物质和能量

说来有些奇怪，要为貌似非常简单的物质和能量下个满意的定义，其实非常难。比如，埃里克·蔡森这样界定“物质”：“任何占据空间且有质量的存在”，而所谓“质量”为“物质的总量，或某一物体中存有的‘东西’（stuff）”。[5]我个人觉得，这是循环论证。不过，翻一翻物理学教科书，也难以找到清晰一点儿的定义，所以说蔡森不是唯一这样界定的。因此，要为“物质”做个明确的界定很困难，甚至不大可能。至于“能量”的界定也是大同小异。[6]为什么会这样呢？

首先，我认为上述问题的症结恰在界定本身。要界定，肯定不可避免地要用其他概念描述当前概念，而这里所使用的其他概念不能有问题。这样做的时候，实际上暗中假定了有些概念毫无问题。不过，只要稍微深入地考察一下这些所谓毫无问题的概念，就会发现其实也是有问题的。第二个问题是，如果要界定基础的或根本的概念，比如“物质”和“能量”，就找不到更为根本的概念借以描述它们。这就是说基础概念可能永远也找不到让人满意的定义。

其次，如果所有科学概念一样，“物质”和“能量”最初只是在日常生活中使用，后来被用作科学概念，其内涵就被缩小了，首先是有了具体语言的规定，然后还要和数学公式相对应。正是这种方法催生了大量的真知灼见，甚至可以说来自日常生活的经验是科学概念之“无尽宝藏”，小到至微的粒子，大到无穷的宇宙架构。比如，人们对光具有“波”“粒”（无质量）二象性的认识正是上述思路造成的混乱。也可能到了下一个世纪，科学家们会设计出一些更为超然的概念，使我们能够摆脱当下这些无可救药的老旧概念和理论。但我们毕竟活在当下，所以还要凑合着使用当下我们所能有的最确切的概念。

“物质”作为最早的科学概念至少可追溯到公元前4世纪的古希腊，阿布德拉的德谟克利特（Democritus of Abdera）提出：我们在日常生活中所能观察到的一切都是由非常微小也因此不可见的“原子”（atomoi）构成的，原子是不可进一步再分割的最小的物质存在。这些观念在欧洲现代科学兴起之时又重新出现了。

最早使用“能量”的故事与此相类似，也同样久远。古希腊哲学家亚里士多德在约公元前350年创造出“能量”一词，认为“凡物质存在，皆因有‘能量’（energeia）支撑其自身所具有的功能”。[7]而“能量”出现在现代科学语汇中却只能追溯到19世纪早期，此时正值工业革命时期，工业革命由蒸汽机驱动。因为有商业企业使用蒸汽机赚钱，所以凡能提高机器效率的发明都意味着额外的收入。随着时间的推移，这种观念和体制终于催生出科学的一个分支，如今被称为热力学（thermodynamics），其中“能量”与“熵”（无秩序）开始占据显要地位。同一时期，科学家们开始深入小微粒子领域和可觉察到的大的天体结构方面。少数杰出的科学家如开尔文勋爵（Lord Kelvin）和路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）很快就认识到，这种新的热力学概念同样可应用于整个宇宙的研究。不过，真正成形的热力学应用于生物领域的研究却要等到20世纪70年代。

现在我们回到如何界定“物质”和“能量”的问题。既然现代科学的“物质”和“能量”概念是从日常生活中进化而来，而且考虑到界定此类基础概念本身带来的问题，我建议的“物质”和“能量”定义如下。在此，“物质”是原则上我们人类可触摸到的一切存在，这样一种基于日常生活的界定还是有道理的。触摸同样包括科学测量。比如，我们测量一物的质量通常要借助他物的质量，通常还辅以某种尺度。当然，我们还不能触摸人力之外的世界的物质，包括宇宙中存在的大多数物质。对于我们还触及不到的那些物质的存在，我们是借助这些物质发出的光或这些物质作用于其他发光物体而产生的效应推断出来的。

在大历史中，光发挥着重要作用。我们用肉眼观察到的光事实上只占整个波段的很小一部分，科学家们称之为“电磁辐射”（electromagnetic radiation）。在本书中，一般使用“光”一词的时候，实际指的是电磁辐射。根据自然科学的说法，光具有波粒二象性，而此时所谓的“粒”不具质量（且不管这究竟是什么意思）。因为据说光没有质量，所以光不属于物质。不过光的效应，比如对我们人类的肉眼或其他光探测器，却是非常明显的。我们观测光只能通过光与物质的相互作用及此后我们与该物质之间的相互作用。假如宇宙中不存在物质，那我们就不可能探测到光。由于光作用于物质的效应，我们能够推断出遥远物体的质量，比如行星、恒星甚至整个银河系。具体做法是通过望远镜上的探测器捕捉并测量从遥远物体上发出的光。由此得到的整体图景是依据既有的科学原理对观察到的现象解析所得。科学家们正是通过这一方法对人类尚不能直接触及的大量物质进行估算的。

在当前的科学思想体系中，光被认为是一种形式的能量。“能量”存在的形式有多种，包括动能和核束缚能（nuclear binding energy），能量共有的特征是人类能够通过其作用于物质的效应而探测到它的存在。光作用于探测器的原理与此一致，其经历的过程也与此相同，正如同两辆飞驶的汽车迎面相撞，本质上是两团物质在猛烈撞击中将动能改造成不同性状的物质。而仔细观察和反思能量作用于物质的效应，学者们由此得出了一个深刻见解，即能量且只有能量才能造成物质的改变。因此，我们这样定义“能量”是不无道理的：“能量”即能够改变物质属性的一种存在，包括使物质变得更复杂或更简单。