宇宙的运行由深奥的自然法则和基本的物理常数统治着，它们决定了宇宙的起源、形状、规模和命运。这些自然法则和常数从何而来？为什么宇宙的奇妙与复杂可以使用如此简练、优雅的数学语言来表达？
作为著名化学家、化学教育家和科普作家，彼得·阿特金斯教授以斐然的文采和对科学的深刻理解奠定了在科普写作领域的地位。他运用轻松、诙谐的写作方式，如变魔术般带领读者探索能量守恒、电磁学、经典力学、量子力学和热力学的起源，展示其中所隐藏的各种定律是如何从深层对称中产生的，将物理学的基本思想简洁又丰富地编织在一起，获得了革命性的成果。阿特金斯以其特有的睿智和幽默，用一种发人深省的方式揭示出这个复杂得无以伦比的世界那令人惊讶的简单性。

苏湛，中国科学院大学副教授，兼任中国自然辩证法研究会物理学哲学专业委员会副秘书长，中国科学技术史学会科学文化专业委员会秘书，中国科学技术史学会物理学史专业委员会理事。研究方向为物理学哲学、物理学史。著有《看得见的中国科技史》、《十一世纪中国的科学、技术与社会》，译有《哈拉维与基因改良食品》(合译)、《科幻文学的批评与建构》(合译)等。

一、回到永恒：定律的本性
二、无事生非：定律何以能够从一无所有中突现
三、无法无天：定律何以从无定律中突现
四、炙手可热：关于温度的定律
五、超越无规则：一切缘何发生
六、无知的创造力：物质如何响应变化
七、光的载荷：电和磁的定律
八、量尺子的尺子：基本常数的起源
九、来自深层的呐喊：数学为何能发挥作用
注释
索引
译后记

世界的运行被一些人归
因于一位事儿妈得要命然而
又看不见摸不着的创造者，
他孜孜不倦地将每一个电子
、夸克和光子引向各自的命
运。我的直觉使我本能地抗
拒这种关于世界运行的败家
子式观点，而我的头脑唯直
觉马首是瞻。在接下来的一
百多页里，我将探寻是否存
在一种关于“正在发生的是
什么”的更简单的解释。科
学家，归根结底，是一帮从
复杂性中开采简单性的采掘
工，大多偏爱更简单粗暴的
东西而不是更精致复杂的。
我将探寻通过这种采掘暴露
出来的最幽深的隐秘之处，
进而论证自然律——我们对
世界运行方式的概括，是以
可能存在的最简单的方式产
生的。我将论证，它们只不
过是从无为与无规则中滋生
出来的，往往还或这儿或那
儿地掺杂着一点儿无知。
我把谈论的范围限定在
只包括司空见惯的事物。因
此我会带你走马观花地了解
一下力学（包括经典的和量
子的）、热力学以及电磁学
。虽然不像对谈论力学那么
有信心，但是我也希望能以
一种发人深省的方式，领你
深入基本常数的起源。作为
总结，我还会尝试探讨一下
数学在规范化表达自然定律
方面的功效，以及它揭示现
实的深层结构的可能。我写
的东西中有些只是推测，因
为尽管经过三个世纪的励精
图治，科学已取得了显著进
步，但是对自然的完全性理
解仍然是它鞭长莫及的。如
果你想寻求关于我的某些说
法的更深层次的解释，那么
可以在书后的注释中找到它
们，我把这些注释当成是用
来藏匿方程的安全屋。
我希望在接下来的篇章
里回答一些你可能已经想到
了但是还没得到解答的问题
，同时希望我的文字能够在
某些方面揭示这个复杂得无
与伦比的世界的令人惊讶的
简单性。

从现代物理学到量子力学，《伽利略的手指》作者阿特金斯关于宇宙精彩的哲学思考。
从一无所有中，在无为的驱使和无规则的支配下，宇宙漫无目的地演化出了今天我们所知道的全部复杂精巧的自然律。
不懂物理学的化学家不是好的人文学者。从俗语、俚语到历史故事，从莎翁名剧到流行文化，看阿特金斯教授如何将令人昏昏欲睡的科学理论讲得生动活泼、兴趣盎然。

