一位伟大的当代科学家揭示了十项深刻的洞见，阐明了每个人都应该了解的物理世界。
在《万物原理》一书中，诺贝尔奖得主弗兰克·维尔切克以现代科学的深刻启示为基础，对现实进行了简单而深刻的探索。世界是什么，它又是如何运作的？他先从八个方面介绍了人类已经取得的科学成就：空间、时间、物质的构成、万物运动的规律、材料和能源、宇宙的演化、复杂性的出现、感知能力的扩展。然后描述了人类当前面临的科学难题，比如暗物质和暗能量。读完这本书，我们将以一种新的方式来看待我们身处的现实世界——我们会发现，它比以前看起来更大、更完整、更陌生。
如果你想了解迄今为止科学家已经揭示了多少物质世界的奥秘；或者你一直专注于一个科技方向，想知道整个科学的发展现状；又或者你充满了迷茫，不知道飞速发展的科技和强大的人工智能会把人类带向何方，那么恭喜你，你已经找到了你的向导，这本《万物原理》就是你的好选择。
精彩、清晰、平易近人，这是一场凝聚人类智慧和想象力的盛宴，将扩展你的世界和思维。

弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek），理论物理学家。现任美国麻省理工学院教授，上海交通大学讲席教授、李政道研究所首任所长、物理与天文学院维尔切克量子中心首席科学家。在凝聚态物理、天体物理和粒子物理等多个研究领域均做出了杰出贡献。2004年因在夸克之间强相互作用理论方面所取得的成就，与戴维·格罗斯和戴维·波利策共同获得诺贝尔物理学奖。因其在理论物理学领域的贡献和成就，还获得了包括樱井奖、狄拉克奖、洛伦兹奖、费萨尔国王国际科学奖等多项国际重要学术奖项，并先后入选美国国家科学院院士、美国艺术与科学院院士、荷兰皇家艺术与科学院外籍院士、波兰艺术与科学院院士、瑞典皇家科学院院士。2021年当选中国科学院外籍院士。

序言 重生
引言
第一部分 世界有什么
01.丰富的空间
02.丰富的时间
03.极少的组分
04.极少的定律
05.丰富的物质和能量
第二部分 开端和结尾
06.宇宙的历史是一本读不完的书
07.复杂性的出现
08.还有很多值得一看的东西
09.谜团犹存
10.互补性是思维的拓展
后记 万般最远途，惟有归家路
附录
致谢

重生
I
这本书讲的是我们可以
从对物理世界的研究中学到
哪些最基本的道理。我遇到
过许多人，他们对物理世界
很好奇，也很想知道现代物
理学是如何描述它的。他们
可能是律师、医生、艺术家
、学生、教师、父母，或者
单纯只是好奇的人。他们拥
有智慧，但缺乏知识。在这
里，我试图用尽可能简单的
方式传达现代物理学的核心
信息，同时避免牺牲准确性
。我在写这本书的时候，心
里始终装着我好奇的朋友们
和他们的问题。
于我而言，这些基本定
律不仅仅包括概述物理世界
如何运行的简单事实。诚然
，这些事实既强大又奇丽，
但是帮助我们发现它们的思
维方式同样是—个伟大的成
就。根据这些基本定律，我
们人类在这个宏大图景里扮
演着什么角色？这是个很重
要的问题。
II
我选择了十条宽泛的原
理作为我的基本原理，每条
形成了一章的主题。我会从
不同角度解释和证明每一章
的主题，然后对它未来的发
展做出一些有根据的推测。
这些推测颇为有趣，我也希
望它们读来令人激动。我想
通过它们传达出的另一层基
本信息是：我们对物理世界
的理解仍处于增长和变化之
中。它是有生命力的。
我仔细区分了事实和推
