格物致理：改变世界的物理学突破

本书以准确客观的语言、清晰的时间线索讲述科学史，深入浅出地呈现物理基础概念的“接受史”和物理学家们的“江湖史”。以历史的方式讲述物理知识，以故事的形式介绍物理研究方法和物理思想。本书采用一种抽丝拔茧、福尔摩斯探案般的叙事架构，对人类从现象和好奇心入手认识世界，不断突破自身的认识局限的过程悉数道来，再配以大量科学史上珍贵的高清照片，读起来引人入胜又值得反复推敲。作者对科学概念的形成和表达采用了严谨而准确的描述，并不掺杂个人的评论，这使得本书成为一本常读常新的科普著作。

罗伯特·斯奈登（Robert Snedden）

英国著名作家、出版人，拥有30多年出版业经验，科普创作奇才，以将复杂难懂的科学问题展现得有趣且令人发省见长，他的作品深受各年龄段读者喜爱，无论成人还是孩童，均从中受益。

译者

何佳茗

毕业于北京四中，现就读于约翰斯·霍普金斯大学。

何万青

博士，阿里云高性能计算负责人，曾在英特尔公司长期从事高性能计算对科研和工程客户的技术支持工作，热衷科普，有公众号“四维碎片”。

书中每一章都从物理学一个学科分支的起源讲起，突破了一般教科书的写法——上来先给出定律的范式，然后是解释，最后落脚到分析和求解应用题。这样就回到了人们探索、发现世界奥秘的起点，从这些引人入胜的线索，跟随前赴后继的“物理学侦探”们抽丝剥茧，能够逐渐产生对一个学科分支形成的认识，知道物理学的大厦并不是建立在“天才们的想象”之上的，而是实实在在从对自然的观察和生活问题的解决中自下而上“生长”出来的。本书作者采取了一种克制的行文手法，通篇不做个人评论，而是尽可能精确还原物理学突破道路上的事实和转折，同时配以大量其来有自的珍贵科学史图片，让读者扮演那个科学史侦探的角色。进入物理学的奇幻宇宙，黑洞、白洞、虫洞，时空弯曲，以及量子纠缠……在神奇、浩瀚的物理宇宙中，体会自由漫步的欢欣。

激动人心的年代

大年三十这天，一本名为《格物致理：改变世界的物理学突破》的样书快递到了香港。此时，我刚刚回到香港，由于新冠肺炎疫情（以下简称疫情）的原因，面临着长达14天的隔离生活。拿到这本书，我马上阅读了前言“从迷信到超级理论”，又简单翻阅了一下后面的章节，感到如获至宝！本书正是我最喜欢读的那类科普书，将带领我穿越物理学史上那些激动人心的年代。

每一个中国学生，无论小学时期上科学课，还是中学时期上物理课，都熟知牛顿与苹果的故事。这个故事让很多学生产生了一个错觉，误以为牛顿真的是被苹果砸到了脑袋才幸运地提出了万有引力定律的，殊不知物理学的突破并非来自看似幸运的“偶然”。牛顿曾经说：“如果说我看得比别人更远些，那是因为我站在巨人的肩膀上。”这句话并不是一般人所理解的谦虚，也不是某些人嚼舌头所说的讽刺，而是牛顿对自己研究的写实。牛顿的研究确实是以哥白尼、伽利略、开普勒等诸多科学家的研究成果为基础的，尤其是开普勒的三大定律，牛顿通过对其进行进一步的数学推演得到了万有引力定律的数学公式。从开普勒三大定律到万有引力定律，起决定作用的是数学方法，而不是苹果砸到了谁的脑袋上。在本书的第三章中，作者按照时间序列让我们看到了物理学中多位巨人带来的突破，以及他们是如何承前启后的，从哥白尼到伽利略，从笛卡儿到惠更斯，再从开普勒到牛顿，最终牛顿发表了《自然哲学的数学原理》，揭开了隐藏在黑夜之中的自然法则。中国的中学生若能够读到本书，将会是幸运的，因为他们将真正站在巨人的肩膀上，理解前人的物理学思维的形成过程，继续去发现和解释自然界中的更多难题。

每一位中国科学老师，总是苦于找不到用准确、客观的语言讲述科学史的书籍，要么科学发现的过程被演绎得面目全非，要么物理学家被“神话”化，仿佛不食人间烟火，要么只是一味地重复那些已经写入课本的“死知识”。每一位科学老师都希望教会学生科学思维、科学方法、科学逻辑、科学态度，但是支离破碎的资料导致老师想用有限的时间去实现这个目标格外困难。本书能够为科学老师提供非常好的教学背景资料，也能帮助从应试教育中走出来的科学老师树立科学研究方法的理念，以便依据科学史去重新理解“观察提问、猜想假设、实验设计、搜集数据、模型解释、发表交流”这样的科学研究方法，更明确地认识“通过实验检验假设”对科学突破的革命性意义，以及“提出问题”和“做出假设”对开启一个科学发现的深远意义。这本书中遍布物理学家对自然现象的一次次敏锐提问、一次次大胆猜想、一次次小心求证。这些案例、这些有据可查的科学突破，是科学老师与求知若渴的学生探讨自然、揭秘宇宙多么好的切入点啊！我仿佛已经看到了师生仰望星空，共同发出与霍金相同的感叹：“我们拥有一生来欣赏宇宙的伟大设计，为此，我们深表感谢！”

