前言 及 第一章物理史話（開頭部分）

前言

本書面向普通讀者，用通俗的語言向廣大讀者介紹了目前物理學領域較前沿的知識。

進入20世紀，物理學邁入了量子力學時代。在這一百多年的時間裡有著突飛猛進的發展，將整個人類帶入了一個新的物理學境地。人們在物理界的視野，由20世紀前牛頓力學時代所研究的主要針對看得見，摸得著的較為容易知曉的較小的宏觀宇宙範圍；擴大到了小至亞原子的微粒子，大到150億光年之遠的宏觀宇宙天體範圍。

物理學經過幾千年的發展，直至19世紀末，整個經典物理取得了較圓滿的發展，尤其是在人們可接觸到的宏觀物理世界範圍，基本上能自洽地解決整個自然界帶來的物理問題。經典物理學中總結出來的各個公式、定理、定律早已是物理學界運用起來得心應手的工具。整個經典物理的知識還是比較通俗易懂的。

但是經典物理在面對微觀物理世界時遇到了難以解釋的麻煩。也就是說牛頓力學在面對超越他們那個時代認知範圍的問題時適應不了。20世紀初，以愛因斯坦為首的物理學家，應時代的要求責無旁貸地擔負起新的歷史使命，創建了量子力學。這也就是至今仍肩負著引領全人類行進在整個物理科學前沿的最新物理科學。

量子力學主要包含有兩部分內容，一是針對微觀世界的量子理論部分，另一個是針對大尺度宏觀宇宙的相對論部分。也可以這麼理解，量子力學是經典物理學向宏觀及微觀世界；也就是向大與小兩端的物理世界範圍的延伸。

但是，在具體理論上量子力學卻又與以前的物理理論有著截然不同之處。量子力學是建立於嶄新的觀念的基礎上。在量子力學中人們固有的「絕對時間」、「絕對空間」都不復存在；量子的「速度與位置」已是不可能同時測準的；量子既是波又是粒子，呈現「波粒二象性」。時間、空間、質量、能量、都已經不是固定不變的而是可以相互轉化的；萬有引力是以「空間的彎曲」這樣的幾何性質出現在人們面前，……。正由於量子力學是突破人們舊理念的一種新理論，所以往往人們一時半會對這與舊思維方式幾乎格格不入的方法，不很容易理解，這也就是一般人對量子力學這位於物理科學最前沿的知識，時而會有一種不太好接近的感覺，因而比較普遍出現了一些敬而遠之的現象。這不由讓我想起著名的「奧卡姆剃刀」原理：對於給定現象的最好解釋通常是最簡單、假設最少的那個。

本書使用淺顯的語言，將量子力學展現在讀者面前，將這物理學中目前最先進的科學理論，融會到普通的無須有多少科學背景的大眾中。對量子力學中一些有違普通人習慣性思維的論述，用通俗易懂的話表達出來。或用一些簡單的事例將其中深奧不易理解的理論表述成一看就明的、易於領會的道理。通過閱讀此書會打消人們對量子力學的一種「深不可測」的誤解，從而感到它正是我們身邊經常發生的親切可見的東西。

本書開篇，對整個物理科學的發展史作了一些簡介。全書重點內容是對有關目前物理學前沿的科學理論知識作以介紹。書中分別就有關內容按章予以陳述。在當前最先進的物理理論量子力學中，主要採用的是自20世紀以來，以愛因斯坦所發展創建的相對論、量子力學知識，這也是如今一直佔據物理學主流地位的科學知識。其中按章重點在前面部分介紹量子力學中的有關量子理論及相對論的兩大部分內容。由於在前沿物理科學中除了這些主流理論知識外，還分門別類地存在著許多不同的旁類理論和見解，每章主要是在後面部分，也匯綜闡述了一些另類的看法，其中也不乏有最新的視點。

在科學的發展的過程中，出現不同的見解是很正常的，並且也正是這些不同意見的爭論，大大推動了科學進步的加速發展。本書並非僅僅立足於對似乎玄奧的量子力學的理解上；而是更希望人們在對量子力學這一先進理論理解的同時，並非因循守舊地將其奉若聖明而束之高閣。更主要的是應在了解的基礎上得以啟迪。更進一步推陳出新探索更為先進的科學知識。書中出現的一些不落俗套的另類觀點，也許會對有志於物理科學探索的人，能起到一種以新的觀念去進一步創新的開拓視野的作用。

