前言 及 第一章物理史话（开头部分）

前言

本书面向普通读者，用通俗的语言向广大读者介绍了目前物理学领域较前沿的知识。

进入20世纪，物理学迈入了量子力学时代。在这一百多年的时间里有着突飞猛进的发展，将整个人类带入了一个新的物理学境地。人们在物理界的视野，由20世纪前牛顿力学时代所研究的主要针对看得见，摸得着的较为容易知晓的较小的宏观宇宙范围；扩大到了小至亚原子的微粒子，大到150亿光年之远的宏观宇宙天体范围。

物理学经过几千年的发展，直至19世纪末，整个经典物理取得了较圆满的发展，尤其是在人们可接触到的宏观物理世界范围，基本上能自洽地解决整个自然界带来的物理问题。经典物理学中总结出来的各个公式、定理、定律早已是物理学界运用起来得心应手的工具。整个经典物理的知识还是比较通俗易懂的。

但是经典物理在面对微观物理世界时遇到了难以解释的麻烦。也就是说牛顿力学在面对超越他们那个时代认知范围的问题时适应不了。20世纪初，以爱因斯坦为首的物理学家，应时代的要求责无旁贷地担负起新的历史使命，创建了量子力学。这也就是至今仍肩负着引领全人类行进在整个物理科学前沿的最新物理科学。

量子力学主要包含有两部分内容，一是针对微观世界的量子理论部分，另一个是针对大尺度宏观宇宙的相对论部分。也可以这么理解，量子力学是经典物理学向宏观及微观世界；也就是向大与小两端的物理世界范围的延伸。

但是，在具体理论上量子力学却又与以前的物理理论有着截然不同之处。量子力学是建立于崭新的观念的基础上。在量子力学中人们固有的“绝对时间”、“绝对空间”都不复存在；量子的“速度与位置”已是不可能同时测准的；量子既是波又是粒子，呈现“波粒二象性”。时间、空间、质量、能量、都已经不是固定不变的而是可以相互转化的；万有引力是以“空间的弯曲”这样的几何性质出现在人们面前，……。正由于量子力学是突破人们旧理念的一种新理论，所以往往人们一时半会对这与旧思维方式几乎格格不入的方法，不很容易理解，这也就是一般人对量子力学这位于物理科学最前沿的知识，时而会有一种不太好接近的感觉，因而比较普遍出现了一些敬而远之的现象。这不由让我想起著名的“奥卡姆剃刀”原理：对于给定现象的最好解释通常是最简单、假设最少的那个。

本书使用浅显的语言，将量子力学展现在读者面前，将这物理学中目前最先进的科学理论，融会到普通的无须有多少科学背景的大众中。对量子力学中一些有违普通人习惯性思维的论述，用通俗易懂的话表达出来。或用一些简单的事例将其中深奥不易理解的理论表述成一看就明的、易于领会的道理。通过阅读此书会打消人们对量子力学的一种“深不可测”的误解，从而感到它正是我们身边经常发生的亲切可见的东西。

本书开篇，对整个物理科学的发展史作了一些简介。全书重点内容是对有关目前物理学前沿的科学理论知识作以介绍。书中分别就有关内容按章予以陈述。在当前最先进的物理理论量子力学中，主要采用的是自20世纪以来，以爱因斯坦所发展创建的相对论、量子力学知识，这也是如今一直占据物理学主流地位的科学知识。其中按章重点在前面部分介绍量子力学中的有关量子理论及相对论的两大部分内容。由于在前沿物理科学中除了这些主流理论知识外，还分门别类地存在着许多不同的旁类理论和见解，每章主要是在后面部分，也汇综阐述了一些另类的看法，其中也不乏有最新的视点。

在科学的发展的过程中，出现不同的见解是很正常的，并且也正是这些不同意见的争论，大大推动了科学进步的加速发展。本书并非仅仅立足于对似乎玄奥的量子力学的理解上；而是更希望人们在对量子力学这一先进理论理解的同时，并非因循守旧地将其奉若圣明而束之高阁。更主要的是应在了解的基础上得以启迪。更进一步推陈出新探索更为先进的科学知识。书中出现的一些不落俗套的另类观点，也许会对有志于物理科学探索的人，能起到一种以新的观念去进一步创新的开拓视野的作用。

