安东尼·J.莱格特著的《物理大爆炸（精）》重点阐述了当代物理学家研究过程中面临的难题，以通俗易懂的语言向读者介绍粒子物理学、宇宙学、凝聚态物理学中的难题及其他基础性问题。通过对以上四个方面问题的探讨，本书向读者提供了一个全面而有重点的物理学全景图，使读者对当代物理的前沿发展有更深刻的认识。

《物理大爆炸（精）》为2003年诺贝尔物理学奖得主、量子物理学大师安东尼·J.莱格特教授面向普通大众的科普著作。物理学作为推动科技发展的原动力之一无疑值得我们更多的了解和思考。作者莱格特教授以通俗的语言揭示了一个玄妙但并不神秘的物理世界，可谓是物理学知识集中普及的一次“大爆炸”。许多物理、天文爱好者关注的黑洞、引力波、宇宙膨胀、时间弯曲、时间之箭、波粒之争等话题也在这本书中得到充分讨论。正如作者所言“物理学家们就像在一个裂开的冰川中攀岩”，物理成果的每次获取都需要经历冒险但过程却充满惊喜。让我们一起加入这场探险之旅吧！

第1章 物理学的演进

第2章 物质由何组成？

第3章 宇宙：结构与演化

第4章 人类尺度上的物理

第5章 不可外扬的家丑

第6章 理论物理即将走向终点了吗？

延伸阅读

索引

译后记

19世纪后半叶的第二个伟大的统一发生在物质的分子学理论和热力学之间。人们在很长一段时间内都接受这样一个观点，即简单的化学物质是由相同的组件，即分子，组成的，而分子反过来又是由子单元，即原子组成，每种化学元素都有其特征种类的原子；化学反应可以被看作是分子的分裂和原子的重新组合而形成新分子的过程。这些原子和分子的精确本质是很模糊的；但是有些情况下，它们的具体结构并不造成太大影响。例如，人们知道在极稀薄的气体中（比如室温和大气压下的空气），其分子相对于固体和液体中的典型排列是相隔很远的；所以我们似乎能合理地认为，它们在一级近似下就像很小的撞球，其具体结构与气体中的大多数行为都没有关系。即使给出了这个模型，但是我们怎么能用它做一些有用的事情呢?如果有人在牛顿力学的框架下想这个问题，那么为了知道气体中分子的运动，他需要知道每个分子的初始位置和速度，而且还必须达到很高的精度。（就像任何撞球玩家都知道的，即使只有两三个物体的碰撞，初始条件的一丁点儿改变都会迅速让后面的运动产生巨大变化！）事实上18世纪法国数学家拉普拉斯（Laplace）曾经探索过，作为一个哲学性的思想实验，若有谁能够获得所有此类的信息，不单是气体里的，还有整个宇宙里的信息，那么拉普拉斯就推论，对于信息获得者而言，宇宙的过去和将来都被完全决定，并且是可以预测的。（这个观点有时被称为“拉普拉斯决定论”，在现代还有些耐人寻味的回响。）但是不管一个人是不是接受这一观点的产物，实际上这样提问题是不现实的；我们既不能采集到必要的信息，又不能处理它们——在合理的时间内解出这些牛顿方程；而且我们可获取的计算能力在可预见的遥远未来不管有多么巨大的进步，都不足以改变这事情的状态。

这个情况下出现的救星是我们现在称为“统计力学”的学科。它从一开始就承认，不仅实际上我们不可能知道每个单独分子的详细行为，而且在任何情况下这样做都是没有意义的。我们能够真正测量的宏观物体的绝大多数属性——磁化强度、压强、表面张力等，事实上都是数量庞大的分子之行为的积累产物，而且统计科学的一般结论是：这样的平均效应对个体行为的细节并不敏感。举一个例子，我们考虑气体产生的压强，就像蒸汽对容纳它的容器产生压强一样。这个压强只不过是所有单个分子与容器壁碰撞并被反弹回来施加的力的综合；参与的分子运动越快，这个力就越大。现在任何一个分子都可能缓慢地，或者快速地到达容器壁，并随之施加一个或小或大的力：但是因为测量到的压强是从众多这样的事件中产生，所以涨落很快就稳定下来了，最后的压强通常在我们的测量精度内都是定值。所以我们不需要知道每个分子的具体行为：我们只需要统计的信息——一个随意选定的分子具有某个给定速度的概率。这就是统计力学能够提供的服务。

P16-17

这本书写于1986年。如果我有机会在2016年从头开始再写一次的话，我也不会改变太多的东西。在过去的30年里，物理学对世界的描绘并没有太多变化。当然，书中提到的每一个特定领域都有一些重要的知识更新，下面我将它们列出来。但是从根本上讲绝大多数“已知”的和绝大多数“未知”的东西与1986年相比基本一致。

