从杠杆到量子 · 一部按时间走的物理学终章 / 终章
终章

物理学的今天

2024 年的诺贝尔物理学奖颁给了人工神经网络的先驱。从这个奖出发，看看物理学今天在做什么，还有哪些问题没有答案，以及读完这门课之后可以往哪里走。

阅读约 30 分钟两个可以动手的演示公式：2 个
序章终章终章

时代速写斯德哥尔摩的三个十月

2024 年 10 月 8 日，瑞典皇家科学院宣布，当年的诺贝尔物理学奖授予普林斯顿大学的约翰·霍普菲尔德（John J. Hopfield）和多伦多大学的杰弗里·辛顿（Geoffrey Hinton），理由是他们“为利用人工神经网络进行机器学习”做出了基础性的发现和发明1。

新闻稿的标题很直白，说他们用物理学训练了人工神经网络1。辛顿在新闻发布会上说，他惊呆了，完全没想到会是这样2。第二天，化学奖的一半颁给了 Google DeepMind 的哈萨比斯和江珀，表彰预测蛋白质结构的 AI 程序 AlphaFold3。连续两天，两个基础科学大奖都落在了人工智能身上。

此后的两个十月，物理学奖又回到了更“传统”的地方。2025 年的奖给了克拉克、德沃雷和马蒂尼斯，因为他们在电路里看到了宏观尺度的量子隧穿，这是第 37 章量子计算机的物理基础4。2026 年 10 月 6 日，也就是这一章写成的前两天，奖给了比利时出生的物理学家弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），表彰他推动在南极冰层里建造冰立方中微子天文台，并发现了来自宇宙深处的高能中微子5。

三届奖放在一起，差不多就是今天物理学的三张面孔。它把自己的工具借给别的领域，它不断变成新的技术，它也组织成千上万人去回答宇宙里最基本的问题。这是全课的最后一章。我们从 2024 年的奖讲起，再看还没解决的问题、今天的物理学怎样组织起来，然后回头把七条线从头走一遍。

  • 1982霍普菲尔德发表联想记忆网络，只用了 30 个节点6。
  • 1983—1985辛顿与谢诺夫斯基等人提出玻尔兹曼机7。
  • 2012大型强子对撞机发现希格斯粒子，数据分析里用到了人工神经网络7。
  • 20159 月 14 日，LIGO 第一次探测到引力波8。
  • 20169 月 25 日，500 米口径球面射电望远镜（FAST）在贵州平塘落成启用9。
  • 2022瑞士的托卡马克 TCV 上，AI 第一次直接控制了聚变等离子体10。
  • 2024物理学奖与化学奖都和人工智能有关1,3。
  • 2025江门中微子实验正式运行11；物理学奖授予电路中的宏观量子隧穿4。
  • 2026物理学奖授予冰立方与天体高能中微子的发现5。

1982 — 2024把记忆放进能量地形

先说清楚问题。你想记住一个不常用的词，脑子里先冒出几个相近的，“斜坡”“阶梯”，然后才想到正确的那个。只给出一部分线索，大脑就能找回整段记忆。计算机能不能做到这一点？1960 年代末一些悲观的理论结果，让很多研究者认为人工神经网络不会有什么用6。

1982霍普菲尔德：一块会记事的“磁铁”

霍普菲尔德原本是做固体物理的12，后来用物理的眼光去研究分子生物学。1980 年他离开普林斯顿，去加州理工当化学与生物学教授，在那里能自由地用计算机做实验6。他从磁性材料里得到了灵感。材料里每个原子都有自旋，像一块小磁铁；相邻的小磁铁互相影响，会自发排成方向一致的一片片区域6。很多小东西凑在一起，会出现单个零件身上看不到的集体行为。他问：大量神经元凑在一起，会不会也冒出“计算”的能力？7

他的网络里，每个节点只能取两个值，像黑白图片的一个像素。节点两两相连，连接有强有弱。存一张图，就是按这张图调整连接：两个像素在图里颜色相同，它们之间的连接就加强，颜色相反就减弱。这条规则来自心理学家赫布 1949 年的设想，神经元一起活动，连接就会变强6,7。然后，他给整个网络定义了一个“能量”：

E = −½ Σ wij si sj
si
第 i 个节点的状态，取 +1 或 −1（白或黑；霍普菲尔德原文用 1 和 0，道理相同）
wij
节点 i 和 j 之间连接的强度，正数表示“希望同色”，负数表示“希望异色”
Σ
把所有成对的节点加起来
E
网络的能量。每一对“如愿以偿”的节点都让 E 变小
读法：E 越低，网络越“舒服”。按存储规则调好连接以后，存进去的那几张图恰好落在能量的谷底。这个式子和物理学家计算一块铁磁体里小磁铁排列能量的式子是同一个7。

