黃金時代：科學傳奇

科學史領域有一個名詞叫「科學革命」（Scientific Revolution）專門描述科學大爆發的黃金時代。這個名詞剛出現時特指的是，哥白尼、伽利略、牛頓等人建立古典物理體系替代了陳舊體系。後來有了所謂的「第二次科學革命」，這主要指的就是相對論、量子力學引出的現代物理體系。

歷史上有兩次影響深遠的科學革命。兩次都是基礎科學的黃金盛世。歷史上的超級天才們大多誕生於這個時代，他們既是是黃金時代的幸運兒，又是黃金時代的締造者。接下來下來就來講講黃金時代和物理學家們的故事。

在技術達到某個臨界點時，基礎科學才會迎來大爆髮式的發展。關鍵技術的出現則是基礎科學大爆發的前提。這個規律是貫穿科學史的重要脈絡。

先看第一次科學革命。

哥白尼提出日心說的時候還是肉眼觀測的，積累了大量的觀測數據。這裡還和技術進步無關。

伽利略做出了人類第一台天文望遠鏡。這是人類第一次把鏡頭對準星空！科學史上偉大的技術進步！第一次獲得遠超肉眼極限的觀測數據！伽利略還為日心說找到了最重要的觀測數據，並繼續推廣了日心說。然後第谷、哈雷等人繼續用肉眼結合天文儀器觀測星象，並積累了大量的數據。哈雷成功預測了大名鼎鼎的哈雷衛星的公轉周期。而第谷的學生開普勒則根據老師的數據發現了著名開普勒三定律。

最終，第一次科學革命集大成者牛頓憑藉自己的卓越才智和前人所有的理論、數據發現了牛頓三定律、萬有引力定律，建立了古典力學體系。

第一次科學革命中，最關鍵的技術進步就是天文望遠鏡；其帶來了非常重要的數據——行星軌道。

最初望遠鏡的發現沒有任何理論基礎，完全是碰巧發現的。但是伽利略製造出了放大倍數更高的天文望遠鏡，後來諸多科學家又研究了光學理論和望遠鏡的成像規律。幾何光學漸漸形成。這是又是一例典型的技術推動理論。然後在幾何光學的理論基礎上，牛頓製造了人類第一台反射式望遠鏡，也是第一台無像差望遠鏡。這裡，理論又推動了技術進一步發展。

不得不感嘆一句，當時的最頂尖的兩位科學家如伽利略和牛頓皆是理工雙修的天才。

再看第二次科學革命。

19世紀末物理學大廈已經建得富麗堂皇，僅有兩朵「烏雲」。第一朵烏雲，主要是指邁克爾遜-莫雷實驗結果和以太漂移說相矛盾；第二朵烏雲，主要是指熱學中的能量均分定則在氣體比熱以及勢輻射能譜的理論解釋中得出與實驗不等的結果，其中尤以黑體輻射理論出現的「紫外災難」最為突出。

第一個打碎19世紀終極物理之夢的人出現了。邁克爾遜-莫雷實驗讓愛因斯坦確認了「光速不變原理」。這就是相對論的第一公理，相對論成立的基礎。後來愛因斯坦又先後建立了狹義相對論、廣義相對論。

普朗克也順利用普朗克常數搞定了「紫外災難」。這裡，量子化常數第一次出現。後來，原子光譜被發現是離散的，然後隨著實驗技術的逐步提高，光譜的精細結構、超精細結構被一一發現。

然後量子物理的研究越來越多。再然後，薛定諤和海森堡分別用表述出了波動力學和矩陣力學這兩種量子力學的表述形式。至此，量子力學體系建立。

在第二次科學革命中，最關鍵的技術進步是精密測量工具；積累的重要數據則是——邁克爾遜-莫雷實驗、光譜結構。

邁克爾遜-莫雷實驗除了設計巧妙外最大的難點就是儀器的精密度。所以這個實驗只能出現在19世紀末，而不能出現在18世紀末。光譜結構測量技術也是在19世紀末、20世紀初出現的。而隨著邁克爾遜-莫雷實驗、光譜結構精細測量出現，相對論和量子力學很快形成了，新的物理體系也很快建立起來。這裡技術推動了理論。我一直認為，如果這個技術進步提前一百年的話，第二次科學革命也會提前一百年，那麼被我們紀念的就是19世紀初的愛因斯坦們，而非現在的愛因斯坦們。

