历史悠久的原子论：有可能引领我们建立量子引力论

根据传说，在公元前450年，为了逃离一个突然陷入政治动荡的繁荣希腊城市，一名男子从安纳托利亚的米利都出发，经过了400英里的海上航行，到达了色雷斯的阿夫季拉。这将是知识史上的一次至关重要的旅程。这个旅行者的名字叫留基伯;人们对他的生平知之甚少，但事实证明他的智慧精神却是不可磨灭的。他写了《大宇宙学》一书，在书中他提出了关于世界的暂时和永久方面的新观点。当他到达阿夫季拉时，留基伯建立了一所科学和哲学的学校，他很快就与一个年轻的门徒德谟克利特建立了联系，这个年轻的门徒给后来所有时代的思想都造成了重大的影响。

这两位思想家共同建造了雄伟的古代原子主义。留基伯是老师，德谟克利特则是一位伟大的学生，他在各个知识领域都写了几十部作品，这些作品为古代人所熟知，他也深受古代人们的尊敬。塞内卡称他为“最狡猾的古人。”西塞罗问道：“就伟大而言，还有谁能与他相比?不仅仅能与他的天才相比、还能与他的精神相比?”

留基伯和德谟克利特当时已经知道：世界是可以用理性来理解的。他们相信，自然现象的多样性一定是由某种简单的东西引起，他们也试图理解这种东西可能是什么，他们设想了一种构成万物的基本物质。米利都的阿那克西米尼曾设想这种物质可以压缩并纯化，从构成世界的一种元素变成构成世界的另一种元素。这就是物理学的第一个萌芽，粗略而基本，但方向是正确的。把握世界的潜在秩序需要一个想法，一个伟大的想法，一个宏伟的愿景，而留基伯和德谟克利特提出了这个想法。

德谟克利特体系的思想极其简单：整个宇宙是由无限的空间构成的，无数原子运行在这些空间中。空间是无限的，它既没有上面的也没有下面的;它没有中心，也没有边界。原子除了形状以外，没有别的性质。它们没有重量，没有颜色，没有味道。德谟克利特说：“甜蜜是感觉，痛苦是感觉;热、冷和颜色都是感觉：现实中只有原子和真空，”。原子是不可分割的;它们是现实的基本颗粒，不能再往下细分，一切都是由它们构成的。它们在空间中自由移动，相互碰撞，相互连接，相互推拉。相似的原子会相互吸引并结合。

这就是世界的组成，这就是现实。其他的一切只不过是这种运动和原子结合的随机的、偶然的副产品。世界各种物质的无限多样性完全是由原子的这种结合而来的。

当原子聚合时，唯一重要的，唯一存在于基本能级的，是它们的形状，它们的排列，以及它们结合的顺序。根据德谟克利特的比喻，这就像把字母表中的字母以不同的方式组合在一起，我们就可以得到喜剧或悲剧、荒诞的故事或史诗一样，基本原子的组合产生了这个世界的无穷无尽的多样性。

在这无穷无尽的原子之舞中，没有结局，没有目的。我们就像自然界的其他部分一样，是这个无限舞蹈的众多偶然组合产物之一。大自然继续试验各种形式和结构的原子组合;而我们就像动物一样，是一个选择的产物，这个选择是随机的，也是偶然的，并且经过了漫长的时间。我们的生命是原子的组合，我们的思想是由细原子组成的，我们的梦想也是原子的产物;我们的希望和情绪都是用原子组合形成的语言书写的;我们看到的光是由原子组成的，它给我们带来了图像。海洋是由原子构成的，就像我们的城市和星星一样，这些都是由原子构成的。这是一个巨大的愿景：无限的，难以置信的简单，难以置信的强大，一个文明的知识将建立在此之上。

在此基础上，德谟克利特写了几十本书，阐述了一个庞大的系统，涉及到物理学、哲学、伦理学、政治学和宇宙学的问题。他讨论了关于语言的本质，宗教，人类社会的起源，以及其他很多东西。但所有的这些著作都丢失了，我们只有通过其他古代作家的引文和参考文献，以及他们对他思想的总结，才得以了解他的思想，由此浮现出来的思想是一种强烈的人文主义、理性主义和唯物主义。

