新书上市 | 物理史上改变世界的28个伟大发现，都被这套书讲透了！

这是一部壮丽的物理史诗，这是一串光耀后世的姓名。他们是：牛顿，高斯，黎曼，麦克斯韦尔，爱因斯坦，杨振宁，罗摩奴詹，霍金……

物理学是一座大厦，大厦的居民是自然界中的一切物理现象。这些居民不是杂乱无章地分布在大厦里，而是被物理学家分门别类地安排在每个房间里。这座大厦的地基是力学，在此基础上发展出声学、光学、热学和电磁学。大厦结构严密、稳固，能经受来自实验的各种考验。——这是经典物理学。

在经典物理面临危机之时，包括爱因斯坦在内的一大批青年豪杰前赴后继地提出新颖奇特的理论来重塑物理学大厦的地基，从而催生了相对论、量子力学和量子场论。狭义相对论揭示了接近光速的运动规律；量子力学展示了接近原子尺寸的微观世界图景；量子场论将两者结合了起来。除此之外，广义相对论取代了牛顿的万有引力定律，成为描述引力的基础理论。——这是近代物理。

今天，新的物理学大厦还在建造和完善中。

北京大学元培学院物理学、密西根大学高能理论物理博士赵智沉的《什么是物理：用物理学的视角看世界》一书，分为经典物理与近代物理两册，用生动通俗的语言描述了搭建物理学大厦的每一步，让我们明白物理学家是如何思考的，物理学又如何通过一步步实践变成今天的样子。

来源 | 《什么是物理：用物理学的视角看世界》（套装两册）

作者 | 赵智沉

文章 | 前言：为什么还要写一本物理科普书？

普适与可靠，是人们对物理学的普遍印象。

这种普适与可靠不同于数学。后者是一座不容置疑、非此即彼、完全构建于人类精神世界之中的理论大厦。数学定理没有“时空性”。我们无法想象一条数学定理只在 2022 年的海南岛上是正确的，而在其他时间和地点是错误的。

但是，物理学面对的是外部世界，一个存在于时空之中的外部世界。一条物理定律，在任何时刻、任何地点都面临着被事实推翻的风险。如果有一天太阳从西边升起，那么所有人都会感到无比震惊，但这依然是可以想象的。尽管如此，物理定律依然以一种简洁、普适的（也就是数学的）语法描述世界的运行规律，并且在任何时刻、任何地点都以极高的精度预测尚未发生的现象。预测有时会失败，但在一次次修正或改良后，人们对物理理论的信心愈加坚定。

这种对抗变化的普适性给人一种强烈的印象：纷繁变幻的世界被一条永恒不变的客观规律支配着，而物理学就是人类寻找并使用数学语言书写这条规律的学科。这种印象抹去了物理学在大众眼里的历史性。既然有一个终极理论在那里，而物理学是不断逼近这个终点的旅途，那么过去的理论相对当今理论而言是模糊、狭隘甚至完全错误的。如果学习物理学的目的是追问那个终极理论，那么当下的理论体系就是最好的近似，了解它就足够了。

于是，无论物理学教科书还是科普书，通常都呈现给读者一幅静态的剖面图，描述着当下这个“最好”的状态。“静态”有两个方面：一是忽略理论在发展过程中留下的历史印记，以及时代思潮对物理学家产生的微妙而深刻的影响；二是缺失物理学内部不同分支之间的核心概念、理念和图景的密切关联（尤以力学对其他学科的影响为甚）。于是，读者常常不假思索地接受当代物理学的时空观念、力学的基础地位、粒子宇宙图景、机械宇宙图景、“实体”的指称等，而不清楚它们如何从一些朴素、原初的体验和观念一步步发展到今天。我们只看到了恢宏的大厦，但没有看到脚手架拆除之前的样貌。

一些物理科普作品还有一种倾向：将物理学奇观化，并将物理学科普书调配为满足猎奇心理的“快餐”。物理学在 20 世纪经历了两场革命：相对论和量子力学的提出，推翻了牛顿经典力学的地基，奠定了现代物理学理论的基础。这两个理论分别在高速世界和微观世界呈现出我们在日常生活中无法体验的新奇现象，它们所依赖的理论基础和衍生出的概念也是相当奇特的，黑洞、虫洞、时空扭曲、双生子佯谬、薛定谔的猫、高维时空、多重宇宙等很多概念甚至借助文艺作品成为流行文化的一部分，其意向也常常超出了严格的物理学概念。然而，有些科普作品成功地渲染了这些理论的奇异性质，却没有试图解释背后合理、严谨的原则和观念，以及它们从经典物理理论汲取的丰富养料。仿佛在 20 世纪初，物理学家从钟表匠摇身一变成为魔法师，以违背常识的特异思维从事着天马行空的研究工作。

