第2章　探究第一原理的理论物理学

科学始于人类对第一原理的探究。人类是充满好奇心与敬畏心的动物，通过发明和改进观测与描述工具来理解世界；通过发现第一原理来建立秩序，以获得对不确定性环境的预测和掌控。这种不确定性环境或是自然环境，或是人文环境，都成为人类先知和智者的研究对象。孔子通过“君君臣臣父父子子”建立了社会的制度秩序，佛陀通过“缘生缘灭”建立了个人的内心秩序。随着研究知识的丰富，自然哲学被分离出来，成为科学的先祖。希腊人通过逻辑和几何学建立了理性秩序，从亚里士多德开始系统地建立自然万物之间的相互秩序。

从16世纪开始的近代科学革命始于人类对天体探索的进步。从客观性看，天体运行与人的意志无关，流星划过天际和某个皇帝的离世无关。天文望远镜的发明是天文学获得突破的核心，这反映了观测技术的重要性。牛顿发明的微积分则为描述天体之间的秩序提供了数学手段。从此，更先进的观测工具、更精确的数学语言，连同被伽利略发扬光大的实验方法都成为科学发展的方法论。对这一方法论的坚持，促进了科学自我催化的进步，如同生物获得了能量的代谢能力一样，科学从此踏上了自我进化之路。

牛顿的万有引力定律是人类最伟大的成就之一，他首次建立了自然万物之间的严谨秩序，其核心概念是“力”和具有质量的“物体”。通过对热力学的研究，人类发现了“能量”，并发现能量具有守恒的特性，以及能量具有转化和不灭的本质，这些发现使得科学迈进了一大步。麦克斯韦的电磁学更令人震撼地揭示出电、磁、光的一致性和基于“场”的相互作用的基本原理。爱因斯坦的狭义相对论则将“物体”统一为“物质”，并等效于“能量”。物理学从此转变为对物质和能量的研究。在这一过程中，能量与人类现实活动产生了直接的关联，因此，科学研究由好奇心驱动的探索，转化为服务于社会功利目的的应用，科学知识成为促进人类进步的第一原理。

人类在20世纪获得的两个奇迹，分别是相对论和量子力学。狭义相对论统一了时空，广义相对论和量子力学统一了物理世界。相对论和量子力学构成了所有科学的基础，两者都是人类认识自然及自我的新起点，超越了经验的推测，揭示出自然规律从来都不是以我们想象的那样运行着。不确定性是自然的本质，但基于观测和重建则可以获得新的确定性，这构成了物理精神。跟随这一进化的方法是操控主义，即发明更先进的操控技术，由此去获得对无限自然的新洞见。接着将这种操作技术应用于经济实践中，使人类获得物质进步。

在量子力学的基础上，通过粒子加速器等新的操控技术，人类发现了原子内部各种新的基本粒子，并建立了粒子物理学的标准模型。人类的目标不仅仅是建立统一的物理学大厦，更需要利用这些知识，在应用上操控微观粒子世界。

人类在20世纪获得的另一个奇迹是天文学进步。通过不断发明新的天文望远镜，人类发现了宇宙从诞生至今的进化历程。科学让人类对无垠宇宙的认识从哲学的猜想进步到实证的亲历模拟中。

在科学探索的道路上，物理精神起着核心作用。运用观测和操控工具，发明和创造新的数学语言；心怀敬畏和好奇心，服从观测的事实，不断提升观测的精度，持续挑战现有理论与技术的极限，人类就能一直创造奇迹。

物理学是关于物质和能量的科学。我们身边的世界、宇宙，以及身体和心灵都是物质，都是物理的研究对象。物质运动的能力则是能量。基础物理的发展有两条主线：一条线是对“物质”的持续研究；另一条线是对“能量”的物理研究。