测，以此表明我们建立这些
事实所采用的观测和实验的
本质。也许最基本的信息是
，我们的确对物理世界的许
多方面都有非常深刻的理解
。正如阿尔伯特·爱因斯坦
所言：“宇宙是可理解的，
这个事实是一个奇迹。”这
也是一个来之不易的发现。
正因为物理宇宙的可理
解性如此令人惊讶，它不能
被假定，而必须被证实。最
有说服力的证据是，我们的
理解尽管还不完备，但也让
我们达成了许多伟大而惊人
的成就。
在研究中，我试图填补
我们理解上的空白，努力设
计新的实验以推进可能性的
前沿。对我来说，写这本书
是一件快乐的事情，它让我
回顾和反思一代代科学家和
工程师在跨越时空的合作中
达成的一些突出成就，同时
也为之惊叹。
III
这本书也能为传统宗教
的激进主义思想提供一个替
代方案。它提出的基本问题
与宗教相同，但解决它们的
方式是参考物理现实，而非
借助文本或传统。
有很多我尊敬的科学伟
人都是虔诚的基督徒，如伽
利略·伽利雷、约翰内斯·开
普勒、艾萨克·牛顿、迈克
尔·法拉第、詹姆斯·克拉克
·麦克斯韦。（在这方面，
他们代表了他们所处的时代
和环境。）他们认为可以通
过研究上帝的杰作来接近和
尊敬他。爱因斯坦尽管并不
信仰传统意义上的宗教，但
也有类似的态度。他常常提
到上帝（或者“那个老人”）
，正如他最著名的格言所言
：“上帝难以捉摸，但并不
心怀恶意。”
他们以及此时此刻的我
所抱有的进取精神，都超越
了特定的教条，无论是宗教
的还是反宗教的。我喜欢用
这种方式来陈述它：通过研
究世界如何运行，我们研究
上帝如何工作，并因此了解
上帝为何。在这个精神下，
我们可以将对知识的寻求理
解为一种崇拜，而将我们的
发现理解为一种启示。
……
然后，揭示真相的转折
出现了。帕斯夸尔一莱昂内
偶尔会施加一个TMS信号来
反驳（并最终推翻）受试者
的选择。然后，受试者抽动
的就会是TMS强加的那只手
，而非自己最初选择的那只
手。更引人注目的是受试者
如何解释发生的一切。他们
并没有报告说某个外力控制
了他们，相反，他们说的是
：“我改主意了。”
细致的物质研究揭示，
构成我们身体和大脑——“
自我”的物理平台——的东
西和构成“非自我”的东西相
同，而且似乎是紧密相连的
，这违背了我们的一切直觉
。
在我们婴儿时期急于理
解事物的过程中，我们也学
会了误解世界和自己。在通
向深刻理解的航程中，有许
多需要抛弃，也有许多需要
学习。
Ⅵ
在重生的过程中，我们
可能会迷失方向。但就像坐
过山车一样，它同样令人兴
奋不已。而且它还带来了一
份礼物：以科学的方式重生
之后，迎来的世界看起来新
鲜、清晰而且惊人地丰富。
它们实现了威廉·布莱克的
愿景：
一沙一世界，一花一天
堂。
无限掌中置，刹那成永
恒。

尹烨吴国盛吴飙郝景芳等联袂推荐，特别收入专家解读本，伴你同伟大心灵一同探索和哲思！
对基本原理的清晰而引人入胜的叙述，维尔切克称之为“现代物理学的核心信息”，它不仅是关于世界如何运行的事实，而且是“让我们发现它们的思维方式”。

万般最远途，唯有归家
路
接受科学的基本原理并
非易事。它们在教导我们的
同时，也在挑战我们的思维
习惯。最重要的是，它们拔
高了我们对真正理解事物的
期望。现在我们对于理解的
期望非常高，以至于我们始
终不满足于已经取得的理解
。这就是约翰·R.皮尔斯
（John R.Pierce）那一番讽
刺的含义，他说：“我们对
