克利福德皮科夫著的《物理之书》的内容涵括了从理论性的以及卓越实用性的主题到奇特难解的主题。本书里的每一篇都很简短，这种形式可以方便读者很快地切入一项主题，而省略冗长的说明。

我们将会怀疑真实是否其实只是人为的建构。当我们越来越了解宇宙，而且可以利用计算机来模拟复杂的世界时，即使是严肃的科学家也开始质疑真实的本质究竟为何。会不会我们其实都活在计算机所模拟出来的世界里在我们生存的这个小小星球上，我们已经发展出可以用软件与数学规则来模拟类似生命体的行为。有一天，我们或许可以创造出具有思考能力的生物，存活在如同马达加斯加雨林那样复杂而多样的丰富虚拟空间里。也许我们还能模拟真实本身，而更先进的生命或许早就在宇宙的另一个角落这样做了。谁敢说不是呢?

克利福德?皮科夫（Clifford A. Pickover）

他是一位多产作家，涉猎主题从科学、数学一路涵盖到宗教、艺术及历史，已出版超过四十本书，并被翻译成数十种语言。皮科夫在耶鲁大学取得分子生物物理与生物化学博士学位，在美国拥有四十多项专利，并担任数本科学期刊的编辑委员。

他的研究内容获得CNN、《连线》《纽约时报》等诸多媒体重视。

代表作包括《物理之书》《数学之书》《医学之书》《太空之书》以及《数字的异想世界：125个有趣的数学游戏》《光锥?蛀孔?宇宙弦》等书。个人网页（www.pickover.com）的造访人次更是数以百万计。

译者 严诚廷

1976年生，高雄人，台湾大学化工博士，喜欢看星星，是相信一定有外星人存在的小工程师。译有《图解物理学》《99％都是假设》《数字记忆革命》《勇闯宇宙二部曲》（合译）、《勇闯宇宙三部曲》（合译）等。

时间旅行是可能的吗？人类*次瞥见月球的另一面是何时？我们有可能真的生活在电影《黑客帝国》的情节中吗？

全能科普鬼才皮科夫在本书中邀请读者们与他一同进行一趟时空旅行，从数亿年前的宇宙大爆炸，到数百万亿年之后宇宙的终结及量子复活。跟着皮科夫的这趟旅程，我们将一同穿梭物理史上250个重大成就！物理是关于万事万物基本道理的科学，从这门学问中可以窥见宇宙事物真相的条理。除此之外，他还讨论了一些难解的物理发现，比如1965年的超级球，这个题目不只牵涉到工程学和应用物理，还带动了人类对天体运行的理解。他也讨论了许多日常生活中的事物，如沙漏、保温瓶、风筝、听诊器等，并解释其中的物理概念，以及它们在人类历史上受到注意的时间点。

皮科夫在书中讨论的物理主题还包括暗能量、平行宇宙、多普勒效应、土星环的引力等，也关注了古往今来的科学家们，包括牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦、理查德费曼和霍金等物理大师。

