序言

本書是對物理學(xué)的一曲贊歌。

我開始愛上物理學(xué)還是在十多歲的時候。我承認(rèn)，喜愛物理學(xué)的部分原因是我發(fā)現(xiàn)自己擅長此道。這個學(xué)科像是解謎游戲和了解常識的有趣混合，能通過變換方程、演算代數(shù)符號并代入具體數(shù)值，最后揭示出自然的奧秘，對此我樂在其中。但我也意識到，要令人滿意地回答許多關(guān)于宇宙性質(zhì)的深層問題，以及少年時代起就涌上我心頭的存在的意義問題，那么，物理學(xué)正是我必須學(xué)習(xí)的。我很想知道：我們?nèi)祟愂怯墒裁礃?gòu)成的？我們從哪里來？宇宙有開始或結(jié)束嗎？宇宙的延展是有限還是無限的？父親和我提到過的量子力學(xué)又是什么？時間的性質(zhì)是怎樣的？對這些問題的求索讓我走上了研究物理學(xué)的道路。如今，我對其中有些問題已經(jīng)有了答案，對另一些則仍在探索。

有些人尋求從宗教或其他一些觀念、信仰體系中為人生的奧秘找出答案。但對我而言，對世上的事物進(jìn)行謹(jǐn)慎的假設(shè)、檢驗和推導(dǎo)是無可替代的，這些是科學(xué)方法的標(biāo)志。在我看來，通過科學(xué)，尤其是物理學(xué)的探究，人類獲得了對世界的形成及運轉(zhuǎn)的理解，這并不是諸多通往“真理”的有效途徑之一，而是唯一可靠的途徑。

不可否認(rèn)，許多人不曾像我一樣愛上物理學(xué)。他們放棄科學(xué)探索，可能是因為他們認(rèn)定，或者聽別人告訴他們，物理學(xué)是一門艱深甚至癡氣十足的學(xué)科。確實，要理解量子力學(xué)的精妙之處是會讓人頭痛，但宇宙的驚奇之處可以也應(yīng)該為每個人所欣賞，獲得一番基本的了解也不必花一生的時間去研究。在本書中，我想講述一下為什么物理學(xué)如此神奇，為什么這門科學(xué)極具基礎(chǔ)性，為什么它對人們認(rèn)識世界至關(guān)重要。當(dāng)今物理學(xué)涵蓋的宏大范圍令人嘆為觀止。今天，我們知道世上（幾乎）所有可見事物是由什么組成的，又是如何維系在一起的；我們能回溯整個宇宙的演化進(jìn)程直至空間和時間剛剛誕生的那一瞬間；通過對大自然物理法則的認(rèn)識，我們發(fā)展了并且還在不斷發(fā)展各種技術(shù)，令人類的生活發(fā)生了巨變——這一切都是多么令人驚嘆。寫這本書之時，我依然在思考：怎么會有人不喜歡物理學(xué)呢？

本書旨在介紹物理學(xué)中一些最為基本、意義最為深遠(yuǎn)的思想，但所涉話題有可能是大家在學(xué)校里沒碰到過的。對有些讀者來說，本書可能是他們初涉物理學(xué)的臺階，可能會吸引他們?nèi)チ私飧噙@方面的知識，甚至可能像我一樣把它當(dāng)作終身事業(yè)去鉆研探究。而另一些讀者以前可能對物理學(xué)有非常糟糕的體驗，那么本書或許是令他們改善印象的良方。而對更廣大的讀者來說，本書也會激起他們的驚嘆之心，驚嘆于人類對自己所探索的事物已有如此深刻的了解。

關(guān)于世界的性質(zhì)，物理學(xué)告訴了我們很多內(nèi)容。為了將這些知識進(jìn)行一番基本的傳達(dá)，我選擇了一系列現(xiàn)代物理學(xué)中最重要的概念，并試圖展示它們之間的聯(lián)系。我們將考察廣袤的物理概念版圖，從最宏大的宇宙尺度到最微小的量子尺度；從物理學(xué)家對統(tǒng)合諸自然法則的探求，到他們對支配生命的最簡物理原理的追尋；從理論研究的思辨前沿到奠定我們?nèi)粘＝?jīng)驗和技術(shù)的物理知識。我也將為讀者帶來一些新觀念，這些觀念已經(jīng)漸為我們物理學(xué)家接受，但核心專家圈以外的人對它們還知之甚少，我們還需更好地傳播這些觀念。比如，在亞原子尺度，孤立的粒子之間即便相隔甚遠(yuǎn)，也會通過一種違反常識的方式進(jìn)行瞬時通信。這種名為“非定域性”的特性最終會修正我們對空間結(jié)構(gòu)的全套理解。但是很遺憾，許多非物理學(xué)專業(yè)人士，甚至有些物理學(xué)家，都誤解或誤闡了這個特性的真正含義。

