本书要追溯到二十六个世纪以前的米利都。一本关于量子引力的书，为何要从那么遥远的事情、人物与观念讲起呢？我希望那些急于读到空间量子化的读者不要反对我。因为从这些观念的源头讲起更有助于理解，许多对于理解世界很重要的观念都起源于两千多年以前。如果我们简要追溯其起源，这些观念就会更加清楚，理解后续的进展也会变得更简单、更自然。
除此之外，某些最初提出于古代的问题对于我们理解世界一直十分重要。关于空间的结构，一些最新的观念借鉴了很早以前提出的概念与问题。在谈及这些古老的观念时，我也会指出那些对量子引力来说非常关键的问题。因而在论及量子引力时，我们可以区分两类观点：一类是不为我们熟知的、但可以回溯到科学思想最源头的观念，另一类则是全新的观念。我们将会发现，古代科学家提出的问题与爱因斯坦和量子引力给出的答案之间的联系是多么惊人地紧密。
1.微粒
据传说，公元前450年，有个人踏上了从米利都开往阿夫季拉（Abdera）的航船。这在知识史上是一次重要的旅程。
此人很可能是想要躲避米利都的政治动乱，当时那里的特权阶级正在暴力夺取政权。米利都一直是座发达繁华的希腊城市，也许是雅典与斯巴达黄金时代之前希腊最重要的城市。它一直是个繁华的商贸中心，统治着接近上百个聚居地与商贸村落，从黑海延伸至埃及。来自美索不达米亚的大篷车和地中海的船只来到米利都，使各种观念得以传播。
图1.1 原子论学派的创立者、米利都的留基伯的旅程（约公元前450年）。
在前一个世纪，对人类而言至关重要的一场思想革命就发生在米利都。一些思想家重新表述了对世界提出问题与寻找答案的方式，其中最伟大的要数阿那克西曼德（Anaximander）。
自古以来，或者至少是有文本流传开始，人类就在问自己，世界是如何形成的，它由什么构成，何以如此有序，自然现象为何会产生。数千年来人们都给出了相似的答案：尽是精巧的故事，谈及精灵、神明、想象与虚构的生物，以及其他类似的事物。从楔形文字到中国古汉字，从金字塔中的象形文字到苏族人的神话，从最古老的印第安文本到《圣经》，从非洲的传说到澳大利亚原住民的故事……所有这些看上去都很有趣，但从根本上来说却相当单调。再比如羽蛇神，印度圣牛，暴躁好斗抑或友善的神，他们在地狱里吸口气，念一句“要有光”就可以创造世界，或者把世界从一个石蛋里变出来。
公元前5世纪初期的米利都，泰勒斯（Thales）和他的学生阿那克西曼德、赫卡泰奥斯（Hecataeus）以及他们的学派发现了一种寻找答案的不同方式。这一重要的思想革命开创了一种知识与理解的新模式，标志着科学思想的第一道曙光。
米利都派领悟到，通过灵活运用观察与推理，而不是在幻想、古代神话或宗教中寻找答案——最重要的是以敏锐的方式运用批判性思维——才有可能不断修正我们的世界观，发现隐藏在普遍观点之中的实在的新面向，才有可能发现新事物。
也许更具决定性的是他们发现了一种新的思维方式：弟子不再被迫遵从和赞同师父的观念，而是可以自由地发展这些观念，不必害怕放弃或批判其中需要改进的部分。这是一条崭新的中道，界于完全依附学派与彻底反对其观念之间。这对于哲学与科学思想的后续发展至关重要：从这一刻起，知识开始以令人目眩的速度增长，这固然得益于过往的知识，但更重要的是人们可以进行批判，从而改进知识，增进理解。赫卡泰奥斯（Hecataeus）的历史书一开头就令人印象深刻，直指批判性思维的核心，也认识到我们有多么容易犯错：“我写下对我而言正确的内容，因为希腊人的描述充满矛盾与荒谬。”
据传说，赫拉克勒斯从忒那隆城（Cape Tenaro）降临冥界。赫卡泰奥斯造访忒那隆城，并确认这里实际上并没有地下通道或其他可以到达冥界的途径——据此判断这个传说是假的。这标志着新时代的来临。
这种获取知识的新方法成效显著。只用了几年时间，阿那克西曼德就明白了地球飘浮在空中，天空在地球下面延伸；雨水来自地表水的蒸发；世界上不同种类的物质应该以一种简单统一的成分来理解，他称之为“阿派朗”（apeiron），意为“无限定”；动物与植物会进化，并且适应环境的改变，而人类一定是由其他动物进化而来的。就这样，理解世界的基本语法逐步建立起来，直到今天依然大体适用。
米利都处于新兴的希腊文明与古老的美索不达米亚和埃及帝国的结合点，被后者的知识滋养，同时沉浸于希腊式的政治自由；其社会空间中不存在皇室或强大的祭司阶层，公民可以在集市自由讨论他们的命运。米利都成了第一个人们可以共同制定法律的地方；世界史上第一次正式会议在帕尼欧尼翁（Panionium）进行，这是爱奥尼亚代表团的集会；与此同时，人们第一次开始怀疑是否只有神才能解释世界的奥秘。通过讨论，可以得出对团体最妥善的决策；经由讨论，理解世界成为可能。这是米利都无价的遗产，哲学、自然科学、地理学、历史学的摇篮。可以毫不夸张地说，整个科学与哲学传统，从地中海到现代，都可以在公元前6世纪米利都思想家的思辨中找到重要的根源。
辉煌灿烂的米利都不久之后不幸覆灭。公元前494年，波斯帝国入侵，反抗斗争失败，城市被无情摧毁，许多居民被奴役。在雅典，诗人普律尼科斯（Phrynichus）写出了悲剧《米利都的陷落》（The Taking of Miletus），深深触动了雅典人，由于它唤起了太多悲痛，这部悲剧甚至被禁止公演。但在二十年后，希腊人击退了波斯入侵者，米利都由此重生，人们又聚居于此，它重新成为商业与理念的中心，再次传播其思想与精神。
本章开头我们谈到的那个人一定是被这种精神打动，据传说，公元前450年他从米利都启程前往阿夫季拉。他的名字是留基伯，关于他的生平我们所知甚少。他写了一本叫作《宇宙学》（The Great Cosmology）的书，一到阿夫季拉，他就创立了一所教授科学与哲学的学校，不久后收了一位年轻的弟子，名叫德谟克利特，此人会对后世思想产生深远影响。
这两位思想家共同构建了古典原子论的宏伟大厦。老师是留基伯，德谟克利特作为他伟大的弟子，在知识的各个领域都撰写了许多著作，人们了解这些作品后对他尊敬之至。塞内卡（Seneca）称他为“最智慧的古人”。“他的伟大，不仅在于其天才，更在于其精神，谁可与他比肩？”西塞罗（Cicero）如此发问。
图1.2 阿夫季拉的德谟克利特