回忆的时候，先给网络一张残缺或带噪声的图，然后一个一个地检查节点，如果翻转这个像素能让能量降低，就翻转它，一直做到再也降不下去为止6。能量在这个过程中只降不升7。霍普菲尔德把它比作一个小球在有摩擦的山谷地形里滚动，它会滚进最近的那个谷底停下来6。谷底就是记忆。

下面的网络有 8 × 8 = 64 个节点，存了三张图。选一张，加上噪声，再看它能不能自己“想起来”。

霍普菲尔德网络的回忆演示 1 · 加噪声，再让能量往下走

多试几次会发现，噪声在 25% 左右时，网络几乎总能找回原图；噪声加到 40% 以上，它有时会滚进另一张图的山谷，或者停在一张谁也不像的“伪记忆”上。霍普菲尔德的网络能同时存好几张图并分开它们，但能存的数量有限6,7。后来物理学家用研究“自旋玻璃”（一种磁性杂乱无序的材料）的数学，算出了这类网络的存储容量7。

1982 年的论文只用了 30 个节点，两两相连共 435 条连接，总参数不到 500 个。霍普菲尔德也试过 100 个节点，但他当时用的计算机算不动。今天的大型语言模型，参数可以超过一万亿6。

1983 — 1985辛顿：给网络加上温度

霍普菲尔德发表论文时，辛顿在匹兹堡的卡内基梅隆大学。他学过实验心理学和人工智能，想知道机器能不能像人一样，自己从例子里找出分类，而不是靠人写好规则6。他和谢诺夫斯基从霍普菲尔德网络出发，借来了第 11 章那位玻尔兹曼的统计物理6,7。

统计物理处理的是大量相似的零件，比如一盒气体里的分子。单个分子追踪不了，但可以算出某种整体状态出现的概率。玻尔兹曼给出的规律是：

P ∝ e−E / T
P
系统处于某个状态的概率
E
这个状态的能量，在网络里就是上面那个 E
T
温度。在网络里是一个人为设定的“虚拟温度”7
∝
“正比于”
读法：能量越低的状态越常出现，但能量高的状态也有机会。温度越高，高能状态出现得越多，网络就越“躁动”；温度降到零，就回到霍普菲尔德那种只往下走的网络。

这就是 1983 至 1985 年提出的玻尔兹曼机7,12。它和霍普菲尔德网络有两点不同。第一，节点按概率更新，会偶尔“往上跳”，这样就不容易困在浅浅的小坑里。第二，除了接收数据的“可见节点”，它还有一层不直接接触数据的“隐藏节点”6,7。训练时，调整连接，让训练用的那些例子在网络自由运行时出现的概率尽可能高。训练好之后，它能认出没见过但属于同一类的新例子，也能自己生成新的图案。它是最早的“生成模型”之一6。

原始的玻尔兹曼机很慢。1986 年，鲁梅尔哈特、辛顿和威廉姆斯展示了怎样用“反向传播”训练带隐藏层的网络7。1990 年代，许多研究者对神经网络失去兴趣，辛顿是坚持下来的人之一。2006 年，他和同事用一层层叠起来的玻尔兹曼机给深层网络做“预训练”，帮助开启了后来的机器学习热潮。诺贝尔委员会的介绍说，这场革命大约从 2010 年开始，靠的是海量数据和计算能力的暴涨6。

辛顿与霍普菲尔德并肩站在台上，背景是深色幕布
辛顿（左）与霍普菲尔德（右），2024 年 12 月 8 日，在斯德哥尔摩诺贝尔周的记者会上。霍普菲尔德生于 1933 年，辛顿生于 1947 年1。Arthur Petron 摄，CC BY-SA 4.0 · Wikimedia Commons

这算物理吗

奖项公布后，争论来得很快。《自然》新闻的标题是“物理学诺奖被机器学习先驱摘得”13；《自然·机器智能》的社论写道，有人在想这些获奖工作怎么归进各自的学科12。

霍普菲尔德自己的回答是，物理不在于你研究哪一类问题，而在于你怎样着手解决问题。他还说过，大脑是一个大的物理系统，它的运作原理最终必须能用物理的语言描述12。从技术上看，他的网络在形式上就等于统计物理里一种简化的磁性模型，取的是绝对零度；玻尔兹曼机则相当于把温度调到零以上，让热涨落随机地翻动这些小磁铁12。委员会主席蒙斯也提到，物理学本身早已在大量领域使用人工神经网络，比如设计有特定性质的新材料1。

