于40就可能被人识别出来，也许并非偶然，这个频率刚好足够容纳适度数量的脉冲。这个帧率客观地衡量了我们将视觉信号处理为大脑可以使用的形式的速度。这意味着我们一生中能处理并“理解”大约1 000亿幅不同的场景。
这一估计证明，我们被赋予了10亿次体验世界的机会。在这个重要意义上，存在大量的内在时间。这个估计甚至可能太保守了，因为我们的大脑支持并行处理，不同想法能同时运行，其中大多数是潜意识的。
这一估计证明，我们被赋予了10亿次体验世界的机会
我们不必从头开始重新发现如何满足基本需求，比如保暖、获取食物和饮水。有了将我们举至更高空的“飞机”，我们不必重新发现微积分或者现代科学技术的基础。幸亏有了现代计算机和互联网，我们宝贵的思维循环既不必花在费劲的计算上，也不必花在记忆巨量信息上。通过引入这些助手，我们可以将巨量的思考外包出去，释放更多内在的时间，用于其他用途。
通过引入这些助手，我们可以将巨量的思考外包出去，释放更多内在的时间，用于其他用途。 大自然并不受人类思维速度的限制。事件的发生可以远快于我们40次每秒的处理速度，尽管我们的视觉无法分辨它们。
通过这种自然的方法来衡量，人工智能的思维极限速度大约是自然智能的思维极限速度的10亿倍。 测量时间 时钟和时间测量的历史涉及不少物理学的历史。早期的时钟包括基于太阳位置的仪器（日晷）
人工智能的思维极限速度大约是自然智能的思维极限速度的10亿倍。
测量时间
诸如伽利略和克里斯蒂安·惠更斯这样的传奇人物发展了机械摆钟，摆钟在几十年的时间里发展完善，建立了时间精确性的标准，直到20世纪。
在时钟制造的前沿，摆动的钟摆和先被旋紧再逐渐放松的发条被振动的晶体取代，后者随后又被振动的原子取代。这些振子由于体积更小，受外界不规则振动的影响也更小，而且运行的摩擦力非常小。
因此，如今最精确的原子钟非同一般地稳定，具体而言，误差不超过10–18。也就是说，两个这样的时钟在运行超过宇宙年龄的时间跨度后，差别依然在一秒钟以内。今天，相对便宜的、袖珍的（芯片大小）原子钟可以保持10–13的时间精度。它们每百万年才会快或者慢一秒。
如今最精确的原子钟非同一般地稳定，具体而言，误差不超过10–18
也就是说，两个这样的时钟在运行超过宇宙年龄的时间跨度后，差别依然在一秒钟以内
今天，相对便宜的、袖珍的（芯片大小）原子钟可以保持10–13的时间精度。它们每百万年才会快或者慢一秒。
这样非同一般的精确度似乎有些浪费，但实际上却极为有用。首先，在全球定位系统中，它们记录下的时间会被转换为精确的距离测量值。
设计更加精确的时钟是现代物理学中具有挑战性和巨大创造性的分支之一。最近有个例子让我倍感亲切：我们有可能协调大量的原子，配合一种由我预测并随后被观察到的新物质形态——“时间晶体”
即使时间上只有微小误差，乘以光速以后，也会变为距离上的显著误差。
设计更加精确的时钟是现代物理学中具有挑战性和巨大创造性的分支之一。最近有个例子让我倍感亲切：我们有可能协调大量的原子，配合一种由我预测并随后被观察到的新物质形态——“时间晶体”——来提升单原子的原子钟的精确度。
——来提升单原子的原子钟的精确度。 分辨短暂的时间 正如之前对空间的讨论，我们要研究极短的时间，也必须用更为间接的方式来测量它。在空间的情形下，我们看到，X射线衍射与盖革和马斯登进行的散射给出的信息可以被转换为原子和亚原子世界的地图（即图像）。
分辨短暂的时间
正如之前对空间的讨论，我们要研究极短的时间，也必须用更为间接的方式来测量它。在空间的情形下，我们看到，X射线衍射与盖革和马斯登进行的散射给出的信息可以被转换为原子和亚原子世界的地图（即图像）。这些技术涉及观察目标（即我们想要成像的对象）如何改变入射X射线和入射粒子的运动。
要分辨出快速发生的一系列事件的结构，我们采用类似的方法，但关注的是能量的改变而非运动方向的改变。快速事件的世界充满奇迹与惊喜。为了与主题相符，我仅简要地集中讨论几个最重要的例子。使用高功率激光有可能分辨出在许多化学和生化过程中发生的事件序列。飞秒化学以小至10–15秒（1飞秒）的时间间隔来构造这样的时间线。激光视力矫正手术（Lasik）也利用了飞秒激光脉冲来改造病人的角膜。
我几乎看不到能够在可预见的将来操纵物理时间的希望
其传达的信息很简单：时空可以被扭曲，但是非常难。
构造心理时间：跳跃和循环
心理时间则迥然不同。它可以蜿蜒曲折、出现分岔以及十分敏捷地来回跳跃。我们可以回到过去查阅记忆。在这个过程中，我们可以快速地、缓慢地或者跳跃地在记忆之中移动。我们也可以改变脑海中的事件，想象事情本来会怎样。我们常常想象各种未来，并规划行动，以实现我们所向往的结果。这也许是我们大脑额叶的核心工作——额叶是大脑中一个巨大而复杂的突出部位，它赋予了人类独特性，将人类与动物区分开来。
