宇宙从何而来？万物是由什么构成的？它们又是如何运作以及相互作用的？生命是什么？人类是如何进化，并且拥有智慧去探索这个宇宙的？我们在这个宇宙中是独一无二的吗？......自人类抬头仰望星空时，我们便踏上了无穷无尽的探索之路。而追求这些大问题的答案，也成为了科学的目标。
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这个或许是有史以来最有知识的甜甜圈了，它蕴藏了大量的信息，其中包含了科学方法、形式科学、自然科学、应用科学以及艺术。
Dominic Walliman
科学的起源可以追溯到古埃及和美索不达米亚（公元前3500 - 3000年）。他们对数学、天文学和医学的贡献进入并塑造了古希腊的自然哲学，在此基础上，人们才开始尝试根据自然原因来解释物质世界的事件。亚里斯多德是第一个开始思考如果进行科学研究的人，他所发展的方法历经不断地改进，现在被称为科学哲学。科学的核心是科学方法（进行科学研究的过程），包含了逻辑、理性主义、经验主义、证据、可检验的假设、客观性和还原主义等原理。
上面这张图粗略的概括了科学方法。一个新的或改进过的理论是基于未解释的数据、思想实验和一般原理提出的。要成为成功的科学理论，它必须可以做出定量的预测。科学家会通过实验或观测来检验理论所做出的预测，如果实验或观测与预测一致，那么该理论会被用来做出更多的预测；如果实验或观测与预测不吻合，就意味着这个理论需要进一步改进，或完全被丢弃。
数学和计算机科学虽然不研究自然世界，但却是科学家不可或缺的工具。
从算术到群论，数学构建了科学模型的基础。我们或许会受到一个灵感或一种类比的启发，但是精确的科学语言是需要以数学结构为基础的。或许，我们所了解的与宇宙有关的一些最基本的东西都和数学有着某种深刻的联系。1960年，物理学家尤金·维格纳在《数学在自然科学中不合理的有效性》中就表达了他惊奇于数学对物理世界的描述能力，远远超出任何纯粹人造工具的想法。维格纳在文中写到：“数学语言在表述物理定律时的适当性是一个奇迹，一个我们既不理解也不应得的奇妙天赐。”
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戳：一个纯粹的世界、一张数学世界的地图
Dominic Walliman
我们也需要通过计算机来拓展我们自己的大脑。最开始计算机只被用来解决和算数有关的问题，但很快它的自身价值就延伸到了各个科学领域：运行互联网络、处理实时图像、制造人工智能，以及模拟整个宇宙，等等一切都离不开计算机的存在。
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Dominic Walliman
物理学，一个可能比较简单的定义是，它是一门研究宇宙中的最小事物到最大事物的特性和规律的学科。20世纪之前的物理学被称为经典物理学，到了20世纪初，19世纪末的两朵乌云发展出了相对论和量子力学。这两个理论是现代物理学的两大基石。如今，暗能量、暗物质等问题都是物理学中未被解决的大问题。
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Dominic Walliman
化学是一门研究物质的性质、组成、结构、变化规律以及相互作用的基础自然科学。从简单的原子到复杂的生物分子，都是化学所研究的对象。人类在很早的时候就对化学产生了浓厚的兴趣。从火的化学反应开始，人类就一直运用它来发展其它的化学技术，比如煮东西、冶炼金属和制造玻璃等等。之后，文明的发展其实都是基于化学的进步，比如金属加工、化肥生产、新材料和药物的制造等等。
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Dominic Walliman