辛顿在发布会上还谈到了风险。他说人类没有和比自己更聪明的东西打交道的经验，他担心这类系统最终会取得控制权2。一位物理学奖得主在获奖当天警告自己参与开创的技术，这让人想起第 36 章里核物理学家们的处境。

AI 回到物理实验室

工具借出去，也会还回来。诺贝尔委员会的科学背景文件列了一串例子7：

  • 1990 年代起，人工神经网络就是粒子物理实验的标准数据分析工具。2012 年发现希格斯粒子的数据分析里用到了它（第 42 章）。
  • 天文学里，冰立方的神经网络分析画出了银河系的“中微子图像”；开普勒任务用它找系外行星；事件视界望远镜给银河系中心黑洞成像时，也用它处理数据。

更新的一类用法是让 AI 直接操控实验装置。瑞士洛桑联邦理工学院有一台托卡马克 TCV，用磁场把几亿摄氏度的等离子体悬在真空室里，控制系统必须每秒调节线圈电压几千次，防止等离子体碰到器壁10。DeepMind 的研究者先让一个强化学习程序在等离子体模拟器里反复试错，然后把它接到真实的托卡马克上。它维持住了多种形状的等离子体，包括同时维持两团分开的等离子体。论文 2022 年 2 月发表在《自然》上10。

2025 年，LIGO 和 DeepMind 又做了一件类似的事。LIGO 的 4 千米长臂两端挂着 40 千克的镜子，海浪引起的地面震动会让镜子晃动。传统的反馈控制能压住晃动，却会像降噪耳机那样带进自己的“嘶嘶声”，正好落在 10 到 30 赫兹，这是探测更重黑洞并合的频段。新方法叫“深度回路整形”，在利文斯顿观测站的测试里，把这个频段的控制噪声比传统方法额外压低了 30 到 100 倍。研究者强调这还只是概念验证14。

别弄混：AlphaFold 得的是化学奖

2024 年化学奖的一半给了贝克的计算蛋白质设计，另一半给了哈萨比斯和江珀的 AlphaFold2。它在 2020 年发布，预测了研究者已知的几乎全部约 2 亿种蛋白质的结构，已被 190 个国家的两百多万人使用3。物理学奖表彰的是 1980 年代神经网络的物理基础，化学奖表彰的是用 AI 解决一个具体的科学难题。两者也有联系。第 38 章讲过的 X 射线晶体学，几十年里辛辛苦苦测出了约 20 万种蛋白质的结构；AlphaFold2 正是用所有已知蛋白质结构和氨基酸序列的数据库训练出来的15。

前沿六个还没有答案的问题

第 42 章结尾列过几个谜。这里把它们摊开，每个问题分成两半：我们确实知道什么，还不知道什么。这样分的好处是，你以后读到“科学家发现……”的新闻时，能判断它落在哪一半。

子弹星系团合成图：中间粉红色的热气体，两侧蓝色的质量分布
子弹星系团（1E 0657-56），两个星系团相撞后的样子。粉红色是 X 射线望远镜看到的热气体，也就是普通物质的大头；蓝色是用引力透镜（背景星系的光被质量弯折）测出的质量分布。右边那团粉红的前缘像一颗子弹头。热气体在碰撞中被拖慢，而大部分质量（蓝色）径直穿了过去，和普通物质分开了。这是暗物质存在的有力证据16。右下比例尺为 1.5 角分。NASA/CXC/M. Weiss，公有领域 · Wikimedia Commons

暗物质

知道
它有引力，只能通过引力效应推断。按 CERN 的数字，它约占宇宙全部内容的 27%，大约是可见物质的六倍；构成恒星和星系的普通物质只占约 5%17。子弹星系团显示它和普通物质可以分开16。
不知道
它是什么。最受关注的候选者之一叫 WIMP（弱相互作用大质量粒子）。美国南达科他州地下近 1 英里的 LZ 实验，2025 年 12 月公布了累计 417 天的有效数据，在 3 到 9 GeV 的质量范围内没有看到 WIMP 的迹象18。

暗能量

知道
宇宙在加速膨胀，1998 年前后由遥远超新星的观测发现，获 2011 年诺奖19。推动加速的东西约占宇宙的 68%，均匀分布，不随膨胀变稀17。
不知道
NASA 说得很直接，暗能量是什么，简短的回答是我们不知道20。2025 年 3 月，DESI 巡天结合其他数据，看到暗能量可能随时间减弱的迹象，显著性 2.8 到 4.2 个标准差（σ），还没到物理学公认的 5σ 发现标准21。