03. 极少的组分
我先像发电报一样一次性将它们都陈述出来，然后再更深入地详细说明。 1.基本定律描述了变化。将对世界的描述分为状态和定律两个部分是有帮助的。状态描述了“这是什么”，定律描述“事物如何改变”。
1.基本定律描述了变化。将对世界的描述分为状态和定律两个部分是有帮助的。状态描述了“这是什么”，定律描述“事物如何改变”。
. 基本定律是局域的。也就是说，一个物体在很近的将来的行为只取决于当前离它很近的周围的情况。这条原理的标准科学术语是局域性（locality）。
它们的力量并非来自任何逻辑上的必要性，而是来自它们已被成功证实
在人类历史进程中，只有极少一部分人有志于在精心控制的条件下，准确预测随后将会发生什么，或者至少想象这样是可能的。而这个可能性正是我们原理的核心信息。我们的普遍原理于17世纪被首次清楚地阐述，它们也是科学革命的核心思想。
第一条原理本质上说的是“之后会发生什么？”，这个问题较为简单，而且，回答这个问题，比回答“事物为何如此？”产生了更丰硕的科学成果。“之后会发生什么？”之所以易于回答，是因为第二条和第三条原理让我们可以通过做实验来回答它。也就是说，我们可以精确复制出我们感兴趣的场景，设置同样的状态，然后观察在复制场景中发生了什么。
第二条原理的一个重点是我们可以在任何地点、任何时间做实验，这有助于让做实验这个“显然的”建议变得切实可行。根据第二条原理，即普适性原理，不管在何时何地，我们都将会发现相同的基本定律。
第三条原理——局域性——允许了我们做另一个重要简化。它告诉我们，在构想定律时，不必考虑整个宇宙或者全部的历史。更准确地说，它告诉我们，在此时此地采取恰当的保护措施，就可以控制所有的相关条件。
最后，第四条原理——精确性——则鼓励了我们的雄心壮志。它的意思是，如果我们用恰当的概念描述定律，我们可以得到一个简洁而完备且完全精确的描述。它同样是一个挑战：我们不应该满足于较低的精确度。
简而言之，这些原理保证了我们可以通过做实验发现主宰事物变化的、准确而普适的定律。科学一直在系统地、不懈地追求这一目标。
这四条原理共同作用，为我们提供了一种做出新发现的策略。我们一开始先研究有准确定义、可以重复建立的简单情形下会发生什么。掌握了这些之后，我们可以尝试推论在更复杂的情形下会发生什么。
婴儿甚至动物幼崽也运用同样的实验策略使自己与物理现实保持一致。例如，我们人类会学习如何扔一个球、如何把食物送进嘴巴，以及成百上千的其他实践过程，然后把在不同时间地点和不同条件下的经验编织在一起，来对物理世界做出改变。科学家和拥抱科学的人都是重生的探索者，但我们这些“婴儿”的探索获益于逻辑思维、放大感觉的仪器和前人探索者的工作。
振动的原子提供了原子钟的心跳。它们的物理状态决定了它们如何变化——在这个例子中，也就是它们以多快的频率振动（以满足第一条原理）。重要的是，实验者在不同时间和地点测量了原子振动的速率，发现只要采取一些必要的实验室保护措施（利用和满足第三条原理），总能得到一致的结果（满足第二条原理）。而且，正如我们之前所讨论的，对原子振动频率的测量已经达到了极高的精度，结果都一致（满足第四条原理）。
我们现在栖居的物理世界似乎满足这些原理，这一事实是一个令人惊讶的发现。意识到这一点并不容易，接受它就更难了。
这是一种幻觉，或者至少是一种对事物的看法，它难以被抛弃。但是我们的原理要求我们用不同的方式来思考。
德谟克利特的宣言具有深刻的挑战性。它否认了经验的客观事实——味觉、冷暖和颜色，它们是我们感受物理世界最直接的方式。毫无疑问，他想要表达的是，我们可以通过不甜、不苦、不热、不冷，也没有颜色的基本单元（对他来说是原子，对我们来说是基本粒子）来理解物理现实。他认为，甜、苦、热、冷这些感觉是一种对幕后发生之事的高度加工的包装和总结，而在幕后，基本粒子只是在按照自身的方式运行而已
德谟克利特提出了一个宏大而漂亮的问题：它们有什么样的性质？
据我们当前最新的理论，物质基本性质只有三个，从这三个基本性质可以推导出其他所有性质。这三个基本性质如下：质量荷自旋
关键信息是，只存在极少的基本性质，而且你可以精确地定义和测量它们
正如德谟克利特预计的那样，作为现实的深层结构的基本性质与日常事物的表现之间的联系非常遥远。尽管在我看来很难说甜、苦、热、冷和颜色都是“从俗约定”，但是肯定没错的是，要把这些感觉，还有更广泛的日常经验世界追溯到基本粒子的质量、荷和自旋的根源上，需要做很多工作。
