《从零开始读懂物理学和量子力学物理爱好者不可不读的入门书》-图书推荐

卖贝推荐 2023-03-12 18:05:34 7770

产品特色

内容简介

牛顿是怎样建立万有引力定律的？引力是超距作用吗？光速为什么不变？爱因斯坦为什么要提出相对论？电子是粒子还是波？薛定谔的猫到底是怎么一回事？宇宙大爆炸是怎样一步步建立的？暗物质与暗能量真的存在吗？物理学总是令人着迷又令人困惑。本书从“零”开始，站在“问题”角度，循序渐进地讲述了整个物理学理论的演变过程，内容涵盖经典力学、电磁学、热力学与统计力学、光学、相对论、量子物理和宇宙学。本书思路清晰、行文流畅，措辞严谨又不乏幽默，插图简约又不乏精准，内容简练又不乏深意。除物理外，本书多处以开放式思维探讨物理与数学、哲学的关系，旨在与读者共同建立理性思维，是青少年及广大物理爱好者很好的入门书籍。

量子力学是现代物理学的基石，推动了科学技术的快速发展。在今天，量子依然是新闻热点。
《从零开始读懂量子力学》将为广大科技爱好者系统、严谨地介绍量子力学的基本原理和应用。读者需要熟悉高中物理和数学的相关内容，愿意学习科学的思维方式.虽然量子力学是一门有着神秘面纱、打破生活常识、颠覆人类认知的现代科学，但是读者只要愿意随着本书一起思考，就一定能够清楚地了解量子力学理论的基本概念，最终全面认识它在科学体系中的作用和对现代技术的贡献。
本书的叙述方式是一边讲解科学理论，一边介绍重要的实验现象和科学原理的应用。本书在一篇中依次讲解了状态叠加、波粒二象性、不确定原理等基本概念；在第二篇中介绍了量子力学在凝聚态物理和基本粒子物理领域中的应用。同时，对由量子力学催生的现代电子技术，也着重做了介绍。

作者简介

汪振东

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汪振东，毕业于中国科学院大学研究生院，后在中国科学院国家授时中心工作，参与研究原子钟、时间比对及北斗等诸多项目，对基础物理有很深的理解。著有物理科普书籍《在悖论中前行：物理学史话》。

戴瑾，毕业于北京大学物理系。早年从事理论物理学研究。赴美国德克萨斯大学留学，加入了诺贝尔物理奖获得者温伯格的研究小组，师从基础物理突破奖获得者Joeseph Polchinski教授，获得博士学位。与Polchinski共同创造了超弦理论中的D-膜分支。后又在无线通信和半导体芯片领域工作二十余年。现任某半导体公司高管。

内页插图

第1章物质内部是虚空的2
1.1什么是微观世界？2
1.2微观世界是什么样子的？3
1.3卢瑟福实验和行星模型4
1.4重建现代物理的物质观6
1.5自然界的四种相互作用6

第2章量子态的可叠加性9
2.1两个量子态的随意组合9
2.2复数的复习10
2.3概率和相位11
2.4我是一片“云”的波函数12
2.5爱因斯坦和玻尔的论战13
2.6中微子振荡14
2.7量子比特15
2.8量子计算机简介17

第3章波粒二象性20
3.1自由粒子的波函数20
3.2电子的双缝干涉实验22
3.3光的波粒二象性24
3.4波粒二象性和量子力学的测量26
3.5中微子振荡的机制27

第4章不确定原理29
4.1不同动量的粒子状态组合29
4.2位置和动量之间的不确定原理31
4.3原子为什么这样坚硬？32
4.4压垮原子的力量33
4.5能量与时间之间的不确定原理34

第5章量子力学的测量问题35
5.1科学和哲学35
5.2测量和波函数的坍缩36
5.3薛定谔的猫论37

第6章带电粒子和电磁场的相互作用40
6.1从牛顿定律到薛定谔方程40
6.2电磁场41
6.3矢量势43
6.4矢量势在量子力学中的角色44
6.5双缝干涉实验和对力的反思45
6.6规范不变性和杨米尔斯场论46