量子引力

知道
广义相对论（第 28 章）和量子理论（第 34 章）各自在自己擅长的领域里都很成功。两者必须在“普朗克尺度”会合，那里光速、普朗克常数和引力常数一起起作用22。
不知道
怎样把它们合成一个理论。斯坦福哲学百科形容它是“一百多年后仍在建造中”的理论；最流行的两条路是弦论和圈量子引力，还有很多别的方案。普朗克尺度远远超出现有实验能达到的范围22。

中微子质量

知道
中微子会在三种类型之间“振荡”，这说明它们有质量，获 2015 年诺奖23。德国 KATRIN 实验 2025 年给出的上限是，中微子质量不超过 0.45 电子伏，不到电子的百万分之一24。
不知道
确切质量，以及三种质量的排列顺序。江门中微子实验 2025 年 8 月开始取数，核心目标就是测定这个“质量顺序”；运行 59 天后发布的首个成果，已把两个振荡参数的精度提高了 1.5 到 1.8 倍11,25。

物质为什么比反物质多

知道
大爆炸应当产生等量的物质和反物质，它们相遇就湮灭。今天的宇宙几乎没有反物质，最好的解释是早期某种机制多造了大约十亿分之一的物质26。物质和反物质的行为确实略有不同（CP 破坏）。2025 年 LHCb 实验第一次在重子（质子、中子所属的那类粒子）的衰变里看到这种差别，显著性 5.2σ27。
不知道
那个机制是什么。标准模型预言的 CP 破坏，比解释宇宙里的不对称所需要的小了许多个数量级，说明还有标准模型之外的来源27。

量子测量问题

知道
标准量子力学算出的概率和实验对得很好28，第 35 章的贝尔实验也一再证实了纠缠。
不知道
测量时到底发生了什么。如果量子力学适用于一切，测量仪器本身也会处在“几种结果的叠加”里，这和我们总是读到一个确定结果之间，需要一个解释。物理学家和哲学家对此至今没有共识28。

这六个问题的答案，大概都要靠更大、更灵敏、更昂贵的装置去找。这就引出了今天物理学的组织方式。

1942 — 2026大科学：几千人一起做一个实验

回想第 3 章，伽利略一个人磨镜片、看木星。到第 36 章的曼哈顿计划，情况变了。CERN 理论物理学家朱迪切（G. F. Giudice）总结过曼哈顿计划定下的模式：大批科学家围绕一个明确的目标，经费巨大但有期限，理论家、实验家、工程师混编，由学术界之外的管理机构掌控。它常被看作“大科学”的开端29。

“大科学”（Big Science）这个词，出自橡树岭国家实验室主任阿尔文·温伯格 1961 年在《科学》杂志上的一篇文章29,30。他本人对此充满疑虑。他担心大科学需要公众支持，就会依赖宣传，“轰动”可能取代“洞见”；由行政人员主导的科学，容易变得空洞29。这些担心今天依然成立。下面看几个具体的大装置，各有各的组织办法。

1954CERN：为和平而建的实验室

CERN 起源于 1951 年 12 月联合国教科文组织的一次会议，1953 年 12 个国家签署公约，1954 年开始运作。创建者想阻止欧洲人才流向美国，也想给战后的欧洲一个团结的理由。公约写明：这个组织不从事任何军事需求的工作，实验和理论成果都要公开发表31。今天它有 25 个成员国和 11 个准成员国31，员工约 2500 人，服务的用户超过 12 200 名科学家，来自 110 个国籍、70 多个国家的研究机构32。第 42 章的大型强子对撞机就在这里，27 千米的超导磁体环埋在地下 100 米，2008 年 9 月 10 日首次启动33。

2006 — 2039ITER：七方共造一颗“人造太阳”

国际热核聚变实验堆 ITER 由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方共建，2006 年签署协定，建在法国南部。欧洲承担 45.6% 的建设费用，其余六方各 9.1%；九成的贡献是以实物部件交付的，也就是各国在本国造好零件运过去34。它的目标是输入 50 兆瓦加热功率，产出 500 兆瓦聚变功率，即 Q = 10；作为对比，欧洲 JET 装置 1997 年创下的纪录是输入 24 兆瓦、产出 16 兆瓦34。2024 年 11 月，ITER 理事会批准了新的进度：2034 年开始科研运行，2039 年开始氘氚运行，比 2016 年的计划分别推迟了三四年34。几十个国家造的零件要在同一个工地上装配到毫米级，进度已经一推再推。

