前言

前言，我想就是在正文“前”，就这本书的事，“言”点什么，想来想去，言以下几点，以方便读者阅读。

一、这本书说什么

本书分上、下两部分，上部分以物理世界中出现的几个“灵异”事件为切入点，展示物理学中力学、热学、相对论及量子力学的重要思想；下部分以原子、时间、宇宙三个主题，介绍人类对这些问题的考察与思索，当然也包含了本人的一些粗浅看法。

本书以随笔的形式展开，把科学——主要是物理学，作为人类文化的一条主线，从内容、思想、方法、历史、哲学等方面进行介绍，是以文学形式展示的一本非技术性的科普读物。

上部分是《物理世界的“灵异”事件》。

“灵异”者，神鬼妖物之异迹，是谓“灵异”。按理说，神鬼妖物是不能在物理世界里出现的。然而，正是在这门严谨的学科里，竟然就出现了“灵异”，岂非咄咄怪事，我就是被这些怪物、怪事所吸引，动了写这本书的念头。

那么，在物理世界中出现了哪些“灵异”事件呢？

按出现的时间顺序，计有五件，分述如下：

第一件，古希腊人芝诺提出的那只乌龟，说世界上跑得最快的人也追不上它。芝诺对这个比赛结果的证明似乎无懈可击。我把这只龟称作“芝诺龟”；

第二件，法国人拉普拉斯说，有一位智者，世界在以前发生过什么，他无所不知；世界以后将发生什么，他无所不晓，人称“拉普拉斯妖”；

第三件，英国人麦克斯韦用心“制作”了一只妖精，夏天能使你的房间凉爽，像开了空调，冬天又能使你的房间暖和，像送了暖气，而且无须消耗任何形式的能量，人称“麦克斯韦妖”；

第四件，犹太人爱因斯坦发现了宇宙间有不同的时空区域，一对孪生兄弟生活在这样的不同区域里，他们将分不清谁是哥，谁是弟，成了两个“糊涂人”；

第五件，奥地利人薛定谔提出了一只猫，说它可以处在既死又活的一种诡异状态，世称“薛定谔猫”，着实令人不可思议。

这些“灵异”事件，既离奇古怪又激动人心，既荒诞不经又似乎合情合理，既颠覆你的日常经验又使你的思维经受考验，既蕴含着大自然的真理又包含了科学家的智慧。

下部分是《徜徉在科学的田野上》。

所谓“徜徉”，就是闲庭信步地“游”，安然自在地“逛”，引导你在人类特别关注的原子、时间、宇宙三个“景区”里漫步。

下面对这三个“景区”做简要介绍。

在“原子”这个“景区”里，介绍了原子在自然界和人类社会中出现的两部历史；阐明了原子构成宇宙间的万物，是宇宙结构的大美；揭示了原子是多么地神奇；介绍了近几百年来人类如何证明了原子的存在；阐述了原子与近代科技发展的关系，并由原子来看东西方的文化差异。

在“时间”这个“景区”里，介绍时间是一个既熟悉又说不清楚的概念；告诉你物理世界里的两个量度时间的钟；介绍时间的过去、现在、将来；告诉你时间是什么；介绍了时间的出生与死亡，重生与永生。不仅涉及人类认识时间的历史进程，还涉及宇宙与人类的生命史，内容丰富，内涵深刻，场面恢宏，气势磅礴。

“宇宙”是一个“大景区”，景点多，简介如下。

第一个“景点”介绍什么是宇宙，它有多大，它的边缘离你有多远；第二个“景点”介绍宇宙也许是一种永恒的存在形式；第三个“景点”是对宇宙永恒存在形式的质疑与否定；第四个“景点”是关于宇宙进入存在的各种说法；第五个“景点”与你讨论宇宙进入存在的原因；第六个“景点”介绍了霍金给出的宇宙进入存在的自足解；第七个“景点”介绍宇宙怎么会是一顿免费的午餐；第八个“景点”是从光的形象寻找宇宙进入存在的线索；第九个“景点”介绍宇宙是从虚幻进入存在的；第十个“景点”是根据惠勒提出的一个实验，寻找宇宙进入存在的答案。以下三个“景点”，分别介绍了惠勒对宇宙进入存在的看法是：观察者使宇宙进入了存在；观察创造了世界万物；人类与宇宙是一个奇特的自激循环系统。