書中除了述及量子力學這一物理前沿科學知識外，對由其進一步發展起來的宇宙論、微粒論均有所述及。並介紹了目前傑出的物理學家霍金所主要研究的，人類甚為關心的宇宙的起源。還有關係到人類生死存亡的，尋找外星人這一人類數千年來一直關心的問題。

科學一直在發展中不斷前進，人們若不能隨同時代的發展而停步於百年前的陳舊理論上，自身就會有如隔時代的不舒服感覺。時代的進步不是光靠幾個少數人所能推動得了的，只有在廣大普通大眾全都加入推動歷史澎湃發展的洪流中，科學才會洶湧向前。而目前處於物理科學前沿的量子力學並不神秘。它也很有希望成為大眾所喜聞樂見，飯後茶餘閑聊的內容；並且在眾人的笑談風聲中形成物理學精華理論之結晶。

量子力學將人類領進了原子能時代，獲取了巨大的能源。而似乎深奧莫測的相對論，早就是科幻小說家的豐富題材：不僅將人類送入了太空，並且還飛向了未來理想的宇宙天際。數千年來人類一直在探索我們的世界究竟是什麼樣的？生命又是怎麼起源的？人類一直在問自己，我們是從哪裡來的？我們又將會到哪裡去？

而這一切人類急切關注的問題的答案，只能在將來科學的繼續發展中去探索解開懸念。

物理學承擔著向所有各門科學提供最基礎的正確依據的重要責任。物理知識海洋的豐富寶藏，全靠群體的聰明與力量去尋求。人類社會的發展也永遠企盼著人類科學智慧的結晶，以奉獻出物理科學那顆閃閃發亮的明珠。

第一章物理史話

尋求一切物質的基本結構及其運動的統一規律是物理學最最根本的目的，經歷了數千年，自從物理學問世以來就孜孜不倦地追循著這一目的而從未改變。

關於基本粒子的學說可以追述到古希臘德漠克里特斯（公元前460~公元前370年）。大約在公元前四百年，德漠克里特斯就提出了原子論。他認為大千世界由虛空和原子構成，原子不生不滅是物質能夠分割的最小單位，這種觀點持續了兩千多年。

公元前340年，古希臘哲學家亞里士多德（公元前384~前322年），在他的《論天》一書中，就對地球不是平板而是一個圓球這一論點提出過很好的論據。從亞里士多德——托勒密（100~170年）的地心說到哥白尼——伽利略的日心說的演化過程就用了2000年的時間。

1514年波蘭天文學家哥白尼（1473~1543年）提出了「日心說」的正確觀點：太陽靜止地位於中心，而地球和其它行星繞著太陽作圓周運動。日心說與聖經不符，這一觀點對當時占統治地位的教會勢力來說是大逆不道的，當時他們一貫宣揚的是唯心主義的「地心說」，唯恐哥白尼的「日心說」衝擊他們的統治地位，他們對哥白尼進行了迫害。哥白尼所創立的「日心說」使自然科學從宗教神學的桎梏中解放了出來，開創了天文學的新紀元，是人類在天體認識史上的一個里程碑。他所闡述「日心說」的不朽著作《天體運行論》在剛開始出版時就被列為**，遭到殘酷迫害。繼哥白尼之後，布魯諾，伽里略等人為了捍衛宣傳哥白尼「日心說」而壯烈地獻出了自己的生命，寫就了科學史上的兩大慘案：天文學家布魯諾（1548~1600年）因為擁護哥白尼，竟然敢說地球不是宇宙的中心，被教會活活燒死。伽里略用自製望遠鏡首次觀察了天體，宣告了一個和哥白尼學說完全符合的世界，並對「日心說」作了嚴密的論證，他的論著《對話》也被列為**，自身被終生軟禁，最後雙目失明死在獄中。經過100多年長期艱難曲折的歷程，「日心說」使科學大步向前發展。

值得再用重筆一描的是伽里略（1564~1642年）可能比任何其它人更有資格稱為近代科學的奠基人。他最早做出論斷：「人類有望理解世界是怎樣運行的，而且我們還能通過觀察現實世界來做到這一點。」為此與天主教會發生了名聞遐邇的衝突。他舉證公開支持了哥白尼的「日心說」遭到教會的鎮壓。他在教會的嚴密監視審查下獲准出版的《關於兩個主要世界體系的對話》，也是被世人歡呼為文學和哲學的傑作，1642年他第二本專著《兩種新科學》一書，甚至比哥白尼更進一步成為現代物理學的起源。他在比薩斜塔作的自由落體試驗被牛頓在1687年出版的《數學原理》中首次敘述出來，並被稱為牛頓第一定律。