大自然的理解再也不可能像
古希腊哲学家那样透彻了。
”
科学的基本原理会破坏
我们对已接受的信仰和传统
智慧的信念，尤其是它让我
们很难认真对待有关自然现
象的神话故事。阿波罗驾着
战车拉着太阳在天空中穿行
，这个故事现在看起来简直
荒诞不经。
这种破坏不仅仅会让我
们对靠不住的神话传说心生
怀疑，还会带来更加深远的
影响。科学认识就像是一棵
智慧树，它结出了丰硕而美
味的果实，我们一旦吃下这
种果实就会对其他食物失去
胃口。与科学无关的文献会
显得过时，与科学无关的哲
学是愚蠢的，与科学无关的
艺术毫无意义，与科学无关
的传统是空洞的，与科学无
关的宗教自然也是荒谬的。
在我十几岁时第一次醉心于
现代科学的时候，我就是这
么想的。
如果一个人接受科学基
本原理的代价就是痛苦地缩
小自己的世界观，那么很多
人都会合理地认为这个代价
太高了。值得庆幸的是，科
学的基本原理并不要求你做
出这么大的牺牲。
科学告诉了我们许多有
关事物是什么样的重要事实
，但它并没有断言事物应该
是什么样的，也没有禁止我
们想象事物别的样子。科学
中包含美妙的思想，但它不
会将这种美妙耗尽。它为我
们提供了一种独特而富有成
效的方式来理解物质世界，
但它并不是一份完整的生活
指南。
经过冷静的思考，我开
始学会如何欣赏这些事实。
随着时间的推移，我越来越
深刻地感受到它们的真实性
。
我们引言里的主人公现
在从一个孩子长大成人，她
可能会理解科学通过“激进
保守主义”的方法得出的关
于物质世界的基本结论。之
后，她准备重新回到这段探
索之旅的起点，凭借她现在
掌握的知识重新审视这段现
实世界中的旅途。从这个意
义来说，她可以选择重生。
这不是一个十分顺利的
选择，而是具有破坏性的。
但是出于诚实的角度，这个
选择是不可避免的。你已经
在这本书里看到了支持科学
基本原理的一小部分证据。
这些证据势不可当、无可争
辩，若要否认它们那就不诚
实，若要忽视它们那就很愚
蠢。
所以我们的主人公开始
重新考虑将经验为内部世界
和外部世界两个部分的划分
。科学的基本原理教会了她
很多有关物质是什么的知识
。她知道，物质是由几种不
同的基本成分构成的，我们
对这些成分的性质和行为已
经有了详细的了解。她从直
接经验中知道，科学家和工
程师可以利用这些知识做出
令人瞩目的创造。她的苹果
智能手机让她可以与来自世
界各地的朋友即时交流，尽
情地挖掘人类积累的知识，
以及通过照片和录音从时间
的洪流中抓住自己的感官世
界。
她还了解到，那些她认
定为其他人以及她自己的特
殊物体，其实也是由构成了
这个世界上其他东西的物质
构成的。她现在可以自下而
上地了解之前充满神秘感的
有关生物的现象了，包括他
们如何获得能量（新陈代谢
）、他们如何繁殖（遗传）
以及他们如何凭感官认识环
境（感知）。我们现在已经
相当详细地了解了分子（归
根结底是夸克、胶子、电子
和光子）是如何完成这些壮
举的。这些就是物质遵循物
理定律所能做到的复杂的事
情，不多也不少。
这些理解并不会降低生
命的地位，相反，这抬高了
物质的地位。
在此基础上，采纳伟大
的生物学家弗朗西斯·克里
克所说的“惊人的假说”就是
一种激进保守主义的做法，
他认为人的全部意识活动“
都只不过是一大群神经细胞
及相关分子的集体行为”。
事实上，这相当于把牛顿那
种分析与综合的方法扩展到
了大脑。神经生物学的实验