很多介紹物理學(xué)基礎(chǔ)概念的科普讀物都會受到批評，這些批評通常是理論物理學(xué)家提出的，他們認(rèn)為這些讀物并不總是有助于非專業(yè)讀者掌握這些概念的實際意思。在我看來，這是因為真正懂得這些概念、撰寫研究論文并提出新理論的物理學(xué)家，并不一定是向非專業(yè)人士解釋自身想法的最佳人選；反過來，那些在向公眾傳播作品方面較有成功經(jīng)驗的作家，又可能對一些概念理解得不夠透徹，因而只能做些簡單的比方。而一個人即便既懂物理學(xué)，又能成功地（但愿吧）向非專業(yè)人士表達(dá)想法，他要解釋諸如“規(guī)范不變性”“對偶性”“永恒暴脹”“全息原理”“共形場論”“反德西特空間”“真空能量”等術(shù)語，并在不涉及復(fù)雜數(shù)學(xué)計算的情況下表達(dá)對相關(guān)物理學(xué)內(nèi)容的真正見解，也絕非易事。在本書中我已竭盡所能，但很可能有些讀者認(rèn)為我還可以做得更好——當(dāng)然我未來會做到這一點。

不過，如果你希望深入鉆研某個特定領(lǐng)域，而我在這里只是稍有涉及，那么還有許多杰出著作可資借助。我在本書末尾開列了一些我認(rèn)為對大家來說最明白易懂、最具啟發(fā)的書目。這份清單上的很多書都講述了科學(xué)發(fā)展的進(jìn)程——自古希臘以來的數(shù)千年里，物理學(xué)是如何發(fā)展的，新知是如何發(fā)現(xiàn)的，各種理論和假說是如何提出或遭摒棄的。這些書常常聚焦于物理學(xué)中顛覆了前人宇宙觀的革命，并描寫這些歷史性事件中的主要人物。但是在這本小書中，我不會回顧人類已經(jīng)走了多遠(yuǎn)，也不會過多討論還要走多遠(yuǎn)的話題（因為我也不知道，恐怕還有很長的路要走吧），當(dāng)然我在第8章中會集中講述一下人類“已知的未知”。

同樣，我也沒有特別要闡述的理論。例如，涉及調(diào)和量子力學(xué)和廣義相對論（現(xiàn)代理論物理學(xué)的圣杯）時，我不屬于致力于此目標(biāo)的兩大陣營的任何一方：我既不倡導(dǎo)弦論，也不熱衷于圈量子引力論，因為兩者都不是我的專長；而及至闡釋量子力學(xué)的意義時，我既不是“哥本哈根派”，也不是“多世界”的擁護(hù)者（我會在后面各章解釋上述理論和思想的內(nèi)容）。但這不妨礙我時不時地對這些問題進(jìn)行質(zhì)疑挑戰(zhàn)。

我也會盡力不太過糾纏于哲學(xué)、形而上學(xué)的思考，即使人在討論物理學(xué)前沿的一些較為深奧的觀點時，會禁不住思考這些方面，無論是空間和時間的性質(zhì)，量子力學(xué)的各種不同詮釋，還是現(xiàn)實本身的意義。這并不是說物理學(xué)不需要哲學(xué)思考。舉例說明一下哲學(xué)是如何在最基本的層面上給我的專業(yè)帶來養(yǎng)分的。物理學(xué)的任務(wù)究竟是弄清楚世界“真的”是怎樣的，如愛因斯坦所認(rèn)為的那樣，探求某個有待發(fā)現(xiàn)的最終真理；還是建立各種關(guān)于世界的模型，然后以我們當(dāng)下關(guān)于現(xiàn)實“能夠說出的”最佳闡釋進(jìn)行揣測，而這個現(xiàn)實我們可能永遠(yuǎn)不會知曉？人們會驚訝地發(fā)現(xiàn)，在這個問題上，物理學(xué)家甚至都無法達(dá)成一致意見——不過我自己站在愛因斯坦一邊。

簡單來說，我認(rèn)為物理學(xué)賦予了我們了解整個宇宙的工具。物理學(xué)研究就是探索對世界的闡釋，但在著手研究時我們得問對問題，而這是哲學(xué)家非常擅長的。

因此我們將以謙遜的思想態(tài)度開始我們的旅程，坦誠地講，這是一種人人都有的態(tài)度，無論長幼，是前輩還是后代：一種知道自己無知的態(tài)度。能想到我們還不知道什么，我們就能想到發(fā)現(xiàn)它們的最佳辦法。正是在人類歷史進(jìn)程中提出的許多問題，使我們對所了解和熱愛的世界有了越發(fā)清晰的認(rèn)識。

歡迎來到物理學(xué)的世界。