游览这个景区，正如晋人陆机所言：“精鹜八极，心游万仞”，可谓神飞八极之外，心游万仞之巅。

二、为什么写这本书

许多人对大自然的奥秘抱有好奇心，很想了解物理世界里发生的事情，但常常苦于很难找到一本合适的书。有些读物往往是给出一些让你感到“惊奇”的结论，摘录一些科学家说的话，来渲染这些“惊奇”，表明“结论”的权威性，至于为什么会有这样的“惊奇”与“结论”，却没有清晰的交代与逻辑说明，让人读了很不“解渴”。

国人所写的这类读物不多，大量翻译过来的读物，读起来总觉得不对味口。究其原因，可能是原文就没有说清楚；可能是语言习惯的不同；也可能是翻译者对这个专业的知识并不了然，书中出现诸多生硬、晦涩的句子，反复阅读也弄不明白是什么意思。

我想做一点尝试，写一本能让人容易读懂的书。

据统计，自有文字传播以来到第二次世界大战结束为止，世界上所有学者的相关著述的总和，要小于1996—1997年这两年内自然科学及技术出版物的总量。如此大的知识量不仅使外行人望而却步，恐怕连专家也很难了解自己熟悉的那个学科的全貌。在这样的背景下，我们中的许多人想要了解物理世界里最基础的东西是些什么，最有趣、最激动人心的事情有哪些，更想了解还有哪些物质世界的基本问题使最伟大的科学家都感到棘手，还有哪些事情至今还无法解释。期待着能有一个通俗的介绍。

我想写一本这样的书，做一点这方面的工作。

物理学作为研究自然界最普遍规律的学科和最成熟的自然科学之一，对科学世界观的形成，其作用是最直接的，也是最有价值的。物理学家直面观察到的事实，经反复的实验与思考，“求”得了物质世界的“是”，再把求的“是”拿回到实践中去使之不断地接受检验，建立理论，这就自然地形成了他们的世界观。具有这种世界观的人，容易做到尊重事实、尊重规律、尊重科学、不说空话、不说假话。这样的人对于事物的看法与分析、对于自己的成长与发展，都有着积极意义。

我写这本书，也想在这一方面起点作用。

大自然是人类赖以生存的根基，永远是人类关注的热点。

自然科学应当是现代人的一个重要的“观光景区”。有些人对这个“景区”有兴趣，想深入；或没有时间，只能走马观花；或因“门票”昂贵，进不得门去。

这本书说的就是关于大自然的事情，以物理学科来展示物质世界的奥秘。本书可作为物理学科的人文版本，概要地介绍这个世界的历史与现状，主要人物及其成就，以及这些主要人物是如何看待这个世界的，这个世界结构与组成又是什么样的。

这本书可以作为一张廉价的“参观门票”，一张没有数学公式的通俗观光说明书，让你轻松悠闲地观赏这个物理世界里的几个重要“景点”，把你引向一个个激动人心的美妙去处。在这里，或与先哲们对话，聆听他们的教导；或信步漫游，欣赏物理的美景；或踱步沉思，像哲人、科学家那样思考；或引起你的一种强烈冲动，你也准备成为一个热血的勇士，闯进这个领域，去思考人类正面临着的困境，去接受可能遭遇到的各种挑战，去为一次伟大而艰难的探险跋涉、攀登。

我写这本书，期盼在这些方面能产生些影响。

三、为什么是随笔的形式

早就想用多一点人文色彩的语言来阐述科学的内容，作为科普类读物的一种补充。我想科学的内涵是非常丰富的，应当可以用多种形式来表述它。常言道“尺有所短，寸有所长”，每一种表述形式都会有它的长处，从而可以获得属于它的生存时空。因此就选用随笔的形式来试写这本书。

