霍金说：宇宙中的物质是由正能量组成的。我们生活在这样的宇宙，每时每刻都感受到大自然的力量，同时也感受到人类智慧的力量。从微小的电子，到浩瀚的宇宙，从原始森林，到嘈杂的水泥城市，看似毫无相关的主体，总有一股无形的力量维系着生存的节奏，正是这无所不在的正能量主导了这个世界的一切。

无论是自然生成的还是人工创造的能量，都是可以相互流动的。普利高津指出：生命和物质在这个世界里沿时间方向不断演化，确定性本身就是一个错觉。普利高津的理论揭示了各种能量流动的可能性和物质转变的有效途径。

倪卫新、杨小蔓编著的《无所不在的正能量：在自然和人类之间流动的能量》包含了宇宙、太阳、地球等自然能量以及机械、电磁、原子和生物等四种主要人造能量的特征介绍。力图用不大的篇幅对几乎所有重要的能量，进行一些简要的介绍和分析，希望借此提高读者的科学素养，并由此唤起人们对自然、对生命的热爱。

《无所不在的正能量：在自然和人类之间流动的能量》十余万字，从自然和人工两方面比较详尽地介绍了目前已存在的各种能量形式。其中宇宙篇和地球篇讲述的是自然生成的能量，而在创造篇列举了机械能、电磁能、原子能以及生物能这几种人类利用自然创造的普遍的能量形式。作者倪卫新、杨小蔓坚守朴素的能量守恒观念，力图用物理学的基本思想阐述各种能量产生的根源以及存在的现实意义，是一本适合高中文化水平以上读者的通俗读物。

宇宙篇

 第一章 希格斯场的魔法——宇宙初期演变探秘

 第二章 暗流涌动的宇宙——暗物质和暗能量探索

地球篇

 第一章 阿波罗的恩赐——太阳与地球的互动

 第二章 阿尔忒弥斯的温柔——从海宁观潮说起

 第三章 托尔的愤怒——雷电和风暴的缘由

 第四章 宙斯的惩罚——感受火山和地震的震撼

创造篇

 第一章 轮子创造的神话——永动机是不存在的

 第二章 手机的奇迹——移动互联时代的辉煌

 第三章 曼哈顿工程的启示——原子弹的是是非非

 第四章 物种的进化与选择——杂交水稻和多利羊

参考文献

日本著名作家村上春树的代表作《世界尽头与冷酷仙境》，描写的是两个对立的世界——冷酷仙境与世界尽头，它们分别代表着村上春树精心设计的外部世界和精神世界两个层面，故事中，它们之间的关系一直是最大的谜题，这意味着外部世界与人自身的关系是村上关注的主要问题。《世界尽头与冷酷仙境》的叙事方式是虚实结合、两道线索同时展开。“冷酷仙境”是第一条线索，即现实社会；另一条线索则是虚构的“世界尽头”。

冷酷仙境的背景是现代都市东京，主人公因为接受一个古怪科学家的计算任务而被卷入纷争，经历了出人意料的离奇又艰险的考验。在这一部分故事里，我们充分看到了现实社会的丑恶和危险。计算士和符号士为了争夺科技成果以便进一步争夺世界统治权而使出种种诡计，主人公则是其中不知情的牺牲者。因为研究出了故障，主人公意外迷失在另一个世界里，由此引出了小说的另一条线索——世界尽头。

世界尽头是一个宁静沉闷的小镇子，与冷酷仙境呈现出鲜明的对比。在这里所有人都要被迫和自己的影子分离，一般一年内，影子就会逐渐衰弱直至死亡。镇子里所有的一切都井然有序、毫无变化，镇上的人从不争吵，没有私利，没有竞争，没有生存的压力，只是单纯地为劳动而劳动，连成群的独角兽也是很规律地每天天明即起，走到围墙外，日暮时分再回来，这里看似世外桃源。

这里我把他的写作手法借用过来，用于研讨宇宙中两种截然不同的物质：明物质和暗物质。也许还有反物质，这里不作详解。村上的说法是两个世界没有交集，对此我并不完全赞同，我认为也许两个世界可以有秘密通道。当然我的两个世界暗喻的是两种不同类型的物质。

宇宙中除了明物质（可用电磁辐射探测的物质）外，还有大量无法用电磁辐射探求的暗物质。宇宙学中，暗物质（dark matter）又称为暗质，是指无法通过电磁波的观测进行研究，也就是不与电磁力产生作用的物质。人们目前只能通过引力产生的效应得知，而且已经发现宇宙中有大量暗物质的存在。我们将力图说明这种暗物质存在的客观性，并根据KPK的能量观指出明暗能量转换的可能性。