留基伯与德谟克利特发现了什么呢？米利都人知道可以借由理性来理解世界，他们确信各种各样的自然现象一定可以归因为某种简单的东西，并且尝试弄清楚这种东西可能是什么。他们设想了一种基本物质，万物都由它构成。米利都学派的阿那克西米尼（Anaximenes）设想这种物质可以汇聚和扩散，从而可以由构成世界的一种元素转化为另一种。这是物理学的萌芽，虽然很粗略很原始，但方向是正确的。现在还需要一个伟大的想法与更广阔的视野，来理解世界的隐秘秩序。留基伯与德谟克利特提出了这个想法。
德谟克利特体系的理念极其简单：整个宇宙由无限的空间构成，其中有无数原子在运动。空间没有界限；没有上也没有下；没有中心，也没有边界。原子除了形状以外别无特性。它们没有重量、颜色与味道。“甜是从俗约定的，苦是从俗约定的，热是从俗约定的，冷是从俗约定的，颜色也不例外，实际上只有原子和虚空”。
原子是不可分割的；它们是实在的基本微粒，无法继续被分割，万物都由它们组成。它们在空间中自由移动，相互碰撞；它们彼此勾连在一起，互相推拉。相似的原子彼此吸引。
这就是世界的构成，这就是实在。其他一切只不过是这种运动和原子结合的副产物，随机且偶然。组成世界的无穷多种物质只是源自原子的结合。
原子聚集时，在基本层次唯一能显现的就是其形状、排列与结合的顺序。正如把字母以不同的方式排列组合，我们可以得到喜剧或悲剧，荒诞剧或史诗，基本原子也可以通过排列组合使世界变化无穷。德谟克利特给出了这样的比喻。
这永恒的原子之舞，没有终结，没有目的。我们和自然世界的其余部分一样，是这无尽之舞的众多副产物之一，都来自偶然的结合。大自然不断地对形式和结构进行试验；我们与动物一样，都是万古之中随机偶然的产物。我们的生命就是原子的组合，我们的思想由较稀疏的原子构成，梦也是原子的产物；希望与情绪由原子组合的语言叙写；使我们看到影像的可见光也由原子构成。大海由原子组成，城市和星辰也一样。这视野如此广博，且难以置信的简单，威力惊人，整个文明的知识日后都要建基于此。
以此为基础，德谟克利特撰写了许多著作，阐释了一个庞大的体系，处理了物理学、哲学、伦理学、政治学、宇宙学的问题。他论述语言的本质、宗教、人类社会的起源等内容，他的《宇宙小系统》（Little Cosmology）的开篇令人印象深刻：“在这部作品中我探讨一切。”但这些作品全都失传了，我们只能通过其他古代作家的引用和他们对其理念的总结来了解德谟克利特的思想。他的思想展现出强烈的人道主义、理性主义和唯物主义。神话体系的残余思想被清理后，德谟克利特受到简洁明了的自然主义的启发，热切关注自然，关心人道，也对生命有很深的道德关怀——这比18世纪启蒙运动中类似的观点早了大约两千年。德谟克利特的道德理想是通过节制与平衡，通过信任理性来让自己不被情绪主导，达到心灵的宁静。
柏拉图和亚里士多德很熟悉德谟克利特的观点，并且表示反对。他们秉持着其他观点，其中有些给后世知识的增长带来了很多阻碍。他们坚决排斥德谟克利特的自然主义解释，赞成从目的论的角度来理解世界，相信任何事发生都有其目的。用这种思考方式来理解自然非常具有误导性——亦即以善恶的目的论来思考，这只会把人类事务与自然界的事混为一谈。
亚里士多德满怀敬意地大篇幅讨论了德谟克利特的观点，柏拉图则从未引用德谟克利特，现在的学者认为这并不是因为柏拉图不了解他的作品，而是刻意为之。对德谟克利特观点的批评在柏拉图的文本中十分含蓄，就像他对物理学家的批评一样。在《斐多篇》里，柏拉图借苏格拉底之口阐述了对所有物理学家的批评，这对后世产生了持久的影响。他抱怨物理学家把地球解释为圆形，他反对的原因是他想不出圆形对地球有什么好处。柏拉图笔下的苏格拉底叙述了他最初对物理学充满期望，但最终是如何不再对其抱有幻想的：
我希望他能告诉我地球是扁的还是圆的。在这之后，还能接着解释地球为什么是扁的或是圆的，有什么必要。他要告诉我好在哪里，为什么地球最好是现在的形状。假如他说地球是宇宙的中心，他就得说出为什么地球在中心最好。
伟大的柏拉图彻底迷失了方向！
分割有极限吗？
20世纪下半叶最伟大的物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）在他物理学讲义的开头写道：
假如由于某种大灾难，所有的科学知识都丢失了，只有一句话能传给下一代，那么怎样才能用最少的词汇来表达最多的信息呢？我相信这句话会是原子的假设（或者说原子的事实，随便你怎么表述）：所有的物体都是由原子构成的——这些原子是一些小小的粒子，它们一直不停地运动着。当彼此略微离开时相互吸引，当彼此挤得过近时又相互排斥。只要稍微想一下，你就会发现，这句话包含了大量的有关世界的信息。
不需要任何现代物理学的知识，德谟克利特就得到了这一结论，即万物由不可分割的粒子构成。他是如何做到的呢？
他的论证源于观察：例如，他猜想，车轮的磨损或是衣服晾干，可以归因为木头或水的粒子在缓慢飞走。此外他也有哲学上的论据。我们会集中讨论这一点，因为这类论据可以一直沿用至量子引力。
德谟克利特发现，物质不可能是一个连续的整体，因为“物质是连续的整体”这一命题中包含矛盾。由于亚里士多德的转述，我们得以了解德谟克利特的推理。德谟克利特说，假设物质是无限可分的，那就意味着它可以被分割无数次。想象一下你把一块物质无限分割，会剩下什么呢？
会剩下有维度的微小粒子吗？不会的，因为如果是这样的话物质就并非被无限分割了。因此，只会剩下没有维度的点。但现在让我们把这些点放在一起：把两个没有维度的点放在一起，你无法得到有维度的东西，用三个点、四个点也不行。无论你把多少个点放在一起，都没法得到维度，因为点本身没有维度。因此，我们认为物质无法由没有维度的点构成，因为无论我们把多少点放在一起，都不会得到有维度的东西。德谟克利特推断，唯一的可能性就是，任何物质都是由数量有限的不连续物质构成的，它不可再分，大小有限：即原子。
