宇宙從何而來(lái)？萬(wàn)物是由什么構成的？它們又是如何運作以及相互作用的？生命是什么？人類(lèi)是如何進(jìn)化，并且擁有智慧去探索這個(gè)宇宙的？我們在這個(gè)宇宙中是獨一無(wú)二的嗎？......自人類(lèi)抬頭仰望星空時(shí)，我們便踏上了無(wú)窮無(wú)盡的探索之路。而追求這些大問(wèn)題的答案，也成為了科學(xué)的目標。
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這個(gè)或許是有史以來(lái)最有知識的甜甜圈了，它蘊藏了大量的信息，其中包含了科學(xué)方法、形式科學(xué)、自然科學(xué)、應用科學(xué)以及藝術(shù)。
Dominic Walliman
科學(xué)的起源可以追溯到古埃及和美索不達米亞（公元前3500 - 3000年）。他們對數學(xué)、天文學(xué)和醫學(xué)的貢獻進(jìn)入并塑造了古希臘的自然哲學(xué)，在此基礎上，人們才開(kāi)始嘗試根據自然原因來(lái)解釋物質(zhì)世界的事件。亞里斯多德是第一個(gè)開(kāi)始思考如果進(jìn)行科學(xué)研究的人，他所發(fā)展的方法歷經(jīng)不斷地改進(jìn)，現在被稱(chēng)為科學(xué)哲學(xué)?？茖W(xué)的核心是科學(xué)方法（進(jìn)行科學(xué)研究的過(guò)程），包含了邏輯、理性主義、經(jīng)驗主義、證據、可檢驗的假設、客觀(guān)性和還原主義等原理。
上面這張圖粗略的概括了科學(xué)方法。一個(gè)新的或改進(jìn)過(guò)的理論是基于未解釋的數據、思想實(shí)驗和一般原理提出的。要成為成功的科學(xué)理論，它必須可以做出定量的預測?？茖W(xué)家會(huì )通過(guò)實(shí)驗或觀(guān)測來(lái)檢驗理論所做出的預測，如果實(shí)驗或觀(guān)測與預測一致，那么該理論會(huì )被用來(lái)做出更多的預測；如果實(shí)驗或觀(guān)測與預測不吻合，就意味著(zhù)這個(gè)理論需要進(jìn)一步改進(jìn)，或完全被丟棄。
數學(xué)和計算機科學(xué)雖然不研究自然世界，但卻是科學(xué)家不可或缺的工具。
從算術(shù)到群論，數學(xué)構建了科學(xué)模型的基礎。我們或許會(huì )受到一個(gè)靈感或一種類(lèi)比的啟發(fā)，但是精確的科學(xué)語(yǔ)言是需要以數學(xué)結構為基礎的?；蛟S，我們所了解的與宇宙有關(guān)的一些最基本的東西都和數學(xué)有著(zhù)某種深刻的聯(lián)系。1960年，物理學(xué)家尤金·維格納在《數學(xué)在自然科學(xué)中不合理的有效性》中就表達了他驚奇于數學(xué)對物理世界的描述能力，遠遠超出任何純粹人造工具的想法。維格納在文中寫(xiě)到：“數學(xué)語(yǔ)言在表述物理定律時(shí)的適當性是一個(gè)奇跡，一個(gè)我們既不理解也不應得的奇妙天賜?！?/span>
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Dominic Walliman
我們也需要通過(guò)計算機來(lái)拓展我們自己的大腦。最開(kāi)始計算機只被用來(lái)解決和算數有關(guān)的問(wèn)題，但很快它的自身價(jià)值就延伸到了各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域：運行互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )、處理實(shí)時(shí)圖像、制造人工智能，以及模擬整個(gè)宇宙，等等一切都離不開(kāi)計算機的存在。
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Dominic Walliman