2015LIGO：一个设想走了近五十年

LIGO 在美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿各有一台干涉仪，由美国国家科学基金会出钱，加州理工和麻省理工运行35。2017 年诺奖的新闻稿说，这是一个有一千多名研究者、二十多个国家参与的合作项目，实现了一个近五十年前的设想8。

LIGO 汉福德观测站鸟瞰：两条笔直的长臂在荒原上成 L 形
LIGO 汉福德观测站，2008 年鸟瞰。右下角的建筑是两臂的交点，一条臂伸向远方，另一条沿画面下缘向左延伸，每条长 4 千米14。激光在臂里来回反射，测量引力波经过时两臂长度的微小差别。LIGO Laboratory，公有领域 · Wikimedia Commons

2016 — 2025中国的大装置：FAST 与江门

FAST 从构想到建成用了 22 年，主导者南仁东被称为“天眼之父”36。选址时考察了 400 多个洼地，最后选中贵州平塘县的大窝凼，一个天然的喀斯特洼地9。它口径 500 米，接收面积相当于 30 个足球场，由 4450 块反射面板拼成36。2016 年 9 月 25 日落成9，2020 年 1 月通过国家验收，2021 年 3 月向全球天文学家开放37。截至 2025 年 3 月，FAST 的各个项目累计发现了 1000 颗脉冲星38。

FAST 射电望远镜的巨大圆形反射面嵌在绿色山谷中，周围有六座高塔
FAST，2025 年 8 月。银白色的反射面就是那 4450 块面板36。它嵌在贵州平塘的喀斯特洼地里9。SCJiang 摄，CC BY-SA 4.0 · Wikimedia Commons

江门中微子实验（JUNO）是中国科学院高能物理研究所主导的国际合作，成员来自 17 个国家和地区的 74 个机构，约 700 人。探测器在广东江门附近的地下 700 米，核心是装在直径 35.4 米有机玻璃球里的 2 万吨液体闪烁体，周围排着约 2 万只 20 英寸光电倍增管，接收 53 公里外台山、阳江两座核电站飞来的中微子11。2015 年开始建设隧道和地下实验室，2025 年 8 月 26 日正式取数，设计寿命 30 年11,25。

1988 — 2026冰立方：一个人的想法，一千米深的冰

2026 年 10 月 6 日公布的诺贝尔物理学奖，正好讲了一个大科学怎样从一个人的想法长出来的故事。1988 年，哈尔岑首次提出在南极冰层里捕捉中微子。中微子偶尔撞上原子核，会在透明的冰里留下一道闪光，冰里的传感器可以记下它5。1992 年，一群研究者第一次尝试把光传感器放进南极冰川；前身项目 AMANDA 一开始很不顺利，上层冰里全是气泡，把光散得乱七八糟；后来发现 1400 米以下的冰极其纯净，闪光能传 300 米远39。冰立方 2011 年建成，在 1 立方千米的冰里，86 根缆线挂着 5160 个光传感器，深度在 1450 到 2450 米之间。2013 年，团队报告了第一批来自宇宙深处的高能中微子的证据39。

南极点雪原上的冰立方实验室，蓝色建筑两侧各有一座银色圆塔
冰立方实验室，南极点，2023 年。地面上的这栋楼是实验室，探测器本身在它脚下 1450 到 2450 米深处的 5160 个光传感器39。Christopher Michel 摄，CC BY-SA 4.0 · Wikimedia Commons

这几个装置的组织方式各不相同：CERN 是政府间条约组织，ITER 按出资比例分摊部件，LIGO 由一个国家基金会出钱、两所大学运行、全球合作分析，FAST 是国家建设、对全球开放，JUNO 是中国主导的国际合作。共同点是，一个实验从提出到出结果，常常要二三十年，参与者数以千计，大部分人的名字不会出现在新闻里。

回顾七条线，五次会师

序章画过一张课程地图。现在四十三章都走完了，可以把它重新画一遍。下面每一根细条是一章，从这章故事的起点画到终点；七条泳道是七个单元。时间轴分成三段比例尺：公元 1500 年以前压得最紧，1500—1800 年稍松，1800 年以后放得最开，因为这门课一半以上的故事挤在最近两百年里。

竖着的虚线是会师，也就是原本各走各路的分支被证明是同一件事的不同侧面。点一个单元，可以看它的要点和章节；点一次会师，看哪几条线在那里汇合。要点取自前面各章，出处见各章的参考来源。