之所以用随笔的形式，还有以下几个理由。

第一，可以随意些。

随笔，因为有一个“随”字，笔触自由，写出自己的观点和看法，没有太多的约束，而表现形式可叙事、可议论、可抒情；表述的方式可风趣幽默、随兴而发、可像与朋友聊天，娓娓道来，也不会受篇幅太多的限制。

第二，可以更好地阐明物理思想。

所谓“物理思想”，就是从物理学科的内容结晶出来的理性成果。

就物理学科本身而言，重要的是它的思想：方程表示了规律，是理论的内核，而思想是它的灵魂。这些闪光的思想，是人类宝贵的精神财富，是照亮人类文明航船前行的灯塔。

在通常的物理教材中，物理思想要让学生在学习的过程中慢慢去品味、体会，一时不易获得；对于许多非物理专业的人来说，不一定非要知道方程的运用与计算方法，物理思想可能是他们的精神营养，反倒显得尤为重要。而用随笔形式，便于表述物理思想，容易被读者理解与吸纳。

第三，更便于介绍物理文化。

所谓“物理文化”，也许就是人类创造的关于物理这门学科的全部内涵，不仅是指物理学科本身的内容，还包含这门学科的思想、观念、方法，以及这个学科与其他学科的关联、对人类社会产生的影响等方方面面的内容。

许多人对物理学的印象都是学校的教学给予的，从一本教材开始，首先从教材中提出的一些物理现象开始，其次是相关概念、定律、公式，最后是做练习、做实验，在物理学科学习之初，许多人会感到乏味无趣。

如果能学到物理学科的知识，还知道这些知识对人类文明发展的意义，知道物理学科在自然科学的主导地位；了解一些相关的人文资料，开阔视野；知道一点科学家的故事，了解他们的内心世界，知道他们看待这个世界的方式，促进读者对知识多角度的理解和增加阅读的兴趣。用随笔来介绍这些丰富内容，行文就有了空间。

第四，更能表述自然之美。

散文是一种文学作品的形式，是涵盖面很宽的一种文体，常以优美的文字与平实的语言给人一种美的享受。好的散文犹如陈酿佳肴，让读者“沉浸醲郁，含英咀华”。随笔也属于散文，也可以写得很美。

诗人也许会说，星星在科学家的眼里只是一堆聚集的原子，他们看不到星光的美丽。唐代大诗人杜甫有诗句“星垂平野阔，月涌大江流”，繁星低垂，星光闪烁，原野辽阔，江流月涌，真是美不胜收。科学家写不出这样的诗句来，因此诗人的喟叹是有道理的。然而，科学家居然可以看到宇宙诞生后不久发出的微弱的光，并通过这一缕最原始的“光”，看到了宇宙婴儿期的“萌态”，这是诗人们看不到的一种美。

诗人与科学家是用两双不同的眼睛来看世界的。前者看到了表观的、形象的美，而后者看到的是深邃的、理性的美，也许后一种美对于人类的生活与生存更有深刻的、直接的意义。

诺贝尔物理学奖得主、“夸克”概念的提出者盖尔曼，在他的《夸克与美洲豹》中写道：“我在高中学习的物理学是最枯燥乏味的一门课程……在不久后我对物理学着迷了，尤其是相对论和量子力学，这些基本原理的优美深深地体现了自然界的美，正如阿比鸟的啼叫或晚上海豚发出的亮光体现了自然之美一样。”

原子构成了万物，体现了宇宙结构的美；牛顿用简单的公式统一了天上与地上的运动，表现了宇宙内在和谐的美；薛定谔方程表示微观世界的物质运动也有统一的规律，表现了原子、亚原子领域的秩序的美；爱因斯坦坚信有一个包罗万象统一理论来描述宇宙的运动，如今的物理学家已经发现了这个理论的框架，原则上可以描述一切物质现象。