暗物质并不容易理解，因为我们无法直观地看到它，就如我们许多人不理解量子力学那样。为了让读者更能读懂暗物质，本章作者向各位读者推荐惊险短剧《云间飞侠》。该剧通过一个星际旅行家（飞侠）的冒险故事，向人类展示诸如黑洞、中子星以及暗物质的各类琼台仙境。

当然剧本只是一种艺术的加工，并不涉及科学的证据。我们相信的是能经得起考验的理论，尽管目前这方面的研究还不太成熟，但已经有了一些进展。

现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构的形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的部分，即重子（加上电子），大致占宇宙的4％，而暗物质则占了宇宙的23％，还有73％是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性，对结构形成也非常关键。暗物质很有可能是由一种（或几种）粒子物理标准模型以外的新粒子所构成的。对暗物质（和暗能量）的研究是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。

最早提出证据并推断暗物质存在的是20世纪30年代荷兰科学家Jan Oort与美国加州工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基等人。弗里茨·兹威基在观测螺旋星系旋转速度时，发现星系外侧的旋转速度较牛顿引力预期的快，故推测必有数量庞大的质能拉住星系外侧，以使其不致因过大的离心力而脱离星系。

2006年，美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E 0657—558进行观测，无意间观测到星系碰撞的过程，星系团碰撞威力之猛，使得暗物质与正常物质分开，因此发现了暗物质存在的直接证据。

虽然暗物质在宇宙中大量存在是一个普遍的看法，但是科学家们发现螺旋星系NGC 4736的旋转能完全依靠可见物质的引力来解释，也就是说这个星系没有暗物质或者暗物质很少。 宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background radiation，CMB）最初发现于1964年。对于背景辐射的进一步观测也支持这个理论，并给予了更多架构理论模型的条件。这些观测中最著名的当属宇宙背景探测者（COBE）。COBE观测到2.726K的辐射温度，以及在1992年第一次观测到约十万分之一的温度起伏（各向异性）。在随后的几十年里，许多地上或高空气球实验对CMB的各向异性作了更进一步的观测。这些实验最初的目的是要去量测CMB谱密度的第一峰值，在之前COBE的量测并未给出足够好的分辨率。在2000—2001年间，毫米波段气球观天计划藉由量测观测CMB的各向异性，发现宇宙是接近平坦的空间结构。20世纪90年代，在第一峰值的测量上不断提高了敏感度。毫米波段气球观天计划报告指出最大的谱密度波动发生在尺度约为一度角时。这些观测足以排除宇宙弦作为宇宙结构形成的主因，而趋向于接受暴涨理论。

虽然人们已经对暗物质作了许多天文观测，其组成成分至今仍未能全然了解。早期暗物质的理论着重在一些隐藏起来的一般物质星体，例如：黑洞、中子星、衰老的白矮星、褐矮星等。这些星体一般归类为晕族大质量致密天体（MAssive Compact Halo Objects，MACHOs），然而多年来的天文观测无法找到足够量的MACHOs。

P21-23

大约半年前的一个周末，我正在家里看报，收到了孩子网购的一本新书。这是一本名为“正能量”的心理励志书。从事物理教学三十余年的我，自然对这本书产生了强烈的兴趣。在翻阅了几页之后我就发现，这本书中的相关概念与我所熟悉的物理学能量概念并无直接的关系，心理学家怀斯曼重新定义了“正能量”并用这样的名词激励人积极向上。这使得“正能量”在网络和各种媒体上迅速蹿红，成为2013年的流行词。我在这里谈的当然不是怀斯曼的正能量，是名副其实的物理学意义上的正能量。

在物理学中，能量（古希腊语中 νργεια energeia意指“活动、操作”）是一个间接观察到的物理量，它往往被视为某一个物理系统对其他的物理系统做功的能力。由于功被定义为力与其作用距离的乘积，因此能量总是等同于沿着一定的长度阻挡大自然基本力量的能力。