德谟克利特将受到自然主义明晰(在这种明晰中，神话思想的每一个残余体系都被清除掉了)启发的对自然的敏锐关注，和对人性的高度关注以及对生命的深刻伦理关怀结合了起来——他在大约2000年前就预见到了18世纪启蒙运动的正面影响。德谟克利特的伦理理想是通过节制和平衡，相信理性，不让自己被激情所压倒，从才能达到内心的宁静。

柏拉图和亚里士多德就对德谟克利特的思想很熟悉，并与它们进行了斗争。他们这样做是为了代表其他思想，虽然其中一些思想后来在几个世纪中阻碍了知识的增长，但这些所有的思想都坚持拒绝德谟克利特的自然主义解释，而试图使用终极因论来解释世界——终极因论相信，每件发生的事都有一个目的，但对于理解大自然的方式、或者善与恶来说，这个思维方式将会揭示其本身是非常具有误导性的，它将人类问题与一些和人类不相关的问题混淆了起来。

亚里士多德对德谟克利特的观点进行了广泛的论述，并带着敬意，但柏拉图却从未引用过德谟克利特的著作，今天的学者们怀疑这是柏拉图经过深思熟虑的选择，而不是因为他对德谟克利特的作品缺乏认识。柏拉图在几篇文章中隐含着对德谟克利特思想的批判，比如在他对“物理学家”的批判中。在《斐多篇》里，柏拉图让苏格拉底对所有的“物理学家”进行谴责。他抱怨说，当“物理学家”解释地球是圆的时候，他反对了这个观点，因为他想知道如果地球是圆的话那有什么好处?地球是圆的话会给地球带来多大的好处?伟大的柏拉图在这一点错的是多么地离谱!

20世纪下半叶最伟大的物理学家理查德·费曼在他关于介绍物理学的精彩讲座的开头写道：

如果在某一场大灾难中，所有的科学知识都受到了摧毁，只有一句话能传递给下一代生物，那么，可以用最少语言来表达最多信息的会是什么呢?我相信这是原子假说，或原子事实，或者你想怎么称呼它都可以：一切事物都由原子组成，这些被称为原子的小颗粒在永恒的运动，当它们之间间隔着小段距离的时候它们会彼此吸引，但当一个原子被挤到另一个原子的时候它们会相互排斥。只要运用一点点想象力和思维，那么在这一句话中你就会看到关于这个世界的大量信息。

德谟克利特不需要利用现代物理学中的任何东西就已经得出了这样的观点：一切事物都是由不可分割的粒子组成的。他部分是基于观察来组织论证的;例如，他正确地设想了轮子磨损，或衣服在绳子上晾干，可能是由于木头或水的粒子缓慢地飞散所致。但他也有哲学上的论据。让我们详细讨论一下这些，因为它们的效力能一直延伸到量子引力。

德谟克利特观察到，物质不可能是一个连续的整体，因为“物质可能是一个连续的整体”这样的命题中存在一些矛盾。我们之所以知道德谟克利特的推理得益于因为亚里士多德的报告。德谟克利特说，想象一下，如果物质是可以无限被细分的话，也就是说它可以被分解无数次，你再想像一下，如果你无限地分解一块物质，你还剩下什么?

幸存下来的会是扩展维度的小粒子吗?不会，因为如果是这样的话，那块物质就不会被无限分解。因此，只有没有扩展维度的点会留下来。但现在让我们试着从这些点出发，把那块物质重新拼凑出来：把两个没有延展的点放在一起，你不能得到一个有延展的东西;把三个没有延展的点放在一起，你也不能得到一个有延展的东西;把三个没有延展的点放在一起，你还是不能得到一个有延展的东西;把四个没有延展的点放在一起，你依然不能得到一个有延展的东西。实际上不管你把多少个点放在一起，你永远不会有扩展，因为点本身就没有扩展。所以我们不能认为物质是由没有扩展的点构成的，因为无论我们设法把多少这些点加在一起，我们永远也得不到具有扩展维度的东西。德谟克利特得出的结论是，唯一的可能性是任何物质都是由有限数量的、不可分割的独立碎片组成的，每一个碎片都有有限的大小，即：原子。