本书是英国著名化学家
、化学教育家和科普作家、
皇家学会会员彼得·阿特金
斯的最新科普力作。40多年
前，作为已经功成名就的物
理化学家，阿特金斯以著名
的《创世》（The Creation
）奠定了其在科普写作领域
的地位，其斐然的文采和对
科学的深刻理解，使这部著
作及其增补本《重临创世》
（Creation Revisited）至今
仍被视为史上最好的科普著
作之一。我国在本世纪初曾
翻译出版过他的另一部科普
佳作《伽利略的手指》。本
书是时隔十余年后阿特金斯
的著作再次被译成中文，作
为译者我深感荣幸。
本书继续聚焦于阿特金
斯早年著作所关注的问题，
这个问题可能也是迄今为止
人类面临的所有自然谜题中
最迷人的一个：我们的宇宙
从何而来？或者，用一种富
有戏剧性的问法来说：今天
我们所看到的、所听到的、
所拥有的一切，乃至我们自
身，最初是怎么出现的？在
他早年的著作中，阿特金斯
曾对这个问题的几个最引人
注目的方面给出过自己的回
答，包括空间、时间和物质
的起源。而这一次，他把目
光转向了这个问题经常被忽
视的另一面，即宇宙中除了
物质以外的那一半——为所
有物质运行划定的规则，并
通过物质的运行方式表现出
来的，即自然界中的各种定
律——是如何被“制定”出来
的。
当然，如你所见，本书
实际上试图告诉你，这些定
律从未被“制定”出来。它们
只是宇宙从一个初始状态开
始，自发演化的必然结果。
而这个初始状态不是别的，
就是“无”，什么都没有——
没有能量，没有物质，没有
一个炽热的火球或奇点，甚
至连“真空”本身也不存在的
绝对的一无所有。而导致定
律、我们的宇宙，以及包括
我们自身在内的一切出现的
这个演化过程也是完全漫不
经心的：无规则、无目的，
唯一的动力就是尽可能少做
事——最好一点儿都不做。
的确，这幅图景与被广
为接受的宇宙在一声巨响中
华丽登场的描述不太一致，
而且与后者相比简直乏味至
极。但它可能是真的，而且
从哲学角度看，这种图景甚
至更为自然，因为在这种图
景中，完全不存在那个困扰
大爆炸模型的根本性的问题
：那个最初的奇点，从何而
来？
当然，作为一部科普著
作，本书的目的不是进行学
术性争论。事实上与大爆炸
模型一样，本书所描述的图
景也只是从已知科学理论和
观测事实出发进行的推演，
只是出发的角度以及所考虑
的事实略有不同。而且与包
括大爆炸假说在内的所有宇
宙学假说一样，要完善这些
假说、彻底弄清宇宙诞生之
初发生了什么，我们目前掌
握的事实仍然太少太少了。
对这些未知的东西，作者谨
慎地保持沉默。但是仅就本
书所关注的自然界中各种定
律的起源而言，目前已知的
科学事实看起来确实指向这
样一个结论：在宇宙诞生之
初，无论是不是有那么个火
球或一声“砰”，在那一刻，
没有任何新的定律诞生，今
天我们所看到的一切，仅仅
是对宇宙最初状态的继承—
—一个比那声“砰”更古老的
一无所有的状态。
这个假设的迷人之处在
于，它提供了一幅如此简单
的宇宙诞生之初的图景：不
存在任何东西，也没发生任
何事件，当然更不需要劳动
那位事儿妈得要命的创造者
——还有什么能够比一无所
有更简单呢？而这种简单性
，正是作者最终试图展示的
，我们所坚信并希望你也愿
意相信的，宇宙的本性。
……
就像我的一位出身于化
学教育背景的同事喜欢说的
：“不懂物理学的化学家不
是好文化人。”通过本书，
阿特金斯展示了一位精通物
理学（尤其是热力学第二定
律，就像C.P.斯诺提到的）
的化学家在谈及莎士比亚以
及其他通常被认为属于人文
、艺术的内容时是多么地如
数家珍。作者引用、化用了
大量欧美读者耳熟能详的文
化典故，从俗语俚语到历史
故事，从莎翁名剧到流行文
化，从而把寻常使人昏昏欲
睡的科学理论讲得生动活泼
、趣味盎然。然而这也极大
地增加了本书的翻译难度。
为了让不那么熟悉这些西方
典故的国内读者能够同样体
味到原作者试图带给全世界
每一位读者的兴奋与愉悦，
我尽量把作者的语言转换成
中国文化语境下的内容，尽
可能去体味作者在选用不同
单词时所尝试表达出来的情
绪，或举重若轻、或煞有介
事、或明褒暗贬、或嬉笑怒
骂，然后尝试用中文中感情
色彩相近的措辞将其还原出
来，另外以脚注形式为一些
典故添加了注释说明，以弥
补翻译笔力的不足。
最后，我想作者可能会
同意我这样来概括他通过本
书试图传达给读者的信息：
宇宙是简单的，而且并
不神秘。

