“20个大问题”系列的每本书均由相关领域的专家学者执笔，通过对某一学科里20个最根本的问题的解答和讨论，介绍了学科发展的历史，勾勒出了整个学科的概貌。针对每个精心挑选的问题，书中不仅做出详尽而富有启发性的解释，还不失时机地穿插了妙趣横生的历史故事，令读者在不忍释卷的阅读体验中畅游科学的奇妙世界。

Michael Brooks所著的《影响物理发展的20个大问题》是该系列的物理卷，通过20篇生动精炼的随笔，阐述了物理学中最根本、最深刻的一系列“大问题”，让大家不仅充分了解这门深奥且历史悠久的学科，而且对物理学的著名人物和重大事件有了更好的认识。

薛定谔的猫究竟怎么了？上帝粒子是什么？自然界中最强的力是哪一种力？四维时空是什么样子的？这些简单的疑问带领我们进入物理学的各个分支，去追本溯源，了解学科的发展轨迹。书中涉及的内容兼顾了知识性和趣味性，既有理论阐述，又有生动的历史，极具可读性。让我们沿着大师们的足迹，去探索物理学的奥秘与真谛吧。

Michael Brooks所著的《影响物理发展的20个大问题》是一本物理科普书。作者通过20篇短文，介绍了物理学的起源及意义，其中涉及混沌理论、薛定谔的猫、引力、物理粒子、双逢实验、能量守恒等伟大的思想和系统。内容涵盖物理学发展史的方方面面，生动有趣，让读者为其深深吸引。

《影响物理发展的20个大问题》适合于对物理学感兴趣的各个层次的读者阅读。

1　物理学的意义何在？

 ——无处着手的问题，意料之外的回报，以及对于已有理解永无休止的追问　1

2　什么是时间？

 ——演进、无序与爱因斯坦的弹性时钟　12

3　薛定谔的猫究竟怎样了？

 ——量子物理学与实在之本性　24

4　苹果为什么会下落？

 ——引力、质量与相对性之谜　35

5　固体真是实心的吗？

 ——原子、夸克以及从指缝间溜掉的固体　45

6　为什么没有免费的午餐？

 ——能量、熵以及对永恒运动的求索　55

7　一切归结为随机？

 ——不确定性、量子实在与统计学可能具有的作用　64

8　什么是上帝粒子？

 ——希格斯玻色子、LHC以及对于质量之含义的求索　75

9　我是独一无二的吗？

 ——我们所处宇宙的界限，以及对平行世界的寻找　85

10　我们能够进行时间旅行吗？

 ——当相对论遇到科学幻想　95

11　地球的磁屏蔽会失效吗？

 ——漂移的磁极、翻腾中的行星内核以及对地球生命的威胁　105

12　为什么E＝mc2？

 ——支持宇宙运转的方程　116

13　我能只凭一瞥而改变宇宙吗？

 ——幽灵般的量子关联与改写历史的机会　125

14　混沌理论会引发灾难吗？

 ——蝴蝶效应对天气、气候以及行星运动的影响　135

15　什么是光？

 ——一种奇怪的波，也是一种更奇怪的粒子　147

16　弦论真的是在谈论弦吗？

 ——创造出我们这个宇宙的振动　156

17　为什么是“有”而不是“无”？

 ——大爆炸、反物质与我们的存在之谜　166

18　我们活在模拟世界中吗？

 ——人性、物理定律以及技术发展的进程　177

19　自然界最强的力是哪一种？

 ——连接宇宙的纽带，以及它们的超级作用力起源　187

20　什么才是实在的真正本质？

 ——在量子世界之外是信息的国度　197

术语表　207

一门谦恭的学问

当我们考察，比如说，支配电子运动的方程时，能够看到它是怎样使我们知道电子的动量或速度。但是，这绝不意味着我们能用这些方程同时精确地得到动量和速度。我们只能以有限的精度来得到这两个物理量。

韦尔纳·海森堡看到了这个问题实际的一面，我们通过实验揭示出来的东西都是有限制的。令一个光子在电子上反弹，由此你可以推测出电子的位置，但这样也会使光子将一部分动量传递给电子。于是，确定电子位置的行为造就了关于电子动量数值的不确定性。反过来，对动量的观测也总会造成粒子位置的不确定性。无论是从理论上还是从实验中来看，我们所能得到的结果总是存在着严格的局限。就很多方面来讲，物理学是一门谦恭的学问。不过，可用来表示谦卑的资本是充足的，正如使原子弹得以问世的物理学家们所证实的那样。