这种微妙的论证方式起源要早于德谟克利特。它来自意大利南部的西兰托地区一个现在被称为Velia的小镇，在公元前5世纪它是一个繁荣的希腊殖民地，叫做Elea。这里是巴门尼德的故乡，这位哲学家对米利都的理性主义及其理念——理性可以向我们揭示事物如何可能不是它们呈现出来的那样——深信不疑(也许有些言过其实)。

巴门尼德只通过纯粹的理性就探索出了一条通向真理的道路，这条道路使他宣称所有的表象都是虚幻的，从而也开辟了一条逐渐走向形而上学的道路，并使它自己与后来被称为“自然科学”的东西渐行渐远。他的学生齐诺也来自Elea，他提出了一些微妙的论点来支持这种基要主义的理性主义，从根本上驳斥了表象的可信性。在这些论点中，有一系列悖论被称为“齐诺的悖论”，这些悖论试图证明所有的表象都是虚幻的，它们认为普通的运动概念是荒谬的。

齐诺最著名的悖论以一个简短的寓言的形式呈现出来：乌龟挑战阿喀琉斯，要和阿喀琉斯赛跑，乌龟以领先10米的优势开始比赛。阿喀琉斯能追上乌龟吗?齐诺认为，严格的逻辑表明，他永远无法赶上乌龟。在追上乌龟之前，阿喀琉斯需要跑完10米，为了做到这一点，他需要一定的时间，而在这段时间里，乌龟会前进几厘米，要跑完这几厘米，阿喀琉斯又得多花点时间，但与此同时，乌龟又会往前走，如此往复，永无止境。因此，阿喀琉斯需要无限次这样的时间才能赶上乌龟，而齐诺认为，无限次的时间就是无限的时间。但是，由于我们确实会看到敏捷的阿喀琉斯想超赶多少只乌龟就超赶多少只乌龟，因此，我们所看到的是不合理的，这些表象是虚幻的。

老实说，这很难令人信服。错误在哪里?一个可能的答案认为齐诺是错的，因为积累无限多的东西不等于会得到无限的东西。想象一下拿一根绳子，把它切成两半，然后再切成两半，以此类推。最后，你会得到无限数量的小串;然而，它们的和是有限的，因为它们加起来只能等于原始绳子的长度。因此，无限多的短绳子可以组成有限的绳子;同理，无限多的短时间也可以组成有限的时间，所以即使阿喀琉斯要走无限多、无限小的距离，所花的时间也是有限的，最终他会赶上乌龟。在数学中，我们称之为收敛级数。

这一矛盾似乎得到了解决，解决办法在于连续体的概念——任意小的时间可以存在，但无限的小时间会构成有限的时间。亚里士多德是第一个凭直觉知道这种可能性的人，这种可能性后来由古代数学和现代数学发展起来。但这真的是现实世界中正确的解决方案吗?任意短的绳子真的存在吗?我们真的可以以任意次数切割一根绳子吗?无限小的时间段存在吗?这些并不是很久以前亚里士多德思考的问题。它们正是现代物理学家在试图创立量子引力理论时所面临的问题。量子引力理论试图将阿尔伯特•爱因斯坦广义相对论的大尺度规则与量子力学的微小距离相结合起来。

根据传说，齐诺遇到了留基伯，并成为了他的老师。留基伯因此对齐诺的悖论很熟悉。但他想出了一种不同的解决办法。留基伯认为，也许没有任意小的事物存在：可分割性有一个较低的限制。宇宙是粒状的，不是连续的。对于无限小的点，是不可能构造出延展的——就像德谟克利特在亚里士多德之前的论述中提到的那样。因此，绳子的扩展必须由有限数量、有限大小的有限对象构成。绳子不能被切断任意次;物质不是连续的，它是由有限大小的单个“原子”组成的。

不管这个抽象的论点是否正确，但正如我们今天所知道的那样，它的结论包含了大量的真理。物质确实具有原子结构。如果我把一滴水分成两半，我就得到两滴水，我可以把这两滴中的每滴再分开，以此类推，但我不可能永远地继续下去。在某一点，我只会剩下一个分子，然后就不能再细分了。没有一滴水比一个水分子还小。

关于物质原子性质的证据已经积累了几个世纪，其中大部分来自化学。化学物质是由几种元素的组合而成，并由给定整数的比例(或重量)所构成的。化学家们已经建立了一种把物质看作是由固定原子组合构成的分子所组成的方法。例如，水——H2O——由两个氢和一个氧组成。

但这些仅仅只是线索。在上个世纪初，许多科学家和哲学家仍然认为原子假说并不可信。其中包括著名的物理学家和哲学家恩斯特·马赫，他的太空思想对爱因斯坦造成了重大影响。在路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)在维也纳帝国科学院(Imperial Academy of Sciences)的一次演讲结束时，马赫曾公开宣称：“我不相信原子存在!”