第7章隧道效应49
7.1能够渗透的波函数49
7.2能够穿越的粒子51
7.3波函数渗透对物质世界的影响52
7.4扫描隧道显微镜54
7.5闪存背后的量子力学55

第8章什么是量子？60
8.1盒子中的粒子61
8.2振动的粒子63
8.3氢原子的能级66
8.4光谱67
8.5原子钟和计量系统69

第9章角动量和自旋71
9.1经典物理复习：角动量72
9.2量子角动量的奇怪规则73
9.3角动量和原子的能级76
9.4自旋77
9.5角动量的相加78
9.6粒子磁矩和角动量的测量79
9.7光子的自旋81
9.8核磁共振83
9.9用自旋来记忆的磁性存储器85
9.10使用光子自旋的量子通信87

第10章玻色子和费米子91
10.1全同粒子的概念92
10.2玻色子和费米子92
10.3泡利不相容原理和原子结构94
10.4“坚强”的费米气96
10.5铁磁性的起源98
10.6玻色子和黑体辐射问题100
10.7激光原理103
10.8玻色爱因斯坦凝聚106

第11章量子纠缠108
11.1什么是量子纠缠？108
11.2爱因斯坦的困惑109
11.3贝尔定理111
11.4量子纠缠的实验检测116
11.5重新认识量子力学117
11.6量子纠缠的应用119

第2篇量子力学对物质世界的解释
第12章从原子到分子122
12.1原子能级结构的总结122
12.2离子键和共价键124
12.3元素周期表的量子解读127
12.4分子之间的相互作用128
12.5分子光谱和全球变暖131
12.6量子化学和世界复杂性133

第13章晶体里面的量子力学135
13.1能带理论136
13.2绝缘体138
13.3金属140
13.4声子142

第14章半导体的量子物理145
14.1什么是半导体？146
14.2p型、n型半导体和空穴147
14.3pn结150
14.4场效应管和CMOS技术152
14.5CMOS传感器和光伏发电156
14.6发光二极管159

第15章量子点与介观物理学162
15.1介观物理学简介162
15.2量子点的特性163
15.3量子走进你家——量子点电视165

第16章二维量子力学与石墨烯168
16.1石墨烯和它的结构168
16.2奇妙的石墨烯能带172
16.3石墨烯的应用175

第17章宏观量子现象——超导177
17.1超导的机制178
17.2永不消逝的电流180
17.3迈斯纳效应和磁通量的量子化182
17.4约瑟夫森结186
17.5超导计算机189

第18章量子场论简介191
18.1物质不灭的破灭191
18.2什么是场？193
18.3场的量子化与粒子的诞生194
18.4零点能的困惑和宇宙的命运196
18.5为什么粒子是一个点？198
18.6量子场论中的相互作用200
18.7对称性和量子力学201
18.8量子场论中的发散困难和重整化207

第19章引力波和引力子210
19.1从狭义到广义相对论210
19.2引力波214
19.3引力子和量子引力的困难216

第20章弦论简介219
20.1弦上奏出的粒子220
20.2弦与弦的相互作用222
20.3超弦和十维时空223

结语225
参考文献226

精彩书摘

第1章　经典力学

1.1　地心说

没人能清楚地说出物理学究竟起源于哪里，但绝对与人类的好奇心有关。好奇心驱使着人类思考，思考又驱使着人类把眼前的景象勾勒成简便的模型。比如瞭望苍穹，古代中国人会把天形容成一个大锅盖，太阳、月亮和星星都在这个大锅盖上升起落下，周而复始；远眺一望无际的大地，他们会将其形容成一个板，人们便在这个板上耕种劳作，生生不息——这就是我们所熟知的“盖天说”（图1.1）。它与“宣夜说”“浑天说”并称为“论天三家”。毫无疑问，这三种假说都代表着人类早期的宇宙观。

图1.1　盖天说

无独有偶，在地球的另一边，古希腊人也有类似的、朴素的宇宙观。不同的是，他们地处半岛，很容易相信大地这块板是漂在大海里的，为了不让板沉下去，他们又相信板下有很多只乌龟……