全课时间轴演示 2 · 点单元或会师
单元
会师

把这张图从左往右看，能看出这门课的几条规律。

第一，前面窄，后面宽。公元 1500 年以前的两千年，只压成了左边窄窄的一段；七条泳道里有三条，起点在古代，可真正密集的细条全挤在 1800 年以后。序章讲过原因。直到 17 世纪，测量、数学和模型这三件工具才拧成一股。

第二，会师越来越晚，牵涉的线越来越多。第一次会师只牵涉两条线，力学和热学；到 1925 年量子力学，光、原子、物质三条线同时被改写。每一次会师之后，要记的定律变少了，能解释的现象变多了。

第三，每条线的最后一根细条都画到了今天。第 7 章的混沌、第 19 章的阿秒脉冲、第 30 章的引力波、第 37 章的量子计算、第 39 章的芯片，都是还在进行中的故事。上一节的六个问题，就挂在这些细条的右端。

影响它怎么改变了世界

一 · 物理学的旧工具，成了 AI 的地基

霍普菲尔德的能量函数借自磁学，辛顿的玻尔兹曼机借自 19 世纪的统计物理6,7。从这条线一路下来，深层神经网络在 2010 年前后迎来爆发；今天电脑翻译、看图识物、和人对话，用的都是这类网络6。诺贝尔委员会还举过一个日常的例子。玻尔兹曼机常被用作大网络的一部分，根据观众的喜好推荐电影和剧集6。你手机里的推荐列表，远祖是一块铁磁体的能量公式。

二 · 大装置的副产品走出了实验室

第 42 章讲过，万维网诞生在 CERN。今天这样的例子还在继续。LIGO 和 DeepMind 开发的降噪方法，研究者认为将来可以用在航空航天、机器人和建筑结构的减振上14。冰立方为了看清闪光，顺带把南极冰在不同深度的性质摸得一清二楚39。大科学提出的要求常常超出现有技术，于是逼出了新技术。

三 · 科学成了一种外交

CERN 诞生的理由之一，就是让战后的欧洲有一个合作的地方，公约写明不做军事研究、成果公开31。温伯格虽然对大科学满怀疑虑，也说过：如果高能物理能成为东西方合作的载体，它的花费反倒成了一种美德29。今天的 ITER 把中国、美国、俄罗斯、欧盟放在同一个工地上34，江门中微子实验的 700 名成员来自 17 个国家和地区11。

四 · 一套关于“多确定才算知道”的规矩

DESI 的暗能量结果为什么只叫“迹象”？因为物理学给“发现”定了 5σ 的门槛。3σ 的结果只有 0.3% 的概率是巧合，可历史上很多 3σ 的信号后来都消失了21。DESI 团队在分析时还先把结果“蒙住”，等方法定下来才揭开，以免研究者不自觉地朝想要的答案调21。这种对自己的提防，和序章里皇家学会那句“不轻信任何人的话”是一脉相承的。

误解关于今天的物理学

误解一 · 1900 年开尔文说过“物理学已经完成，只剩小数点后几位”

这句话流传极广，常被用来嘲笑 19 世纪末的自满。可它虽然常被安在开尔文名下，却从来没有人给出过出处40,41。开尔文 1900 年 4 月 27 日在英国皇家研究院真正讲的，是物理学上空的“两朵乌云”：一朵是地球相对以太的运动（迈克耳孙—莫雷实验），一朵是麦克斯韦—玻尔兹曼的能量均分定理算不对多原子气体的比热。它们后来分别由相对论和量子力学驱散。另一个常见的错误是说第二朵乌云指黑体辐射，演讲里其实一个字都没提到黑体辐射40,41。开尔文看到的，恰好是两场革命的入口。

误解二 · 量子力学证明了“意识创造现实”

量子力学里确实有一个没解决的测量问题（见上文）。但建立测量理论的冯·诺依曼和狄拉克，都不认为“坍缩”需要有意识的观察者。认为意识引起坍缩的，是维格纳 1961 年提出的一个设想，斯坦福哲学百科称之为“推测性的提议”，并指出冯·诺依曼的立场常被误当成维格纳的28。这门课里的“测量”，可以是一台盖革计数器、一块感光底片，用不着人的意识。意识是脑科学和哲学的大问题，它不在物理学这六个未解之谜的清单上。

误解三 · 暗物质和暗能量是一回事

名字里都有“暗”，作用却几乎相反。暗物质有引力，把星系和星系团拉在一起；暗能量让宇宙膨胀越来越快17,20。暗能量在空间里均匀分布，也不随宇宙膨胀而稀释17。NASA 指出，目前两者被看作完全不同的东西，尽管有少数设想试图把它们联系起来20。

