苹果与宇宙膨胀

有人说，现在的宇宙学理论越来越玄乎。所谓玄乎，实际上是由于随着科学的发展、人类对自然的深刻认识，越来越远离人的直觉，越来越难以被普通人理解了。

人的直觉是什么？实际上就是动物的一些基本的感官，包括触觉、视觉等。这些感官都是基于电磁作用，而且大部分是经典的电磁作用。但是物理科学的理论与实践早已超越了经典电磁作用。100年前，爱因斯坦就几乎是通过纯粹思维发现了相对论，完全改变了时间与空间的概念。而随后的量子理论则是在大量的实验现象，例如氢原子的光谱等，无法用经典理论解释的情况下，应运而生。

对于物理科学而言，没有什么科学理论是真正神圣的。No theory is sacred。只要一个新理论能更好地解释自然现象，旧的理论就可以扬弃。就像量子理论，似乎很违反人的动物直觉，但却屡试不爽吗，总是正确。

但是人大多是守旧的。就像那些从小被宗教熏陶的人一样，很多人把小学、初中背的书当成了教条，一旦遇到新的东西，就会产生反感，而不是去试图理解。

量子物理与相对论，这些似乎高深的理论并非玄学，而是代表了我们对自然界的理解的层次。不仅如此，它们的运用改变了人们的生活方式。我举个例子，苹果的iPhone看似一个组装的电子产品，但是其基础就是量子理论与相对论。其半导体芯片是量子理论的运用，而其GPS技术必须依赖广义相对论。

人的特殊性在于他能够运用自己的知识创造自然界不存在的物体。比如说，古人能够运用对矿石、金属、以及火的知识，制造青铜器。而现代工程技术人员，则能运用量子固体理论，设计制造半导体芯片。如果你去读读那些固体物理方面的论文，其玄乎程度也许不亚于一篇宇宙学论文，上面一堆复杂的符号，一堆玄乎的概念。我随便找了一篇固体物理方面的论文，http://arxiv.org/PS_cache/cond-mat/pdf/0301/0301031v2.pdf，似乎就是如此。没有量子理论，整个半导体工业不可能产生、发展，也就无法制造GPS装置上的计算芯片。类似的，如果没有狭义与广义相对论理论，GPS无法工作。GPS通过精确的信号时间来计算位置，而时间是相对的，时间会因为物体的运动与引力场的强弱而不同。根据广义相对论，引力越强，时空弯曲越大，时间流逝越慢。虽然GPS卫星的速度远小于光速，地球的引力场也不强，但是这些细微的时间变化如果不加以考虑，一天之后就会有10公里的定位误差。谁会愿意使用误差10公里的GPS？

因此GPS的应用必须根据狭义相对论与广义相对论进行修正。可以想象，这是由某些懂物理的人算出一个公式，然后由其他工程人员编入相关的计算机进行时间修正。编程的人无需懂物理，而用GPS导航开车的百姓们则更不必懂物理了，对他们而言，只要工作就行，至于背后的知识与技术是无关的。这正是现代社会高度分工的特点。我们不需要一个出租车司机懂广义相对论才能使用GPS，也不需要他懂牛顿力学、热力学、麦克斯韦尔方程才能开车，他只要正确的发出神经信息，控制其肌肉，安全地操纵相关设备就可以了。

牛顿发现了牛顿第二定律 f=ma，后来，据说被一个坠落的苹果启发，发现了万有引力。牛顿的天才在于，他认为宇宙天体、金星、火星、月亮没有什么特殊，它们不是神仙控制，而是与一个地面上的烂苹果一样，遵循同样的规律，那就是f=ma与引力。根据苹果的运动规律而得出的物理理论作为自然界的法则，牛顿计算了行星的轨道，地球的潮汐，炮弹的轨迹，等等。其结果是一场科技革命，更是一场思想革命。

而相对论与量子理论是对牛顿力学的修正与发展。GPS应用证明广义相对论的计算结果与实测结果达到了极为精密的吻合，理论计算与实验测量的差别只有几百亿分之一。

现代的宇宙学，大爆炸理论也好，暗能量也好，都是运用广义相对论与量子理论来解释观测到的天文现象。它们的正确与否在于它们能否解释、预测观测结果。