陀螺的有趣之处在于，它的运动方式在（非陀螺的）日常经验中并不常见。特别是，一个快速旋转的陀螺可以抵抗改变它旋转轴的外力
除非你施加一个很大的力，轴的方向并不会有太大改变。我们称陀螺拥有方向惯性。这个效应被用来为飞行器和航天器导航，它们携带的陀螺仪帮助它们保持航向。
陀螺旋转得越快，它抵抗想改变其方向的外力的能力就越强
通过比较力和陀螺的反应，你可以定义一个衡量方向惯性的量，它被称为角动量
陀螺越大，旋转速度越快，角动量越大，因而它们对外力的反应就越小。
量子力学常常会揭露出，很多我们曾认为是连续变化的量，事实上都由离散的微小单位，即量子组成
根据量子力学，任何物体携带的角动量大小都有一个理论上的最小值，所有可能的角动量大小都是那个最小单位的整数倍。
弗罗因德教授向我们展示了一些例子，表明建立在对称性思想上的极为漂亮的数学是如何直接导出了对可观测的物理现象的具体预测
他说话时眼睛睁大，目光里流露出近乎狂喜的热情。最令我印象深刻的数学与物理学相联系的例子是（至今也一直是）他向我们展示的角动量的量子理论。当一个旋转的粒子衰变为其他几个旋转的粒子时（这是量子世界中非常常见的情形）
他说话时眼睛睁大，目光里流露出近乎狂喜的热情。
他向我们展示的角动量的量子理论
角动量的量子理论能预测出现衰变产物的方向和它们旋转轴方向之间的关系。得出这些预测需要大量的计算，而且它们预测的行为完全不是显而易见的。尽管如此，令人惊奇的是，这些预测都是对的。
感受到美妙想法和物理行为这两个不同宇宙之间深层次的和谐，令我醍醐灌顶。自此，它成为我的使命，而我从未失望过。
自此，它成为我的使命，而我从未失望过。 性质的哲学 让我再次强调，质量、荷和自旋这三个性质最重要且显著的特点就是，它们的数量如此之少。
让我再次强调，质量、荷和自旋这三个性质最重要且显著的特点就是，它们的数量如此之少。对于任何基本粒子，一旦确定了这三者的值，再加上它的位置和速度，你就可以描述它的一切信息。
基本组分的简单与它们形成的产物的复杂之间存在令人惊讶的对比。
我们现代的物理学理论中，物质世界的基本组分并没有本质的大小或形状。如果坚持要视觉化它们，我们应该将它们想象为集中了质量、荷和自旋的无结构的点。取代“原子和虚空”的是时空和性质。
粒子可以被分为三种：建筑粒子、变化粒子和意外粒子
定义普通物质：它是由电子，光子，“上”和“下”两种夸克以及胶子构成的物质。
无论管中填充了何种气体，这种特殊成分在所有放电电流中都会出现，而且它在磁场中的弯折方式尤其简单
汤姆孙很自然地提出，他的特殊放电电流由携带这个值的质量和电荷的粒子构成。这就是电子的诞生。
无论初始气体为何，电子流都出现在所有放电电流中，这个现象意味着它们是一种基本且普遍的物质组分
汤姆孙开创性的工作启发了许多后续的学术研究。不久以后，这些深入物质本性的探索促生了我们如今熟悉而普遍的技术——电子学。它的重要性怎么强调都不为过。
电子的行为已经在许多不同种类的实验中从各个角度得到了研究。例如，像我之前提到的，人们测量了旋转的电子（所有电子都有自旋）生成的微小磁场
从操作上来说，一个电子的简单理想模型对电子行为的预言和实验观察到的电子行为之间能做到精确一致，就是我们所说的电子是基本粒子的含义。
如果电子像原子那样有明显的内部结构，它们的行为就不会这样简单。比如，倘若电子的电荷被均匀分布到一个小球里，而非集中在一个点上，那么电子的磁场的预言值就会不同，也就和人们测量到的值不一致了
因为“只有极少的几个性质”这一严格假设已经有了大量令人瞩目的成功的结果。
爱因斯坦首次提出这个提议是在他的“奇迹年”1905年——这一年里他还提出了狭义相对论、证明了原子的存在（布朗运动）并提出了E=mc2。
事实上，光子是最初的“胶子”。正是成群的光子化身为电场，把电子和原子核束缚在一起，黏合成了原子。
质子和中子不是基本粒子。实验证明，它们的行为太过复杂，以至于对基本粒子的描述不再可行
虽然基本想法相似，但原子（由电子、光子和原子核组成）的组合方式和质子（由夸克和胶子组成）的组合方式有一些重要的区别：• 由色荷控制的强力远强于由电荷控制的电磁力。这就是为什么由强力紧紧束缚在一起的原子核要比原子小很多。• 尽管电子总是互相排斥，但夸克由于有三种色荷，感受到的力会更为复杂，有可能是互相吸引的。这种可能性使得夸克与电子不同，并不需要一个由其他物质组成的“核”而结合在一起。
• 尽管光子是电中性的，即它们不带电荷，但强力的载体胶子并不是色荷中性的。胶子感受到的强力和夸克相当（事实上比夸克还更多）。这也是质子和中子比原子更加均质的另一个原因：力的携带者也受到它自己的影响