误解四 · 2024 年 AlphaFold 拿了物理学奖

AlphaFold 得的是 2024 年化学奖的一半3。同一年的物理学奖表彰的是 1980 年代的霍普菲尔德网络和玻尔兹曼机，也就是今天 AI 的物理学源头1。两个奖相隔一天公布，很容易记混。

下一步读完这门课，可以去哪里

这门课讲的是物理学的历史，没有教你怎样做题。如果你想往下走，有三个方向：读更好的书，听真正的大学课，去看实物。下面列的书都核对过中国国家图书馆的书目记录42，公开课只列官方网站。

书：从浅到深

  • 《七堂极简物理课》卡洛·罗韦利 著 · 文铮、陶慧慧 译 · 湖南科学技术出版社，2016一个下午读完。作者就是序章里替亚里士多德说公道话的那位物理学家，也是圈量子引力的主要建立者之一22。
  • 《从一到无穷大：科学中的事实和臆测》G. 伽莫夫 著 · 暴永宁 译 · 科学出版社（1978 年初版，2002 年修订版）从基本的数学讲到相对论、四维时空、基本粒子和星系42。作者伽莫夫就是第 29 章里出现过的那位宇宙学家。
  • 《物理学的进化》A. 爱因斯坦、L. 英费尔德 著 · 周肇威 译（上海科学技术出版社 1962；湖南教育出版社 1999）；张卜天 译（商务印书馆 2019）爱因斯坦和他的合作者英费尔德写给普通读者的书，讲物理概念怎样一步步演变，适合和第一、四、五单元对照着读。
  • 《上帝掷骰子吗：量子物理史话》曹天元 著 · 辽宁教育出版社，2006中文写成的量子力学史，故事性很强，适合重温第六单元。
  • 《别闹了，费曼先生：科学顽童的故事》R. 费曼 著 · 吴程远 译 · 生活·读书·新知三联书店，1997费曼的回忆录。看一位物理学家怎样对什么都好奇。
  • 《物理定律的本性》R. P. 费曼 著 · 关洪 译 · 湖南科学技术出版社（2005、2012、2021 年版）费曼给普通听众讲的物理学讲座，谈物理定律本身是什么样子。
  • 《QED：光和物质的奇妙理论》R. P. 费曼 著 · 张钟静 译 · 湖南科学技术出版社，2012用日常语言和费曼图，而不是高深的数学，讲光与电子的量子理论42。读完第三、六单元后的进阶。
  • 《费曼物理学讲义》（新千年版，三卷）R. 费曼、R. 莱顿、M. 桑兹 著 · 郑永令等、李洪芳等、潘笃武等 译 · 上海科学技术出版社（国家图书馆著录为 2020 年版）费曼在加州理工讲授的物理课讲稿43，是真正的大学物理教材。英文原版可以在官方网站免费在线阅读（见下）。
  • 《给世界的答案：发现现代科学》S. 温伯格 著 · 凌复华、彭婧珞 译 · 中信出版集团，2016诺奖物理学家写的科学史，从古代的米利都、中世纪的巴格达和牛津，一直走到伦敦皇家学会42，可以和第一单元互相印证。
  • 《物理学史》郭奕玲、沈慧君 编著 · 清华大学出版社，2005两位在清华大学开设物理学史课的老师编写42，系统、扎实，可以当这门课的参考书。
  • 《中国科学技术史·物理学卷》卢嘉锡 总主编 · 戴念祖 主编 · 科学出版社，2001系统的中国古代物理学史，可以补足第 1、13、20 章的中国部分。

公开课：只列官方网站

  • 《费曼物理学讲义》在线版：加州理工和 Feynman Lectures 网站提供的免费在线版，三卷全文，在手机、iPad 上都能放大阅读，还有费曼讲课的录音43。网址 feynmanlectures.caltech.edu。
  • MIT OpenCourseWare：8.01SC《经典力学》（2016 年秋）适合从头学力学44；8.04《量子物理 I》（2013 年春，有完整讲课视频）相当于第六单元内容的正式大学课程45。网址 ocw.mit.edu。
  • Open Yale Courses：PHYS 200《物理学基础 I》，耶鲁大学尚卡尔（R. Shankar）教授 2006 年秋的课堂录像，内容是牛顿力学、狭义相对论、引力、热力学和波46。网址 oyc.yale.edu。
  • 中国大学 MOOC：南京理工大学《物理学史》，中文讲授，可以和这门课对照47。网址 icourse163.org。