这些都揭示了宇宙内在的、统一的大美。

不少物理学家，对自然的认识，开始是对一种美的冲动，正是这种美，在他们还没有足够的理由时，就确信已经感知到了真理，他们相信自然的美一定闪耀着真理的光芒。

庄子曰：“天地有大美而不言”。物理学就是关于这个大美宇宙的学科，它当然也应当是美的。用数学方程可以表述简洁的美；用教材、学术论文可以表述理性的美；用随笔的形式，也许就容易把这种美表述得更加形象、生动，让读者更容易体会、欣赏到这个物质世界的美妙。

我写的这些文字，就是想把科学知识，用文学的语言表述出来，赋予它丰富的情感与鲜活的生命，使它能融入更多人的思想中。

四、对本书的期望

写这本书有一个最朴素的想法，就是尽量要把事情写清楚，即便是有些至今还说不清楚的问题，也要尽量地把“不清楚”的东西写出来，清楚地指出是什么地方人们还不能说清楚。本书还尽量地把不易理解的“硬块”，用多一点的文字让其化解，写得让人易于理解。书中还加入了不少中华文化的元素，以便更能适合国人的口味。

法国的思想家伏尔泰说过这样一句话：“思考和让别人思考。”我写这本书，也有这样的想法，在揭示这个神奇的物质世界的同时，一方面记述前人已有的思考成果，另一方面也写出自己的一些看法和想法，引导并激发读者去思考。

在我的教学生涯中，面对着各色各样的物理教材，我就想，能否写一本既有宽广范围又具有人文色彩的理科教学参考书。这本书的出版，也算是了却了我的一桩心愿。如果你正在学习物理学，读读这本书里的相关内容，作为学习内容的参考，了解与教材相关的人物及其思想，不但不会浪费你的时间，反而会激发你的求知欲，帮你进一步理解和记住这些知识。

在写作中，我总是在做一种努力，期望拿着这本书的读者，能读得懂，读得愉快，读着，就是一种享受。

这些年来爬梳剔抉，孜孜矻矻，苦乐交织的厮守，灵魂绵绵的纠结，总算写成了这本书。十几载才培育出来的果实，成了我晚年的至爱。我关心着每一本书的命运，不愿它们受到冷遇而四处漂泊，因此我并不指望能有多少人来阅读它们，只期望在真正喜欢它们的读者那里，它们受到了应有的尊重与爱护，有稳定的栖息地。

在这本书里，学文的读者可以看到自己熟悉的文笔，还能轻松地知道自然科学的某些内容与思想，了解到物理世界发生的重大事件；学理的读者可以重温自己学过的知识，闻到氤氲的人文气息，尝到文学作品的味道。出现这种文理交错的景象，这正是本书所殷殷期盼的。

好的散文，是可以超越时光与疆域的，因此，写一篇好散文不易。

科学散文，须将科学与文学珠联，用文学形式来表述科学内容，用文学的优美语言写出科学的深邃思想，写好不易；科学的散文，既要有科学的底蕴，又要有文学功底，而擅科学者通常会在文字方面欠功力，长文字者通常又会对科学有隔阂，写好不易。

对于我来说，理科“入水不深”，文科是“门外汉”，这种双重的缺陷，写好就更不容易。

书中有些内容，是我的理解和思考，出现错误是不可避免的。我不想用闪烁其词的取巧方法，来阐述某些很难讲清楚的概念与思想，我只想诚实地、清晰地写出我的看法与理解，以便于读者清楚地知道我说了些什么，我不想掩饰或回避我的无知与谬误，我期盼着读者给予本书批评。

写这本书，肯定要参阅不少书籍和资料，作为一本随笔形式的科学散文，列上这些书目似有些不伦不类，但我的内心非常感激这些作者，正是你们为我提供的素料，才使我有了思想耕耘的土地，你们都是我的老师，我诚挚地谢谢诸位。

本书的出版，我要特别感谢朱艳、孙清先两位老师，正是他们的努力，才使本书得以面世。他们的真诚与认真感动着我。

2020年3月14日于北京.