对于胶子来说，这很简单：和光子一样，胶子没有质量。关于夸克，最重要的事情是，它们的质量相对于电子很大，但相对于质子和中子却很小。
质子质量远大于组成它的物质的总质量，这看起来似乎自相矛盾。但事实上，这指向了人类理解大自然的最高成就：用能量来理解我们质量的来源
我们应该也把引力子加到建筑粒子的名单中。引力子就是构成引力场的粒子。光子把原子和分子结合在一起，胶子把夸克、质子和原子核结合在一起，而引力子把行星、恒星、星系和各种大的物体结合在一起。
引力子从来没有以单个粒子的形态被观察到，要想观察到它们是不现实的，因为它们和普通物质的相互作用太过微弱。被观察到的是引力，以及最近的引力波。理论上来说，这些可观测效应都来自许多单个引力子的集体行为
我列出的引力子的每一条性质都和引力子产生的可观测的引力的特征有清晰的关联。由于引力子没有电荷和色荷，它们只能与普通物质进行微弱的相互作用。而因为它们没有质量，引力子又可以轻易地大量产生以形成引力场和引力波。
引力子的自旋相对更大，意味着它们的相互作用比其他基本粒子更加复杂
事实上，可以证明爱因斯坦的引力理论——广义相对论，可以由引力子和自旋相关的性质直接推导出来
这一事实展示了质量、荷和自旋这三项物质的基本性质令人瞩目的力量：它们可以完全解释物质的行为
，基本信息应该是很鲜明的：物理世界只由极少的几种组分构成。而且，这些组分的性质屈指可数，在这个意义上，它们也极为简单。
我想从一个不同的、更实际的角度来考虑构成世界的基本组分的未来。我将描述两种前景光明的策略，它们旨在制造新的有用的“基本粒子”。两种策略都受到了大自然的启迪：一种策略从外到内，灵感来自物理学；另一种从内到外，灵感来自生物学。
我们可以把分析世界整体所用的想法用来思考材料。当我们向材料注入一点儿能量、一点儿电荷或自旋，产生的扰动一般会凝结成一些包块或量子。这些“天外来客”的包块叫作准粒子，它们可以拥有许多和我们在真空中遇到的基本粒子完全不同的性质。
空穴是一类简单但极其重要的准粒子
在快速地恢复平衡之后，固体中常常会留下一个携带+1电荷的准粒子（前文说过，电子的电荷是–1），因为它产生于一个电子的空缺。我们称它为一个空穴。
在其他情形下，准粒子直接来源于真空中的基本粒子，它们处于材料内部时，就会获得与在真空中不同的性质。一个优雅的例子是超导。光子进入超导体后，它们的质量从零变成一个很小的非零值。（这个值的大小取决于具体的超导体，典型的值是电子质量的百万分之一。）事实上，对于经验丰富的物理学家来说，光子获得质量就是超导的本质。
声子是振动的量子。我没有理解他所讲的内容，但是我觉得这是我听到过的最酷的事情——三个奇怪的概念，每一个都有一个响亮的名字，这三个概念因为某种原因被搅在了一起。在回家的路上，经过苦苦思索，我设法说服自己，他的意思是材料本身就像一个世界，它与我们的世界不同，里面有自己的各种粒子。这个想法让我着迷。
而另一方面，在准粒子的世界里，还存在大量可供想象和创造的余地。回想起来，那次学校组织的参观活动让我得以一瞥新的地平线。
物理学家和充满创意的工程师还提出了许多有趣的和有潜在用途的新型准粒子。它们都有讨喜的名字，比如自旋子（spinon）、等离体子（plasmon）、电磁极化子（polaritron）、电磁通量子（fluxon）以及我最喜欢的激子（exciton）。它们中有些善于捕捉辐射能量，有些则善于把能量从一个地方转移到另一个地方。这两种天赋可以被结合在一起，用于设计高效的太阳能系统。
拥有奇妙的准粒子的美丽新材料世界，将会是物质未来的重要组成部分。方兴未艾的超构材料领域就是系统性地设计这些新材料的领域。
一旦你开始认为材料是准粒子的家园，一个深刻的问题即将出现：我们是否可以认为“真空”自身也是一种材料，它的准粒子就是我们的“基本粒子”？答案是可以，而且我们应该这样认为。在随后的章节中可以看到，这条思路已经产生了丰硕的成果。
生物学暗示了物质未来的另一个方向。细胞是高等生命形式的“基本粒子”
生物细胞最独特的特征是可调制的自我复制能力，这是当今的人类工程所无法比拟的
在远比生物细胞简单的人工单元上实现可调制的自我复制的强大策略应该是可能的，尤其是在它们的目标用途不如制造一个活的生物器官那么复杂和精细的情况下
04. 极少的定律
物理定律只是描述了将要发生什么事情。物理定律常常包含有精确定义的物理量，它们可以被写成数学方程式，而且不同的物理学家对于同一个物理定律不会有任何意见的分歧。
推导出物理定律的结果只是一个计算上的问题，你大可以编写程序让电脑来代替你做这件事。