那是在1897年。许多人，比如马赫，只把化学符号理解为总结化学反应规律的一种传统方法，而不是把它们作为证明确实存在由两个氢原子和一个氧原子组成的水分子的证据。他们会说，你看不到原子，原子永远不会被发现，然后，他们还会问，一个原子有多大?德谟克利特就没能测量他的原子的大小。

但其他人可以。“原子假说”的最终证明最后在1905年才出现。这是一位25岁的叛逆青年发现的，他学过物理，但没能找到科学家的工作，靠在伯尔尼的专利局工作勉强糊口。在我的新书中，我谈到了很多关于这个年轻人的事情，以及他寄给当时最负盛名的物理杂志《物理年鉴》(Annalen der Physik)的三篇文章。这些文章中的第一篇包含了原子存在的确凿证据，并计算出了原子的尺寸大小，解决了23世纪前留基伯和德谟克利特提出的问题。

这个25岁的年轻人的名字显然是阿尔伯特·爱因斯坦。

他的方法出奇地简单。从德谟克利特时代起，如果任何人能有爱因斯坦那样的聪明才智和对数学充分的掌握，以及能够做出那样困难的计算的话，那任何人都能找到这个证据。这个方法是这样的：如果我们仔细观察悬浮在静止空气或静止液体中的非常小的颗粒的话，比如一粒灰尘或一粒花粉，我们就会看到它们在颤抖和跳舞。在这种颤抖的推动下，它们会任意地以之字形曲折移动，慢慢地漂移，逐渐远离它们的起点。粒子在流体中的这种运动被称为布朗运动，以19世纪生物学家罗伯特·布朗的名字命名。这就好像小颗粒受到了来自两边的随机撞击。不，这不是“好像”它被撞击了，它是真的被撞击了，它之所以会颤抖是因为它受到空气中的单个分子的撞击，这些分子会从左右两边与粒子碰撞。

微妙的是空气中有大量的空气分子。平均来说，从左边撞击颗粒的数量和从右边撞击颗粒的数量一样多。但如果空气中的分子无限小，分子数量无限多，那么左右撞击的影响就会在每一时刻保持平衡，这样的话颗粒就不会移动。但分子的有限大小，和实际上这些分子的有限数量，才会导致波动(这是关键词)，也就是说，碰撞永远不会完全平衡，他们只是大概平衡。想象一下，如果分子的数量非常少但体积非常大，那么显然这种颗粒只是会偶尔受到撞击：先是右边一下，然后左边一下，在两次碰撞之间，它会移动很大程度的一段距离，就像男孩子们在操场上跑来跑去踢足球一样。分子越小，碰撞的间隔越短，不同方向的碰撞相互抵消的效果越好，颗粒移动得也就越少。

只要稍作一些数学计算，就可以从可观察的颗粒运动反推出分子的大小。爱因斯坦在25岁的时候就完成了这个计算。通过观察在流体中漂移的颗粒，通过测量这些“漂移”的距离——即从一个位置移动到另一个位置——他计算出了德谟克利特原子的尺寸，即构成物质的基本颗粒的尺寸。2300年之后，爱因斯坦终于证明了德谟克利特的洞察力是正确的：物质是颗粒状的。

“在世界消失的那一天之前，崇高卢克莱修的作品是不会消亡的，”奥维德写道。我常常认为，德谟克利特全部作品的丢失，是继旧古典文明崩溃之后最悲哀的文化悲剧。我们只剩下西方思想赖以为基础的亚里士多德思想，而德谟克利特什么都没留下。或许反过来，如果德谟克利特的所有著作都幸存了下来，而亚里士多德的著作都被毁灭了的话，那么我们文明的思想史可能会更好。但是一神论长达几个世纪的统治并不允许德谟克利特的自然主义得以幸存。