然而，自然界中有很多现象提示古希腊人大地不是平的。比如当帆船归来时，站在岸上的人们总是先看到桅杆，再看到船身；往北走，北极星更靠向头顶。这些现象说明大地可能是弧形的，也可能是球形的，后来古希腊人从月食上找到大地是球形的直接证据。如图1.2所示，当月亮进入地球的本影区时，就会形成月食。如果大地是一块平板或弧形的板，那么它的影子不可能总是圆，因此大地必须是球。

图1.2　月食的形成

地是“球”形的，天（宇宙）是什么样的呢？古希腊人又展开了无边的想象，最终形成“地心说”。地心说最早起源于被誉为“科学和哲学之祖”的泰勒斯创立的米利都学派。较为成熟的地心说模型是古希腊数学家欧多克斯（公元前408—公元前355）提出的。欧多克斯认为宇宙也是球，不同天体位于不同的同心球上，地球位于所有球体的正中心，即宇宙的中心（图1.3）。

图1.3　地心说

所有的天体每天都会绕地球转一圈，于是形成了昼夜交替；太阳球转动的方向与其他球相反，这就解释了为什么总在夜晚能看见星星。太阳球还会以年为单位，以某个角度来回摆动，于是就有了四季交替。这些星体绕地球运动的轨迹如何呢？速度又是怎样呢？欧多克斯受老师柏拉图（公元前427—公元前347）的影响，认为星体的运动轨迹是圆的，速度是均匀的。因为在柏拉图学派看来，圆和匀速都是最完美的。

地心说成功地解释了很多自然现象，因此很容易被人们接受，并最终被亚里士多德（公元前384—公元前322）总结到自己的自然哲学体系中。亚里士多德是古希腊时代的一位集大成者，他的研究成果涵盖哲学、物理学、数学、艺术、社会学等诸多学科。此处我们虚构两个人物——小亚同学和德老师，来简述亚里士多德在地心说及物理学上的思想。

小亚同学：“您说地球是个球，站在地球上面的人毫无问题，但站在下面的人会掉到宇宙中吗？”

德老师：“当然不会。我们必须有个概念，球上每个点都是平等的。因此，不管你在地球的任何位置，你所谓的‘下面’实际上指向地心。每个物体都有重力，重力是物体的属性，重力让每个物体都会下落。”

小亚同学：“那为什么白云浮在天上，火苗会向上，炊烟也会飘向天空？难道它们就没有重力吗？”

德老师：“世间万物都是由土、水、火、气四种元素组成的，土元素最重，水元素次之，火元素再次之，气元素最轻。重的会下落，轻的自然会上浮。白云和炊烟主要由气元素组成，所以会上浮。火苗是由火元素组成的，火靠近气，虽然比气重，但也会上浮。”

小亚同学：“天体在天上飘，是气组成的吗？”

德老师：“我应该说得更明白一些，土、水、火、气四种元素构成了地球周围的万物。到了月亮天，就不存在这四种元素了，而是弥漫着第五种元素——以太。天体由以太组成，因此没有重力，自然不会落到地球上。”

小亚同学：“一片树叶和一块小石头都有重力，为什么小石头下落得更快呢？”

德老师：“因为小石头的重力大，所以下落得快。”

小亚同学：“我更糊涂了！您说的重力到底是什么？它怎么会让物体下落？”

德老师：“首先，你必须明白什么是力。力是维持物体运动的原因，比如一张桌子，你不推它不动，你一推它就动。重力也可以使物体运动，但是它是物体的内在属性，与普通的力不同。普通的力必须通过接触才能产生作用，而重力可以远距离作用。

小亚同学：“您说推了桌子，桌子会动，但我松开手后，桌子为什么还会向前移动？很显然，我现在没有给它力了。”

德老师想了很久，说：“这可能是空气迂回导致的……”

古希腊与亚里士多德

早在公元前3000年左右，一支印欧人部落离开多瑙河畔，迁徙到希腊半岛和克里特岛，与原住民融合，成为希腊人的祖先。在汲取两河文明和古埃及文明后，古希腊人创造了璀璨的克里特文明和迈锡尼文明。迈锡尼文明一度因外族入侵而毁灭，又因《荷马史诗》的记载而重新绽放。公元前5世纪，希波战争后，古希腊文明的发展进入黄金时期。此时的古希腊人建立了很多学派，最为有名的当数柏拉图建立的柏拉图学派。欧多克斯正是在加入柏拉图学派后提出了成熟的地心说模型。