生物学是一门研究所有不同形式的生命的学科，从简单的细胞到栖居在这颗星球上的所有动物都是生物学家的研究对象。生物学可以大致划分为五个类别：细胞内部、遗传学、生物体、医学和群体。生物学中的许多分支都是相互关联的，比如研究动物学就必须要掌握进化学、生理学和生态学的相关知识，而如果没有生物化学和分子生物学作基础，细胞生物学的研究也无法开展。
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Dominic Walliman
物理学家运用还原论（把事物分解成最小的组成部分，并一个个地加以理解）不断地揭开隐藏在宇宙中更深层次的秘密。但是当我们转向化学和生物学时，就会发现还原论变得越来越难应用了，因为生物学所处理的系统要复杂得多。如果你只想研究生物学的某一部分，会发现这个部分中的单一物体的属性其实是严重地由它与其他物体间的关系所决定的。我们无法单独地研究一个单一物体，因为当我们把它从这些关系中剥离出来，就会改变这个你原本想要研究的对象。
事实上，朝着远离物理学的方向（比如物理学 → 化学 → 地质学 → 神经科学 → 动物学 → 心理学），整个科学方法也随之瓦解。我们可以在营养学和心理学等领域体会到这一点。在这些领域，一些重要的结果越来越值得怀疑，比如摄入饱和脂肪会导致高胆固醇；一些重要的心理学研究结果也面临无法被重复的危机。但这是可以理解的，要用一个科学理论来解释人的种种行为是很困难的，因为人本身就是非常复杂的。就目前所知，人类的大脑或许是宇宙中最复杂的系统。
Source：Max Tegmark
上面这张图粗略地总结了不同科学理论之间的关系。最上面的问号代表的是一个可以统一广义相对论和量子场论的万有理论；最底部的则是社会学。原则上，图中的每一个理论都可以从在它上层更基本的理论中推导出来。例如，当牛顿的引力场数G=0时，狭义相对论可以从广义相对论中得出；当光速c趋于无限时，经典力学就可以从狭义相对论中得出……但是我们也可以看到，要从化学中推导出生物，或从生物中推导出心理学，几乎是不可在实践中实现的。
社会科学往往给人一种不那么科学的感觉，但它们也需要基于严谨的科学分析。例如，考古学便是一门必须运用到物理学中的那些硬科技来探测深埋于地底的结构、测定化石的年代的学科；又比如在经济学或政治学中，研究人员会应用到非常严谨的统计学技巧来分析数据。但是，经济学很难对未来进行预测。比如我们似乎很难预测经济衰退会在何时发生，或者明天比特币的确切走势；但在物理学中却并不这样，例如你扔一个球，物理学就可以精确地预测这颗球在未来的走向。
最近，社会科学领域面临着严重的可重复性危机。例如，在一项研究中，科学家重复了在2010到2015年发表在《自然》和《科学》上的21个社会科学实验，但只有13个实验能与初始研究有着相同方向上的显著效应；而且观察到的效应量级大约只有初始研究中的一半。但是危机往往也预示着机遇。科学家正视图提出新的技术和方法来应对这些复杂的系统。这是一个非常艰巨的挑战，但也是科学进步的必经之路。
现在，让我们继续我们的旅程，卸下科学的严谨重担，进入艺术的世界——一个纯粹的主观性殿堂。什么样的艺术作品是好的作品？事实上，伟大的艺术和伟大的科学都具有三个共同特征：第一，非常具有创造性，并以其力量征服我们；其次，经得起时间的考验；第三，能改变几代艺术家或科学家思考自己所在领域的方式。
艺术与科学都是对一件事物无止境的探索，去突破前人所知、所想、所做的极限。艺术可以通过书籍、电影、音乐、艺术品去探索人类的处境，它们总是试图寻找新的方式来反思活着的意义。艺术是人类的情感，是大脑的创造力。
这种本质上的难以理解使它们变得极度有趣。一些最经久不衰的艺术可以触碰到一些最深刻的问题，例如我们从何处来？我们是谁？我们向何处去？......
「New Principia」是我们推出的一个全新中英文内容品牌，第一期的主题是「时间」，我们有幸邀请到了著名科普作家、天体物理学家 Ethan Siegel 担任这一期主编，并同时邀请了12位杰出作者，带领大家去探索发生在宇宙138亿年历史中最精彩的故事。
在这趟旅途中，你不仅会遇到关于时间、生命以及宇宙的探讨，也将了解到你、我以及地球的终极命运。