简介／物理的范围007 

本书的架构与目的009 

登场 

公元前137亿年／大爆炸 

公元前30亿年／黑钻石 

公元前20亿年／史前的核子反应炉 

发现 

公元前30000年／标枪投射器 

公元前20000年／回力镖 

公元前3000年／日晷 

公元前2500年／桁架 

公元前1850年／拱 

公元前1000年／奥尔梅克罗盘 

公元前341年／弩 

公元前250年／巴格达电池 

公元前250年／虹吸管 

公元前250年／阿基米德浮力原理 

公元前250年／阿基米德螺旋泵 

公元前240年／测量地球的埃拉托斯特尼 

公元前230年／滑轮 

公元前212年／阿基米德的燃烧镜 

公元前125年／安提基特拉机械 

公元50年／希罗的喷射引擎 

公元50年／齿轮 

公元78年／圣艾尔摩之火 

公元1132年／火炮 

公元1150年／永动机 

公元1200年／投石机 

公元1304年／彩虹 

公元1338年／沙漏 

公元1543年／以太阳为中心的宇宙 

公元596年／宇宙的奥秘 

公元1600年／论磁石 

公元1608年／望远镜 

公元1609年／开普勒行星运动定律 

公元1610年／发现土星环 

公元1611年／开普勒六角形雪花 

公元1620年／摩擦发光 

公元1621年／菲涅尔折射定律 

公元1621年／北极光 

公元1638年／落体加速度 

公元1643年／气压计 

公元1644年／动量守恒 

公元1660年／胡克的弹性定律 

公元1660年／冯·格里克的静电起电机 

公元1662年／波义耳气体定律

简介 物理的范围

随着知识之岛逐渐成长，与自然的谜题接触的面积也越来越大。当主流理论被推翻时，我们曾一度确信的东西遭到舍弃，知识重新以不同的方式触摸这些谜题。这些新发现的谜题可能会让我们感到渺小与不安，但这就是真理的代价。而充满创意的科学家、哲学家和诗人将会在这条海岸线上络绎不绝。——W．马克理查德森（W. Mark Richardson），

《一个怀疑论者的好奇心》（A skeptic’s sense of wonder），《科学》（Science）

美国物理学会（The American Physical Society）是当今重要的物理学家专业组织之一，这个学会是在1899年，由36名聚集在哥伦比亚大学的物理学家所成立的，学会的目标是促进并推广物理学的知识。该学会在宗旨中提到：物理学对于了解环绕着我们的世界、我们之内的世界以及我们感知以外的世界，都非常重要。它是基本,也重要的科学。物理学里的相对论与弦论等概念挑战了我们的想象力，它还引导了计算机与激光等改变了我们生活的发现。物理学的研究范围涵括了大的星系到小的次原子粒子。除此之外，物理学还是其他许多学科，例如化学、海洋学、地震学以及天文学的基础。

的确，今天物理学家的研究范围又远又广，包含了各种酷炫的主题以及基本定理，以了解自然、宇宙以及组成真实世界细微的结构。物理学家探讨多重维度、平行宇宙以及联结不同时空的虫洞存在的可能性。就如美国物理学会所说的，物理学家的发现经常会催生新的科技，甚至改变哲学以及我们看待这个世界的方式。举例来说，对许多科学家而言，海森堡的不确定性原理意味着物质宇宙并非以决定论者所说的形式存在，而是一个由各种可能性所形成的神秘组合。我们对电磁学的了解催生了无线电、电视与计算机的发明。我们对热力学的了解则催生了汽车的发明。

从这本书中，你将会发现物理学的范围无法以年代来区分，更难以划定界线。我采用了一个较宽广的视角，把工程与应用物理，以及我们对天体了解的进展都纳了进来，有些主题甚至还带有哲学的意涵。尽管这样的范围很广，但是大多数物理领域都有一个共通点，那就是科学家非常仰赖数学工具来了解、实验并预测自然世界。

爱因斯坦曾说，世界上难以理解的事就是，这世界是可以理解的。确实，我们似乎活在一个可以用简洁的数学公式与物理定律来近似地描述的宇宙中。然而除了这些自然定律之外，物理学家还钻研一些人类所曾思考过的深奥难解的概念，例如相对论、弦论以及宇宙大爆炸论。量子力学让我们瞥见一个如此古怪又违反直觉的世界，让我们对空间、时间、信息以及因果产生疑问。然而，姑且不论量子力学的那些神秘指涉，这个领域的研究成果已经被应用在激光、晶体管、微芯片以及核磁共振造影等各种各样的领域与科技上。

这本书的内容也把提出那些物理概念的“人”纳入其中。物理学是现代科学的基石，几个世纪以来它吸引了无数的人们投身其中。牛顿（Isaac Newton）、麦克斯韦（James Clerk Maxwell）、居里夫人（Marie Curie）、爱因斯坦（Albert Einstein）、费曼（Richard Feynman），这些史上而迷人的心灵，都曾将自己奉献给物理学的进展。他们改变了我们看待宇宙的方式。

物理学也是科学中困难的学科之一。物理学对宇宙的描述永无止境地成长，而我们的思考与语言技巧却有极限。每天都有新的物理被发现，因此我们也需要新的方式来思考与理解物理。德国理论物理学家海森堡（Werner Heisenberg）曾担心人类或许永远无法真正了解原子；但是丹麦物理学家玻尔（Niel Bohr）则在1920年代初期乐观地回应：“我想我们还是可以办得到，但是在这个过程中，我们或许必须学习‘了解’这个词，到底意味着什么。”今天，我们借由计算机来分析我们直觉的事物。事实上，以计算机所进行的实验已经让物理学家得以提出在计算机普及以前无法企及的理论与洞见。

