首先谈谈简单性。自然界的现象是错综复杂的,然而背后隐藏的规律却是简单的。物理学正是建筑在这一基础之上,任何物理理论,归根到底只有少数几条基本的假定:经典力学建立在牛顿三定律之上,电动力学建立在法拉第的“场”和麦克斯韦方程组之上,狭义相对论建立在狭义相对性原理与光速不变假定之上,量子力学建立在波函数与薛定谔方程之上……
这些简单的假定是从大量的自然现象和物理实验中抽取并提升出来的,然而,建之于上的物理理论反过来却能解释几乎所有的自然现象。
有两个理论,几乎能解释同样多的事实,谁简单,物理学将选择谁。考虑一个 简单的问题,为什么人们最初都认为太阳及其他行星围绕地球转,而不是行星 (含地球)围绕太阳转?这也是出于简单性的考虑:人们最初天文知识少,只能通过肉眼观察;太阳朝起夕落,认为太阳及其他行星围绕地球转自然是方便的事情。但是随着技术的进步,人们的天文观测越来越精密,为了解释“太阳系”的许多现象,如地球的四季变化,日食和月食,土星、木星位置的异常变化等,伟大的几何学家托勒密在前人的基础上创立了严密的“地心说”,解释了当时的绝大部分观察现象。“地心说”的基本要义是:
(1)地球是圆的, 静止地位于宇宙的中心;
(2)太阳及其他行星绕地球转动,基本轨道(称为1级轨道)是圆周,一般来说,太阳或行星并不恰好处于1级轨道上,而是绕1级轨道上的点作半径更小的圆周(称为2级轨道)运动。这样,整个“太阳系”就像一个齿轮嵌套体系:1级轨道是一些大齿轮,2级轨道是一些较小的齿轮,大齿轮传动小齿轮。最初齿轮数目还不多,但随着观察水平的提高,托勒密又不得不在小齿轮上套上更小的齿轮,越套越多,最后竟达80个之多。 面对着这么多的齿轮,天才的哥白尼站了出来,说:“不,太阳系应该是简单的!我们若将太阳和地球换个位置,托勒密的齿轮至少能扔掉一半以上,太阳系也就变得井然有序了。”这就是“日心说”,物理学最终选择了它。
试问,从相对运动的观点来看(不考虑动力学的原因),选择地球为参考系和选择太阳为参考系,没有理由说谁更优越,为什么要抛弃“地心说”而承认“日心说 ”呢?两个字:简单——“日心说”后来经开普勒的改造只剩下三条定律,但太阳系各行星运动规律却尽在其中。