宇宙中充满了神奇的事物，耐心地等待着我们变得更加睿智以去探索。
——伊登·菲尔波茨(Eden Phillpotts)[1]
没有什么比知道真相更令人愉快了。
——迈克尔·法拉第(Michael Faraday)
大约360万年前，三个类人猿经过一片火山喷发地时，在新近落下的火山灰上留下了脚印。今天，在坦桑尼亚的莱托里(Laetoli)仍然可以看到这些脚印。这唤起了人们强烈的好奇。正如生物学家理查德·道金斯(Richard Dawkins)所写：“谁会不对这些类人猿感到好奇呢？他们彼此之间有着怎样的关系？他们会不会手牵着手？甚至他们能否用语言交谈？比如在上新世[1]的某个黎明探讨着什么被遗忘的使命？”[2]
当然，我们无从知道这些问题的答案，但我们可以大胆地猜测，这三个原始人可能是阿法南方古猿(Australopithecus afarensis)，以及在那遥远的日子里(远在现代人类出现之前)，他们可能看到的和思考的事情。自然界的大部分事情都是混乱不堪、不可预测的，但有些事情是有规律可循的，比如太阳的升落、四季的更迭、月亮的盈亏、夜空中的斗转星移等。我们最古老的祖先也必然会对这样的自然规律印象深刻。
那些脚印被印在莱托里之后的数万个世纪，人类对这些自然规律的认知并没有取得任何进展。然而，大约在公元前3000年，一项重要的发明——文字——在中东地区出现了。从此，一切开始发生改变。文字不仅为记录天空中发生的事件提供了手段，还有助于人类更深入地掌握天体的运动模式。在古巴比伦(即现在的伊拉克)，已经有人能够对月食、日食这样的天文奇观进行预测了。那些有能力做出此类预测并控制相关信息传播的人，能够让其他人心生敬畏。他们即使不想冒充神，也好像拥有超越常人的巨大魔力一样。
然而，这点魔力与科学的压倒性魔力相比，完全不值一提。诞生于17世纪的自然科学找到了描述物质世界行为方式的定律，而且这些定律大多具有可移植性。比如，虽然艾萨克·牛顿(Isaac Newton)著名的万有引力定律是从苹果的掉落和月球绕地球的运动中得出的，但在其他领域也同样适用，比如解释为什么每25小时海洋中会出现两次潮汐。[3]
掌握某种运动模式，比如日食，仅能预测未来的日食。但是，利用普适定律，科学可以预测未知现象的存在。第一个也是最引人注目的例子就是奥本·勒维耶(Urbain Le Verrier)对未知行星的预测，1846年在夜空中发现的海王星的方位，几乎就是这位法国天文学家计算出的方位。这在国际上引起了轰动，勒维耶也因此成了超级巨星。法国生物学家让·罗斯丹(Jean Rostand)后来写道：“科学把人变成了神。”[4]
海王星的发现，戏剧性地展示了科学的核心魔力：能预测到超乎想象的天体的存在，当人们去寻找时，发现这个天体确实存在于实际的宇宙中。这种能力如此神奇，就连科学界的大咖们也很难相信。众所周知，阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)并不相信自己的引力理论导出的两个预测：黑洞(black hole)和大爆炸(big bang)。他甚至对第三个预测——引力波(gravitational waves)——是否存在犹豫不决。1916年，爱因斯坦预测了引力波的存在，但一年后，又开始怀疑它不存在，直到1936年才再次预测其存在。最终，他预测的引力波于2015年9月14日被发现。
科学的核心魔力似乎不可思议，因为没人知道它为什么有效。人们只知道，物理学家的预测来自数学公式或描述宇宙各种特性的方程，却不知道为什么这些方程如此完美地描述了物理世界。或者，套用20世纪奥地利物理学家尤金·威格纳(Eugene Wigner)的话：为什么数学在自然科学中毫无道理地有效？简而言之，宇宙有一个孪生的数学兄弟，可以写在纸上，也可以写在白板上，但为什么宇宙会有这样一个孪生兄弟？这是一个天大的谜团。
理解科学核心魔力之所以重要，是因为它是物理学有效性的关键所在。物理学家们自然想知道，为什么他们的研究仰仗的主要工具如此有效。如果理解了这一点，便很可能揭示出宇宙中一些非常深刻的东西，以及为什么宇宙是现在这个样子。
在这本书中，我将讲述一些曾经施展过科学核心魔力的数位物理学家的故事。不过他们的做法各有不同，这也很引人注目。苏格兰人詹姆斯·克莱克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)可以说是牛顿时代与爱因斯坦时代之间最伟大的物理学家。尽管麦克斯韦的思维能力超强，但他的思维过程本质上与常人的思维过程没有太大区别。他也是先在脑海中使用齿轮之类的日常物体来构造诸如电和磁等现象的机械模型，只有当他确信已经掌握了事物的本质时，才用数学术语表达自己的模型。麦克斯韦用著名的电磁方程组(equations of electromagnetism)描述电和磁的现象，揭示了光是电磁波，并预测了无线电波的存在，从而使21世纪的超链接世界成为可能。但是，英国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)的做法却与其大相径庭。这位堪称“物理学上的斯波克先生”只是凭空“捏造”了一个公式，就描述了在稀薄的空气中以接近光速传播的电子运动。狄拉克方程(Dirac equation)是狄拉克在一张纸上摆弄出来的方程，并且他坚持物理应该同数学一致，从而用该方程预测了现在毋庸置疑的反物质(antimatter)宇宙，使该方程成为刻写在威斯敏斯特大教堂石地板上仅有的两个方程之一。
本书讲述的关于麦克斯韦、狄拉克以及许多其他人的故事，我都力求内容翔实，有据可依。如果谈到的科学家还活着，而且愿意接受采访的话，我就去采访；对于那些已经去世的人，则利用我所掌握的事实，把他们身边发生的事件戏剧化。例如，麦克斯韦认识到光是电磁波的那天就是从现有的事实中拼凑起来的。在苏格兰格伦莱尔庄园度暑假回来后，麦克斯韦确实去了伦敦国王学院的图书馆，在一本参考书中查阅了空气的介电常数和磁导率的测量值。这些事实是由威廉·韦伯(Wilhelm Weber)和鲁道夫·科尔劳施(Rudolf Kohlrausch)提供的。麦克斯韦的确每天在肯辛顿大街的家与斯特兰德的国王学院之间来回奔波，他经常步行去，乘坐马车回；经过皮卡迪利大街，可以转去阿尔伯马尔街的皇家科学院，有时他会在那里停留一段时间。麦克斯韦和妻子凯瑟琳(Katherine)也的确经常在海德公园和肯辛顿宫花园骑马，凯瑟琳的小马查理是通过火车从格伦莱尔庄园运送过来的。
我希望通过将科学预测和预测被证实的戏剧化故事，生动地再现科学发现诞生的情境，并为读者呈现这些科学家在那一刻的思考，以及他们即将揭示无人知晓的宇宙秘密时的兴奋心情。那些对科学史感兴趣的人也可以从我提供的大量参考资料中受益。
从这些“魔术师”的故事里，你可以了解他们如何用笔和纸，不仅预测了未知世界、黑洞和亚原子粒子的存在，而且预测了反物质、在空气中传播的看不见的波、时空中的涟漪(即引力波)以及更多其他东西的存在。这些故事就是关于科学的核心魔力，以及这种魔力是如何将人变成神的。
[1]上新世是地质时代中第三纪的最新的一个世，它从距今530万年开始，距今258.8万年结束。