古代学校(如雅典和亚历山大港)的关闭，和所有不是按照基督教观念的文本的毁灭，是广泛的和具有系统性的，当时正值反异教徒野蛮镇压活动，随后皇帝狄奥多西一世在公元390 - 391年又颁布了一条法令，宣布基督教是唯一和帝国的宗教义务。对于胜利的基督教来说，柏拉图和亚里士多德这些相信不朽灵魂或原动力的异教徒还尚可以容忍，但基督教的眼里却容不下德谟克利特。

但是，一份文本在这场灾难中幸存了下来，并完整地到达了我们手中。通过它，我们对古代的原子论有了一些了解，最重要的是，我们了解了那门科学的精神。这是拉丁诗人卢克莱修(Lucretius)的一首美妙的诗，《自然的本质》(the Nature of Things, or On the Nature of the Universe)。

卢克莱修坚持伊比鸠鲁的哲学，而伊比鸠鲁又是德谟克利特一个弟子的弟子。伊比鸠鲁对伦理问题比对科学问题更感兴趣，而且他也没有德谟克利特那样的深度。他对德谟克利特原子论的翻译有时有些肤浅，但他对自然界的看法实质上也是阿夫季拉伟大的哲学家的观点。卢克莱修把伊比鸠鲁的思想和德谟克利特的原子论藏在诗的字里行间，通过这种方式，这门深奥哲学的一部分得以在黑暗时代的知识灾难被拯救出来。卢克莱修歌颂原子、海洋、天空和大自然，他用明亮的诗句来表达哲学问题，科学观点和精炼的论点：

我将解释大自然驱动太阳和月亮运动的力量，这样我们就不会再想象它们在天地之间根据它们的自由意志进行年度赛跑，或者在一些神圣计划的帮助下不停转动。

这首诗的美在于弥漫在广阔的原子主义观点中的惊奇感，万物深刻统一的感觉，这些感觉来源于一种认识：和星星、大海一样，我们都是由相同的物质构成的：

我们都是从天上来的。所有人都有同一个父亲，地球母亲从他那里得到了滋养万物的雨点。她就这样完成了受精，生出了笑盈盈的庄稼和生机勃勃的树木，生出了人类和各种动物。正是她提供了他们赖以为生的食物，让他们过着快乐的生活，不断繁衍。

诗歌深深地接受了我们是一个整体的生活：

难道你看不出大自然只要求两个东西吗?一个是没有痛苦的身体，一个是没有忧虑和恐惧、为的是享受愉快的心灵。

人们平静地接受死亡是不可避免的，它消除了一切邪恶，没有什么好害怕的。对卢克莱修来说，宗教是无知的：理性是启蒙的火炬。

在卢克莱修的手稿被遗忘了几个世纪后，1417年1月，人文主义者波吉奥·布拉西奥利尼(Poggio Bracciolini)在德国一座修道院的图书馆里重新发现了它。在重新发现弗朗切斯科·彼特拉克(Francesco Petrarch)的作品之后，波吉奥曾担任过许多教皇的秘书，同时他也是一位狂热的古籍收藏家。他重新发现昆体良的一篇文章，改变了整个欧洲学院法律研究的进程;他还重新发现了维特鲁威对建筑学的论文，改变了设计和建造精美建筑的方式。但他最重大的发现是重新发现了卢克莱修的作品。

波吉奥发现的真正的抄本已经丢失，但他的朋友尼科洛·尼科利(Niccolo Niccoli)制作的抄本(现在被称为《劳伦齐亚诺法典》35.30’)仍完整地保存在佛罗伦萨的劳伦齐亚纳图书馆(Biblioteca Laurenziana)中。当波吉奥把卢克莱修的书还给人类的时候，人们已经为新的东西做好了准备。《万物本性论》的重新发现对意大利和欧洲文艺复兴产生了深远的影响，它的回声直接或间接地回响在从伽利略到约翰内斯·开普勒、从弗朗西斯·培根(Francis Bacon)到尼克洛·马基雅维利(Niccolo Machiavelli)等作家的作品中。在波吉奥重新发现其著作的一个世纪之后，原子在威廉·莎士比亚的《罗密欧与朱丽叶》中华丽登场：

