张首晟谈牛顿的《自然哲学的数学原理》：人类文明第一书

出版于1729年的第一英文版牛顿名著《自然哲学的数学原理》

了解我的朋友都知道我最不欢喜礼品，总觉得物质生活越简单越好。所以每逢圣诞佳节，天伦之乐，却面对一大堆礼品而深感困惑。但2015年的圣诞礼物，却使我喜出望外，梦寐以求。期待到今天，这份厚礼终于送到了家。

1687年，牛顿发表了千年伟著《自然哲学的数学原理》(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica,简称Principia)，点燃了人类科学认识宇宙的曙光。Principia奠基了牛顿力学的运动方程，提出了万有引力，发明了微积分。在牛顿的宇宙观中，天地合一。 地上的苹果，天上的行星，都满足简单而普世的科学原理。 对宇宙理性的认识，启发了人们对人类社会理性的渴望。伏尔泰从法国被流放到英国期间，参加了牛顿的葬礼，他首次告诉了世人牛顿苹果的故事。伏尔泰的灵感女神是Emilie du Châtelet 侯爵夫人，是启蒙时期的一代才女, 天生丽质。她亲笔翻译了Principia的法文首版, 直用至今。伏尔泰深受牛顿Principia的启发，从天地合一到天人合一，从自然定律到社会法律，点燃了启蒙运动火种，燃烧着整个欧洲大陆。美国建国的理念，乃是启蒙运动的产物。所以牛顿的Principia不愧是人类文明的第一书！

灵感女神圣镜印照牛顿在天之灵于伏尔泰，启发他的启蒙著作。

1687年出版的Principia是拉丁文首版，目前早已在古藏书市上难寻踪迹了。Principia的英文首版于1729年出版，仍保持原版装订的，在古藏书市面上也唯见一本了，收藏在英国伦敦的著名古藏书店Peter Harrington。2015年的圣诞节，黄晓捷先生放弃了与家人的天伦之乐，千里迢迢，来到斯坦福大学赠予我这份厚礼，使我喜出望外。牛顿出生于圣诞节，加深了这份厚礼的历史意义。一代企业家的科学情怀，使我深深感动！经过与Peter Harrington古藏书店的多次联络，Principia的英文原装首版终于送到了我家。轻轻打开了287年前Principia的精装版，字体犹新，精图释意，仿佛牛顿的亲笔，正用灵魂在召唤着我，不知不觉地已经读到了深夜。

Principia中牛顿发现的万有引力，开创了人类科学启蒙的起点。但它至今依然是深藏不测的大谜，引力本质的认识，也许是万物理论(Theory of Everything)的终点。我们可以将基础科学的三大发现，万有引力、相对论与量子力学用三个宇宙基本常数（Fundamental Constant of Nature）来描写，分别就是：G，牛顿万有引力常数； ħ，量子力学的普朗克常数；与c，爱因斯坦相对论提出永恒不变的光速。

G出现在牛顿万有引力公式中：

ħ出现在粒子能量与波动频率的普朗克公式中：

而光速c出现在爱因斯坦质能等价公式中:

把这三个基本常数 (G, ħ, c) 定为三个坐标轴，我们可以得到一个神秘的魔方

坐标原点是用经典力学描写的原子微观世界。在原子的尺度，引力不重要， 可设G=0。电子的速度远小于光速， 可设c=0。经典力学没有量子效应可设ħ =0。 从原点出发沿G轴前进，我们来到牛顿万有引力的宏观世界。 沿ħ轴往上，我们步入量子物理描写的微观世界。沿c轴追近光速，我们进入了爱因斯坦相对论的时空。在这三个伟大发现之后，人类求知的焦点，就是把这三个宏观宇宙，微观世界与光速时空统一起来。爱因斯坦统一了万有引力与狭义相对论(G, c)，发现了广义相对论并预言了引力波。 狄拉克统一了狭义相对论与量子力学(ħ, c)，并预言的反粒子。