这种精妙论证模式的起源要早于德谟克利特。它来自意大利南部的奇伦托（Cilento）地区，一个现在被称为维利亚（Velia）的小镇。公元前5世纪时那里是个繁荣的希腊人聚居地，那时叫爱利亚（Elea）。巴门尼德就生活在那儿，作为一位哲学家，他不折不扣地继承了米利都的理性主义，以及诞生于那里的理念：理性可以向我们揭示事物的本来面目，而非它们显现的样子。巴门尼德探索出了一种借由纯粹理性抵达真理的方法，他宣称一切表象都是幻象，从而揭示了一种逐步趋向形而上学的思考方式，使其远离了日后被称为“自然科学”的东西。他的学生芝诺（Zeno）也来自爱利亚，他提出了精巧的论证来证实这种理性主义，强烈反驳了表象的可信性。在这些论证中有一系列的悖论在日后被称为“芝诺悖论”；这些悖论试图表明一切表象都不真实，辩称惯有的运动的概念十分荒谬。
芝诺悖论中最著名的一个以寓言的形式呈现：一只乌龟向阿喀琉斯（Achilles）[1] 发出挑战比赛跑步，乌龟领先十米起跑。阿喀琉斯能够追上乌龟吗？芝诺声称，严密的逻辑表明他永远无法追上乌龟。在追上乌龟以前，阿喀琉斯要先跑完这十米，要做到这点他就要花一些时间。在这段时间内，乌龟就会前进一定距离。要追上这段距离，阿喀琉斯就得再多花一些时间，但与此同时，乌龟也会继续前进，依此类推。因此阿喀琉斯需要无穷多这样的时间段才能追上乌龟，而芝诺认为，无穷多的时间段即是无穷多的时间。因此，根据严格的逻辑，阿喀琉斯要花无穷多的时间才能追上乌龟；我们永远无法见到他做到这一点。然而，我们确实可以看到阿喀琉斯追上乌龟，并且他想超过多少乌龟都能办到。所以我们看到的是不合理的，是幻象。
坦白地讲，这很难令人信服。那问题出在哪儿呢？一种可能的答案是芝诺错了，因为通过累积数目无穷多的东西能够得到无穷大的东西，这点并不正确。想象一下，取一段绳子，把它从中间截断，然后再截一半，截无穷多次。最后你会得到数目无穷多的小段绳子。然而这无穷多数目的总和却是有限的，因为它们只能拼成一开始绳子的长度。因而，数目无穷多的绳子会变成长度有限的绳子，无限多的逐渐变短的时间段会成为有限的时间。我们的英雄虽然要跑完数目无限多的距离，但花有限多的时间就可以做到，从而追上乌龟。
悖论看似解决了。解决办法就在于连续体的观念——任意小的时间段可以存在，但无穷多这样的时间段会成为有限的时间。亚里士多德是第一个凭直觉意识到这一点的人，古代与现代数学随后又对此进行了发展。[2]
但是在真实世界中，答案真是这样吗？任意短的绳子真的存在吗？我们真的可以把一段绳子分割任意多的次数吗？无穷小的时间存在吗？这正是量子引力需要面对的问题。
据传说，芝诺遇到了留基伯，并成了他的老师。留基伯十分了解芝诺的谜题，但他想出了一种不同的解决方法。留基伯提出，也许任意小的东西并不存在，分割是有下限的。
宇宙是分立的，而非连续的。如果是无穷小的点，就没法创造维度——正如德谟克利特所论证、亚里士多德所引述的那样。因此，绳子必须是由有限数目的有限尺寸的物体组成。我们无法把绳子想切多少次就切多少次；物质不是连续的，它是由大小有限的原子个体组成的。
无论这种抽象的论证正确与否，其结论——就我们今天所知而言——包含了许多事实。物质确实具有原子结构。如果我把一滴水一分为二，会得到两滴水。我可以把这两滴水继续再分，如此反复。但我无法无限地分下去。分到某一点时只剩下一个分子，就到此为止了。没有比一个水分子更小的水滴了。
我们是如何知道这点的呢？我们已经积累了几个世纪的证据，其中大部分来自化学。化学物质由几种元素化合而成，并且其比例按整数分配。化学家创立了一种思考物质的方式，他们认为物质由分子组成，而某种分子由固定比例的原子组成。例如水——H2 O——由两份的氢和一份的氧组成。
但这些只能算是线索。在20世纪初，仍然有许多科学家和哲学家并不认为原子假说真实可信，其中就包括著名的物理学家、哲学家恩斯特·马赫（Ernst Mach），他关于空间的观念对爱因斯坦产生了重要影响。路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）在维也纳的皇家科学院进行演讲，临近尾声时，马赫公然宣称：“我不相信原子的存在！”这发生在1897年。很多像马赫这样的科学家，把化学符号仅仅理解为总结化学反应定律的常用方法，并没有把它当作由两个氢原子和一个氧原子组成的水分子真实存在的证据。他们会说你看不见原子，会说原子永远都无法看见，接着会问：原子会有多大呢？德谟克利特从未测量原子的大小……
但是有人可以做到。“原子假说”的确切证据要等到1905年，才由一个年仅二十五岁的叛逆年轻人发现，他研究物理，但并没有谋得一份科学家的工作，只能在伯尔尼的专利局里当雇员谋生。在这本书后面的部分，我会讲许多关于这个年轻人的事，以及他发给当时最具权威的物理学期刊——《物理学年鉴》的三篇文章。这些文章的第一篇就包含了原子存在的决定性证据，并且计算了原子的大小，解决了留基伯与德谟克利特在二十三个世纪之前提出的问题。
这个二十五岁年轻人的名字，众所周知，叫阿尔伯特·爱因斯坦。
他是如何做到的呢？他的想法惊人地简单，自德谟克利特时代以来，任何人都能够办到，只要他像爱因斯坦一样聪明，并且十分精通运用数学来进行并不简单的运算。他的想法是这样的：如果我们仔细观察非常小的粒子，比如飘浮在空气或液体中的灰尘或花粉颗粒时，我们会看到它们振动跳跃。由于振动，它们会随机运动，缓慢地漂移，逐渐离开初始位置。液体中这种粒子的运动被称为布朗运动，由生物学家罗伯特·布朗（Robert Brown）命名，他在19世纪详细地描述了这种现象。粒子这种运动方式的典型轨迹如图1.4所示。粒子就好像随机地在各个方向都受到扰动。实际上，并不是“好像”受到扰动，而是真的受到扰动。粒子振动就是因为受到空气分子的扰动，时左时右与粒子发生碰撞。
图1.3 阿尔伯特·爱因斯坦
图1.4 典型的布朗运动
巧妙之处在后面。空气中有大量的气体分子，有多少从左边撞击微粒，就会有多少从右边撞击它。如果气体分子无穷小并且无穷多，从左边和从右边撞击的作用就会平衡，在每个片刻相互抵消，微粒就不会移动。但分子的大小有限，数量也有限——而非无穷多，从而引起了涨落（这是关键词）：也就是说，撞击永远不会完全抵消，只是大部分抵消了。想象在某一时刻，分子数目有限，体积很大，微粒会随机受到很明显的撞击；一会儿从左边来，一会儿从右边来。在两次撞击之间它会显著地来回移动，就像是孩子们在操场上踢的足球一样。另一方面，分子越小，两次撞击之间的间隔就越短，来自不同方向的撞击就越容易平衡并且相互抵消，微粒移动的就越少。
