周凤林、王晓芜、胡炳元主编的《认识久远的世界》讲述了古往今来之宇宙演变。在这里，我们可以飞越蓝色星球，穿梭于黑洞与白洞之间，去认识星系、星团、星云：在这里，我们徜徉于久远的世界，共同体味宇宙的绚烂，感叹生命的神奇。

周凤林、王晓芜、胡炳元主编的《认识久远的世界》内容简介：上海市嘉定二中将“物理大视野”科普展览以教育馆的形式保留了下来，并形成一套以《物理大视野》为题的科普读物，让学生们能够经常游历在物理学发展长河之中，这是一项非常有益的工作。“物理大视野”包括“认识久远的世界”、“改变昨天的世界”、“推动当今的世界”、“开拓未来的世界”四个篇章，《认识久远的世界》为第一册，本书用生动的文字和珍贵的图片，把深奥的物理学演绎成通俗的物理发展史画卷，意图让更多的人领略到物理学发展的精妙，从而激发起科学探究的兴趣。

第一章 宇宙的起源与结构

 第一节 大爆炸理论

 第二节 宇宙的结构

 第三节 反物质和暗能量

 第四节 黑洞与白洞

 第五节 宇宙的成长史

第二章 深空天体

 第一节 星系

 第二节 星团

 第三节 星云

第三章 神秘的太阳系

 第一节 太阳系概况

 第二节 太阳

 第三节 八大行星

 第四节 命运多舛的冥王星

 第五节 星星中的小字辈

第四章 太空中的蓝宝石——地球

 第一节 地球的演变

 第二节 地球的天然卫星——月球

 第三节 地球上的生命

第五章 探索未来之路

 第一节 对接触地外文明的渴望

 第二节 人类探测宇宙之路

 第三节 中国人的飞天梦

 第四节 未来的长征之路

参考文献

后记

宇宙并不是一成不变的，而是在不断变大。倘若我们沿着宇宙历史的长河溯源而上，就会发现，今天的宇宙是从某个更小、更密的状态演变而来的，也就是说，宇宙应该有一个开端。

一、大爆炸理论简述

大爆炸理论是天体物理学关于宇宙起源的理论，由美籍俄罗斯裔物理学家和天文学家伽莫夫于1946年在比利时天文学家勒迈特的“宇宙蛋”理论的基础上提出的。根据大爆炸理论，大约在137亿年前，宇宙是由一个密度和能量极大且温度极高的奇点爆炸产生的，此后不断膨胀。爆炸产生的辐射如同气球内部的气体，别无他处可逃。气球内部的气体随着气球的膨胀其密度不断减小：宇宙中的辐射也随着宇宙的膨胀，其辐射密度不断变小，对应的温度也逐渐下降。在爆炸初始，宇宙中充斥着高能光子，由于这些高能光子的存在，致使当时的宇宙空间内没有原子(因为电子即使被原子核抓到也会很快被高能光子打跑)。随着宇宙的膨胀，高能光子变成了低能光子，于是原子、分子和天体相继产生。地球、空气、水和生命就在这个不断膨胀的时空里逐渐形成了。

20世纪初，科学家斯莱弗和沃茨证实了大多数旋涡星云正在远离地球，不过当时他们并没有因此联想到这对宇宙学意味着什么，也没有意识到他们观测到的星云其实正是银河系外的其他星系，但是他们的实验观测为之后大爆炸理论的提出提供了大量的实测基础。

爱因斯坦也利用其理论对大爆炸理论的形成起到了推动作用，他通过自己建立的广义相对论推导出了没有稳定态宇宙的结论，并且通过度量张量的计算得出，字宙不是膨胀的就是收缩的。但是，面对这样的计算结果，爱因斯坦认为是自己解错了，于是加入了一个宇宙常数来进行修正。而苏联地球物理学家弗里德曼拒绝使用宇宙常数，他将广义相对论真正运用到了宇宙学中，用他的方程得出，宇宙在不断膨胀。1927年，比利时人勒迈特在螺旋星云后退现象的基础上提出了宇宙是从一个“初级原子”“爆炸”而来的，这就是之后大爆炸理论的理论基础。

二、广义相对论

广义相对论是爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论是将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立起来的。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性(曲率)，而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量、动量及张量直接相关，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程。

爱因斯坦的引力场方程是一个二阶非线性偏微分方程组，数学上想要求得这样一个方程的解是非常困难的。爱因斯坦运用了很多近似方法，从引力场方程得出了很多最初的预言。

同年，德国天体物理学家史瓦西得到了引力场方程的第一个非平庸精确解——史瓦西度规，这个解是研究星体引力坍缩的最终阶段——黑洞的理论基础。

又是在同一年，将史瓦西几何扩展到带有电荷的质量的研究工作也开始进行，其最终结果就是推导出了雷斯勒一诺斯特朗姆度规，对应的是带电荷的静态黑洞。1917年，爱因斯坦将广义相对论理论应用于整个宇宙，外创了相对论宇宙学的研究领域。为求得和当时的观测相符合的结论，爱因斯坦在他的引力场方程中添加了一个新的常数，该常数被称做宇宙常数项。这一字宙常数项的引入使其与之后的观测与研究相违背，爱因斯坦后来也承认，添加宇宙常数项是他一生中犯下的最大错误。