人员一直在积极地遵循这一
策略。尽管我们对大脑的工
作机制还不完全了解，但是
到目前为止，这个策略在数
以千计的精确实验中还未遭
遇过失败。从来没有人发现
过生物有机体中存在一种与
身体和大脑的常规物理活动
分离开来的心智力量，哪怕
是偶然的发现也没有过。即
便是在最精细的实验中，物
理学家和生物学家也从未考
虑过周围其他人的想法会影
响实验结果的可能性。目前
看来，克里克的“惊人的假
说”要是遇到失败，那才真
的令人震惊。
认识到这一点之后，将
经验划分为内部世界和外部
世界就显得很肤浅了。对于
婴儿来说，这种区分是一种
有用的发现；对成人来说，
这也是一种方便的经验法则
。但是我们最透彻的理解就
是，世界毕竟只有一个。一
旦我们对物质有了深刻的理
解，它们就能为我们的思想
提供足够的空间。因此，物
质也可以为思想所在的内部
世界提供一个家园。
这个统一的世界观中既
有庄严的简洁，也有奇异的
美好。在这个世界里，我们
不能把自己看作物质世界之
外的独

2004年诺贝尔物理学奖
得主维尔切克的这部《万物
原理》高屋建领、要言不烦
，描绘了一幅现代科学世界
图景，也表达了一套“激进
保守主义”的现代科学方法
论，富有启发性。难能可贵
的是，作者在最后直面并反
思了科学原理破坏传统信仰
和传统智慧这一事实，认为
“科学告诉了事物之所是，
并没有断言事物所当是”，
但科学的确可以帮助我们走
向道德生活。
——吴国盛 清华大学科
学史系教授
每当其他学科陷入困顿
的时候，研究者总会回到物
理学来寻求灵感，但物理学
这个学科也在持续演化。不
断重生，突破边界，相信人
类能够认知这个世界，但又
知道自己的所知是偏隘粗陋
的，这就是物理学给我们的
最大启示。
——何帆 上海交通大学
安踏经济与管理学院经济学
教授，《变量》作者
好书，应该是让我们心
头一震、眼前一亮，一定是
回答了我们心中的疑问、印
证了我们潜意识中的观点、
能激发我们思考的书。诺奖
得主维尔切克教授的《万物
原理》就是这样一本能够激
发我们思考的书。它对于喜
爱科学的读者来说不容错过
，企业家、管理者们也能从
中获得关于思维方法的启发
。
——宋志平 中国企业改
革与发展研究会会长
宇宙是如何组成的？在
我们周围这个世界令人眼花
缭乱的喧器之下，隐藏了一
个蕴含微妙的数学之美的王
国，它是所有自然事物赖以
存在的原理的基石。在世的
科学家中，很少有人能像弗
兰克·维尔切克那样，在帮
助揭开存在的更深层次上取
得过如此大的成就。维尔切
克带着诗意和热情，带领我
们踏上了一段激动人心的物
理学前沿之旅，同时提醒我
们，人类是多么幸运，能够
警见现实的基础。
——保罗·戴维斯 《上帝
与新物理学》作者

01.丰富的空间
外在的丰富与内在的丰富
不管是可见的宇宙还是人类的大脑，当我们说某种东西很大的时候，我们得问问：相较于何物？最自然的参照便是人类日常生活的范围，这是我们自孩提时便建立的第一个世界模型的背景。而由科学所揭示的物理世界的范围，则需要我们“重生”才能发现。
按照日常生活的标准，外在的世界浩瀚无垠。如果我们在晴朗的晚上仰望繁星点点的夜空，便能直觉到这种外在的丰富。我们无须做任何细致的分析，便能感到宇宙之大远远超越了我们人类的身体以及可能旅行的距离。科学的理解不仅支持这种旷巨之感，而且进一步扩展了它。