物理學(xué)，一個(gè)可能比較簡(jiǎn)單的定義是，它是一門(mén)研究宇宙中的最小事物到最大事物的特性和規律的學(xué)科。20世紀之前的物理學(xué)被稱(chēng)為經(jīng)典物理學(xué)，到了20世紀初，19世紀末的兩朵烏云發(fā)展出了相對論和量子力學(xué)。這兩個(gè)理論是現代物理學(xué)的兩大基石。如今，暗能量、暗物質(zhì)等問(wèn)題都是物理學(xué)中未被解決的大問(wèn)題。
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Dominic Walliman
化學(xué)是一門(mén)研究物質(zhì)的性質(zhì)、組成、結構、變化規律以及相互作用的基礎自然科學(xué)。從簡(jiǎn)單的原子到復雜的生物分子，都是化學(xué)所研究的對象。人類(lèi)在很早的時(shí)候就對化學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。從火的化學(xué)反應開(kāi)始，人類(lèi)就一直運用它來(lái)發(fā)展其它的化學(xué)技術(shù)，比如煮東西、冶煉金屬和制造玻璃等等。之后，文明的發(fā)展其實(shí)都是基于化學(xué)的進(jìn)步，比如金屬加工、化肥生產(chǎn)、新材料和藥物的制造等等。
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Dominic Walliman
生物學(xué)是一門(mén)研究所有不同形式的生命的學(xué)科，從簡(jiǎn)單的細胞到棲居在這顆星球上的所有動(dòng)物都是生物學(xué)家的研究對象。生物學(xué)可以大致劃分為五個(gè)類(lèi)別：細胞內部、遺傳學(xué)、生物體、醫學(xué)和群體。生物學(xué)中的許多分支都是相互關(guān)聯(lián)的，比如研究動(dòng)物學(xué)就必須要掌握進(jìn)化學(xué)、生理學(xué)和生態(tài)學(xué)的相關(guān)知識，而如果沒(méi)有生物化學(xué)和分子生物學(xué)作基礎，細胞生物學(xué)的研究也無(wú)法開(kāi)展。
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Dominic Walliman
物理學(xué)家運用還原論（把事物分解成最小的組成部分，并一個(gè)個(gè)地加以理解）不斷地揭開(kāi)隱藏在宇宙中更深層次的秘密。但是當我們轉向化學(xué)和生物學(xué)時(shí)，就會(huì )發(fā)現還原論變得越來(lái)越難應用了，因為生物學(xué)所處理的系統要復雜得多。如果你只想研究生物學(xué)的某一部分，會(huì )發(fā)現這個(gè)部分中的單一物體的屬性其實(shí)是嚴重地由它與其他物體間的關(guān)系所決定的。我們無(wú)法單獨地研究一個(gè)單一物體，因為當我們把它從這些關(guān)系中剝離出來(lái)，就會(huì )改變這個(gè)你原本想要研究的對象。
事實(shí)上，朝著(zhù)遠離物理學(xué)的方向（比如物理學(xué) → 化學(xué) → 地質(zhì)學(xué) → 神經(jīng)科學(xué) → 動(dòng)物學(xué) → 心理學(xué)），整個(gè)科學(xué)方法也隨之瓦解。我們可以在營(yíng)養學(xué)和心理學(xué)等領(lǐng)域體會(huì )到這一點(diǎn)。在這些領(lǐng)域，一些重要的結果越來(lái)越值得懷疑，比如攝入飽和脂肪會(huì )導致高膽固醇；一些重要的心理學(xué)研究結果也面臨無(wú)法被重復的危機。但這是可以理解的，要用一個(gè)科學(xué)理論來(lái)解釋人的種種行為是很困難的，因為人本身就是非常復雜的。就目前所知，人類(lèi)的大腦或許是宇宙中最復雜的系統。