在粒子物理领域，过去30年最值得一提的进展很可能是2012年探测到了期待已久的希格斯玻色子的基本粒子，它的质量大约是125千兆电子伏（GeV）。另一个有些出乎意料的发现是至少某些中微子有非常小的（大约1电子伏）但一定非零的质量。虽然这两个结果都与“标准模型”吻合，但是与1986年相比，这个模型是不是终极真相或者模型中的众多常数是不是有更透彻的解释，这两点目前都没有更加清晰的答案。

在宇宙学领域，至少有一个意料之外的重大进展和一个（某种程度上）意料之中的进展。意外来自90年代末人们发现宇宙的膨胀实际上是加速的，这和最简单版本的FRW模型预言的不管质量密度的值是多少，宇宙膨胀的速率都始终随时间减小的结论恰恰相反。关于这个令人惊讶的宇宙的状态，最为广泛接受的解释是除了公认组成宇宙很大一部分的“暗物质”之外，还存在一个重要的组成部分——“暗能量”。但是后者的本质现在还不清楚，而且这整个想法最后可能只是一个权宜之计。另外一个更普遍被预见到的发展——大型实验物理的一次真正的胜利是2016年初激光干涉引力波天文台（LIGO）观测到引力波，这个结果彻底证明了爱因斯坦的广义相对论（如果之前的实验还不足以证明广义相对论的话）。而且接收到脉冲的形状和理论上预言的两个正在相互碰撞的黑洞产生的辐射完全吻合。

凝聚态物理中一个主要的颠覆性的结果是发生在之前公认的温度极限25K（开氏度）之上的超导现象（实际上是在1986年末发现的，但是原版来不及将其收录）。“高温超导”现象最初被认为只在一系列层状材料铜氧化物中发生，其机理和绝大多数之前知道的材料都不一样。但是最近高温超导在其他地方也被发现，而且讽刺的是直到2016年末，超导温度的记录保持者（一种硫化氢化合物，其转变温度在极高压条件下是室温的2／3以上）似乎还是“经典”类型。一个在1986年之前并不存在，但令人激动的新领域是“量子通信”——一种利用量子力学领域的一些离奇特征，来实现保密通信（“量子密码”，已经被实现）和大规模并行计算（“量子计算”，很大程度上仍处于计划阶段）的技术。

最后，在书的最后一章我推测，当我们将量子力学的预言推广到日常生活的层面，我们会碰到某种危机。事实上，最近15年对量子描述的基本特征的测试延伸到了许多不同的系统，特别是超导器件。它虽然不处于“日常生活层面”但是也牵涉到百万个不同电子态的叠加。尽管如此，至今为止我们得到的所有结果都显示量子力学仍然运转良好。显然如果存在让量子力学分崩离析的结果的话，它一定发生在和我们日常经验更接近的层面，或者与日常经验完全无关的层面。

安东尼·J．莱格特

2016年11月

本书是根据牛津大学出版社1987年出版，由安东尼·莱格特教授所著的Problems of Physics翻译而成。莱格特教授是著名的理论物理学家，他在高温超导、超流、冷原子系统、量子计算和量子力学的基础问题等方面都作出了重要的贡献。因为3He超流理论方面的工作，莱格特教授被授予2003年诺贝尔物理学奖。

莱格特教授曾经多次来华交流访问，特别是2013年开始在上海交通大学担任讲席教授，每年都为本科生讲授“超导引论”，并与刘荧教授一起创办了“上海复杂物理中心”。在此期间译者也在上海交通大学工作，并有幸成为莱格特教授“超导引论”课程的助教。莱格特教授对超导这一宏观量子现象深入浅出的讲解让译者受益匪浅。

本书的定位是面向大众的科普读物，里面涉及到的全都是物理学中最基础、最根本的问题。莱格特教授对于很多问题的看法也非常的独到，相信读者在阅读完之后一定会对物理学有一个全新的认识。由于译者水平有限，难免会有疏漏，敬请广大读者批评指正。译者在此想特别感谢上海交通大学物理与天文系的研究生周子贤、孙开佳和丁茗楠同学，他们都参与了本书的翻译和校对工作。

王顺

2016年12月于武汉华中科技大学

“此书作者在叙述的通俗性和理论的抽象性之间，在微观与宏观之间，在基础与应用之间，保持了出色的张力与平衡感。”

——清华大学教投、著名科学文化人刘兵

“……不是科学家也能读懂……精彩至极。”

——《泰晤士文学增刊》

“量子力学的阐述简直太棒了！作者对于‘希格斯机制’的描述是我见过最睿智的。”

——《自然》