世界的这个尺度会让人感到不知所措。法国数学家、物理学家和宗教哲学家布莱兹·帕斯卡（1623—1662）便心怀此念并深受折磨。他写道：“宇宙通过空间囊括了我，吞没了我，使我犹如一个原子。”
这种类似于“寄蜉蝣于天地，渺沧海之一粟”的哀思是文学、哲学和神学中普遍的主题，它们出现在许多祷词和圣歌中。当我们用尺寸来衡量的时候，这种哀思是人类对自身之于宇宙微不足道的自然反应。
然而尺寸并非全部。我们内在的丰富虽然不那么显而易见，但其深邃渊博较之于外在丝毫不逊。我们从另一个极端自下而上地思考事物，便会发现这一点。微观世界有无垠的空间。在所有事关紧要之处，我们非常之大。
我们小学就学过，物质的基本结构单元是原子和分子。从这些单元来看，一个人的身体是巨大的。一个人的身体里包含的原子数量大概是1028个——1后面跟了28个0：
10000 000 000 000 000 000 000 000 000。
这个数字远远超过了我们可以设想的范围。我们可以将其命名为“穰”，然后经过一些教学和练习，我们可以学会用它来计算。不过，由于我们绝无可能数到这么大的数，它便压倒了我们基于日常经验的直觉。设想如此多个点远远超出了我们大脑的承载能力。
在明朗无月的夜晚，我们裸眼可见的恒星数量最多也就几千颗。而另一方面，我们体内的原子总数有“一穰”，大概是整个可见宇宙中恒星数量的一百万倍。在这个非常具体的意义上，可以说有一个宇宙栖居于我们内部。
伟大的美国诗人沃尔特·惠特曼（1819—1892）本能地觉察到了我们内在之大。在他的《自我之歌》中，他写道：“我心胸宽广，包罗万象。”惠特曼对内在之丰富的欢乐赞颂与帕斯卡对宇宙的羡慕一样，都基于客观事实，但前者与我们的实际体验更息息相关。
世界很大，但我们并不小。更准确地说，无论尺度放大还是缩小，都存在丰富的空间。我们不应该仅仅因为宇宙之大就羡慕它。我们亦很大。确切来说，我们大到足以将整个外在宇宙置于思维之中。帕斯卡也从这种洞见中获得了宽慰。在他发出“宇宙通过空间囊括了我，吞没了我，使我犹如一个原子”的哀叹之后，他自我安慰地写道：“通过思想，我囊括了整个宇宙。”
空间之丰富——无论外在还是内在——是本章的主要话题。我们将会深入这个不可动摇的事实，然后再扩展性地探索一下。
外在的丰富：所知与如何得知
序章：几何与现实
对宇宙中距离的科学讨论基于我们对物理空间的理解，也依赖于测量距离的手段，这就属于几何学的领域了。因此，让我们先从几何与现实的关系讲起。
直观的生活经验教会我们，物体可以从一个地方移动到另一个地方而不改变其性质。这让我们把“空间”理解为一种容器，大自然将物体放置于其中。
测绘、建筑和导航中的实际应用让人们可以测量邻近物体之间的距离和角度。通过这样的工作，人们发现了欧氏几何中呈现出来的规则。
随着实际应用变得越来越广泛，越来越复杂，这个理论框架一直保持着令人瞩目的有效性。作为一套对物理现实的描述，欧氏几何是如此成功，其逻辑结构是如此美妙，以至于几乎没有人尝试严格检验它的有效性。在19世纪早期，史上最伟大的数学家之一卡尔·弗里德里希·高斯（1777—1855）认为值得对它做一次真实的检验。他测量了德国三座遥远的高山测量站之间的夹角，发现它们加起来在误差范围内正好是180。，这和欧几里得的预测一致。今天的全球卫星定位系统（GPS）也是基于欧氏几何。它每天都会在更大尺度上，以更高的精度执行上百万次像高斯这样的实验。让我们来看看它是怎么工作的。 P3-7