我们的物质世界从何而来？

人类近代在科学上取得了突破性的发展

从16 世纪开始，欧洲迎来了科学上的快速发展，结束了之前1000 多年的黑暗时代。

这种变化，主要由五个原因造成。
（1）文艺复兴。中世纪后期，意大利北部由于贸易的发展变得非常繁荣。当地的贵族和富有的商人有了充分的资源来支持艺术和文化的发展。人们对希腊古典的文明非常向往，造成了一种十分活跃的学术气氛。
（2）伊斯兰文明的影响。在中世纪，伊斯兰文明融合了中亚和古希腊文明，使科学发展方面放出了异彩。这与在基督教控制下的欧洲形成一种强烈的对比，尤其是伊斯兰学者在天文学、物理学和数学上的发展大大地影响了西欧的一些学者。这就为近代西欧在科学上的发展做了一些有利的奠基工作。
（3）宗教改革。中世纪末期，基督教教会一些腐败的情形充分地暴露了出来。许多信徒对于当时的教会很不满意，要进行宗教改革。16 世纪初，德国的马丁?路德（Martin Luther）开始推行一种新教运动，这个运动在欧洲其他地方也得到热烈的响应。经过一系列的战争和混乱，欧洲的基督教会分裂为“天主教”（或称“旧教”）和“基督教”（或称“新教”），这次宗教改革运动大大地削弱了罗马教廷对欧洲人的思想控制。
（4）工商业的发展。从15 世纪开始，欧洲人积极地发展航海事业，最初是葡萄牙人绕过非洲南部的好望角，找到了通往亚洲的海路。后来西班牙人支持的哥伦布（Christopher Columbus）横跨了大西洋，到达了美洲。海路运输的发达促进了贸易的发展，而对殖民地的掠夺又大大地增加了欧洲人的财富。这些经济活动使得欧洲的工商阶层迅速地冒起，各种行会的成立也增加了这些工商业主的政治实力。此外，远程的航海活动也加大了人们对于天文和地理知识的需求。同时，生产活动又刺激了对于机械的研究和制造。这些都为欧洲后来在科技上的发展提供了巨大的动力。
（5）理性主义受到重视。到了17 世纪、18 世纪，欧洲在思想上开始逐渐摆脱了教会和贵族的束缚。一些欧洲的学者积极地参与自然哲学的研究。人们开始对人理解大自然运行的规律有了更大的信心。这时候还发展了一些明确的科学方法。例如弗兰西斯?培根（Francis Bacon）和笛卡儿（René Descartes）分别倡导用归纳法（induction）和演绎法（deduction）来研究自然世界。这种理性主义的精神，到了18 世纪启蒙运动时得到更进一步的发展。
从16 世纪开始到19 世纪末，可以称为人类对于自然了解飞跃发展的年代。天文学、力学、电磁学、光学和热力学，在此期间都建立起了完整的体系。在这段时间内出现了好几位划时代的科学家，包括牛顿、法拉第和麦克斯韦等。他们为人类了解自然做出了非常卓越的贡献。

牛顿创立了经典力学

这段时间的一项非常伟大的科学成就，就是由牛顿（IsaacNewton）创立的经典力学。这项工作，对于人类理解自然和利用自然，都有十分巨大的影响。在今天的科学界，许多人认为牛顿是有史以来最伟大的物理学家。牛顿出生在1642 年，他的家境并不富裕，父亲很早就过世了。他是一位多才多艺的人，喜欢观察和实验。在他年轻的时候，他很喜欢做木工，曾经制作过很多个日晷。在十几岁的时候，也曾在家乡里干了几年农活。他利用这段时间去观测天上的星象。在他读中学的时候曾寄宿在一家药店里，他对一些制药的过程做了很多观察，因而也知道了一些关于化学实验的知识。他的一位舅舅是位牧师，发现牛顿有数学上的兴趣，后来就推荐他上剑桥大学的三一学院。牛顿在那里遇到一位非常好的老师—巴罗(Isaac Burrow)。巴罗教授不但是当时英国首屈一指的物理学家（他是第一任的卢卡斯讲座教授），思想也非常开明。他在大学里不但讲授了自己的一些科学理论，同时还介绍其他人的不同看法。这对学生非常有启发性。牛顿也因此得益不少。
牛顿的工作对于人类了解自然有着十分巨大的贡献。他是第一个系统地把自然界事物的运动规律找出来的人。他所发现的这些规律不但很成功地解释了天体的运动，还大大地帮助了机器和建筑的设计。牛顿的这项工作既是通过自己的细心观察，同时也受到前人在天文及物理研究上的启发，特别是哥白尼的“日心说”和开普勒的三大定律，以及伽利略对于古代经典物理思想的突破。根据这些研究，牛顿创立了一套新的经典力学理论，就是牛顿的三大定律和万有引力定律。同时，为了方便应用这些定律来计算运动的轨迹，牛顿发明了一种新的数学方法，即微积分。这就大大地促进了人们对于自然界运动的掌握能力。
牛顿对于科学的贡献还不止于此，他对于光学也很有研究。他是第一个指出白光其实是由多种颜色的光合成的。而且，他的研究也显示光可以具有粒子的性质。牛顿在科学仪器的发展上也很有贡献，他制造了第一架反光式天文望远镜。据说，他这套望远镜到今天还被保存着。