博物馆：去看实物

  • 富兰克林研究所（费城）：1824 年创立，1934 年作为科学博物馆开放，是美国最早让观众动手学习物理世界的博物馆之一。馆内有本杰明·富兰克林国家纪念堂，免费开放48。第 21 章的避雷针和风筝，就从这位费城人讲起。
  • 中国科学技术馆（北京）：常设展厅有“华夏之光”“探索与发现”“科技与生活”“挑战与未来”等49。
  • 伽利略博物馆（佛罗伦萨）：第七展室保存着伽利略 1609 年末到 1610 年初用来发现木星卫星的那片物镜，直径 38 毫米，后来不慎裂开50。序章里那块带铃的斜面也在这里。
  • CERN 科学门户（日内瓦）：CERN 的访客中心，由伦佐·皮亚诺的建筑事务所设计，有展览和动手实验室51。

承上启下回到杠杆

上一章停在希格斯粒子和一串未解之谜上：暗物质、反物质、引力与量子。这一章接着把这些谜摊开，又看了今天的物理学怎样借出工具、怎样组织几千人去回答它们。七条线在这里没有终点，它们只是走到了今天。

这门课从第 1 章叙拉古城墙上的大梁开始。阿基米德用几条公设证明了杠杆的平衡。两千两百多年后，霍普菲尔德写下了一个能量公式，让一堆“小磁铁”记住了图案。中间隔着的，是这四十三章里的每一次测量、每一次争论、每一台更准的仪器。

序章说过，这门课每一章都问两个问题：人们是怎么想明白的，以及想明白之后，世界变成了什么样。到了今天，第二个问题的答案还在被写下去：江门的中微子、南极的冰、FAST 接收到的脉冲，以及你手里那台装着几十亿个晶体管、运行着神经网络的手机。如果哪天你在新闻里读到暗物质被找到了、量子引力有了实验证据，希望你能在这张时间轴上找到它的位置，知道它从哪条线上长出来。

全课到此结束。谢谢你一路读到这里。

自测六个问题

1. 霍普菲尔德网络的“能量”从哪里借来？回忆一张图的过程，用能量怎么描述？
借自磁性材料的物理：每个节点像一个自旋（小磁铁），能量公式和计算铁磁体能量的公式相同。存储时把要记的图调成能量的谷底；回忆时逐个检查节点，翻转能降低能量就翻，能量只降不升，网络像小球一样滚进最近的谷底，那就是记忆。
2. 玻尔兹曼机比霍普菲尔德网络多了哪两样东西？
一是“温度”：节点按玻尔兹曼分布的概率更新，偶尔会往能量高的方向跳，不容易困在浅坑里。二是隐藏节点：它们不直接接触数据，让网络能学习数据的统计分布，所以玻尔兹曼机能生成新的、同类的图案，是早期的生成模型。
3. 2024 年诺贝尔奖里，AlphaFold 属于哪个奖？它和物理学奖表彰的工作有什么不同？
化学奖（与贝克的蛋白质设计分享）。物理学奖表彰的是 1980 年代用统计物理建立神经网络的基础工作；化学奖表彰的是 2020 年用 AI 预测蛋白质结构这个具体科学问题的解决。
4. 关于暗物质，我们“知道”什么、“不知道”什么？
知道：它有引力，约占宇宙内容的 27%，约为普通物质的六倍；子弹星系团显示它能和普通物质分开。不知道：它由什么构成。直接探测实验（例如 LZ）至今没有找到 WIMP 这类候选粒子。
5. DESI 的“暗能量可能在减弱”为什么还不能算发现？
它的显著性在 2.8σ 到 4.2σ 之间，没有达到物理学发现所要求的 5σ。很多 3σ 左右的信号在积累更多数据后消失了，所以只能称为“迹象”。
6. 课程时间轴上的五次会师分别是什么？
约 1850 年：力学与热学会合为“能量”；1865 年：光学与电磁学合一，光是电磁波；1905 年：力学、电磁学与时空观在相对论里会合；1925 年：光、原子、物质被量子力学统一解释；2012 年：希格斯粒子补齐标准模型，粒子物理的两条线会合，它的缺口又指向宇宙学。

参考来源本章依据

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  4. NobelPrize.org, The Nobel Prize in Physics 2025, Summary. nobelprize.org
  5. The Royal Swedish Academy of Sciences, Press release: The Nobel Prize in Physics 2026, NobelPrize.org, 2026-10-06. nobelprize.org
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  50. Museo Galileo, Catalogue: “Galileo's objective lens”. catalogue.museogalileo.it
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图片：均来自 Wikimedia Commons，许可见各图说明。各单元要点取自第 1—42 章，出处见各章参考来源。

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