14天的隔离生活转眼就要结束了，我的时空穿越旅行也即将结束，在我痛快淋漓地“走”过科学巨人们的时代后，却不禁忧虑：书中中国科学家的名字被提及的次数太少了。在合上这本译著之时，我眼前一亮，本书的第一译者何佳茗同学的名字映入我的眼帘。在疫情席卷全球时，许多留学生和其家长都在所难免地陷入了恐慌，忙于寻找回国、回家的路，然而，约翰霍普金斯大学一年级的留学生何佳茗却选择留在美国坚持求学。在一个人的漫长暑假中，她又选择了翻译这本著名的科普著作。一个只有19岁的女生，已经拥有了怎样的科学禀赋和坚毅品格？19岁，原本还是和父母撒娇、和男朋友耍赖的妙龄，何佳茗却镇定自若地承担起了科普的重任，把科学的思想传回给祖国的父老乡亲。作为读者，我深表感谢！

如果你问我：“这本书适合什么样的读者阅读？”我只想再次回答，这本书是由一位19岁的北京姑娘主笔翻译的。她都翻译好了，你觉得自己会看不懂吗？

姜冬梅

香港青少年科学院终身荣誉院长

中国碳中和发展集团有限公司首席科学家、战略发展委员会主席

2021年2月22日于香港数码港

前 言

草蛇灰线，伏脉千里：物理学突破之旅

本书的书名最初被出版社译为《物理之美》，不过随着女儿和我翻译到尾声，我们都觉得整本书展现的气质，有一种“人类征服物理学星辰大海的漫漫征途”的感觉，后来我想起王阳明格物致知“格竹子”的故事，借用过来就有了《格物致理》这个书名。

在翻译过程中，女儿断断续续和我分享了在翻译中发现的本书特点。譬如，每一章都从物理学的一个学科分支的最初起源讲起，而不像一般教科书那样，一上来先给出定律的范式，然后是解释，接下来就是如何用其来分析和求解应用题。本书的介绍方式，回到了人们探索、发现世界奥秘的起点，比如天然磁石的发现可以追溯到公元前800年左右的一个叫马格内斯（Magnes）的牧羊人，本书介绍了在铁质的杖尖被磁石吸引后，人们从现象到观察、从观察到实验的过程。因而我们相信，年轻的读者如果抱有好奇心，便能顺着这些引人入胜的线索，跟随前赴后继的“物理学侦探”们抽丝剥茧，逐渐产生对一个学科分支形成的认识，知道物理学的大厦并不是建立在“天才们的想象”之上的，而是实实在在从对自然的观察和生活问题的解决中自下而上“生长”出来的。

本书的另一个特点是，作者采取了一种克制的行文手法，尽可能精确描述物理学突破道路上的事实和转折，通篇不做个人评论，而是配以大量的珍贵的科学史图片，让读者自己扮演那个科学史侦探的角色。作为著作等身的科普作家，罗伯特·斯奈登这样的写法，让我们在翻译的过程中，产生了一种“如果当年我读的物理教科书是这样的该有多好”的感叹。以前，我在英特尔参与过翻译美国同事写的技术书籍的工作，有写书经验的作者常常提到一个共识——说写作水平达到了“Textbook”的水准，这是一种很高的褒扬。因此，在翻译过程中，出版社的编辑和我们特别注意为书中一个个科学史上的人名和名词确定统一和约定俗成的译法，对每一幅高清图片的文字进行详细的翻译。作者为许多重要人物补充生卒年月的严谨写法，为每一段对话添加出处的行文方式，也让这本书格外严谨，我们希望它能够成为一本读时引人入胜，读后置之案头可予查询参考的书。需要提醒读者的是，这本书精美的原理插图和历史照片，有不少是国内其他科普图书无法呈现的，绝对“值回票价”。

感谢电子工业出版社的编辑朋友为我们提供了翻译本书的机会，在2020年这个特殊的年份，我和留在美国校园读大一的女儿一起隔空做了一件有益的事。在疫情刚开始时，我们经常隔着12个小时的时差在深夜对话，相互安慰。她说，普希金在因霍乱被隔离期间写出了《叶甫盖尼· 奥涅金》，在焦灼中能够潜心做一件事是非常幸运的。后来，中国的疫情很快就得到了控制，我的很多时间都花在了自己的工作上。从2020年8月到12月，何佳茗完成了本书2/3的翻译工作，包括从前言到第7章，以及最后的第12章的翻译，我则翻译了从第8章到第11章的内容。

如果读者能够从阅读中获得知识，体验到物理学突破的奇妙历史，则是作者罗伯特·斯奈登的功劳；如果感觉平庸难懂，则也许是我们翻译得不够完美，提前表示歉意。

何万青

第一章 物理吸引力

第二章 经典气体

第三章 力的世界

第四章 光

第五章 物质状态

第六章 触电体验

第七章 电磁学

第八章 热力学

第九章 万物相对

第 十 章 时空弯曲

第十一章 量子领域

第十二章 粒子与未知