现在有一些杰出的物理学家认为在我们的宇宙之外，还有许多像是一层层的洋葱或是奶昔里的泡泡一样平行存在的宇宙。在某些平行宇宙理论里，我们或许可以侦测到从邻近宇宙“泄漏”过来的重力，侦测到这些宇宙。举例来说，来自遥远星球的光可能会因为几厘米外、位于平行宇宙中的不可见天体而产生扭曲。整个多重宇宙的概念并不像它表面上看起来那样的异想天开。根据美国研究者戴维劳布（David Raub）在1998年对72名物理学家所做的问卷显示，有58%的科学家，包括斯蒂芬霍金（Stephen Hawking），都相信某种形式的多重宇宙。

《物理之书》的内容涵括了理论、具备实用性的发现到奇特难解的主题。在其他介绍物理的书籍里，你可能看不到介绍完1964年的次原子粒子上帝粒子（God Particle）后，下一篇出现的会是1965年风靡了整个美国，拥有弹跳力的超级球（Super Ball）。我们还会介绍有朝一日可能会撕裂星系，并造成可怕的宇宙大撕裂，进而终结宇宙的神秘暗能量（dark energy）；以及开启了量子力学的黑体辐射定律（blackbody radiation law）。我们将一同沉思涉及与外星生命接触的费米悖论（Fermi Paradox）；探索一座在非洲发现已经运作了20亿年的史前核子反应炉。我们将会讨论到创造出史上深的黑——比汽车的黑色烤漆还要黑上100倍——的竞赛。这种“的黑”未来可能可以用来更有效率地从太阳获取能量或是设计极度灵敏的光学仪器。

本书里的每一篇都很简短，这种形式可以方便读者很快地切入一项主题，而省略冗长的说明。想知道人类早是在什么时候看到月球的远侧？从《月球的黑暗面》（Dark Side of the Moon）就可以获得简短的介绍。什么是古老的巴格达电池（Baghdad batteries）之谜？什么又是黑钻石（black diamonds）？这本书里将会提到这些与其他令人好奇的主题。我们将会怀疑真实是否其实只是人为的建构。当我们越来越了解宇宙，而且可以利用计算机来模仿复杂的世界时，即使是严肃的科学家也开始质疑真实的本质究竟为何。会不会我们其实都活在计算机所模仿出来的世界里？

在我们生存的这个小小星球上，我们已经发展出可以用软件与数学规则来模仿类似生命体的行为。有一天，我们或许可以创造出具有思考能力的生物，存活在如同马达加斯加雨林那样复杂而多样的丰富虚拟空间里。也许我们还能模拟“真实”本身，而更先进的生命或许早就在宇宙的另一个角落这样做了。谁敢说不是呢？

本书的架构与目的

我们的周遭俯拾皆是物理原理的例证。我撰写《物理之书》的目的是希望将重要的物理概念和思想家简短地介绍给更多的读者，每一则主题都只需要短短的几分钟就能消化。大多数的内容都是我本人觉得有趣的主题。可惜的是，碍于篇幅，本书并无法纳入所有的物理学里程碑。因此为了在有限的篇幅里尽量勾起读者对物理学的好奇心，我不得不略去许多重要的物理学发现。然而我相信本书已经囊括了大多数具有重要的历史意义以及对物理学、社会与人类思想有重大影响的主题。有些主题非常实用，例如滑轮、黄色炸药、激光以及集成电路；有些还蛮有趣的，比如说回力镖以及橡皮泥。我还提到了几个奇特甚至听起来有点疯狂，但是却十分重要的哲学概念，像是量子永生、人择原理或是快子等。有时一些信息片段会重复地出现，目的是确保每一条目都独立可读。其中粗体字的部分是用来提醒读者书里的有关条目。另外，每一条目下的参照条目，可以帮助读者以横向的方式串连阅读本书。

《物理之书》反映了我本人学识上的局限，虽然我已尽量地学习更多不同的领域，但要熟习所有的面向并不容易。从这本书可以看出我个人的兴趣、强项和弱点。这本书若是在主题的选择上有所不当或是有任何的错误，都是我的责任。本书的目的不在于成为一本全面或是学术性的著述，而是希望作为修习科学或数学的学生或是其他有兴趣的读者的休闲读物。欢迎读者提供任何让本书更臻完善的回馈或建议。对我来说，这本书是一个持续性的计划，而且我非常乐在其中。

