时与光：一场从古典力学到量子力学的思维盛宴

　　如果你曾被《从一到无穷大》深深触动，那么你也一定会喜欢上这本书的。八零后作者棽棽用简洁流畅的语言，对物理学近两千五百年的发展史做了全景式的精彩描绘，其中既有牛顿力学、狭/广义相对论与量子力学的诞生过程，又有诸位科学大师的成长历程。

　　说起“物理”这两个字，不论你对它是怀有几分向往却始终不得其门而入，还是由于考卷上层层套叠的公式、算符，一度激起了你的厌恶。给自己三天时间，跟随作者来一场思维大冒险吧。相信读完这本书，定会改变你对它的看法。

    棽棽，云南昆明人。山东大学应用化学学士，复旦大学物理化学硕士。喜好神游四海，偶尔亦会逃离地球，却怎么也逃不开对宇宙设计的好奇。探索其间的乐趣，愿与你一同分享。

第一章 波，还是粒子：光的故事

反射与折射/ / 004

最短时间原理/ / 007

柴郡猫的微笑/ / 009

彩虹的颜色/ / 011

干涉与衍射/ / 012

穿越狭缝/ / 012

泊松亮斑/ / 014

电与磁/ / 018

力与场/ / 019

光的兄弟姐妹/ / 022

光与电/ / 026

与星光对话的人/ / 027

剥开原子的人/ / 030

光电效应/ / 031

行到水穷处坐看云起时/ / 034

醉心历史的小王子/ / 035

电气公司的意外收获/ / 040

握手言和/ / 042

第二章 一沙一世界：力的故事

斜塔与椭圆/ / 046

坠落的连体球/ / 048

“金鼻子”与“占星师”/ / 050

像苹果一样思考/ / 055

于沙粒中见乾坤/ / 056

地“心”引力/ / 059

称量地球的人/ / 062

牛顿三定律/ / 063

拉普拉斯妖/ / 065

三个问题/ / 067

“相对”与“绝对”/ / 068

时间之矢/ / 069

三体/ / 070

第三章 μ子正传：狭义相对论的故事

真空，抑或“假空”/ / 075

民主的空间/ / 075

民主的时间/ / 077

相对，还是绝对/ / 080

“以太”在哪里/ / 082

μ子正传/ / 086

奥林匹亚科学院/ / 086

“同时”并不同时/ / 089

μ子简历/ / 090

时间延缓/ / 091

变与不变：双生子佯谬/ / 093

不变与变：时钟佯谬/ / 094

空间收缩/ / 095

时空初相逢/ / 096

时空方差/ / 096

芝诺悖论/ / 099

闵可夫斯基光锥/ / 102

类时、类空与类光/ / 103

事件光锥/ / 106

质量与能量/ / 107

E=mc2/ / 110

第四章 时光恋曲：广义相对论的故事

飞屋历险记/ / 114

等价性原理/ / 115

时间弯曲/ / 118

第五公设谜题/ / 120

舍卒保车？这还不够！/ / 122

属于星星的几何学/ / 125

空间扭曲/ / 128

舞动的时空/ / 130

床垫与力场/ / 131

铁钉与绳索/ / 132

普林西比之行/ / 135

爱因斯坦最大的错误/ / 138

坍缩佯谬/ / 138

奥伯斯佯谬/ / 141

宇宙常数/ / 143

宇宙岛/ / 146

红移的谱线/ / 148

大爆炸/ / 153

α、β和γ/ / 155

聆听宇宙的第一重歌声/ / 157

恒星之殇/ / 158

宇宙是顿免费的午餐？/ / 160

暴胀理论/ / 161

搜寻宇宙的第二重歌声/ / 162

还有几个“大”问题/ / 164

宇宙的形状/ / 164

宇宙的年龄与大小/ / 166

宇宙的未来/ / 166

宇宙之“外”是什么？/ / 167

第五章 骰子出没：量子的故事

黑体辐射/ / 170

普朗克常数/ / 172

再探光电效应/ / 175

“原子”进化史/ / 176

布丁模型/ / 177

行星模型/ / 177

轨道能级/ / 181

大与小/ / 185

电子自旋/ / 186

泡利不相容/ / 187

矩阵，还是波动/ / 190

海森堡矩阵力学/ / 192

薛定谔波动力学/ / 194

狄拉克量子代数/ / 196

不确定，你确定？/ / 198

海森堡不确定性原理/ / 200

拉普拉斯妖的挑衅/ / 203

骰子出没注意/ / 206

电子组曲/ / 210

实验一子弹实验/ / 210

实验二水波实验/ / 211