希腊半岛的北部有一个叫马其顿的城邦正在兴起。马其顿不断蚕食古希腊的一些城邦，其中就包括亚里士多德的故乡——一个被古希腊人统治的色雷斯城邦。亚里士多德的父亲是马其顿的宫廷御医，所以年轻时的亚里士多德对医学有一定的兴趣，但他更向往古希腊人建立的繁荣城邦——雅典。18岁时，亚里士多德前往雅典，成为柏拉图的学生，在柏拉图学院学习了20年。亚里士多德聪慧无比，而且敢于挑战，思想上自然会和柏拉图及学院的其他人产生冲突。柏拉图去世后，亚里士多德创立不同于柏拉图的哲学体系，受到了很多人的攻击和排挤。亚里士多德不为所动，说了句“吾爱吾师，吾更爱真理”，然后被迫离开雅典，周游四方。三年后，他受马其顿国王腓力二世的邀请，成为腓力二世的儿子亚历山大的老师。

希波战争后，古希腊城邦之间为了各自的利益组成同盟，同盟之间能吵就吵，吵不赢就打，最为著名的当数以雅典为首的提洛同盟与以斯巴达为首的伯罗奔尼撒同盟之间的伯罗奔尼撒战争。最终，腓力二世为雅典和斯巴达之间的战争画上句点——占领它们，从此希腊半岛就成了马其顿的属地。

腓力二世雄心勃勃，希腊半岛只是他计划的一部分，甚至是极小的一部分，他觊觎的可是亚洲大陆。正当腓力二世往亚洲大陆进发时，天不遂人愿，他遇刺身亡，二十岁的亚历山大继位。亚里士多德重回雅典，在雅典建立了属于自己的学院——吕克昂学院。亚里士多德喜欢在学院里边走边讲课，一副非常逍遥的样子，于是后人称之为“逍遥学派”。

与此同时，亚历山大开启了长达十年的东征，建立了第一个横跨亚欧非的帝国，并把古希腊文明带入了帝国的各个角落。他在帝国很多地方建立以自己名字命名的古希腊式新城市，其中就包括埃及的亚历山大城。然而好景不长，三十二岁的亚历山大突发热病而亡，被他征服的民族纷纷起义，帝国瞬间陨落。作为亚历山大的老师，亚里士多德自然脱不了干系。他被迫再次离开雅典，逃到自己的故乡。第二年，亚里士多德去世。关于亚里士多德的死有不同的说法，阴谋者推测他可能是被毒死的，学者认为他可能是因为无法解释潮汐现象而跳海自杀的。不管怎样，亚里士多德的思想是古希腊时代的一次最伟大的凝结。他第一个为物理学提供了较完备的体系，而第二个为物理学提供完备体系的是两千多年后的牛顿。

尽管亚里士多德及其地心说很成功、很伟大，但仍然掩盖不了一些看似细枝末节的问题。如果以年为单位来看火星，它的轨迹就有点捉摸不透。从地球上看，每年火星基本上是从西向东走，但有时会逆行，速度也会时快时慢（图1.4）。

图1.4　火星的运动

地心说出现了危机，于是天文学家们提出了两套修正方案。

第一套方案来源于古希腊人阿利斯塔克（公元前315—公元前230）。阿利斯塔克是一位严格靠观察数据来推测理论的天文学家，因此被后人誉为“第一位真正意义上的天文学家”。他在测量的基础上，推测出了惊人的结论。

（1）地球不是宇宙的中心，太阳才是！所有的星体都绕着太阳做圆周运动。

（2）地球不仅绕着太阳转（公转），自己每天还转一周（自转），所以才会昼夜交替。

这哪里是修正？这简直就是革命！不过，这场革命在形成风暴之前，就偃旗息鼓了，因为阿利斯塔克无法从根本上解决如下问题。

（1）地球如此之大，太阳如此之小，怎么让人相信偌大的地球竟然围绕小小的太阳转动？阿利斯塔克给出的解释是，太阳远比我们看到的要大得多，只不过离我们太远，看起来小而已。他通过测量与估算，得出太阳的半径大约是地球的6~7倍。尽管该数值与今天测量的值相差甚远（109倍），但阿利斯塔克是人类历史上第一位认识到太阳比地球大的人。