书中除了述及量子力学这一物理前沿科学知识外，对由其进一步发展起来的宇宙论、微粒论均有所述及。并介绍了目前杰出的物理学家霍金所主要研究的，人类甚为关心的宇宙的起源。还有关系到人类生死存亡的，寻找外星人这一人类数千年来一直关心的问题。

科学一直在发展中不断前进，人们若不能随同时代的发展而停步于百年前的陈旧理论上，自身就会有如隔时代的不舒服感觉。时代的进步不是光靠几个少数人所能推动得了的，只有在广大普通大众全都加入推动历史澎湃发展的洪流中，科学才会汹涌向前。而目前处于物理科学前沿的量子力学并不神秘。它也很有希望成为大众所喜闻乐见，饭后茶余闲聊的内容；并且在众人的笑谈风声中形成物理学精华理论之结晶。

量子力学将人类领进了原子能时代，获取了巨大的能源。而似乎深奥莫测的相对论，早就是科幻小说家的丰富题材：不仅将人类送入了太空，并且还飞向了未来理想的宇宙天际。数千年来人类一直在探索我们的世界究竟是什么样的？生命又是怎么起源的？人类一直在问自己，我们是从哪里来的？我们又将会到哪里去？

而这一切人类急切关注的问题的答案，只能在将来科学的继续发展中去探索解开悬念。

物理学承担着向所有各门科学提供最基础的正确依据的重要责任。物理知识海洋的丰富宝藏，全靠群体的聪明与力量去寻求。人类社会的发展也永远企盼着人类科学智慧的结晶，以奉献出物理科学那颗闪闪发亮的明珠。

第一章物理史话

寻求一切物质的基本结构及其运动的统一规律是物理学最最根本的目的，经历了数千年，自从物理学问世以来就孜孜不倦地追循着这一目的而从未改变。

关于基本粒子的学说可以追述到古希腊德漠克里特斯（公元前460~公元前370年）。大约在公元前四百年，德漠克里特斯就提出了原子论。他认为大千世界由虚空和原子构成，原子不生不灭是物质能够分割的最小单位，这种观点持续了两千多年。

公元前340年，古希腊哲学家亚里士多德（公元前384~前322年），在他的《论天》一书中，就对地球不是平板而是一个圆球这一论点提出过很好的论据。从亚里士多德——托勒密（100~170年）的地心说到哥白尼——伽利略的日心说的演化过程就用了2000年的时间。

1514年波兰天文学家哥白尼（1473~1543年）提出了“日心说”的正确观点：太阳静止地位于中心，而地球和其它行星绕着太阳作圆周运动。日心说与圣经不符，这一观点对当时占统治地位的教会势力来说是大逆不道的，当时他们一贯宣扬的是唯心主义的“地心说”，唯恐哥白尼的“日心说”冲击他们的统治地位，他们对哥白尼进行了迫害。哥白尼所创立的“日心说”使自然科学从宗教神学的桎梏中解放了出来，开创了天文学的新纪元，是人类在天体认识史上的一个里程碑。他所阐述“日心说”的不朽著作《天体运行论》在刚开始出版时就被列为**，遭到残酷迫害。继哥白尼之后，布鲁诺，伽里略等人为了捍卫宣传哥白尼“日心说”而壮烈地献出了自己的生命，写就了科学史上的两大惨案：天文学家布鲁诺（1548~1600年）因为拥护哥白尼，竟然敢说地球不是宇宙的中心，被教会活活烧死。伽里略用自制望远镜首次观察了天体，宣告了一个和哥白尼学说完全符合的世界，并对“日心说”作了严密的论证，他的论著《对话》也被列为**，自身被终生软禁，最后双目失明死在狱中。经过100多年长期艰难曲折的历程，“日心说”使科学大步向前发展。

值得再用重笔一描的是伽里略（1564~1642年）可能比任何其它人更有资格称为近代科学的奠基人。他最早做出论断：“人类有望理解世界是怎样运行的，而且我们还能通过观察现实世界来做到这一点。”为此与天主教会发生了名闻遐迩的冲突。他举证公开支持了哥白尼的“日心说”遭到教会的镇压。他在教会的严密监视审查下获准出版的《关于两个主要世界体系的对话》，也是被世人欢呼为文学和哲学的杰作，1642年他第二本专著《两种新科学》一书，甚至比哥白尼更进一步成为现代物理学的起源。他在比萨斜塔作的自由落体试验被牛顿在1687年出版的《数学原理》中首次叙述出来，并被称为牛顿第一定律。