用一点数学知识就可以计算这一点，从可观测的微粒的运动推算分子的尺寸。就像我之前提到的，爱因斯坦在他二十五岁时做到了这一点。通过观察液体中漂移的微粒，通过测量“漂移”有多少——从某一位置移动多少，他计算出了德谟克利特的原子的大小，构成物质的基本微粒的大小。在两千三百年之后，他给出了德谟克利特的洞见的证据：物质即微粒。
物性论
只有世界灭亡，卢克莱修的诗句才会消亡。
——奥维德（Ovid）
我一直认为，德谟克利特的所有作品的失传[3] ，是古典文明土崩瓦解中最惨痛的思想悲剧。在脚注中看一看他的作品清单，再想象一下我们错失了古代如此浩渺的科学思考，很难不感到沮丧。
亚里士多德的作品全部保留了下来，西方思想据此重新建立，而非来自德谟克利特。也许，如果德谟克利特所有的作品都能够流传下来，而亚里士多德的作品全都失传了，我们文明的思想史可能会更好……
但是一神论主导的几个世纪并不会允许德谟克利特的自然主义幸存。公元390年，狄奥多西一世（Emperor Theodosius）颁布法令，宣布基督教成为唯一合法的宗教，并且残忍地镇压异教徒，雅典和亚历山大的古代学校被关闭，与基督教教义不一致的所有文本都被销毁。相信灵魂不朽或第一推动者存在的异教徒，如柏拉图和亚里士多德，可以被胜利的基督徒包容，而德谟克利特不能。
然而有一部作品在劫难中幸存，完整地流传了下来。通过它，我们才对古典原子论有了一点了解，重要的是，我们知晓了那种科学精神。这部作品就是古罗马诗人卢克莱修（Lucretius）的壮丽诗篇：《物性论》（The Nature of Things）。
卢克莱修追随了伊壁鸠鲁（Epicurus）的哲学，后者是德谟克里特的学生的学生。比起科学问题，伊壁鸠鲁对伦理学更感兴趣。他没有达到德谟克利特的深度，有时会略显肤浅地解释德谟克利特的原子论，但他对自然世界的观点大体上与阿夫季拉伟大哲学家的观点一致。卢克莱修把伊壁鸠鲁和德谟克利特的原子论用诗表达出来，通过这种方式才使得意义如此深远的哲学在黑暗时代的思想浩劫中幸免于难。卢克莱修歌颂大自然的原子、海洋与天空。他把哲学问题、科学观点与精巧的论证用睿智的诗句表达出来。
……我也将揭示是什么力量让自然这位舵手指引着太阳的运转和月亮的旅行，以免我们以为它们乃是出于自由意志而年复一年地在轨道上绕行……或者，以免我们以为它们是按照神灵的安排而运转。
诗歌的美蕴于原子论的宏大视野对奇迹的感知之中，感知到万物深刻的一体性，而这是由于认识到我们和星星、海洋都是由相同的物质组成：
我们都来自同样的种子，
拥有同一个父亲，
如母亲般哺育我们的大地，
接收清澈的雨滴，
产出明亮的麦穗，
繁茂的绿树，
还有人类，
和各种野兽，
供给食物，滋养生灵，
过着幸福的生活，
繁衍子嗣……
诗歌让人感到宁静祥和，这来自领悟到并不存在要求我们做到极难之事并惩罚我们的无常神灵。在活泼轻快的氛围中，诗歌的绝妙开篇致敬了维纳斯，这位象征大自然创造力的生动形象：
在你面前，女神啊，在你出现的时候，
狂暴的风和巨大的云块逃奔了，
为了你，巧妙多计的大地长出香花，
为了你，平静的海面微笑着，
而宁静的天宇也为你发出灿烂的光彩！
其中有对万物一体性深深的接纳：
人们度过了他们极其短促的岁月。
竟然看不见自然并不要求任何别的东西，
除了使痛苦勿近，远离肉体，
除了要精神愉悦，无忧无虑。
也包含平静地接纳不可避免的死亡，死亡会消除一切不善，因而无须恐惧。对卢克莱修而言，宗教即无知，理性才是带来光明的火把。
卢克莱修的作品在被遗忘数个世纪后，被人文主义者波焦·布拉乔利尼（Poggio Bracciolini）于1417年1月在一个德国修道院的藏书楼里发现。波焦曾经做过许多位教皇的秘书，为了仿效弗朗希斯科·彼特拉克（Francesco Petrarch）著名的再发现，波焦本人也成了古代图书的狂热搜集者。他所发现的昆体良（Quintilian）的论文完善了整个欧洲学院的法律课程；他发现的维特鲁斯（Vitruvius）的建筑学专著改进了建筑物设计与建造的方式，但他最大的功劳在于再发现了卢克莱修。波焦所发现的古抄本已经遗失，但由他的朋友尼科洛·尼科利（Niccolo Niccoli）所做的复刻版仍然被完整地保存在佛罗伦萨的劳仑齐阿纳图书馆（Biblioteca Laurenziana）。
当波焦把卢克莱修的书带回人们的视野时，接受新事物的土壤已然形成。从但丁这一代起，人们就已经能够听到明显不同的声音：
你的眼睛穿透了我的心，
唤醒我沉睡的思想。
看啊，让我的生活四分五裂的爱，
我是如此绝望又发狂。
《物性论》的再发现对意大利和欧洲的文艺复兴产生了深远影响，并直接或间接地体现在许多作者的著作中，从伽利略到开普勒，从培根到马基雅弗利，在波焦发现《物性论》一个世纪之后，原子还在莎士比亚的剧作中闪亮登场：
茂丘西奥：哦，我看到仙后麦布与你在一起：
她是精灵们的稳婆；她的身体只有郡吏手指上一颗玛瑙那么大；几匹蚂蚁大小的细马替她拖着车子，越过酣睡的人们的鼻梁……
蒙田（Montaigne）的文章至少有一百处引用了卢克莱修，而卢克莱修的直接影响延伸至牛顿、道尔顿、斯宾诺莎、达尔文，一直到爱因斯坦。液体中微小粒子的布朗运动揭示了原子的存在，爱因斯坦的这一想法或许可以追溯到卢克莱修。这里有一段卢克莱修的话，提供了原子概念的鲜活证据：
关于我在这里所描写的这个事实，
有一种相似的情形时常出现在我们眼前：
瞧，每当太阳的光线投射进来，
斜穿过屋内黑暗的厅堂的时候，
你就会看见许多微粒以许多方式混合着。
在光线所照亮的那个空间里面，
它们像在一场永恒的战争中，不停地互相撞击，
一团一团地角斗着，没有休止，
时而遇合，时而分开，被推上推下。
从这景象你就可以猜测到：
在那更广大的虚空里面，
有怎样一种永恒不停的运动。
至少就一件小事能够暗示大道理而言，
这例子可以把你引去追寻知识的踪迹。
也正是因为这个缘故，
你应该更用心地注意这些物体。
它们在阳光下舞蹈着，互相推撞着，
而这些推撞正足以标示，
还有秘密而不可见的物质运动，
隐藏在下面，在它们背后。
因为在这里你将看见许多微粒，
在不可见的力量之下退开又撞击，
从而改变了它小小的路线，
被迫向后又再回来，
时而这里，时而那边，
弥漫在四面八方。