人类开始掌握电磁学和光学的规律

近代另外一项非常伟大的科学成就，就是由麦克斯韦（JamesMaxwell）集大成的电磁学和光学理论。对于电和磁的现象，人类在很早的时候就已经发现了。例如古代的人已经知道琥珀在兽皮上摩擦会产生静电。中国人很早就知道有些金属带有永磁性质，并且可以利用它来制造指南针。在几百年前，许多欧洲人已经记录了种种关于电的现象。但直至19 世纪初，人们对于电和磁的物理性质才开始有了深入的认识。18 世纪末，欧洲科学家发明了能够储存静电的容器“莱顿瓶”（Leyden jar）。19 世纪初，意大利物理学家伏特（Alessandro Volta）又发明了电池。这些发明提供了方便的电源，使得一些早期的电学实验能够重复进行。法国的物理学家安培（André-Marie Ampère）发现通电的导线会产生磁场，并找出了电流与其产生的磁场之间的关系。他由此得出了“安培定律”。差不多在同一时期，英国的科学家法拉第（Michael Faraday）做了大量关于电和磁的关系的实验。他发现当一个线圈内的磁场改变时，这个线圈会产生一种电位差，这个现象被称为“电磁感应”。法拉第由此得出了“电磁感应定律”。同时，法拉第利用了这种电磁感应原理，发明了第一个发电机。从此人们可以把机械能转化为电能。这是一项革命性的成就。
到了19 世纪中叶，欧洲的科学家和工程师已经在大量地研究和应用电和磁的技术，包括架设联通不同地方的电报通信系统。但是，当时人们对于电和磁的物理规律还是缺乏一套系统的理论。这项工作后来就由英国的科学家麦克斯韦出色地完成了。麦克斯韦利用微积分的数学理论，把之前从实验中发现的有关电和磁的几个定律联系起来，这些定律包括库仑定律、安培定律、法拉第电磁感应定律和高斯定律。
麦克斯韦当时用了20 个方程式和20 个变量来描述电磁学的全部规律。后来有了向量分析的数学技术，这些麦克斯韦方程就可以进一步简化为4 个方程式。通过这些方程式，人们就可以解释和计算几乎所有电磁学上的问题。
不但如此，麦克斯韦通过他的方程式计算出电磁波的传导公式。这个公式里面得出的波的速度为3×108 m/s，与已知的光速相等。由此，他认为光波就是一种电磁波。这样光学与电磁学就可以得到理论上的统一。这个理论后来经过赫兹（Heinrich Hertz）的实验验证，很快就被物理学界广泛地接受了。
因此，19 世纪在电磁学上是一个划时代的发展阶段。经过一系列的实验与理论工作，人们开始知道自然界的电和磁是同一现象。电和磁是共生的。不但如此，从麦克斯韦的电磁理论里面可以知道，其实光也是一种电磁波。因此光学和电磁学其实是建立在同一个物理基础上的。