Source：Max Tegmark
上面這張圖粗略地總結了不同科學(xué)理論之間的關(guān)系。最上面的問(wèn)號代表的是一個(gè)可以統一廣義相對論和量子場(chǎng)論的萬(wàn)有理論；最底部的則是社會(huì )學(xué)。原則上，圖中的每一個(gè)理論都可以從在它上層更基本的理論中推導出來(lái)。例如，當牛頓的引力場(chǎng)數G=0時(shí)，狹義相對論可以從廣義相對論中得出；當光速c趨于無(wú)限時(shí)，經(jīng)典力學(xué)就可以從狹義相對論中得出……但是我們也可以看到，要從化學(xué)中推導出生物，或從生物中推導出心理學(xué)，幾乎是不可在實(shí)踐中實(shí)現的。
社會(huì )科學(xué)往往給人一種不那么科學(xué)的感覺(jué)，但它們也需要基于嚴謹的科學(xué)分析。例如，考古學(xué)便是一門(mén)必須運用到物理學(xué)中的那些硬科技來(lái)探測深埋于地底的結構、測定化石的年代的學(xué)科；又比如在經(jīng)濟學(xué)或政治學(xué)中，研究人員會(huì )應用到非常嚴謹的統計學(xué)技巧來(lái)分析數據。但是，經(jīng)濟學(xué)很難對未來(lái)進(jìn)行預測。比如我們似乎很難預測經(jīng)濟衰退會(huì )在何時(shí)發(fā)生，或者明天比特幣的確切走勢；但在物理學(xué)中卻并不這樣，例如你扔一個(gè)球，物理學(xué)就可以精確地預測這顆球在未來(lái)的走向。
最近，社會(huì )科學(xué)領(lǐng)域面臨著(zhù)嚴重的可重復性危機。例如，在一項研究中，科學(xué)家重復了在2010到2015年發(fā)表在《自然》和《科學(xué)》上的21個(gè)社會(huì )科學(xué)實(shí)驗，但只有13個(gè)實(shí)驗能與初始研究有著(zhù)相同方向上的顯著(zhù)效應；而且觀(guān)察到的效應量級大約只有初始研究中的一半。但是危機往往也預示著(zhù)機遇?？茖W(xué)家正視圖提出新的技術(shù)和方法來(lái)應對這些復雜的系統。這是一個(gè)非常艱巨的挑戰，但也是科學(xué)進(jìn)步的必經(jīng)之路。
現在，讓我們繼續我們的旅程，卸下科學(xué)的嚴謹重擔，進(jìn)入藝術(shù)的世界——一個(gè)純粹的主觀(guān)性殿堂。什么樣的藝術(shù)作品是好的作品？事實(shí)上，偉大的藝術(shù)和偉大的科學(xué)都具有三個(gè)共同特征：第一，非常具有創(chuàng )造性，并以其力量征服我們；其次，經(jīng)得起時(shí)間的考驗；第三，能改變幾代藝術(shù)家或科學(xué)家思考自己所在領(lǐng)域的方式。
藝術(shù)與科學(xué)都是對一件事物無(wú)止境的探索，去突破前人所知、所想、所做的極限。藝術(shù)可以通過(guò)書(shū)籍、電影、音樂(lè )、藝術(shù)品去探索人類(lèi)的處境，它們總是試圖尋找新的方式來(lái)反思活著(zhù)的意義。藝術(shù)是人類(lèi)的情感，是大腦的創(chuàng )造力。
這種本質(zhì)上的難以理解使它們變得極度有趣。一些最經(jīng)久不衰的藝術(shù)可以觸碰到一些最深刻的問(wèn)題，例如我們從何處來(lái)？我們是誰(shuí)？我們向何處去？......
「New Principia」是我們推出的一個(gè)全新中英文內容品牌，第一期的主題是「時(shí)間」，我們有幸邀請到了著(zhù)名科普作家、天體物理學(xué)家 Ethan Siegel 擔任這一期主編，并同時(shí)邀請了12位杰出作者，帶領(lǐng)大家去探索發(fā)生在宇宙138億年歷史中最精彩的故事。
在這趟旅途中，你不僅會(huì )遇到關(guān)于時(shí)間、生命以及宇宙的探討，也將了解到你、我以及地球的終極命運。
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