从零开始读懂物理学 趣解相对论、量子物理、宇宙大爆炸、薛定谔的猫、暗物质 走进物理世界

牛顿是怎样建立万有引力定律的？引力是超距作用吗？ 光速为什么不变？爱因斯坦为什么要提出相对论？ 电子是粒子还是波？薛定谔的猫到底是怎么一回事？ 宇宙大爆炸是怎样一步步建立的？暗物质与暗能量真的存在吗？ 物理学总是令人着迷又令人困惑。本书从“零”开始，站在“问题”角度，循序渐进地讲述了整个物理学理论的演变过程，内容涵盖经典力学、电磁学、热力学与统计力学、光学、相对论、量子物理和宇宙学。 本书思路清晰、行文流畅，措辞严谨又不乏幽默，插图简约又不乏精准，内容简练又不乏深意。除物理外，本书多处以开放式思维探讨物理与数学、哲学的关系，旨在与读者共同建立理性思维，是青少年及广大物理爱好者很好的入门书籍。

汪振东

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汪振东，毕业于中国科学院大学研究生院，后在中国科学院国家授时中心工作，参与研究原子钟、时间比对及北斗等诸多项目，对基础物理有很深的理解。著有物理科普书籍《在悖论中前行：物理学史话》。

1.从“零”开始，站在“问题”角度，循序渐进地讲述了整个物理学理论的演变过程。

2.内容全面，涵盖经典力学、电磁学、热力学与统计力学、光学、相对论、量子物理和宇宙学。

3.思路清晰、行文流畅，措辞严谨又不乏幽默，插图简约又不乏精准，内容简练又不乏深意。

4.以开放式思维探讨物理与数学、哲学之间的关系，旨在与读者共同建立理性思维。

记得刚学物理的时候，最让笔者感到好奇的是电。电是什么？灯泡为什么能发光？如果把灯泡放到月球上，在地球上按下开关，灯是瞬间亮还是过一会才亮呢？老师们说:“电是电子的流动，所以电有速度，而且肯定超越不了光速，因为任何速度都不能大于光速——这是爱因斯坦说的。”于是笔者对光又产生了很多疑问：光是什么？为什么它是最快的？光和空气一样有重量（质量）吗？在一次“卧谈会”上，笔者宣布了最新的“研究成果”：光没有质量，否则人会感觉黑夜比白天轻松很多。很快，这一理论遭到其他同学的驳斥：“那是因为除反射的光外，其他的光都被你吸收了，但你的身体不会吸收空气……”

在今天看来，这些问题似乎太幼稚可笑。但翻翻物理学史，伟大的理论不正是从这些“幼稚可笑”的问题当中诞生的吗？比如古希腊人否定地动说，可能仅仅是因为地球转动没有形成东风；暗能量假说之所以存在，也可能仅仅是因为没有办法解释宇宙正在加速膨胀。这些案例不胜枚举。因此，笔者认为在学习物理时，任何幼稚可笑的问题都不是多余的。

在笔者的教学过程中，学生总会提出各种奇怪的问题。笔者发现将它们解释清楚完全是徒劳的，因为往上追溯，一个问题最终会带出无穷无尽的问题。尽管笔者不能解释清楚，但记录下来总是件好事，于是将点串成线，形成了本书。

本书总共分7章。

第1章为经典力学。一开始，人们以为地球是宇宙的中心，但是行星们似乎并不“听话”，于是哥白尼用太阳取代地球的位置，提出日心说。日心说意味着地球无时无刻不在运动，既然运动就会产生强大的东风。为了解释这一问题，伽利略提出相对运动和惯性定律。在此之上，牛顿力学体系渐渐成型。

第2章为电磁学。牛顿的光芒照耀着宇宙的各个角落，以至于牛顿之后的科学家们总是希望电磁力与万有引力相契合——符合平方反比和超距作用。最初的几十年确实如此，但当问题逐渐变得扑朔迷离时，伟大的法拉第提出了“场”的概念。麦克斯韦从场出发，断言电磁波的存在并预言光就是电磁波。当赫兹证实这一切之后，场理论取代了超距作用。

第3章为热力学与统计力学。燃烧与热是生活中两种常见的现象，它们的本质是什么？在19世纪中叶之前，人们一直认为它们都是某种元素——燃素和热素。这种元素运动便产生了热效应。但当热素无法解释众多现象时，科学家们终于认识到热是一种能量（热力学），这种能量来自分子运动（统计力学）。

第4章为光学。一开始，人们从光的三种传播方式得出光是一种微粒，然而第四种传播方式（衍射）让科学家们对光的本质产生了激烈的争论——波粒战争。光是什么？光有速度吗？每当人们以为快要揭开光最后的神秘面纱时，发现又进入了一个未知领域：光速不变诞生了相对论；光电效应是量子物理的基础；光的红移让人们发现宇宙正在膨胀……