我希望本书能带来一些新的科普阅读体验。在上册中，我试图从时间、空间、运动、力、声音、冷热等日常原初体验出发，从零构建一套基于力学的理论体系。我希望你能参与到这座大厦的设计和构建过程当中，而不只是跟随导游浏览完工后的作品。我花了很多笔墨剖析那些不那么“新奇”的理论，这是因为它们贯穿了物理学的很多核心观念和方法，为许多前沿理论提供了丰富的养料。当读到下册中的那些新奇的理论时，你会看到很多熟悉的身影，不会觉得它们毫无根据且异想天开。

从电磁学开始，推进物理学发展的实验会脱离日常经验的范畴。此时，我会将视角投向历史，梳理理论演进的历史脉络，试图还原一些关键历史节点上的灵光、混沌、踌躇、粗粝，一些跨越时代的思辨，一些后知后觉的革新。

当然，本书并不承诺能翔实地梳理物理学史，这实在超出了我的能力。这依然是一本立足于当今物理理论的科普书，我在此基础之上尽可能地补充一些历史脉络，强调贯穿各个理论的核心观念，也会跳出理论框架，从科学哲学角度审视理论大厦。本书不是对当今物理学的全面概述。我在博士阶段研究的课题是高能理论物理，对一些不太了解的领域（例如凝聚态）只好略过，还有一些非常前沿的话题，需要相当深厚的数学功底才能理解，有些还未得到实验的检验，本书也只能略过。

抛开巨大成功不谈，物理学是一门优美的学科，也是一门非常艰深的学科。我无法承诺你读完本书就能理解物理学，但我努力不给你“读完本书就能理解物理学”的错觉。我希望将物理理论中非常重要但相当晦涩抽象的部分尽量诚实地呈现给你，为你设计一条尽量平缓的路径，去试着攀爬一下理论的高峰，然后俯瞰周遭风景，而不只是远远地透过云山雾罩指一下若隐若现的峰顶。为此，我心目中的读者是接受过高等通识教育、对于抽象概念有一定接受和思考能力、非物理专业的物理学爱好者。我不避讳在书中引入数学公式，但不会超出四则运算的范围。我认为数学公式在很多时候是最简洁、最明晰、最准确的解释途径。我不认同“简洁的科普不需要数学公式”的说法，尤其是我认为本书的读者拥有基本的数学阅读能力。

比喻是科普作者常用的方法，但我非常谨慎地使用。比喻方法可行的前提在于，作者和读者在本体、喻体和比喻关系这三者上有着高度的默契；而这在著书中非常困难，因为我无法预计读者的认知背景。当作者用一个日常概念（比如被重球压凹陷的床单）比喻物理概念（比如非平直时空）时，他的脑中有一个明确的范围，即哪一部分是可以类比的，以及类比在多大程度上是准确的；然而作者在使用比喻时常常略过了这些重要信息，读者则只能按自己的习惯自由发挥，导致很多过犹不及的误解。因此，在使用比喻时，我尽量解释清楚比喻关系和适用程度，于是你会看到很多“这个比喻不合适的地方在于……”的表达。

和比喻方法有关的，是日常概念和物理概念的区分，特别是当它们使用同一个词（如时间、空间、质量、能量）的时候。一方面，人们会自然地将日常概念的意向沿用到物理概念中而产生误解；另一方面，物理学的巨大成功常常伴随着世界图景对日常概念的导引甚至侵蚀，使得人们缺失了对另类视角的想象能力。对此，我花了不少精力辨析基础的物理概念，它们与日常概念的区别，以及它们的含义在历史上的演进。这样做不仅是出于对严谨的要求，也希望传达这个观念：物理学是看待世界的一种视角和方法，但它不是，也不应当是唯一的视角和方法。物理学有着无可比拟的普适性与可靠性，也有着明晰的边界。我认为，了解“物理学不能回答哪些问题”，和了解“物理学能回答什么问题”及“物理学怎么回答这些问题”一样重要。

物理学是一门优美的学科，也是一门非常艰深的学科。它提供了对世界的一种理解，一种普适、准确、简洁、时而直观时而晦涩的图景。理解它不是一件容易的事情，但一定是一件值得付出努力的事情。我想以本书带你踏上这样一段旅程。