牛顿与莱布尼兹独立发明了微积分。莱布尼兹在发明二进制时，深受中国古代文明易经八卦图的启发。由于2的3次方=8，我们可以把阴阳对应于无有，把三爻对应于（G, ħ, c），三爻阴阳交叉便得八卦，正好相对于神秘魔方的八个顶角。魔方原点对应于（无G，无ħ，无c）的坤象，狭义相对论对应于（无G，无ħ，有c）的震象，等等。这样大统一万物理论就对应于（有G，有ħ，有c）的乾象，包容了乾坤万物。

牛顿是剑桥大学的讲座教授，他的讲座席位称为Lucasian Chair。这著名的讲座席位一脉相承于盛名千秋的理论物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell)，狄拉克（Paul Dirac）与霍金(Stephen Hawking)。我是狄拉克的忠实粉丝，他是寻美而求真的风格大师。别的理论物理学家从大量的实验现象中总结出优美的数学方程。而狄拉克却从至美的数学概念出发，大胆地预言新的实验现象。他为了统一狭义相对论与量子力学(ħ, c)，从优美的数学结构出发，引进了著名的狄拉克方程，预言自然界中任何粒子都有反粒子。不久后，正电子就被实验发现。英国伦敦的著名教堂Westminster Abbey埋葬的不仅是列代的帝王将相，还有伟大的科学家牛顿与狄拉克，地碑上铭刻了著名的狄拉克方程。我于2012年荣获了狄拉克奖，以我偶像而命名奖章，是我一生至高的荣誉。

张首晟教授荣获2012年狄拉克奖

回到 (G, ħ, c)组成的神秘魔方，我们可以看到基础科学的空白与目标，正在神秘魔方的顶角。(G, ħ, c) 的大统一，将创造人类梦寐以求的万物理论（Theory of Everything）。这万物理论是什么，我们尚不知道，但我们能估计在怎样的长度和能量的量级上才能完成大统一。从以上定义(G, ħ, c)的三个公式出发，我们很容易得到它们的量纲。根据简单的量纲分析，我们得到唯一可能的普朗克长度与能量，分别是：

普朗克长度之短，比原子的尺度还小25个数量级！普朗克能量之高，比现代最高能的加速器还高了15个数量级！由此可见，要寻找大统一(G, ħ, c)的万物理论是多么的困难，用已知的实验方法几乎不可能！

我本科的毕业论文与博士论文都致力于量子引力，追寻大统一(G, ħ, c)的梦想。由于这领域没有实验，所以改方向进入了凝聚态物理的研究。深受牛顿、爱因斯坦、狄拉克的数学原理启发，寻美而求真，从理论上首先预言了拓扑绝缘体这个神奇的材料，后被实验证实。今夜亲手翻开牛顿首版Principia的千年伟著，深感斯人已去，英魂长存，每句每辞，都在唤醒我少年时代的梦想。今夜手按Principia庄严而立志，为追求大统一(G, ħ, c)的万物理论而贡献。填补先贤们留下的空白，是我们这辈学子们的最神圣使命，也是全人类最崇高的梦想。为实现这个美丽的梦想，我们必须穿越时空，量子纠缠，潜入普朗克长度的万丈深渊，高攀普朗克能量的奇险顶峰。路漫漫其求修远兮，吾将上下而求索！

夜半钟声，皓月当空。百年孤独的求知旅程，今有千年Principia的步步相伴。 黎明既启，征途既始，此时此刻，按书立志，赋诗为证：

既然无法抵挡她万有的吸引，

为何不遨游星际而时时相伴？

既然为量子因果而纠缠绵绵，

为何不心心相印寄在水一方？

既然追不上她永恒不变的步伐，

为何不对镜赏花以光传因缘？

既今见英魂长存于行行字迹，

又何惧漫漫征途中渊深峰险？

（本文原标题为《人类文明第一书》，由物理学家张首晟写作于2016年1月，原载于“丹华资本DanhuaCapital”微信公众号。）