热力学也得到了发展

在近几世纪还有一项有重大影响的科学成就，就是热力学的发展。热力学是研究热现象中物态转变和能量转移的学科。不但与动力系统的设计和化学工程有直接的关系，对于自然的观察也具有重大的指导作用。人类在很早的时候就认识到自然中有三种状态的物体，即气体（如空气）、液体（如水）和固体（如石头）。但是人们并不清楚，其实同一种物质在不同的温度可以有三态。热力学解释了这些随着温度而改变的物态转变，同时也解释了在很多物理过程中，热能和做功会如何改变一个系统内部的能量。
18 世纪到19 世纪，由于工业发展的需要，如何改善蒸汽机成了一项重要的研究课题。这就为热力学的研究提供了强大的诱因。而就在那个时候，对于温度和压力的量度已经有很好的仪器。抽气机的发明也使得人们可以在实验室里面制造真空。这就为热力学的实验创造了良好的条件。17 世纪，波义耳（Robert Boyle）已经得出了波义耳定律。这个定律后来与其他的几个定律合并，得出了理想气体定律。它说明在一个封闭系统里面，气体的体积、压力和温度之间的关系。18 世纪中叶，瓦特（James Watt）设计了效率不错的蒸汽机。19 世纪50 年代，人们发现了热力学的第一定律和第二定律。1860 年，麦克斯韦提出了一个气体的动力学理论，里面提到一种能量的分配函数。这项工作在1872 年由玻尔兹曼（LudwigBoltzmann）进一步发展。他们的工作就奠定了今天被称为“麦克斯韦- 玻尔兹曼分布”的统计模型。这个模型很好地解释了在自然界里面许多系统的能量分布。

19 世纪末，人们以为已经完全掌握了自然的规律

从上述的讨论可知，近几世纪对于自然的研究，不但大大地增进了人类对自然的了解，使得我们对动力学、电磁学和光学都得到了透彻的认识，还大大地提升了人类利用自然的能力。可以说，牛顿的经典力学和热力学奠定了第一次工业革命的理论基础 。而19世纪对于电磁学的研究则奠定了第二次工业革命的理论基础。
经过近几世纪科技的飞跃发展，当时的许多学者认为他们对于自然的了解已经非常充分了。所以在19 世纪末，有很多学者认为人类对于所有的自然规则都已经掌握，以后的学者需要做的只是怎么样运用这些规则去把自然界的事物做更详尽的描述。有一个故事可以生动地说明这一点。据说在19 世纪的最后一天，欧洲许多著名的科学家聚在一起庆祝新世纪的到来。会上，英国著名物理学家开尔文（Lord Kelvin）发表了新年祝词。他在回顾当代物理学所取得的伟大成就时说：“今天物理大厦已经落成，剩下来的大概就只是一些修饰的工作。””

张东才 教授（Prof. Donald Choy CHANG）
台湾大学物理学学士，美国莱斯大学（Rice University）物理学硕士及博士。曾任教于美国贝勒 (Baylor) 医学院及莱斯大学。1991 年加入香港科技大学，历任该校教授及讲座教授。曾在北京大学（1981）与清华大学（1986）短期讲学；并曾在加州大学圣地亚哥分校（1996）与钱永健教授合作研究。现任香港科技大学特聘教授。张教授的研究兴趣很广，包括生物物理和量子物理。现为香港科大宏观科学计划的负责人。

王一 教授（Prof. Yi WANG）
中国科技大学学士（2005）， 中科院理论物理研究所博士（2009）。王博士曾在加拿大麦吉尔大学（McGillUniversity）和东京大学从事博士后研究工作。 2013—2015年间，他是剑桥大学的史蒂芬·霍金高级学者（StephenHawking Advanced Fellow）。2015 年加入香港科技大学，现任该校物理系副教授。 他也是香港科技大学粒子理论与宇宙学小组的核心成员。

王国彝 教授（Prof. Michael Kwok-Yee WONG）
香港大学物理学学士， 美国加州大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles）物理学硕士和博士。他其后在伦敦帝国学院（Imperial College London）和牛津大学进行博士后研究。王教授于1992 年加入香港科技大学，现为香港科技大学物理系教授。王教授的研究兴趣很广，包括：复杂系统物理学，神经网络，机器学习，控制论以及天体物理。

陈炯林 教授（Prof. Kwing-Lam CHAN）
美国加州大学伯克利分校学士（1970），普林斯顿大学物理博士（1974）。陈教授于1975—1980 年曾任加拿大卡加里大学（University of Calgary）及皇后大学研究员，1980—1994 年任职于美国宇航局，1994 年加入香港科技大学数学系。他是一位天体学专家，研究范围包括天文物理，流体力学等。2007 年陈教授受邀成为中国嫦娥计划的顾问科学家。陈教授现为澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室教授。