实验三电子实验/ / 212

实验四“偷窥”电子/ / 213

互补原理/ / 216

风云对决/ / 217

第一回合上帝掷骰子吗？/ / 218

第二回合爱因斯坦光箱/ / 222

第三回合EPR佯谬/ / 224

薛定谔之猫/ / 227

哥本哈根： 当我望向你/ / 230

维格纳的朋友： 意识是什么/ / 230

冯·诺依曼： 无限递归/ / 233

休·艾弗雷特三世： 大千世界/ / 235

延迟选择/ / 237

提问和回答 / / 239

指尖与月亮/ / 241

第六章 微观尽头：粒子的故事

玻色子与费米子/ / 246

玻色爱因斯坦统计/ / 246

费米狄拉克统计/ / 248

现代炼金术/ / 251

质子的发现/ / 251

中子的发现/ / 253

能量失窃案/ / 259

疑犯一： 中微子/ / 259

疑犯二： π介子/ / 261

夸克夸克夸克/ / 264

第七章 上帝是个偏心眼？对称的故事

对称vs.不对称/ / 268

空间平移/ / 269

时间平移/ / 270

空间转动/ / 270

洛伦兹变换/ / 271

全同粒子/ / 272

旋转运动/ / 272

放大与缩小/ / 273

可逆vs.不可逆/ / 274

杯中窥墨/ / 275

猴子与莫扎特/ / 277

熵/ / 279

麦克斯韦妖/ / 280

物质vs.反物质/ / 281

狄拉克之海/ / 281

寻找“反世界”/ / 284

左手vs.右手/ / 287

柯尼斯堡的思想者/ / 288

细菌王国的探险家/ / 292

镜子的另一端/ / 295

OZMA谜题/ / 298

宇称守恒吗/ / 302

τθ之谜/ / 304

上帝是个左撇子？/ / 305

轮盘上的物理学/ / 310

驴子的困境/ / 310

自发对称性破缺/ / 311

第八章 雅典娜与对称美：守恒的故事

诺特定律/ / 318

第九章 重回起点： 光的故事

路径积分/ / 325

芥子与须弥/ / 332

迪克，我们爱你/ / 333

第十章 大设计

量子岔道口/ / 336

隐变量/ / 336

贝尔不等式/ / 339

平行宇宙/ / 345

量子永生/ / 350

万物源于比特/ / 352

历史求和/ / 356

137之谜/ / 359

常数无常？/ / 360

爱因斯坦的“错误”/ / 363

统一之路/ / 364

弱电统一/ / 366

量子电动力学（QED）与量子色动力学（QCD）/ / 367

最后的阵地/ / 368

弦/ / 370

启程/ / 372

附录一费马最短时间原理的证明 / / 374

附录二牛顿与苹果 / / 378

附录三质能方程的简单推导/ / 379

附录四重力加速度g的推导/ / 380

附录五玻尔对爱因斯坦光箱的破解 / / 381

附录六 / / 382

参考文献/ / 383

后记 / / 386

　　最短时间原理

　　17世纪60年代，人类引逗光线的本领日渐高超，有关反射、折射的归纳性法则也已初现端倪。首位尝试解答这一“为什么”的天才终于在万事俱备之际乘着东风翩然而至，他便是来自法国的职业法律顾问兼“业余”数学家皮埃尔?德?费马（Pierre de Fermat）。弗吉尼亚?伍尔夫（Virginia Woolf）曾说过：“所谓天才就如同流星一样，他们划过夜空，撕破黑暗，道出真相，然后消失。”费马的一生便是对这句话最为生动的诠释。这位命运的宠儿衣食无忧且与世无争，从律师到法官，他表面上循规蹈矩，过着与其贵族身份相符的平顺生活；而私底下，他却悄悄为自己营造了一整座美轮美奂的思维殿堂，像个孩童一般流连其间、尽情玩耍。

　　费马惯于独自潜行，他终生远离学术圈，却也偶尔捉狭地浮出水面冒个泡，写上一封短信给当时的某位权威教授，将他最近游玩时无意间瞥见的美妙景象透露稍许，微微地撩拨一下学界的神经：一个原本无意流传后世的“费马大猜想”——xn+yn=zn，当整数n＞2时，方程无解——令千万逻辑狂人挠破头皮求证了足足358年；另一个关于多级指数的猜想——（2的2n次方）+1一定是素数——又让众多数论名家信以为然、琢磨良久，最终却发现那是错的……关于费马的传奇足有一大箩筐，可惜此处留白太小，写不下。现在，让我们先着重来领略一下费马殿堂的明珠“最短时间原理”的风采吧，一个把数学当娱乐的顽童一不小心道破了宇宙的天机。