第5章为相对论。自19世纪开始，光的波动说打败了微粒说。波传输需要介质，人们搬出了以太。但当科学家们辛辛苦苦寻找以太时，发现根本无法找到。这时初出茅庐的爱因斯坦站了出来，建立了相对论，也解决了物理学当时的窘境。

第6章为量子物理。组成物质的微粒是原子，原子的本意是“不可分割”，但最终还是被汤姆孙打开了。当科学家们“进入”原子内部参观时，发现经典的物理理论在这里并不适合，于是哥本哈根派的勇士们“另立山头”，却一不小心捅了哲学的屁股，一场荡气回肠的辩论开始了……

第7章为宇宙学。宇宙大爆炸是物理学中最脍炙人口的话题之一。宇宙真的起源于大爆炸吗？原始原子有存在的可能吗？黑洞又是怎么诞生的？暗物质与暗能量是怎么来的？这些都是该章的话题。

除物理内容外，本书还尝试探讨物理与数学、哲学之间的关系，大致有以下三个方面：一是从微积分角度探讨万物是连续的还是离散的，二是探讨测量对于物理的重要性，三是简述量子力学带来的哲学悖论。

有几点需要特别说明：一是本书的图片仅是示意图，并非实物图和实验结果图；二是本书记录了一些人物故事，这些故事只为展示人物性格与历史背景，并不能作为正史考究；三是对于一本科普书而言，举例的生动性与精准度总是难以两全的。本书从生活出发，举了不少事例，只为抛砖引玉。

在写作的过程中，笔者遇到不少困难。首先，物理与数学、哲学之间的细节问题一度困扰着笔者，好在笔者的同事——饶冬飞教授给予了笔者无私的帮助，与他讨论才让笔者茅塞顿开。其次，由于笔者不善绘画，绘图问题一度影响这本书的写作进度，好在未铭图书给予了笔者非常大的帮助。在此，对帮助过笔者的老师、同事和朋友致以深深的谢意。

由于笔者水平有限，书中难免出现纰漏，恳请读者朋友批评指正。

第1章　经典力学

1.1　地心说 / 001

古希腊与亚里士多德 / 005

1.2　日心说 / 010

第谷与开普勒 / 020

1.3　从实验开始 / 023

相对运动 / 027

1.4　力学定律 / 035

微积分 / 039

1.5　万有引力 / 051

近代哲学之父——笛卡尔 / 052

站在巨人肩膀上 / 059

第2章　电磁学

2.1　从静电到电流 / 065

2.2　电生磁 / 073

奥斯特与安徒生 / 076

电学中的铁三角 / 078

2.3　磁生电 / 082

道德楷模法拉第 / 089

2.4　电磁波 / 093

什么是物理？ / 096

什么是波？ / 101

电磁学的大厦 / 107

第3章　热力学与统计力学

3.1　从火说起 / 109

化学家拉瓦锡 / 113

3.2　热的本质 / 117

从永动机到能量守恒 / 121

3.3　热力学 / 124

3.4　统计力学 / 132

第4章　光学

4.1　光的本质 / 138

光的三种传播方式 / 139

4.2　光谱 / 148

4.3　光速 / 154

第5章　相对论

5.1　两朵乌云 / 159

5.2　狭义相对论 / 165

绝对时空 / 167

什么是质量？ / 172

5.3　浅谈狭义相对论 / 175

5.4　广义相对论 / 179

黎曼几何 / 182

第6章　量子物理

6.1　微观世界 / 192

X射线 / 199

6.2　量子之门 / 200

火与颜色 / 201

什么是量子？ / 205

光电效应 / 207

6.3　电子轨道 / 209

α、β、γ射线 / 210

6.4　迷雾重重 / 216

常用的物理知识 / 217

泡利不相容原理 / 221

施特恩与盖拉赫 / 225

6.5　矩阵力学 / 228

沉默的狄拉克 / 231

6.6　电子是波 / 234

爱因斯坦与诺贝尔奖 / 234

晶体 / 240

6.7　薛定谔方程 / 243

概率波 / 247

互补原理 / 252

6.8　索尔维会议 / 253

“二战”中的科学家 / 259

6.9　薛定谔的猫 / 265

小爱和小玻 / 269

6.10　平行宇宙 / 272

6.11　粒子、场与弦 / 276

同位素、核裂变和核聚变 / 278

反物质 / 283

第7章　宇宙学

7.1　宇宙在膨胀 / 289

测量天体到地球的距离 / 290

7.2　宇宙大爆炸 / 297

什么是噪声？ / 301

宇宙简史 / 302

7.3　恒星演化 / 304

钱德拉塞卡极限 / 307

最揪心的诺贝尔奖 / 309

励志人生 / 311

7.4　未解之谜 / 312

参考文献 / 317