我们生活在一个岌岌可危的时代，我们的世界似乎过于拥挤。一方面，人口过多、环境破坏时刻威胁着我们；另一方面，比起延续数千年的文明史，我们在已经过去的20世纪里，有很多的发明和发现，新兴技术仿佛把地球变小了。登月和发现广袤的银河系，仅仅是19世纪完整而直观的科学研究的一种扩展和补充。相比较而言，本书讲述的现代物理理论，却探索了前所未有的新事物。

本书作为现代物理的入门书，目的是让年轻的读者走近和熟悉一些概念，如宇宙大爆炸、光速、相对论、黑洞、夸克及轻子。

本书所讲述的现代物理知识体系，能够引导一批青少年的科学兴趣。

光速究竟有多快？物质到底由什么组成？夸克是什么？时间在中子星上比在地球上流逝得慢吗？宇宙大爆炸之后发生了什么？在本书中，德国著名天文学家、汉堡天文馆馆长埃里希·于波拉克博士，带我们进入了现代物理学中最引人入胜的领域。他深入浅出地解释了一系列现代物理理论：爱因斯坦的相对论如何改变了我们对于时间和空间的设想；科学家们如何用现代望远镜，深人地探寻宇宙的奥秘；他们如何用巨大的粒子加速器重现宇宙原始时期的景象；人们怎样发现了更小的组成物质的基本粒子……请注意哦，本书中的所有内容和发现，都需要我们尽可能地展开想象的翅膀。

爱因斯坦和光速

 有绝对的最高速度吗？

 迎面飞向光源时会发生什么？

 爱因斯坦是谁？

 什么是相对论？

 时间在高速飞行的宇宙

 飞船中会发生变化吗？

 我们能够飞抵遥远的星球吗？

 我们会经历公元4000年吗？

 什么是双胞胎悖论？

 一个苹果可重达50kg吗？

 可以通过质量获得能量吗？

 太阳如何制造能量？

 爱因斯坦和原子弹有什么关系？

 宇航员在黑洞附近会遭遇什么？

微观世界

 光由什么组成？

 什么是原子？

 什么是分子？

 原子是由什么构成的？

 电子真的是

 微型行星吗？

 原子核是由

 什么组成的？

 真的存在反物质吗？

夸克和轻子

 什么是夸克？

 我们可以观察夸克吗？

 怎样理解四种自然力？

 什么是轻子？

 电子是粒子还是波？

 怎样研究最小的粒子？

 粒子加速器有什么作用？

 有没有原粒子和原始自然力？

宇宙大爆炸和永恒

 为什么恒星会发光？

 星系是什么？

 恒星的速度能够测量吗？

 星系会移动吗？

 真的有过宇宙大爆炸吗？

 宇宙是什么时候诞生的？

 宇宙最初看起来是怎样的？

 恒星和星系是如何形成的？

 宇宙会继续膨胀吗？

 宇宙是无限大的吗？

 我们的地球将来会变成什么样？

 将来所有物质都会毁灭吗？

现代物理学术语表

恒星的速度能够测量吗？

当光源——如源自恒星或者星系，以极高的速度向我们移动时，会导致它们发出的光的波长产生变化：即光的波长会变短，长波长的红光看起来就变成了短波长的蓝光。光源背离我们运动或者我们自己乘坐宇宙飞船远离它，都会使它所发出的光的波长变长。一个以极快速度远离我们的、发出蓝色光的电灯，我们看起来会是黄色的或者红色的。我们称这种现象为“多普勒效应”。

为了计算恒星的移动速度，我们必须知道来自宇宙各处的由氢气聚变所辐射出的光的特定波长。假如一个高温、含氢的恒星正远离我们，那么对我们来说，它发出的光的波长比我们所预期的要长。而如果它朝着我们急速移动，那么光的波长将变短。

基于波长的变化，我们可以根据这一特性确认光的原子种类，天文学家还能精确地计算出，某颗恒星面向或者背离我们时的运动速度。例如，我们周围移动最快的恒星，正以543km／s的速度远离我们，而其他的恒星则以不到500km／s的速度靠近我们。

星系会移动吗？

不仅恒星在移动，就连银河系也在不断移动。我们邻近的星系，一部分在快速地靠近我们，而一部分则在远离我们。例如，仙女座星云正以270km／s的速度向我们靠近，而麦哲伦星云却以相近的速度远离我们。人们估计，这样均匀分布的移动速度，恐怕也发生在遥远的星系和星系群中。