一、回到永恒：定律的本性
我需要让你的头脑准备好接受一个想法，这个想法如此荒谬，以至于它甚至可能是对的。科学通过革命来获得进步——有时被称作范式转换，当曾经被当成常识的东西，抑或只不过是作为一种司空见惯的态度的东西，被某些看起来更接近真理的东西取代，革命就发生了。亚里士多德提供了一个例子，哥白尼提供了另一个。于是乎，亚里士多德坐在他的大理石扶手椅上反思箭的飞行，推断箭是被它们身后的空气旋涡推动着前进的。他还通过观察牛车通过公牛持续不断地施力来保持运动，提出了更普遍的观点，认为运动必须通过受力才能得以维持。而伽利略和之后的牛顿看穿了空气和泥泞道路的影响，用截然相反的设想取代了亚里士多德的设想：运动在物体不受力的情况下会一直持续，只有受力才会使运动止息。空气阻碍了箭的飞行，尽管亚里士多德不可能知道这一点，但是箭其实在真空中飞得更好，而那里是不可能有持续的旋涡的。他本来应该能够注意到，但却没抓住机会：牛车如果是行驶在冰上，而不是陷在泥泞中，那么即使不需要公牛拉拽，它也能维持运动。而哥白尼，众所周知，他拒绝接受太阳每天围着地球公转的常识，反之去坚持一种太阳位于中央并保持静止、地球围绕轨道运动同时自转的观点，从而带来了一场宇宙革命，以及对人类关于世界的理解的一种深层次简化（这是逼近真理的一个重要标志）。
20世纪早期的各种智识革命令差不多同时代及之前一个多世纪发生的历次政治剧变都相形见绌，各种更为微妙同时影响深远的对世界图景的修订接踵而至。在1905年以后，人们不得不抛弃判断哪些事件可以被认为是同时发生的常识性观点，因为阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）在这一年扭转了我们对时间和空间的知觉，将它们混在一起变成了“时空”（spacetime）。这种混合把时间搅入空间、空间搅入时间，而混合的程度则依赖于观察者的速度。由于时间和空间纠缠得如此紧密，任何两个发生相对运动的观察者都无法就两个事件是否同时发生达成一致。这场针对我们行为和认知领域的根本性改变，看似好像是为了通向对世界的更深刻理解而付出的一笔沉重代价，但其实它也同时使得关于物理世界的数学描述获得了一次简化：对现象的解释不再需要从风马牛不相及的各种牛顿物理学概念中拼凑出来，它们自然地从空间与时间的交融中突现出来。
大约与此同时，新生的量子理论家群体在另一个方向上扭转了人们的思想，他们指出，牛顿还上了另外一个当，甚至就连爱因斯坦把牛顿物理学搬到他的新时空舞台上也根本就是错的。也就是说，虽然牛顿已经从运动上刮掉了泥的影响，但他还是被困在常识性的、在农家院的启发下形成的世界图景中，认为要具体指定一条路径，必须同时考虑位置和速度两个参量。经典物理学家们是多么骇异呀，甚至包括那些已经学会了心满意足地在时空中生活的人，结果我们却不得不把这个概念废弃掉。在大众心目中，这场废弃的标志是不确定性原理，由沃纳·海森堡（Werner Heisenberg，1901—1976）于1927年正式提出。这则原理声称，位置和速度无法同时被获知，因此看似消除了被认为在基础上支撑着自然，或者至少在基础上支撑着对自然的描述的东西，从而断绝了理解世界的全部希望。在本书稍后的部分，我将反驳认为海森堡原理断绝了理解并完全性地描述世界的前景的观点。
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