要知道，所有它们这些转移的运动，
都是从最初的原子开始的，
因为正是事物的原子最先自己运动，
接着，那些由原子的小型结合所构成、
并且最接近原子的物体，
也由着那些不可见的撞击而骚动起来，
之后这些东西又刺激更大些的东西：
这样，运动就由原子开始逐步上升，
最终出现在我们的感觉里，
直至那些能在阳光中见到的粒子也动起来，
虽然看不出是什么撞击在推动它们。
爱因斯坦重现了最初由德谟克利特设想、后来由卢克莱修呈现的“鲜活证据”，并且把它转述成了数学语言，从而能够计算原子的大小。
天主教会试图封杀卢克莱修：1516年12月，佛罗伦萨议会禁止在学校里阅读卢克莱修。1551年，天主教的特伦托会议查禁了他的作品，但为时已晚。被中世纪基督教原教旨主义排斥的世界观在欧洲重现，打开了人们的视野。在欧洲流传开来的不只是理性主义、无神论和卢克莱修的唯物主义，也不只是对世界之美的宁静深思，还有更多：那便是一种新的思维方式，一种思考实在的清晰而复杂的结构，与几世纪以来的中世纪思想截然不同。
但丁在中世纪热切歌颂的奇妙宇宙被人们按等级结构进行了解释，这同时也反映了欧洲社会的等级结构：以地球为中心的球形宇宙结构；天与地无法消融的区隔；对自然现象的目的论与隐喻性解释；对上帝和死亡的恐惧；对自然的忽视；形式先于事物决定世界结构；知识的来源只有过去、天启与传统……
以上这些在卢克莱修歌颂的德谟克利特的世界中都不存在。不存在对神的恐惧；世界上不存在目的论；不存在宇宙等级；天与地没有分别。其中有对自然深深的爱；我们沉浸于自然之中，认识到我们是其重要的组成部分；男性、女性、动物、植物是一个有机的整体，没有等级之分。德谟克利特优美的语言让人感受到一种深刻的普世主义：“对智者而言，整个世界是开放的。一个美好灵魂的故乡是整个世界。”
人们希望能够用简单的方式思考世界，能够研究与领悟自然的奥秘，比我们的祖先知道的更多。伽利略、开普勒、牛顿将会建立惊人的概念工具：空间中的直线运动；构成世界的基本要素与相互作用；空间是世界的容器。
物质的分割是有限的，世界是分立的，无穷终结于我们指间，这一观念终于出现，它是原子假说的核心，但它在量子力学中会以更显著的方式回归，如今它作为量子引力的根本再一次证明了其重要性。
第一个把文艺复兴时期出现的自然主义思想整合到一起，并重现了德谟克利特的思想，把它提升到现代思想核心地位的是一个英国人。他是历史上最伟大的科学家，是下一章的第一个主角。
2.经典
艾萨克与小月亮
在上一章中，我似乎表达了柏拉图和亚里士多德对科学的发展只起到了负面作用之意，现在我想要修正这种印象。亚里士多德对自然的研究成果——例如在植物学和动物学方面——都是杰出的科学著作，来自他对自然界细致入微的观察。清晰的概念、对自然的关注、睿智与开放的头脑使这位伟大的哲学家在之后数个世纪都堪称权威。我们所知的第一个系统的物理学就来自亚里士多德，而且它一点也不糟糕。
亚里士多德写了一本名为《物理学》的书。并不是这本书以这门学科的名字命名，而是物理学这门学科的名字就来自这本书。对亚里士多德来说，物理学需要完成以下工作。首先，要区分天与地。天上的物质由水晶构成，它们在以地球为圆心的同心圆轨道上做永不停息的圆周运动。在地上，要区分受迫运动与自然运动。受迫运动由推力引起，一旦推力消失，受迫运动也会消失。自然运动发生在竖直方向上——向上或向下——取决于物质及其位置。每种物质都有其自然位置，即最终它会返回的特定高度：土元素在最底层，向上依次是水元素、气元素、火元素。捡起一块石头，然后放手，石头会向下运动，因为它要回到其自然位置。水中的气泡、空气中的火焰、小孩子的气球会向上运动，抵达其自然位置。
不要嘲笑或忽视这个理论，因为它听起来很有道理。它对于液体中的物体和受到重力与阻力的物体的运动做出了正确的描述，与我们的日常经验相符。它并非人们通常认为的错误的物理学[4] ，而是一种近似。牛顿物理学也只是广义相对论的一种近似。也许我们如今所了解的一切都只是我们目前尚未了解的某种东西的近似。亚里士多德的物理学很粗略，不是定量的（我们没法用它进行计算），但其逻辑一致，合乎道理，可以做出正确的定性预测。之后几百年里它一直是理解运动的最佳模型，这不是没有原因的。
也许对科学未来的发展更加重要的是柏拉图。
是他意识到毕达哥拉斯和毕达哥拉斯主义的价值：向前发展与超越米利都的关键，在于数学。
毕达哥拉斯出生在萨摩斯，这是离米利都不远的一个小岛。最早为他作传的传记作者杨布里科斯（Iamblichus）与波菲利（Porphyry），记述了年轻的毕达哥拉斯是如何成为年长的阿那克西曼德的弟子的。一切都源于米利都。毕达哥拉斯四处旅行，也许到过埃及和巴比伦，最终在意大利南部的克罗托内（Crotone）定居，成立了一个集宗教、政治、科学于一体的学派，对当地的政治生活产生了重要影响，并且给全世界留下了重要遗产：他发现了数学的理论统一性。他宣称，“数”决定形式与理念。
柏拉图去除了毕达哥拉斯主义中烦冗无用的神秘主义包袱，吸收提炼了其中实用的启示：数学是理解与描述世界最合适的语言。这个洞见意义深远，这也正是西方科学成功的原因之一。据说，柏拉图在他学园的门上刻了这样一句话：不懂数学者不得入内。
在这个信念的驱使下，柏拉图提出了一个极其重要的问题，现代科学也在探索这个问题的过程中逐渐形成。他向研究数学的弟子询问，能否找到天上可见天体遵循的数学规律。夜空中很容易观察到金星、火星和木星，它们看似在其他星体间随机地往复运动。能否找到一个数学规律，来描述和预测它们的运动？
这项研究始于柏拉图学园的欧多克斯（Eudoxus），在接下来的几个世纪中由诸如阿里斯塔克（Aristarchus）、希帕克斯（Hipparchus）等天文学家继续进行，使古代天文学达到了相当高的科学水平。我们能够知晓这门科学的成就，都多亏了一本书，那就是唯一一本留存下来的托勒密（Ptolemy）的《至大论》（Almagest）。托勒密是一位天文学家，生活在公元1世纪罗马帝国统治下的亚历山大，由于希腊世界的瓦解以及帝国的基督教化，科学逐渐衰落，行将消亡。