如果要在第二次世界大战之后向西方政府发问“物理学的意义何在”，人们可能会怀疑这种问题的必要性。正如战争所呈现给我们的那样，物理学无所不在。物理学为我们带来了神奇的技术创新：雷达、计算机、原子弹，当然，还有电视和微波炉。物理学驱动着经济发展并守护着国家。但若给物理学家提出同样的问题，你可能会得到一个相当低调的回答。

在新墨西哥州进行的首次原子弹测试刚结束时，哈佛物理学家肯尼思·班布里奇就向项目领导者罗伯特·奥本海默抱怨：“现在我们都成了败类。”后来，奥本海默这样描述自己当时的复杂心情：几十年后，他承认，在那一刻他们都知道整个世界注定会变得不同。但是，奥本海默说，就算再回到相同的情境之中，他还是会那样做。“如果你是科学家，那就不可能阻止这种事情。”他在1945年的引退演说中这样谈道，“如果你是科学家，你就会相信能找出世界运行规律是件好事……将支配世界的尽可能强大的力量完整地移交到人类手中也是好事。”

口袋中的世界

物理学的意义是否就在于获得对世界的控制能力？确实，物理学(或者至少是物理学的工业应用)创造了现代世界。如果可以用一件事来界定我们这个年代，那么很可能就是微电子革命：电视、计算机技术、互联网及移动通信，这里谈到的只是很少的几方面。所有这一切，都是在物理学基础上建立起来的。更具体点儿讲，都是在硅技术基础上建立起来的。在第二次世界大战期间，雷达的建造者曾致力于为各种设备提供越来越纯净的硅和锗晶体。物理学家(尤其是在美国贝尔实验室工作的一批物理学家)在战后继续发展这方面的技术，掌握了将它们转化为“半导体”的技术，从而取代了此前需要低效且体积庞大的电子管放大器才能实现的技术。到1952年，第一批硅基电子产品打入市场，这些设备功率低而且非常便于携带，例如助听器和袖珍收音机。一年后，第一台晶体管激励的计算机问世。此后不久，人们开始将北加利福尼亚一个聚集着电子公司的狭小地区称为“硅谷”。

不难看到物理学对于我们生活的影响。激光器就是一个具体的实例。激光器也出自贝尔实验室，其来源是战时对于雷达技术的研究。自从1957年被发明出来，它们逐渐遍布于日常生活的每个角落。CD和DVD播放器、电话网络等光纤通信系统、超市的检验扫描器、眼外科手术以及激光打印机，这些还都只是其应用的几个例子而已。  那么，技术发展是否就是物理学的意义所在呢？当然不是。究其根本，20世纪的技术变革是由于发现了量子理论(如果你喜欢的话，也可以称为发明)而产生的结果。它们是为了努力弄清那些无人了解的事情(例如，为什么100℃的烤箱所发射出的辐射波谱与100℃的任何其他物质所发射出的辐射波谱一样)而产生的结果，而不是专为了发明新的设备。

我们当代的电子学技术本质上来源于量子理论，而后者则缘于热力学，即对于热的研究。但热力学则是开始于对气体的研究……如此追溯下去，物理学构成了自给自足的链式反应：每个发现导致一组问题的产生，后者又引起了新的发现。正如萧伯纳曾说过的：“科学每解决一个问题，都要引发十个新问题。”

永无休止的故事

我们的视野里不存在问题的终点。物理学家一度曾喜欢认为他们的研究已经完成。1894年，美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊宣称：“物理科学中最重要的基本定律和事实都已发现，而现在这一切已是如此牢固地建立起来，以至于以往曾有的将新发现补充进来的可能性，如今也已变得遥不可及。”而其后的十年间，我们就有了相对论和量子理论这一对双生变革。

1888年，天文学家西蒙·纽康宣布了天文学的终结，他认为天空中已没有什么可以去发现的了。纽康也错了。自纽康的时代至今，关于对宇宙的理解所发生的变化，很可能比他出生之前几千年里所出现的科学发现所导致的变化要更为剧烈。尽管此前一个世纪中的重要进展已经使我们了解到自己从何而来，并勾勒出宇宙的完整历史，但是傲慢已远离了我们的世界观；在发现绝大部分宇宙是以目前科学所不了解的形式存在之后，物理学家现在承认，以往他们所研究的只是整个宇宙的一小部分而已。