我们头脑做出的选择似乎能够对现实世界产生影响。确切地说，它们可以控制我们身体的运动。我们会根据实际经验对人和事物的行为形成预期，而很少通过逻辑和计算去推理。
没有人会依据牛顿运动定律来计算自己应该怎么走路、骑车或者打球，更不用说那些量子力学的理论了。
但是从小缺乏良好教育的他无法理解那些有关力学的物理定律中错综复杂的数学计算，于是他只好通过想象来思考科学问题。
我们可以以日常生活中常见的水作为模型来说明
如果一艘移动中的船（或者摩托艇）在湖面上激起了一圈水波，这圈水波的影响随即就会在湖面上扩散开来，其本质是某个区域的水在移动的过程中推动着周围的水——当然也仅仅是周围的水
符合要求的解必须满足电磁场的能量和频率（即场振荡的速率）之间的特定关系
激发的能量必须与一个非零常数（即普朗克常数）和频率的乘积相等，写成方程就是E=hυ
物理学家花了20年的时间才参悟这一与实验结果密切相关的革命性新发现，并最终从理论上得出了一致的解释。
然而，无论何时何地，我们观察到的光子都具有相同的性质。不同的光，无论它们来自何方，只要颜色相同，那么它们就是相同的东西——它们具有相同的属性，以相同的方式与物质相互作用。同样，这个世界上每一个角落中的电子也都是完全相同的
大自然是怎么做到这一点的？若要理解这种令人困惑的同一性，我们就需要将所有光子的起源追溯到一个共同的、普遍的电磁场。以此类推，我们还要引入一种新的场（被称为电子场），这种场的激发形成了电子。
大自然是怎么做到这一点的？若要理解这种令人困惑的同一性，我们就需要将所有光子的起源追溯到一个共同的、普遍的电磁场。以此类推，我们还要引入一种新的场（被称为电子场），这种场的激发形成了电子。由于每一个电子也都起源于同一个普遍的场，因此所有的电子也都具备相同的性质。
由于每一个电子也都起源于同一个普遍的场，因此所有的电子也都具备相同的性质。
场是实现局域性的必要条件，粒子产生于量子场。根据这一逻辑，我们对粒子的存在及其惊人的可替换性有了更深层次的理解。毕竟，我们没有必要引入场和粒子这两种不同的基本成分，光有场就够了，当然了，我说的是量子场。
场是实现局域性的必要条件，粒子产生于量子场。
因此，我们认识到，物质和力实际上是同一个根本实体的两个方面
但这种奇特的“数据压缩”也有另一面，那就是其信息的编码方式与任何一种人类自然语言都截然不同
原始公式以及与这些公式等价的计算机程序所使用的符号和概念，与自然语言赖以建立的日常经验相去甚远。我们需要经过大量的计算和解释，才能从原始公式中得出易于讨论的结果。所以我必须在这里做出一个选择（实际上是一系列选择）
原始公式以及与这些公式等价的计算机程序所使用的符号和概念，与自然语言赖以建立的日常经验相去甚远。
我们需要经过大量的计算和解释，才能从原始公式中得出易于讨论的结果
，决定使用多原始的方程以及强调哪些结论。最重要的信息依然是，只需要很少的几条定律就足以掌握整个物质世界。
量子电动力学（QED）
决定使用多原始的方程以及强调哪些结论。最重要的信息依然是，只需要很少的几条定律就足以掌握整个物质世界。
我们的目标更为宽泛，也更为有限。我们想要以一种非常普遍的方式来理解原子物理学的一些最基本的预测是什么样的，以及它们与基本定律之间有什么联系。对此，原子物理学的核心非常简明扼要：我们可以通过研究原子发出的光的颜色，收集到许多有关原子的详细信息。
普朗克和爱因斯坦告诉我们，光子的能量与它的频率有关，而频率与颜色是等价的，这是可以用实验测量的。
具备稳定的振动模式。但是原子的光谱并不是出于音乐的目的设计的，它们无法形成能奏出合理音阶的音符。尤其是当涉及多个电子的时候，振动模式就会变得非常复杂。原子光谱是完全确定的，理论上可以计算出来，但是很复杂。
它们无法形成能奏出合理音阶的音符。尤其是当涉及多个电子的时候，振动模式就会变得非常复杂。原子光谱是完全确定的，理论上可以计算出来，但是很复杂。
这样一来，宇宙就变成了一个巨大的、设备精良的化学实验室。所以，光谱学是天体物理学和宇宙学的支柱。
光谱学还可以用于验证基本定律。因为迄今为止，我们在理论上对这些光谱进行的精确计算（只要我们有能力进行精确计算）
光谱学还可以用于验证基本定律。因为迄今为止，我们在理论上对这些光谱进行的精确计算（只要我们有能力进行精确计算）和精密的观测结果是相一致的，所以我们对于这些定律的正确性胸有成竹
和精密的观测结果是相一致的，所以我们对于这些定律的正确性胸有成竹。另外，天文学家和化学家迄今为止在任何地方、任何时候看到的原子光谱都是相同的，因此我们能够得出这样的结论：在宇宙的每一个角落，在宇宙的整个历史中，一直都是相同的定律主宰着相同的基本物质，从来不曾改变。