一个物体所含的总能量奠基于其质量，能量如同质量一自序无所不在的正能量——在自然和人类之间流动的能量样，一般不会无中生有或无原因的消失。能量是一个标量。在国际单位制（SI）中，能量的单位是焦耳，但是在有些领域中会习惯使用其他单位如千瓦·时和千卡，这些也是功的单位。在物理学中，不仅需要了解正能量，也需要知道负能量，正负能量不仅都客观存在，并且都具其独特的功能。比如力学中，动能为正能量，而势能可正可负，取决于参考系的选择。而在量子力学中，通常把负势能看成与束缚状态有关，而正的势能则表示自由态或散射态。这是对能量概念的具体化的定义。从普遍的意义上讲，在近现代理论物理学中，根据宇宙诞生的理论，将与我们这个物质世界对应的能量称为正能量，霍金在《时间简史》中说“宇宙中的物质是由正能量组成的”。而负能量可以理解为引力场的能量，由于负能量总被正能量所补偿，所以负能量从不表现出来。因此，从物理学意义上说，世界上的能量都是正能量。

能量概念的重要性和普遍性是不言而喻的。虽然物理学课程中对能量概念的描述是完善的，但把各部分贯穿起来写的文章还很少见到。这样即使学过物理学的学生也不会对能量这个最普通的概念融会贯通，更不用说未学过物理学的文科生或者更广泛的大众了。于是在我心中产生了一种强烈的写作愿望，希望用物理学的方法告诉人们能量的本质含义，以希望借此进一步提高大众的科学素养，拓展人们对于物理学的认知，并推动物理学科普的进步！

我在筹备这本书时，恰好听到吴国玢教授关于KPK的演讲。KPK是德文Der Karlsruhe Physikkurs的缩写，它是德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）由赫尔曼教授领衔的团队经多年研究、开拓、发展而创立起来的概念新颖的整套物理学课程。KPK的主要特色之一是确定出各物理学分支学科中与能量有关的广延量，并研究这些广延量在物理过程中流动的相似性。能量是这门新教程中的主干物理量，而类比法是贯穿KPK教程中的一条主线。按照KPK的思路，能量不再是按照各个分支学科或所谓形式分类，而是强调能量在流动过程中所利用的载体和转载体。动量、熵、电荷等均可以成为传递能量的载体。我对这套教材提出的能量的观念很感兴趣，于是在我的这本小册子中采用了KPK的能量观。

在和清华大学出版社有关编辑提出这样的写作意向后，我就开始着手准备资料。然而我并不了解读者们尤其是那些没有物理学背景而又对此饶有兴趣的读者们希望从本书中获取什么样的信息，因此我召开了部分同学参加的座谈会，经过讨论，我将这本书的基调定为以下8个字： 面广、通俗、有说服力。在学生们的启发下，我确定了以下目标： 这本书大体分为两个部分，即自然篇和创造篇。这些内容基本涵盖了宇宙自然和社会生活的方方面面。其中自然篇包括宇宙篇、地球篇。而创造篇包括了人类创造的四种常用能量。每一篇都由独立的一到两个故事组成，努力做到寓学于乐。宇宙篇有两个主题，即“希格斯场的魔法”和“暗流涌动的宇宙”。地球篇则包括四个与地球有关的因素，太阳赋予了地球大部分能量，而月球的影响给我们带来潮汐能，地震和火山反映了地球内部的能量激发，雷电和风暴则反映了大气能量的释放。这四章都用了希腊神话中的人物名字。创造篇也分四章。分别用“轮子创造的神话”、“手机的奇迹”、“曼哈顿工程的启示”以及“物种选择和进化”为标题介绍了机械能、热能、电磁能、核能以及生物能创造的奇迹。这些故事的素材都由我的学生提供，我像是一只无形的手，起到穿针引线的功用，将它们衔接组织起来。

本书能够出版，首先要感谢的是我众多优秀的学生，给予我启发并提供书中故事，他们充实了我的心愿，并帮助我将之付梓。感谢本书所有参考书籍的作者们，由于你们的智慧，才成就这本书。

最后，交代一下我对这本书的定位。国内科学普及还只是停留在小众的范围内，由于时间和人力所限，本书所选素材或所传递的信息总有不尽如人意之处，这并非我所愿，还望读者海涵，并欢迎大家批评指正。我只愿做第一个吃螃蟹的人，在其他学科将物理学名词捧得火热之时，再重新将其本意说与读者听，希望大家能从中收获一点启迪。

顺向合作者杨小蔓女士致谢！并向热心修改本书的姜志进、肖镛槐教授致谢！向悉心给予我们无私指导和鼓励的邹编辑、赵编辑表示衷心的感谢！

作者一： 上海理工大学 倪卫新

2015/1