人类很早就在追问：我们的物质世界是怎样来的？它从何产生？如何运作？到了今天，科学家对这些问题已做过大量的研究，取得使人惊叹的成果。本书的目的，就是用一种通俗易懂的语言来介绍这些研究。
与一般的科普书不同，本书采用了一种广阔的视野、深入浅出地介绍科学家今天对于自然世界的认识。本书的介绍是多角度的：不但有宏观的解读，还有微观的分析；我们不但回顾了科学发展的历史，也介绍了今天最重要的前沿研究，包括大量获得诺贝尔奖的工作。
本书另一个特色，就是采用一种开放的学术态度。本书不但会介绍今天的科学家对于自然已有的认识和其主流理论，还会介绍科学家目前还不能解决的问题。通过这样的介绍，读者不但会对自然世界有一个更准确的认识，他们还能知道现有的知识有何不足，下一代的科学家的机会在哪里？
本书由四位教授合作写成。作者都是国际水平的科学家，非常熟悉科学的前沿发展。他们把高深的科学理论用浅显的语言来说明，希望帮助启发读者的独立思考和好奇心；这些精神是许多科学家得以成功的关键。

第一章
导言：人类是怎样了解自然的？
回顾了人类在历史上是如何尝试去了解自然的, 科学是怎样一步一步发展起来的。不但介绍了本书的内容，也介绍了本书的特色。

第二章
什么是宇宙？
宇宙是什么？宇宙从何而来？宇宙由什么构成？宇宙是恒久不变的吗？这些都是许多人很想知道的问题。本章尝试根据现代宇宙学最新的研究来提供一些回答。

第三章
物质是如何构成的？
我们知道物质由原子构成。但原子是那么小，我们如何知道它的结构？为了要了解原子的物理性质，科学家在20 世纪发展了一套新的理论，称为“量子物理”。这套量子理论是怎么样发展出来的呢？它是如何能解释原子结构和性质的？

第四章
现代粒子物理学的标准模型
现在已知原子是由更基本的亚原子粒子构成的。不过，人们发现有些组成原子的粒子（质子和中子）也并非是最基本的，它们本身又是由一些更基本的粒子构成的。事实上，宇宙中有数以百计的不同性质的粒子。有些粒子相信是用来组成物质的，而有些粒子却被认为是用来传递物质与物质之间的作用力的。目前的粒子物理学是如何解释这些粒子的来源和性质的？

第五章
神奇的量子世界
美国有一位著名的物理学家理查德?费曼曾经说过一句很有名的话：“我敢保证没有人真正了解量子力学。”他为什么这样说？量子力学真的那么神奇吗？在本章里，我们回顾为什么目前最牛的科学家对量子世界还有那样大的困惑。

第六章
如何解释物质的量子性质？
从物质波的观点看自然世界本章探讨如何尝试突破在量子理论里的传统思维。最新的研究显示，如果把粒子视为真空的激发波，那么量子世界里面一些神奇的地方就可以得到合理的解释。

第七章
从粒子世界到物质世界
—宇宙中的不同化学元素是如何产生的目前, 科学家认为宇宙起源于大爆炸。不过这个宇宙大爆炸理论只预言了最简单的原子（氢和氦）的产生。然而在现实世界里的许多物体，包括我们自己的身体，都是由多种不同的元素组成的。这些比氢重得多的化学元素是如何产生的呢？

第八章
我们在宇宙中的家园——地球
太阳系中只有地球适宜人类居住，是什么条件使地球有别于系内的其他行星？认识地球是一项综合应用与基础研究的庞大工作，我们在此为大家提供一个扼要的介绍。

第九章
总结篇：我们今天对自然的认识到了什么样的程度？还有哪些待解的难题？
对于从大到小不同尺度的自然世界，我们都已经有了不少的认识。但是对于极小尺度和极大尺度的世界，我们的认识却依然非常不足。目前许多的理论还带有不少推测的成分，其出发点往往是追求数学的美, 而非自然的真。在今天，科学家现在努力地去寻找验证这些理论的实验证据。在本章里，我们列出一些科学界现在十分关注的基本问题。

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