天文学家和化学家迄今为止在任何地方、任何时候看到的原子光谱都是相同的，因此我们能够得出这样的结论：在宇宙的每一个角落，在宇宙的整个历史中，一直都是相同的定律主宰着相同的基本物质，从来不曾改变。
普遍的事实应当有普遍的解释。
狄拉克还说：“困难之处仅仅在于，应用这些定律时会产生难以解决的复杂方程。
想要取得更多的进展，我们就需要发展近似法、引入理想化条件、建造更快更强大的计算机并且继续做实验。
然而，困难之处是否仅仅在于解方程，是另一个问题
还有一个更加理论化的原因。量子场是很强大的工具，但也很棘手。想要以在数学上一致的方式使用它们是极其困难的，一不留神就会陷入没有解的方程组中
你也可以往核心理论里面添加别的东西，但是必须保证，添加的东西要么产生的新物质只与已知物质有微弱的相互作用，要么只能在高得离谱的能量下改变基本粒子的行为
借用狄拉克的话来说：从实用性的角度上来说，这就是全部了。 不过值得庆幸的是，生活中还有比夯实基础和追求实用性更重要的东西。 统一所有的力 核心理论中包含了超越其自身的种子。
借用狄拉克的话来说：从实用性的角度上来说，这就是全部了。
生活中还有比夯实基础和追求实用性更重要的东西。
四种力中有三种（即电磁力、强力、弱力）都基于不同形式的荷。[插图]场能与荷发生作用，也能将一种荷转变为其他种类的荷
我们自然而然地就会想象，或许还存在一个更大的框架，这个框架会将这些荷置于相同的基础之上，并允许它们之间相互转变
比如，不同形式的荷之间的差异，有没有可能是在其他宇宙介质的复杂影响下产生的，而这些介质是由更重、更难以捉摸的类希格斯粒子构成的？ 我们之所以会这么想，有一个美妙的理由，它源于核心理论的另一个关键理念：渐近自由。渐近自由指的是强力在短距离上减弱的现象，我们之前对此有所讨论，但是没提到它的名字。
不同形式的荷之间的差异，有没有可能是在其他宇宙介质的复杂影响下产生的，而这些介质是由更重、更难以捉摸的类希格斯粒子构成的？
我们发现在极短的距离内，这四种力实现了统一。它们的大小在极短的距离上变得相同，这正是我们在统一场论中做出的预测。
05. 丰富的物质和能量
组合激增，用一句话来解释，就是如果你在几个方面做出独立的选择，整体的不确定性会迅速增长。
化学家的任务是确定什么样的结构在分子复杂性的世界中是具有现实可行性的，生物学家的任务则是确定到底有哪些结构已经成为事实。
临时稳定性的成立离不开三个关键因素，分别是高温、低温和中等能量规模
在现代计算机中，信息的存储和处理并不是通过整个原子或分子的行为来实现的，而是通过电子的排列和重组。这种做法所涉及的能量会小得多，因此处理速度就可以快得多。这些电子分布在数以万亿计的容器中，容器中的电子浓度较高，电压就低，可以记录为“0”
在现代计算机中，信息的存储和处理并不是通过整个原子或分子的行为来实现的，而是通过电子的排列和重组
第二部分 开端和结尾
过去永远不会消逝，过去甚至不曾过去。
07. 复杂性的出现
这个石破天惊的思想实验说明了，哪怕是一个非常简单（即非常易于描述）的结构也能包含巨大的复杂性
这个思想实验可能反映了现实中的真实情况。量子力学中的波函数就包含了大量的信息，而像宇宙这么大的东西的波函数可以很轻易地容纳下巴别塔图书馆。简单的规则可以产生内涵丰富的波函数，就像前面这个简单的算法可以产出海量的结果一样。
把这些想法合到一起，我们很容易就能推论，宇宙的波函数也是由一个简单的规则产生的。如果真是这样，那么我们身处其中的宇宙就是“复杂性的涌现”的最终产物。
09. 谜团犹存
总会有那么一些答案是最为基本的，并且我们无法进一步解释它们：它本来就是这样，没有为什么。
他给暗能量起了另一个名字：宇宙学常数
暗物质来自海王星，而暗能量则来自水星。历史的经验让我们满怀信心，好的科学谜团往往能找到有价值的解决方案。
在计算机的帮助之下，我们可以在很小的误差之内计算出QCD会生产出哪些粒子，但是孤立的夸克并没有在计算结果中出现
事实上，这些计算结果中粒子的质量和性质与我们在自然界中观测到的粒子完全一致。
10. 互补性是思维的拓展
第一，若要测量某个物体的性质，那你必须和它发生相互作用。换句话说，我们的测量并不是捕捉“现实”，而是对其进行采样。
第二，精确的测量需要强大的相互作用，这也巩固了之前提到的第一个关键事实。
只需要引入密度、压强和温度这些不同的概念，我们就能得到一些简单的定律，用于描述空气的大尺度行为
热气球驾驶员在驾驶的过程中需要用到的并不是针对原子的描述，而是我们现在引入的这些概念。从理论上讲，针对原子的描述包含的信息更多，但是如果你的目标是驾驶热气球的话，那么其实这些信息中的大多数都是没用的（更糟糕的是，它会形成干扰）