值得注意的是，這個年代，搞理論的不做實驗，做實驗的不搞理論。理論家和實驗家離得越來越遠，所要求的才能也越來越不一樣。

現在第三次科學革命遲遲未到，這也並不意外。第一次到第二次之間隔了差不多三百年之久。經典物理理論的成果已經被使用到了極致。直到那時，人類的技術才進步到可以發現理論的缺陷，並支持新理論的出現。

古希臘也有人支持日心說。但在那個時代的技術日心說不可能取代地心說。原因很簡單，沒有數據就不能驗證理論。18世紀末，馬赫在其著作《力學的一般批判發展史》中指出了牛頓水桶實驗的謬誤，準確擊中牛頓絕對時空觀的軟肋。這可是可以動搖整個經典物理的體系的發現！但是，結局和古希臘的日心說一樣。18世紀末的技術不足以支持馬赫以及當時的任何人推翻根深蒂固的絕對時空觀，就像古希臘的技術不足以支持推翻根深蒂固的地心說。

20世紀迎來了技術大爆發，就像當年工業革命似的。偉大的發明一個接一個出現。當年有以蒸汽機為代表的工業產業，現在有以計算機為代表的電子信息產業。當年的技術進步是在消化第一次科學革命的成果，20世紀以來的技術進步則是在消化第二次科學革命的成果。相對論最直接的成果是帶來了核能，量子力學則是帶來了電子信息產業。晶體管的發明是電子信息產業的起點。然後有了仙童八叛逆，有了intel/AMD/...，有了舉世聞名的矽谷。

21世紀初的現在，我們還遠遠沒有到達19世紀末種程度。比如說量子力學的重要應用，量子通信和量子計算的理論基礎早已穩固，但是這兩者到現在離商業化都非常遙遠。人類第一顆量子通信衛星兩年後才升天，最好的量子計算機還只能解最簡單的線性方程組。我們現在還生活在第二次科學革命的光芒中。舊的黃昏尚且未到，更何況新的黎明乎？第三次科學革命還遙遙無期。

第一次是天文望遠鏡帶來的觀測數據；第二次是精密儀器製備達到了可以發現原子光譜的精細結構和光速不變原理。第三次科學革命呢？我們甚至還不知道缺少的關鍵技術到底是什麼。似乎是對撞機里的粒子對，似乎是冷原子的量子效應，似乎是計算機科學帶來的新的計算能力（這也讓人工智慧成為可能）。科學的未來無人能預料。

第一代的英雄們都是理工雙修的天才。第二代是理論不碰實驗，實驗不做理論。現在的情況更甚，做高能的不懂不凝聚態的，做原分的不懂做天文的。自然科學領域越分越細，人類的極限越來越明顯，智能和壽命的極限越發明顯。現在，高能理論物理專業基本上讀完PhD才能把基礎課學好，然後才能做最基礎的研究。現在對科學家的知識儲備要求越來越多，幾乎再也沒有那種全領域的天才了。孕育第三次科學革命的條件越發苛刻了。所以，其實最關鍵的技術進步是長壽技術也不一定？嘿，果然21世紀是生命科學的世紀么。

我們其實還是在不斷地認識這個世界，只是我們對未知的拓展沒有科學革命時期那麼激烈。下一個技術的臨界點在哪兒？什麼時候出現？誰都無法確定。有時候感覺離那個點很近了，有時候又感覺還很遠。

但總會來的，新的黃金時代，還有新的英雄們。

(封面照片作者Summer Clover，攝於2013年沖繩。原文為約稿。）

推薦閱讀：