茂丘西奥：噢，那么我看麦布王后和你在一起了。她是仙女的接生婆，她来了

她的形状比玛瑙还要小

在一个总督的食指上，

用一个个原子画成

在男人睡着的时候横过他们的鼻子。

从那时起，卢克莱修斯的影响开始延伸到艾萨克·牛顿、约翰·道尔顿、巴鲁克·斯宾诺莎、查尔斯·达尔文，一直到爱因斯坦。原子的存在是由浸没在流体中的微小粒子的布朗运动揭示出来的，这一观点可以追溯到卢克莱修。卢克莱修在一篇文章中为原子的概念提供了“活生生的证据”：

注意观察阳光进入建筑物并照射到阴暗的地方时会发生什么：你会看到许多微小的粒子以各种各样的方式混合在阳光中，这些粒子就像在永恒的冲突中不断战斗，一排一排地冲入战场，在迅速的结合和分裂中一刻也没有停顿。从这个场景中，你可以想象到原子永远在无限的虚空中移动会是什么样子的……它们的跳动实际上是隐藏在我们视线之外的物质基本运动的一个实际迹象。在那里，你会看到许多粒子在看不见的撞击下向这个方向或那个方向改变或重新回到它们的运动轨道上。你必须明白，它们的这种骚动都是从原子中衍生出来的，它起源于原子本身的运动。

爱因斯坦重新提出了卢克莱修提出的证明(很可能是德谟克利特最先提出的)，并将其转化为数学术语，从而成功地计算出了原子的大小。

天主教试图阻止卢克莱修：在1516年12月的佛罗伦萨宗教会议上，它禁止在学校阅读卢克莱修的作品。1551年，特伦特议会也禁止了他的作品。但那时候已经为时已晚。被中世纪基督教原教旨主义扼杀掉的一个完整的世界观正在重新出现在一个重新睁开眼睛的欧洲面前。在欧洲，被提出的不仅仅是卢克莱修的理性主义、无神论和唯物主义;这不仅仅是对世界之美的一种明亮而宁静的沉思，它不仅如此：它是对现实的一种清晰而结构复杂的思考，它是一种新的思维方式，与几个世纪以来的中世纪思维模式有着根本的不同。

但丁所美妙歌颂的中世纪宇宙，其解释基于宇宙的等级结构，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;人间与天堂之间不可约的分离;自然现象的终结性和隐喻性解释;敬畏神，惧怕死亡;对自然关注甚少;认为先于事物形成的形式决定了世界的结构;知识的源泉只能在过去，在启示和传统中。

但在卢克莱修所歌颂的留基伯和德谟克利特的世界里却没有这些。在这个世界里没有对神的恐惧;世界上没有尽头或目的;没有宇宙阶级;人间与天堂没有区别。对自然有一种深深的爱，一种宁静的沉浸;深刻地认识到我们是其中的一部分;男人、女人、动物、植物和云彩都是一个奇妙整体的有机成分，没有等级制度。在德谟克利特那句精彩的话之后，人们产生了一种深刻的普世主义感觉：“对一个聪明人来说，整个地球都是开放的，因为对于一个高尚的灵魂来说真正的国家是整个宇宙。”

这个世界中还有一种野心，就是能够以简单的方式思考这个世界。能够探索和理解自然的秘密。比我们的父母知道的更多。在这之上伽利略、开普勒和牛顿将建立一些非凡的概念工具：空间中自由直线运动的概念;基本物体及其相互作用的概念，及其构成的世界;空间是世界的容器。

这个世界中还有一个简单的概念，即事物的有限可分性——世界的颗粒性。这个想法是原子假说的基础，但它在量子力学中以增强力的形式回归。能量只能以离散的单位移动，我们可能还会发现空间和时间同样由它们自己的基本单位组成。将德谟克利特的原子哲学引入现代物理学，对于调和广义相对论(假定存在一个连续的现实)和量子力学(在很大程度认为现实并不连续)可能至关重要。

将相对论和量子力学合并成一个新的量子引力理论将会把物理学提升到一个新的水平，也将达成一个非常有吸引力的历史里程碑。爱因斯坦关于布朗运动的论文受到原子主义的启发，但他的相对论又来自马赫的反原子哲学。一旦有了量子引力，最后一道屏障将会倒塌，卢克莱修之歌将会响彻整个物理学。

                                                                                                                               ——Carlo Rovelli