托勒密的书是重要的科学作品。它呈现出了天文学严密、精确而复杂的数学系统，能够近乎完全精确地预测天上行星看似随机的运动，达到了人类视野的极限。这本书证明了毕达哥拉斯的直觉是正确的，数学使世界可以被描述，未来可以被预测。托勒密总结了希腊天文学家几个世纪以来的研究成果，运用数学公式精确地预测了行星看似无序的运动，并且以巧妙的方式系统地呈现出来。即使在今天，只需具备一点知识，就可以翻开托勒密的书，学习其中的技巧，来计算未来某一时刻，比如《至大论》写成两千年后的今天火星的位置。这种魔法的实现是现代科学的基础，而这都要归功于毕达哥拉斯和柏拉图。
古代科学衰落之后，整个中世纪都没有人能够懂得托勒密的书，或是在浩劫中幸存下来的其他稀有的重要科学著作，比如欧几里得（Euclid）的《几何原本》（Elements）。但由于丰富的商业与文化交流，印度人开始学习希腊语，这些著作也开始被研究与理解。
多亏了博学的波斯和阿拉伯科学家能够理解与保存这些知识，它们才得以从印度重返西方。但天文学在接下来的一千年里并没有什么重大进展。
大概在波焦·布拉乔利尼发现卢克莱修手稿的同一时间，意大利人文主义的热烈氛围和对古代文本的浓厚兴趣也感染了一个年轻的波兰人。他来到意大利学习，先是在博洛尼亚（Bologna），后又到了帕多瓦（Padua）。他用拉丁语签自己的名字：尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）。年轻的哥白尼钻研了托勒密的《至大论》，并深深爱上了这本书。他决定余生都要研究天文学，追随伟大的托勒密的足迹。
时机已经成熟，在托勒密之后的一千多年，哥白尼能够实现印度、阿拉伯、波斯几代天文学家无法完成的飞跃：不是对托勒密体系进行简单的研究、应用与小修小补，而是全面完善它——鼓起勇气彻底变革。哥白尼对托勒密的《至大论》进行了修改，天体不再围绕地球运转，太阳取而代之成为中心，地球和其他天体围绕太阳运动。
哥白尼希望通过这种方式使运算更简便，但事实上却并没有比托勒密好多少，最终结果并不理想。但他的理念是合理的。到了下一代，约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）证明了哥白尼体系真的可以运转得比托勒密体系更出色。通过仔细分析新的观察结果，开普勒证明，只需借助几个新的数学定律就可以精确描述围绕太阳运行的行星的运动，甚至可以达到前所未有的精度。那是在1600年，人类第一次找到了比一千多年前的亚历山大时期更出色的解答。
当开普勒在寒冷的北方计算天空中的运动时，得益于伽利略，新科学在意大利兴起。伽利略是意大利人，能言善辩，很有文化，极其聪明，充满创意。他得到了一个来自荷兰的新发明——望远镜，并做出了改变人类历史的动作：把望远镜指向天空。
和《银翼杀手》（Blade Runner）中的罗伊（Roy）一样，他看到了令我们难以置信的东西：土星的光环，月亮上的山脉，金星的盈亏，木星的卫星……这些现象使得哥白尼的理念更加可信。科学工具开阔了人类狭隘的视野，展现了一个无法想象的更为丰富宏大的世界。
伽利略的伟大设想由哥白尼发起的宇宙革命而来，并进一步进行了逻辑推演。伽利略确信地球与其他行星别无二致，他推演说，如果天上的运动精确遵循数学定律，而地球与其他行星一样是天上的一部分，那么也必然存在精确的数学定律掌管着地球上物体的运动。
伽利略深信自然的理性，也对毕达哥拉斯和柏拉图“可以通过数学来理解自然”的观点很有信心，他决心研究地球上的物体不受约束，即物体自由下落时如何运动。他确信存在着一个相应的数学定律，并反复尝试发现它。他完成了人类历史上的第一次实验，实验科学就源于伽利略。实验很简单：他让物体自由下落，使物体做亚里士多德的自然运动，并尝试精确测量其下落速度。
实验结果意义重大：物体并不像人们以为的那样，以某一恒定速度下落。物体的速度在运动过程中逐渐增大。在这个过程中，保持不变的并非下落的速度，而是加速度，即速度增大的快慢。并且神奇的是，对所有物体来说这个加速度都是相同的。伽利略第一个对这一加速度进行了粗略的测量，发现它是个常量，其大小大约是9.8米每秒的平方，也就是说，物体每下落一秒，其速度就增大9.8米每秒。请记住这个数字。
这是人们发现的描述地球上物体的第一个数学定律：自由落体定律[5] 。在此之前，人们只发现了行星运动的数学定律。至此，精确的数学不再只局限于天体。
但最伟大的成就还在后面，要由伊萨克·牛顿（Isaac Newton）来完成。牛顿深入研究了伽利略与开普勒的成果，综合二者后发现了隐藏的钻石。我们可以借助“小月亮”来理解他的推理，正如他在《自然哲学的数学原理》中表述的那样，这本书形成了现代科学的基础。
牛顿写道，想象地球像木星一样有许多卫星，除去真正的月亮以外，再想象一些月亮，特别是有个环绕地球运行的小月亮，它离地球最近，只比山顶高一点。这个小月亮会以多大的速度运动呢？开普勒定律之一描述了轨道半径与周期的关系，其中周期是指绕轨道一周所需要的时间[6] 。我们知道真正的月亮的轨道半径（希帕克斯在古代已测出）和它的周期（一个月），我们也知道小月亮的轨道半径（地球半径，由古代的埃拉托色尼测出）。通过简单的比例关系我们就可以计算出小月亮的环绕周期，其结果是一个半小时，小月亮会每一个半小时绕地球转一圈。
现在，做圆周运动的物体并不沿直线运动：它不停改变方向，而方向的改变是由于存在加速度，小月亮的加速度的方向指向地球的中心。这个加速度很容易计算[7] ，牛顿完成了这个简单的计算，其结果是……9.8米每秒的平方！其数值与伽利略在地球上进行的自由落体实验完全相同！
是巧合吗？牛顿推理说，这绝不是巧合。如果结果是相同的——下落的加速度是9.8米每秒的平方——则原因必然相同。因此，使小月亮做圆周运动的力与使物体落到地面的力完全相同。
我们把使物体下落的力称为引力。牛顿领悟到，使小月亮环绕地球运动的是相同的引力，没有这个引力的话它会沿直线飞走。那么，真正的月亮环绕地球运动也一定是因为引力！环绕木星运动的卫星受到木星的吸引，环绕太阳运动的行星受到太阳的引力！没有这个引力，天体会沿直线运动。因此宇宙是一个巨大的空间，物体通过力的方式相互吸引；并且存在一种统一的力——万有引力，任何物体都会吸引其他物体。