往那个时代，广义相对论与其他物理理论相比仍带着一丝神秘感，但它和狭义相对论相融，并能够解释很多牛顿引力理论无法解释的现象，使其显示出了自身特有的魅力。1915年，爱因斯坦利用广义相对论解释了水星轨道的反常近日点进动的现象，其过程没有引入任何附加参数。除此之外，由英国著名学者爱丁顿爵士率领的探险队在非洲的普林西比岛观测日全食时，发现光线在太阳引力场中的偏折角度和广义相对论的预言完全相符(是牛顿引力理论所预言的偏折角的2倍)。这一发现随后被全球报纸竞相报道，一时间，爱因斯坦的广义相对论名声赫赫。但是直到1960～1975年，广义相对论才真正进入了理论物理和天体物理主流研究的视野，这一时期被称做广义相对论的黄金时代。

爱因斯坦的广义相对论理论在天体物理学中有着非常重要的应用，它直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出；提出了光线在引力场中的偏折会形成引力透镜现象，这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像；预占了引力波的存在，并已被间接观测所证实，而直接观测则已成为当今世界引力波观测计划的目标。在太阳系内能够进行的更精确的广义相对论的实验验证，进一步展示了广义相对论非凡的预言能力，而相对论宇宙学的预言也同样经受住了实验观测的考验。广义相对论已成为现代宇宙学的膨胀宇宙模型的理论基础。P2-6

吕福源同志在教育部期间，非常关注基础教育改革，力主教育创新，反对因循守旧、墨守成规，十分强调实施素质教育的关键在于教育创新。也正是在他担任教育部常务副部长并直接分管基础教育期间，拉开了新教改的帷幕。

出于对物理学深厚的情感和造诣，2000年，在他的指示和亲自指导下，我们组织筹办了“物理大视野”科普展览。“物理大视野”包括“认识久远的世界”、“改变昨天的世界”、“推动当今的世界”、“开拓未来的世界”四个篇章，用生动的文字和珍贵的图片，把深奥的物理学演绎成通俗的物理发展史画卷，意图让更多的人领略到物理学发展的精妙，从而激发起科学探究的兴趣。

上海市嘉定二中将“物理大视野”科普展览以教育馆的形式保留了下来，并形成一套以《物理大视野》为题的科普读物，让学生们能够经常游历在物理学发展长河之中，这是一项非常有益的工作。对于学习和教学，传授知识固然重要，但给学生介绍一项科学成就的时候，要让学生知道它的发生和发展的过程，还要知道还有哪些未知的谜题需要解答。要从知识发展这个思路上，说清楚知识发生、发展的历程，特别是前人的失败或教训，不要一下子把拿来的知识都讲成是“绝对真理”。这样可以让学生们每接触到新事物、新概念、新东西，都能自觉培养独立思考的意识和能力，并真正有兴趣去了解、钻研这个知识的发展过程。

长期以来，嘉定二中深入开展物理创新教改，在学生中倡导“小制作”活动，激发学生进行科学探究的兴趣，并研发出上百项具有自主知识产权的创新教具。“小制作”也可以打开“大视野”，嘉定二中教师和学生们的所作所为，让我感到敬佩。

王晓芜

中央电教馆副馆长

2011年12月25日

领略物理世界精妙激发科学探究兴趣

“物理大视野”原是在教育部吕福源副部长倡导下组织的关于物理科学的科普展览。在中央电教馆王晓芜副馆长的提议下，我们将原科普展的“认识久远的世界”、“改变昨天的世界”、“推动当今的世界”、“开拓未来的世界”四个主题，以图文并茂的形式呈现给广大读者，力求将深奥的物理学演绎成通俗的物理发展史画卷，让更多的读者领略物理世界的精妙，激发科学探究的兴趣。

这套丛书是一套主要针对青少年的科普读物，共分四册，每册包含一个主题。在编写的过程中，我们力求做到：遵循“两个脉络”，一是物理学科的发展过程脉络(起源和演变)，二是呼应中学物理学科《国家课程标准》的知识体系脉络；关注“一个节点”，在物理学发展进程上曾经产生过重大影响的人和事；体现“三类情节”，一是围绕著名物理假想、定理、定律的提出、实证和演绎，二是攫取科学发展进程中的重大发现，三是重要科学人物的主要事件(成功之道或功亏一篑之惋惜)情节。

我们力求做到：用通俗生动的语言、丰富的实例和精美的图片揭示许多高新技术的奥秘，让读者可以近距离了解遥远的物理世界，触摸当今的科技前沿。在整套丛书的编写过程中，我们字斟句酌，从语句的表达到思想的诠释，努力做到科学性、思想性和艺术性的统一，希望在丰富青少年的知识储备的同时，能够让更多人喜欢物理，探索物理世界的奥秘。

虽然我们付出了很大的努力，仍然不可避免地存在一些问题和不足，诚恳地希望读者提出批评和建议，以便我们在以后不断完善。引用[美]丹尼尔·戈尔曼的一段话：它不一定面面俱到，但应该视角独特；它未必百分之百正确，但或许能给人启迪；它也许给不出答案，但能拓展人的思考空间。

在这套丛书付梓之际，真诚感谢上海市教委基教处倪闵景处长对这套丛书的肯定，并为其作序！真诚感谢上海科普教育发展基金会对这套丛书出版的大力资助！

最后，借用《物理大视野》原科普展时的结束语：

这是物理的世界，科学的世界，人类为之自豪的世界。

当你读完这套丛书之后，假如你记住了一棵树、一个人、一段故事或一点新知，我们将为此而满足。

假如你由此推开兴趣之门，进入这片神奇而广阔的物理世界，我们将由衷欣喜。

假如在不久的将来，在诺贝尔奖获得者名单中看到了你的名字——一个中国人的名字，我们将为你欢呼和自豪！

周凤林

2012年2月18日