不得不说，在我们的观念中存在着一个终点：万有理论。如果说物理学开始于米利都人关于支配自然现象之定律的疑问，那么它(理论上讲)只能终结于一条定律的发现：对于宇宙的终极描述。这种“万有理论”会把所有粒子、支配粒子相互作用的各种力以及粒子存在和相互作用于其中的时空，都归结为单独一种统一描述(参见第16章)。

目前，我们还远未达到这一目标，但在这里，也许我们已经找到了物理学真正的意义和本质：去发现我们无知的范围，以及竭尽所能地去缩减它。有时，我们要为这段发现之旅付出代价，就像在原子弹的例子中所看到的。有时，我们也会从中获取巨大的实际收益，就像在量子力学的建立中所看到的。但在大多数时候，物理学家会告诉你，物理学所关心的只是发现所带来的喜悦——进而感到我们的发现已经使世界变得更为有趣，而不是相反。如同诗人约翰·德莱顿所说的那样：“从观赏和领悟中得到的快乐是自然所赐予的最美的礼物。”

P7-11

物理学之美浓缩于下面这个简单事实之中：就算是一个孩童，也能问出令一众教授都无法作答的问题。事实上，物理学中的“大问题”很像是干草堆中的干草。一说起物理学，好像就没有什么东西能算是小问题。看似无足轻重的疑问或尝试经常能够引出深刻的洞见。

有些问题可能只是前进了很小的一步，例如从物理学定律是否可能会改变或者被打破再到造物主是否存在。但它也许并不止于此。物理学告诉我们，造物主不一定就是神明；我们可能生活在如蜂巢般的无穷多个宇宙之中，每一个都是由仅比其中最伟大的造物稍微高级一点的智慧物种所创造的。甚至我们自己也会注定成为自己的宇宙的造物主。

熟悉了这些宏大的主题，你就不会奇怪为何我们这一代人中最出色的科学家全都投身于物理学中。阿尔伯特·爱因斯坦几乎是在一夜之间就声名大震，因为他的相对论改变了我们的宇宙观。卡尔·萨根的电视节目《宇宙》一直是公共电视频道最热播的系列节目之一。理查德·费曼对于挑战者号航天飞机灾难背后的物理因素所作的精彩评论展示出这一学科的实用知识可以具有多么强大的力量。斯蒂芬·霍金在他的杰作《时间简史》中所呈现出来的成果使那些以往从未关注过科学的人们激起了理解科学的渴望。大概也只有DNA的发现者们能够与之比肩了。

但不得不承认的是，人们通常还是会对物理学心生畏惧。如果我在一次闲聊中提到自己是一名科班出身的物理学工作者，那么人们的情绪反应通常都比较怪异，既钦佩又尴尬。尽管人们会向任何一个努力去理解宇宙的人表示崇敬，但是似乎有很多人认为这门学科完全超越了自己的理解范围。“哦，”他们说，“我从未真正理解过物理学。”

如果你想起自己也说过这样的话，那么本书将有望改变你的想法。也许物理学中最深藏不露的秘密就是，对于任何人来说都有太多的东西需要去理解。但这可不是个问题，而恰恰是物理学的魅力之源。

物理学中值得探索的东西太多了，因此一旦被她抓住了想象力，你就很难再脱身而去。墙壁上的钟表变成了象征时间那迷幻本质的标志。阳光是由被称为核聚变的绮丽炫目的粒子狂舞所导致的结果。当雨滴落向大地时，你会简单地自问一句“为何如此”，而对于答案的探寻则会使你流连于最漫长的暴风雨之中。向日葵的生长方式诠释出能量守恒的道理，告诉我们光的性质是如何塑造了地球上各种生物的形态。再问一句，光究竟是什么，那么你就窥探到了被公认为是自然界最玄妙的秘境。

本书的目的是为了说明一些简单的问题是怎样引领人类作出有史以来最深刻的一些发现。它们包含着你可能未曾在课堂上学到过的物理学知识：这门学问中真正的关键所在，物理学的内涵，对于宇宙我们都了解了哪些，还有哪些尚待探索。卡尔·萨根曾说过：“在某个地方，总有一些不可思议的东西等着我们去发现。”如果可以的话，让这趟发现之旅从此时开始吧。