这本书是依主题时间以编年的方式来安排的。大多数主题的时间都是发现该概念或性质的时间。但是在“登场”和“闭幕”时的一些主题，例如宇宙学或天文学上的事件则使用真实（或猜想）的发生时间。

当然，当发现者不止一个人时，就必须在主题的时间上做一些取舍。通常我会选择早的发现时间，但有时候，在请教一些同事和科学家后，我会使用某个概念取得足够关注的时间。例如“黑洞”这个主题，有好几个时间可以选：某些种类的黑洞可能在大爆炸时，也就是大约137亿年前，就已经形成，但是黑洞这个词是理论物理学家惠勒（John Wheeler）在1967年时提出的。后经过分析，我决定把时间定在科学家能借由创造力清楚地描述出这个概念的时间，也就是1783年，地质学家米歇尔（John Michell）在当时早讨论了一个质量大到连光都无法逃逸的天体。同样地，我把暗物质的日期定在1933年，这是因为瑞士天文物理学家茨维基（Fritz Zwicky）在这一年首次观测到这个神秘不发光的神秘粒子可能存在的证据。至于暗能量之所以定在1998年，不只是因为这个词是在这一年提出，而且当时一些对超新星爆炸的观测结果显示宇宙正在加速膨胀。

本书里的一些较古老的年代，包括公元前的年代，只是一些大概的时间，例如巴格达电池、阿基米德螺旋泵等主题的时间。书中并不会另外标注“大约……”，但是在这里我要提醒读者，古代的时间和遥远未来的时间，都只是粗略的估计。

读者可能会注意到许多基础物理上的发现也导致了许多医疗器具的发明，这些器具减轻了人类所受的苦痛并拯救了许多生命。科学作家约翰西蒙斯（John Simmons）说：“医学上大多数用来诊断人体的仪器都要归功于20世纪的物理学进展。在伦琴（Wilhelm Conrad Rntgen）发现X射线几星期以后，这种工具就已经被用在医疗上。几十年后的激光是量子力学的其中一种实际应用。超声波影像是为了侦测潜艇而发展出来的；CT扫描则必须使用计算机科技。而磁振造影（MRI）则是近年来医学上重要的科技，可以提供人体内部细微的三维影像。”

读者也会发现，有许多重要的里程碑都在20世纪，而科学革命则大抵发生在1543年到1687年之间。1543年，哥白尼发表了探讨行星运动的日心说；开普勒则在1609到1619年之间建立了有关行星绕行太阳轨道的三大定律；牛顿在1687年发表了他的运动定律和万有引力定律。第二次科学革命发生在1850到1865年之间，科学家在这段时间内发展并完善了许多与能量及熵有关的概念。热力学、统计力学以及气体动力学等领域都在此时大放异彩。量子力学、狭义相对论以及广义相对论则是20世纪重要的创见，彻底改变了我们对真实的认识。

本书有时会引用一些科学记者或研究者说过的一些话，为了维持版面的简洁，我并没有直接在正文中注明出处。我在这里先为这种安排方式致歉。

由于本书内容是以年代来编排的，因此读者可以利用索引来寻找自己有兴趣的概念，有些概念会出现在意想不到的主题中。举例来说，量子力学的概念非常丰富且分散，因此并没有一个条目叫做“量子力学”。但是读者可以从这些主题中找到许多有趣且重要的概念：黑体辐射、薛定谔方程式、薛定谔的猫、平行宇宙、玻色—爱因斯坦凝聚态、泡利不相容原理、量子遥传等等。

谁知道未来的物理学将带给我们什么？在19世纪末时，的物理学家威廉汤姆森（William Thomson，即克尔文爵士）曾经宣告物理学已发展到尽头。他可能想都想不到后来会出现量子力学和相对论以及这些理论对物理学带来的剧烈变化。物理学家卢瑟福（Ernest Rutherford）在1930年代初期还曾说过：“任何以为我们可以从这些原子的转换取得能源的想法，都是异想天开。”由此可知，预测未来物理学所能带来的想法和应用即使不是不可能的任务，也是极为困难的挑战。