　　大约1662年前后，费马在他某张信稿边页以其一贯的潦草笔锋轻描淡写地留下了一行小字：“在从一点行进到另一点所有可能的路径中，光所选择的一定是耗时最短的路径。”这便是赫赫有名的“费马最短时间原理”。也许你会想：这不显而易见嘛，只要足够机灵，放着捷径谁还愿意绕远道呢？但在费马之前，还鲜有人尝试把自己融入一束光来思量其处境。况且一条论断之所以能被冠以“原理”头衔，仅靠揣度是不够的，它必须严格建立在事实与逻辑的双重基础之上。下面，请你试着玩几个简单的几何游戏，来证明这一原理吧（参见附录一）。

　　耗时最短，实则意味着跑得最快。速度与角度，两个原本风马牛不相及的物理量通过费马原理竟微妙地联系到了一块儿，这不得不说是对大自然的一次深刻洞见。不仅如此，费马对光行为那颇具人性化的诠释总透着一股子说不清道不明的刁钻气息，自问世之日起数百年来，它就像费马本人一样，激起的赞美与嘲讽两相滔滔，至今仍不绝于耳。按照斯涅耳定律，光从光源出发之后，若碰到不同介质，由于事先已约定好折射率，它只需依照老规矩及时调整方向，便可在各介质间弯来折去、畅行无阻了。整个过程自先而后，与惯常所期待的因果律恰相吻合。然而，最短时间原理的横空出世却打破了这片祥和：如果说每趟旅程都必须考虑时间损耗，那么在出发之前，光是如何确定自己将驻步何方，途中又会遭遇怎样的流转与机变的呢？从A到B，它可以直奔主题，也可以醉鬼似地打着旋晃荡过去，精力充沛的话，甚至可以扑腾到海角天涯再折返回来……退一步说，即使能够预知最终落点，它究竟该采用何种方式来寻出最优路线呢？

　　本章我们暂且不去探究光是如何自三千弱水中毫不犹疑地取出了属于自己的那一小瓢，仅只考虑它能于事件发生之前便知晓结果这一点，就足令众人头疼不已。试想，假如你是一束光，正准备从A点去往B点，依据时空王国新近颁布的“最短时间章程”，你不仅得知道目的地B的精确位置，更需详细了解沿途将经过几层界面，各界面的具体位置，各介质分别是什么……每段路况皆无疏漏，如此才有可能定制最优方案。倘若你尚未摸清状况便贸然前行，闷头一阵疾驰之后，猛然撞见一界面，这才临时决定进退转圜，势必得反复修正原初的轨迹。而既然还有调整的余地，则意味着它并不是上上之选，比起动身之前一口气描画的路线，势必耗时更多。因此，“费马章程”若想顺利施行，光就必须在跨上起跑线的瞬间便对所有的选择都了然于心，并早早做好计划——沿着结果去谱写过程，这简直就是一场逆时而上的盛大游行！“先”和“后”、“因”与“果”颠倒错乱，原本规规整整的逻辑拼图霎时被震得七零八落，弥散不知所踪。

　　与我们形影相随的光背后竟藏匿着如此纷繁的秘密。随着实验器材的改良，学者们进而又发现，费马对光行为的解读仍不够全面，光程除了取极小值之外，有时也会取定值（例如当光源位于椭圆反射镜的焦点之一时），必要时甚至还会取极大值（这需要耍点儿花招，对光进行“诱骗”。例如仍把光源置于椭圆镜的任意焦点上，再紧贴椭圆内壁镶嵌一块抛物镜，则光线必定落于抛物面底端）。因此，费马原理最为精确的表述应该是：“过两个定点A、B的光总选择光程一阶变分为零的路径。”多年以后，随着人类对世界的了解不断深入，最短时间原理渐渐化身成羽翼更为丰满的“最小作用量原理”，傲然翱翔在诸如广义相对论、量子场论等现代物理各前沿阵地上空。然而，有关行程的诡谲思辨不过是光奉献给世人的一碟开胃小菜而已，觥筹交错间，一场从古典力学到量子力学的思维盛宴正缓缓拉开序幕……

装　　帧：平装

页　　数：410

版　　次： 第1版

开　　本：16开

纸　　张：胶版纸