因此，与某一特定粒子的位置和速度相关的信息非常难以计算，并且时时刻刻都在改变。简单讲，它既不简单，也不稳定。密度、压强和温度等概念在这些方面则更为有效
找到并量化这些简单而稳定的性质是一项重大的科学成就，我们可以用它们来解答重大的问题。
大多数科学学科都是在寻找简单而稳定的性质，它们可以解答一些我们感兴趣的问题。我们有时会将其称为涌现[插图]性质（我们此前在第7章中从一个略有不同的角度遇到过这个概念）。
大多数科学学科都是在寻找简单而稳定的性质，它们可以解答一些我们感兴趣的问题
。我们有时会将其称为涌现[插图]性质
找到有用的涌现性质并学会巧妙地运用它们，可以让我们取得很大的成就。在整个自然科学领域不同学科的历史中诞生了许多重要的涌现性质，如熵、化学键、刚度等，我们在此基础上构建了许多有用的模型。 类似的问题也出现在自然科学学科之外，比如我们希望能更加有效地理解人类的行为以及股票市场，等等。
找到有用的涌现性质并学会巧妙地运用它们，可以让我们取得很大的成就
在整个自然科学领域不同学科的历史中诞生了许多重要的涌现性质，如熵、化学键、刚度等，我们在此基础上构建了许多有用的模型
类似的问题也出现在自然科学学科之外，比如我们希望能更加有效地理解人类的行为以及股票市场，等等。对这些学科“原子”层面的描述同样很复杂，若是要跟踪单个神经元或是单个投资者的行为，那将会复杂到令人绝望，更不用说跟踪组成它们的夸克、胶子、电子和光子的行为了。如果你的目标是与他人和睦相处，或是通过投资股票获利，这些方法显然是不切实际的。
对这些学科“原子”层面的描述同样很复杂，若是要跟踪单个神经元或是单个投资者的行为，那将会复杂到令人绝望，更不用说跟踪组成它们的夸克、胶子、电子和光子的行为了。如果你的目标是与他人和睦相处，或是通过投资股票获利，这些方法显然是不切实际的。
所以我们要转向别的概念来回答这些大尺度的问题，这些概念你可以在心理学和经济学的教科书中找到。我们可以在书中查阅到针对人和市场的模型，它们与微观的“原子”
所以我们要转向别的概念来回答这些大尺度的问题，这些概念你可以在心理学和经济学的教科书中找到。我们可以在书中查阅到针对人和市场的模型，它们与微观的“原子”模型是互补的。在心理学和经济学领域，我们还没有找到多少像物理学家的气体模型那样可靠的模型。对涌现性质的寻找，以及对建立在涌现性质基础上的实用模型的研究仍在继续
模型是互补的。在心理学和经济学领域，我们还没有找到多少像物理学家的气体模型那样可靠的模型。对涌现性质的寻找，以及对建立在涌现性质基础上的实用模型的研究仍在继续。 用最基本的构成要素完成对整个世界的描述会给人带来极大的满足感。
用最基本的构成要素完成对整个世界的描述会给人带来极大的满足感。人们很容易认为这才是最理想化的描述，而其他高层次的描述仅仅是近似的，是由于我们对系统的理解过于薄弱而不得不做出的妥协。这种态度把“完美”放在了“优秀”的对立面，它看起来很深刻，但实际上非常肤浅。
人们很容易认为这才是最理想化的描述，而其他高层次的描述仅仅是近似的，是由于我们对系统的理解过于薄弱而不得不做出的妥协。这种态度把“完美”放在了“优秀”的对立面，它看起来很深刻，但实际上非常肤浅。
为了解答那些令人感兴趣的问题，我们时常需要转变焦点。发现（或是发明）新的概念以及找到运用它们的新方法，是兼具开放性和创造性的举措。在设计有用的算法时，计算机科学家和软件工程师都很清楚，关注知识的表达方式是非常重要的。良好的表达可以区分可用的知识以及“理论上”
为了解答那些令人感兴趣的问题，我们时常需要转变焦点。发现（或是发明）新的概念以及找到运用它们的新方法，是兼具开放性和创造性的举措
在设计有用的算法时，计算机科学家和软件工程师都很清楚，关注知识的表达方式是非常重要的。良好的表达可以区分可用的知识以及“理论上”存在但并不真正可用的知识，因为定位和处理后者需要耗费的时间太久，并且会带来很多麻烦。二者之间的区别就像是真正拥有金条和知道海洋中理论上溶解了大量金原子之间的区别一样。
如果我们能完全理解基本定律，那么我们得到的既不是“万物理论”，也不是“科学的终结”[插图]。我们仍然需要现实的互补性描述。现在还有很多重大的问题没有得到解答，也有很多伟大的科学研究有待完成。
我们也会构建人类心理的模型，并以此解答相关的问题。例如，如果我们想预测一个人在社会环境中的行为，那么我们可能会考虑他的性格、情绪状态、生活经历、母文化，等等。简而言之，我们给他的思想和动机构建了模型。