一个伟大的设想形成了。一千年以后，突然间，天与地不再分离。不存在亚里士多德假定的“自然等级”；世界的中心并不存在；物体在不受约束时不再返回其自然位置，而是永远沿直线运动。
通过对小月亮进行简单计算，牛顿推导出了万有引力的大小随距离的变化关系[8] ，其比值我们今天称为牛顿引力常数，用字母G表示，代表“引力”（Gravity）。在地球上，这个力使物体下落；在天上，它使行星和卫星在轨道上运动，这二者是同一种力。
在中世纪，亚里士多德世界观占主导地位，牛顿的发现对其概念结构是一种颠覆。但丁所认为的宇宙与亚里士多德的一样，地球是在宇宙中心的球体，被其他天球环绕。宇宙是嵌满星星的广阔无垠的空间，没有边界也没有中心。物体在其中自由地做直线运动，直到其他物体产生的力使它发生偏离。很显然，牛顿参考了古代原子论，他用常见术语进行了表述：
在我看来，也许上帝最初是用实心、坚实、坚硬、无法穿透、可移动的粒子来构造物质的，它们具有特定的大小与形状，及其他特定属性，与空间成一定的比例……
牛顿力学的世界十分简单，可以总结为图2.1和图2.2。它是重获新生的德谟克利特的世界。这个世界有着广阔均匀的空间，粒子在其中永不停息地运动，彼此之间相互作用，除此之外别无他物。莱奥帕尔迪（Leopardi）如此歌颂这个世界：
我坐在这里，向那苍茫的空间眺望，找到了超乎尘世的沉默。
那寂静如此深刻，映入了我的脑海。
图2.1 世界由什么构成？
但现在人们的视野要比德谟克利特的宏大得多，因为人们不只是用头脑中的概念来理解世界，而是与数学、毕达哥拉斯的遗产、亚历山大天文学家光荣的数学物理学传统相融合。牛顿的世界是德谟克利特世界的数学化。
图2.2 牛顿的世界：随着时间流逝，粒子受到力的吸引在空间中运动。
牛顿毫不犹豫地把这门新科学归功于古代科学。例如， ；他在著作《论宇宙的体系》（The System of the World）中的第一句话，就把哥白尼革命的理念源头归功于古代科学：“在哲学的最早期，不少古人认为，恒星静止于世界的最高处，在恒星之下行星绕太阳运行”。不过他对谁在过去做了什么有些混淆，包括菲洛劳斯（Philolaus）、萨摩斯的阿里斯塔克（Aristarchus）、阿那克西曼德（Anaximander）、柏拉图、阿那克萨哥拉（Anaxagoras）、德谟克利特，以及“古罗马贤明的君主”努玛·蓬庇利乌斯（Numa Pompilius）。他引述的有些很贴切，有些则断章取义。
牛顿理论体系的威力超乎想象，19世纪和现代社会的全部技术都依赖于牛顿的公式。三个世纪已经过去，但我们今天建造的桥梁、火车、摩天大厦、发动机、水利系统，我们驾驶飞机、进行天气预报、在探测到行星之前就能预测其存在、把太空飞船送到火星，这些全都有赖于以牛顿公式为基础的理论。没有牛顿的小月亮，现代世界都不会出现。
一个关于世界的新观念，一个点燃伏尔泰与康德启蒙运动热情的思维方式以及一种有效的预测未来的方式，这些都是牛顿革命的伟大遗产。
如此看来，理解实在的终极秘诀已经被人们发现：世界包含巨大的空间，随着时间流逝，粒子运动，并以力的方式相互吸引。我们可以写出描述这些力的确切公式，它们十分有效。在19世纪，人们认为牛顿不仅是最智慧与最有远见的人，而且是最幸运的人——因为基本定律只有一个体系，他十分幸运地做出了这个发现。一切似乎都已明了。
但真是如此吗？
迈克尔：场与光
牛顿明白，他的方程无法描述自然界中存在的所有力，除了引力，还有其他力作用在物体上。物体并不是只有在自由下落时才运动。牛顿留下的第一个问题就是要理解其他可以影响我们的力，而这一问题要一直等到19世纪才得到解答，并且带来了两件意想不到的事。
第一件意想不到的事是，我们可见的所有现象，都由万有引力以外的另一种力支配：今天我们称之为电磁力。是这种力使物质聚集在一起，形成固体；是这种力使分子中的原子结合在一起，使原子中的电子结合，使化学物质和生命体可以运转；是这种力使我们大脑中的神经元运转，主宰我们接收外界信息的过程，以及我们的思维方式；是这种力创造了阻碍滑动物体运动的摩擦力，给跳伞运动员落地时以缓冲；是这种力制造了电动机和内燃机[9] ，使我们可以打开电灯，听收音机。
第二件事是最令人意想不到的，并且对我正在讲的故事来说至关重要。那就是，要理解这种力需要对牛顿的世界进行重要的修正：现代物理学由此诞生。要理解本书的余下内容，需要关注的最重要的概念就是场的概念。
理解电磁力的工作由两位英国人完成：科学史上最奇特的两位——迈克尔·法拉第（Michael Faraday）与詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）。
迈克尔·法拉第是个贫苦的伦敦人，没受过正式教育，最初在装订厂工作，后来去了实验室。他十分擅长实验，由此赢得了雇主的信任，并逐步成为19世纪最出色与最有创见的实验物理学家。虽然不懂数学，但他写出了物理学最伟大的著作之一，其中居然真的不包含方程。他用心灵之眼审视物理学，创造世界。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦则是个富有的苏格兰贵族，也是当时最伟大的数学家之一。尽管他们两人的知识类型与社会出身不同，但他们理解彼此。他们结合了彼此的天才，开启了通往现代物理学的道路。
图2.3 迈克尔·法拉第与詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
在18世纪初期，人们关于电和磁已知的只有一些小把戏：吸引纸屑的玻璃棒；相互排斥与吸引的磁铁。电和磁的研究在整个18世纪都进展缓慢，到了19世纪，法拉第在伦敦一个摆满线圈、针、小刀、铁笼的实验室里工作，研究电磁物体的吸引与排斥。作为牛顿学说的信奉者，他尝试理解带电物体和磁体的相互作用。但渐渐地，通过与这些东西的密切接触和双手的指引，他获得了一种直觉，而那将会成为现代物理学的基础。他“看见”了一些全新的东西。
他的直觉是这样的：我们不应该像牛顿假设的那样，认为物体之间是直接相互作用的。我们应该认为，存在某种电磁体激发的实体布满空间，并且作用在物体上（推或拉）。法拉第凭直觉知道的这种实体，今天我们称之为“场”。