天文学家不得不惊讶地承认，几乎所有遥远的星系都在远离我们。他们离我们越远，则背离我们移动的速度就越快。当然这并不表示，我们的银河系就处在宇宙的中心，因为在不同的观测地点，人们都会有相似的感觉。各个星系之间正在相互远离，宇宙在不断地膨胀、扩大。如果两个银河系以十分之一的光速背向移动，并且他们之间相距15亿光年的距离，那么它们在150亿年前肯定相互之间距离很近(这里忽略它们的速度会发生改变)。类似的测试方法同样适用于其他星系。

真的有过宇宙大爆炸吗？

大约130亿至150亿年前，我们所知的宇宙还只是一个炽热的、超大密度的火球。通过一次原始大爆炸，它的各个组成部分之间，开始相互远离。所谓的宇宙大爆炸，肯定是某种更高级的力量的杰作。

随着科学家对时空探索的不断深入，他们对这种观点的见解也越来越不一致。尽管我们今天对地球的发展史有很深的了解，但想全面地揭示宇宙上百亿年的历史，仍然是相当困难的。

对于判断宇宙是否发生过大爆炸，仅凭宇宙不断膨胀的现象作为依据，似乎还不够充分。但是，人们对此却另有一个非常重要的观点：随着我们对宇宙认识的不断加深，我们对它过去的了解也会不断地增加。

我们所看到的距离我们十光年的恒星，是它十年前的样子。一个遥远的星系也是如此，我们看到的景象也是它数十亿年前的样子。人们用大型天文望远镜所观察到的遥远天体，只是类星体——即未来星系的雏形。

如果人们能够从任意的方向观测更遥远的宇宙，那么人们最终必定能够看到宇宙的原始形态，即炽热的原始气体，并观察到由它们产生出星系、恒星、行星以及生命的过程。

宇宙大爆炸之初，我们肯定是被一个遥远的、发出明亮光芒的外壳所包围，而且黑夜时的天空肯定和白天一样明亮。

由于宇宙在不断地膨胀，所以从不断远离我们的明亮“火墙”发出的光波会不断变长。这种光的波长变得如此之长，以至于它们抵达我们时，所呈现的不再是可见的短波长的“光”，而是不可见的长波长的微波。

通过射电望远镜观测到的，从各个方向朝我们涌来的“宇宙背景辐射”，可以作为上述理论的佐证。如今，宇宙背景辐射是宇宙大爆炸理论的最根本支撑，它否定了其他所有的宇宙诞生理论。

宇宙是什么时候诞生的？

通过星系的间距以及移动的速度，往前推算出它们的起始点，进而可以轻易地推算出宇宙的年龄，这种理论是人们可以接受的。

但是，由于星系的移动速度不断受到各种因素的影响，所以事情并非一道计算题这么简单。这是因为星系质量之间相互吸引，从而导致他们相互背离运动的速度必定受到影响。

此外，宇宙中的物质越多，这种影响就越大。另一方面，人们通过探测发现，星系之间相互背离运动的速度也越来越快。此外，对遥远星系距离的计算，我们也无法保证其精确度。

所有这些都说明，我们对宇宙的年龄只能进行推测。大多数科学家认为，宇宙是在130亿至150亿年前诞生的。

P39-41

我们生活在一个岌岌可危的时代，我们的世界似乎过于拥挤。一方面，人口过多、环境破坏时刻威胁着我们；另一方面，比起延续数千年的文明史，我们在已经过去的20世纪里，有很多的发明和发现，新兴技术仿佛把地球变小了。登月和发现广袤的银河系，仅仅是19世纪完整而直观的科学研究的一种扩展和补充。相比较而言，本书讲述的现代物理理论，却探索了前所未有的新事物。

人类必须承认，大自然在最大、最小和最快这些领域里的现象，远远超过我们的预知能力。虽然原子核和超速粒子的特性可以在数学范畴内精确地进行计算和描述，但是一旦需要阐释光、原子或是宇宙的构造时，我们现阶段有限的判断力和想象力就完全无能为力了。尽管如此，一些实用的概念模型还是存在的，例如人们把光设想为波浪运动，这样就可以理解它的许多特性了。

我们提出的原子结构模型虽然有点“孩子气”，却十分有用，这个模型包含原子的重核和行星般绕核运行的电子。但是，所有这些描述和模型，只能揭示大自然的一部分真实面孔。光可以以粒子流的形式出现，但当人们想要分离它们到特定的位置时，这些电子壳层中的粒子，会突然间不规律地游离分散。在最小的世界以及夸克、胶子领域，一切都变得更加神秘莫测。

本书作为现代物理的入门书，目的是让年轻的读者走近和熟悉一些概念，如宇宙大爆炸、光速、相对论、黑洞、夸克及轻子。为了避免内容过于艰深，部分内容有所删减。

我们希望，本书所讲述的现代物理知识体系，能够引导一批青少年的科学兴趣，希望他们在21世纪不断求知探索，并且在维护世界和平和拯救世界的新技术开发方面有所建树。