这个模型的核心概念是意志，也就是关于选择的想法。
另一方面，如果我们想预测这个人在核爆中心会发生什么的话，那么采用基于物理学的另一类模型将会更为合适。在这种情况下，这个人的思考和意志完全没有意义。
基于思想和心理学的模型以及基于物质和物理学的模型都是有效的，可以分别用于解决不同的问题。但是这两种模型都不完整，也无法完全互相替代。人类确实会经过思考做出选择，而人类的身体则服从物质的规则，这是我们在日常生活中体会到的事实，它们都千真万确地存在。我们要贯彻互补性的思路，接受这两种模型同时存在的事实。我们要认识到，它们谁也不能证明另一类模型是假的，因为事实无法证明其他事实是假的。它们只是反映了对待现实世界的不同方式。
人类可以做出自己的选择吗，还是说人类只是数学物理学的提线木偶？这是个很糟糕的问题，就像是在问音乐到底是和声还是旋律一样。
自由意志是法律和道德中的基本概念，而物理学在没有它的情况下同样取得了成功。如果从法律中移去自由意志，或是在物理学中注入自由意志，都会将这些学科搅得乱七八糟。完全没有必要这么做！自由意志和物理决定论是现实中具备互补性的两个方面。
我要用更简单的语言重申互补性的几个要点： • 你需要解答的问题决定了你要用到的概念。 • 从不同的角度，甚至是不相容的角度对同一事物进行分析，可以为我们带来有用的见解。
我要用更简单的语言重申互补性的几个要点
• 你需要解答的问题决定了你要用到的概念。
• 从不同的角度，甚至是不相容的角度对同一事物进行分析，可以为我们带来有用的见解。
因此，互补性实际上是一份邀约，邀请我们从不同的角度来思考问题。从互补性的角度来看，那些不熟悉的问题、事实和态度给了我们尝试新观点的机会，并从它们所揭示之事中学习。这可以促进我们拓展思维。
从不同的角度看世界会给我们带来很多启发。
寻找隐藏在事物表象之下的意义
事实证明，即使在抛弃了宗教严格的教条之后，这种求知的态度仍然保佑着我继续探索未知
我以这种方式与那些伟大的思想对话，并且尝试着用不同的方式进行思考。
当然，尝试理解不同的思维方式并不意味着你一定要认同它们，更不是说要接受它们作为自己的思维方式。在互补性的思想下，我们要保持超然的心态。那些独断专行地主张自己有权规定唯一“正确”的观点是什么的意识形态或是宗教，与互补性的思想是背道而驰的。
科学仍具有特殊的地位。它在许多方面的应用取得了非凡的成功，无论是作为理解的主体还是作为分析物理现实的方法，科学都赢得了显赫的名声。狭隘地给自己下定义的科学家无法开拓自己的思维，而回避科学的人也只会让自己的思维更加贫乏。
准确性和可理解性 超级计算机和人工智能正在蓬勃发展，这会改变我们将要提出的问题，以及我们能够找到的答案的类型。 玻尔自己半开玩笑地提到了清晰的表达和真理之间的互补性。这有点儿过头了，因为像基本的算术这样的东西就是既清晰又真实的。
准确性和可理解性
超级计算机和人工智能正在蓬勃发展，这会改变我们将要提出的问题，以及我们能够找到的答案的类型
但是，一些成功的模型需要的计算超出了常人所能及的范围，而它们会导致类似玻尔所说的这种互补性产生，这是相当严重的
现在在国际象棋和围棋这两种曾经被视为人类智力巅峰的竞赛中，最棒的棋手是计算机。
我们有大量关于国际象棋和围棋的文献资料，伟大的人类棋手在这些文献中解释了他们用于组织相关知识的概念。但是作为这些领域现在的王者，计算机并不使用这些概念。人类的概念适用于在运用图像以及进行并行处理等方面拥有超强能力的大脑，不过人类大脑记忆力相对较弱，并且运行速度较慢。计算机可以开发出完全不同的概念，当然它们也可以发现对人类而言有效的概念。它们只需要自己和自己下很多很多盘棋并观察哪一种方法有效即可，换句话说，它们遵循从实践中学习的科学方法。
后记 万般最远途，唯有归家路
接受科学的基本原理并非易事。它们在教导我们的同时，也在挑战我们的思维习惯。最重要的是，它们拔高了我们对真正理解事物的期望。现在我们对于理解的期望非常高，以至于我们始终不满足于已经取得的理解。这就是约翰·R. 皮尔斯（John R.Pierce）那一番讽刺的含义，他说：“我们对大自然的理解再也不可能像古希腊哲学家那样透彻了。”
科学告诉了我们许多有关事物是什么样的重要事实，但它并没有断言事物应该是什么样的，也没有禁止我们想象事物别的样子。科学中包含美妙的思想，但它不会将这种美妙耗尽
它为我们提供了一种独特而富有成效的方式来理解物质世界，但它并不是一份完整的生活指南。
这是一种意识的视觉错觉。这种错觉对我们来说就像是一种牢笼。
我一直在努力澄清一个事实：科学教会我们“是什么”，而不是“应该是什么”