那么场到底是什么呢？法拉第把它看作很多束非常细（无穷细）的线，充满空间；就像是巨大的隐形蜘蛛网，填满我们周围的一切。他把这些线称作“力线”，因为从某个角度来说，这些线“承载了力”：它们把电磁力从一个物体传递到另一个物体，就像伸缩的电线一样（图2.4）。
带电物体（比如摩擦过的玻璃棒）会使它周围的电磁场（线）弯曲，这些场反过来会对其中的带电物体产生力的作用。两个带电物体不会直接互相吸引或排斥，而要经由它们之间的媒介。
如果你用手拿两块磁铁，反复地把它们放在一起又拉开，感受其斥力与引力，“感受”到磁铁之间的场对其的作用，就不难理解法拉第的直觉了。
图2.4 场线充满空间。两个带电物体通过它们相互作用，两个物体的力通过场的力线“传递”。
与牛顿提出的遥远物体之间的力的概念相比，这是个截然不同的观念，但会让牛顿也很感兴趣。牛顿对于他本人所引入的超距作用也感到困惑。地球是如何吸引如此遥远的月球的呢？太阳是如何不与地球接触，就有引力的呢？他在一封信中写道：
无生命无意识的物质，可以在没有其他非物质因素介入的情况下，对其他物质起作用，在没有互相接触的情况下产生影响，这实在是不可思议。
在信的后面，我们也会发现：
引力是物质内在固有、必不可少的，因此一个物体可以穿越真空对远处的另一物体产生影响，在没有任何媒介的情况下，其作用和力可以从一个物体传到另一物体，这一点对我来说十分荒谬，我相信任何有能力进行哲学思考的人都不会如此认为。引力一定是由某一媒介根据特定法则持续产生作用的，至于这种媒介是物质还是非物质，就留给我的读者思考了。
牛顿认为他的杰作十分荒谬，而后世却将其盛赞为科学的终极成就。他意识到在其理论背后一定存在某种别的东西，但他不知道那会是什么，于是把这个问题“留给读者思考”。
能够意识到自己发现中存在的局限是一种天才，即使是像牛顿这样伟大的发现——力学定律和万有引力。牛顿的理论极其出色，整整两个世纪都没有人会自寻烦恼去提出质疑——直到法拉第，牛顿的读者，读到了牛顿提出的悬而未决的问题，并找到了解答问题的关键，以合理的方式解释了不相邻物体间是如何吸引与排斥的。爱因斯坦之后将会把法拉第的绝妙办法应用到牛顿的引力理论中。
引入新的实体——场——使法拉第完全背离了牛顿简洁优美的本体论：世界不再只由在空间中随时间流逝而运动的粒子组成。一名新演员——场——登上了舞台。法拉第意识到了他迈出的这一步的重要性。他的书中有很多优美的篇幅都在发问，这些力线是否真实存在。经过怀疑与思考后，他得出结论，认为它们真的存在，但是“在面对最深刻的科学问题时，要有必要的犹豫”。他意识到他想要表达的，是在牛顿物理学连续成功两个世纪后，对世界的结构进行修正。
麦克斯韦立刻意识到这个观念如金子一般可贵。他把法拉第仅用寥寥数语解释的洞见，转述成了一整页方程[10] 。这些方程现在被称为麦克斯韦方程组，它们描述了电磁场的特征，是法拉第力线的数学表达。[11]
图2.5 法拉第和麦克斯韦的世界：随着时间流逝，粒子和场在空间中运动。
今天，麦克斯韦方程组每天都被用来描述电磁现象，设计天线、收音机、电动机与电脑。但这还不够，这些方程还需要解释原子如何运动（它们被电磁力结合在一起），形成石头的物质微粒为何会黏合在一起，以及太阳如何活动。它们可以描述各种各样的现象。我们所见的几乎一切——除了引力以外——都可以用麦克斯韦方程组很好地进行描述。
此外还有更多的内容。包括也许是科学最美妙的成就：麦克斯韦方程组会告诉我们光是什么。
麦克斯韦意识到，他的方程预言法拉第的力线可以振动起伏，就像海浪一样。他计算了法拉第力线波动的传播速度，结果竟然……与光速相同！为什么呢？麦克斯韦领悟到：因为光只不过是法拉第力线的飞速振动！法拉第和麦克斯韦不仅解决了电与磁如何运动的问题，与此同时作为一个副产品，他们也指出了光是什么。
我们看到的世界是多彩的，那么颜色是什么呢？简单来说，它是光作为电磁波的频率（振动的速率）。如果波振动得更快，颜色就会偏向蓝色；如果振动得慢一些，就会偏向红色。我们感知的颜色是由视觉神经产生的反应信号，可以辨别不同频率的电磁波。
我很好奇，当麦克斯韦意识到他的方程本来是要描述法拉第实验室中的线圈和小磁针，结果却解释了光与颜色的本质时，他会做何感想。
光只不过是网状的法拉第力线的快速振动，就像风吹过湖面时的波纹。我们并非“无法看到”法拉第力线，我们是只能看到振动的法拉第力线。“看见”就是感知到光，光是法拉第力线的运动。如果没有东西传输它们的话，任何物体都不会从空间中的某一位置移动到另一位置。我们之所以能看到沙滩上玩耍的孩子，是因为在孩子与我们之间存在振动着的力线，把孩子的影像传递给我们。这样的世界难道不神奇吗？
这个发现十分惊人，但还有更神奇的。这个发现的最终结果对我们而言有着巨大的实用价值。麦克斯韦认识到，他的方程组预言法拉第力线也能够以更低的频率振动，即比光慢得多的频率。因此，必然存在着由带电物体运动产生的没有人能够看到的其他波动，也会使其他带电物体运动。使一个带电物体振动，必然可以激发电磁波，进而产生电流。仅仅几年过后，由麦克斯韦从理论上预测的这些波，就被德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）发现；又过了几年，伽利尔摩·马可尼（Guglielmo Marconi）制造出了第一台收音机。
全部的现代通信技术——收音机、电视、电话、电脑、卫星、Wi-Fi、网络等——都是麦克斯韦预言的应用；麦克斯韦方程组是电信工程师进行一切计算的基础。以通信为基础的现代世界，源自一个贫穷的伦敦装订工的灵感——充满想象力的奇思妙想——他用心灵之眼看到了那些线条，一个出色的数学家把这一观点转述成了方程，领悟到眨眼间这些线的波动就可以把信息从地球的一端传递到另一端。
图2.6 世界由什么构成？
我们现今的全部技术都基于电磁波这一物理实体的应用，它并非通过实验被发现，而是来自麦克斯韦的预言，并且起初仅仅是为了寻找一种数学描述来解释法拉第从线圈和小磁针那里得到的灵感。这就是理论物理学的巨大威力。
世界已经改变，它不再只是由空间中的粒子组成，而是由空间中的粒子和场组成。这看似一个微小的改变，但几十年以后，一个年轻的犹太人、世界公民，会得出远远超过法拉第已然杰出的想象力的结论，并且从核心深处撼动牛顿的世界。