（2）当时的古希腊人已经测得了地球的直径，要是地球每天转动一周，其速度是马的近千倍，速度如此之快，人为什么不会头晕，也没有形成强大的东风呢？

“地动说”便被尘封起来了。

第二套方案的提出者是古希腊最伟大的天文学家喜帕恰斯（约公元前190—公元前125，也译成伊巴谷）。他巧妙地避开日心说，只继承阿利斯塔克观测与计算的方法，创造了一系列成果。他的很多理论时至今日仍被地理学与天文学采用，如岁差、视差等。此外，他是人类历史上第一位正确测量出月地距离的人——地球半径的60倍左右。

在历史遗留问题上，喜帕恰斯坚持地心说，并创造性地提出了“均轮”“本轮”的假说。这一假说最终被来自埃及亚历山大城的托勒密

（约90—168）继承，暂时解决了地心说中存在的问题（图1.5）。

图1.5　托勒密地心说

（1）太阳、月亮绕着地球转。

（2）像火星这样的天体，除大圈均轮外，还有小圈本轮。火星沿着小圈转动，而小圈的圆心又沿着大圈绕着地球转。如此，便解释了火星的迂回轨迹。

（3）星体转动的速度并非匀速，但是转动的角度是匀速的，即匀角速运行。

（4）如果一个本轮不足以描述星体的轨迹，就添加更多的本轮，直至与真实轨迹一致为止。

托勒密将自己的天文学理论全部写到《天文学大成》一书中，为天文学留下了光辉的一笔。在后来的一千三百多年里，《天文学大成》一直是西方的天文学教科书。

仔细分析一下，我们会发现所谓的本轮圆心正是太阳。除太阳和月亮外，大部分星体都有本轮，也就是说，托勒密的理论中隐含了很多太阳。那么，能不能将这些太阳合并到一处呢？显然不能，因为合并到一处，就不再是地心说了——这正是托勒密必须避开的。但是否定地动说，为了维持圆周与匀速运动，就必须增加本轮，一层层地套下去，直到完全与实际相符为止。于数学计算而言，并无不可，但于物理学而言，则大费周章。物理学不仅要寻求客观事物的本质，还要求建立简便和完美的数学模型。地心说与完美的数学模型成了托勒密的鱼和熊掌，托勒密自然深知这点。因此，他特别强调该模型不是宇宙本质，而是观测手段，或者说是一种数学处理方法，如果有新的方法那是最好不过的。然而事与愿违，他的地心说最终被嫁接成上帝创造万物的理论基础。

第1章
物质内部是虚空的

生活常识告诉我们，物质是有实体的，是一个不仅看得见而且摸得着，但是却进不去的实体。现在我要告诉你，这种物质观是错误的。下面让我们从建立现代物理学的物质观开始，来了解量子力学。

1.1什么是微观世界？
在量子力学出现之前，物质不是物理学研究的课题。金子为什么是黄的？钻石为什么这么硬？铜为什么可以导电？铁为什么会有磁性？世间万物的属性，科学只能测量和接受，但不能解释。
现在我们已经知道，所有物质都是由分子和原子组成的，分子是由两三个或很多个原子结合而成的。物质特性的奥秘，就在于分子、原子的内部。原子半径通常是一亿分之几厘米的量级，只有在光学显微镜下才能看到的细胞，也比它们大至少一万倍。只有当研究分子、原子的内部结构时，你才能进入微观世界。在这个尺度之上，才是我们生活中熟悉的宏观世界。

1.2微观世界是什么样子的？
原子是由原子核和外围的电子组成的，原子核的半径只有原子的十万分之一左右。也就是说，把原子放大到一个住宅小区的大小，原子核还没有一颗葡萄大！可见原子内部是何等的空旷。
那么电子有多大呢？按照现代物理学理论，电子是一种基本粒子，是一个点，半径是零！这一点有些难以理解，以后还会详细介绍。原子核是由质子和中子构成的，而质子和中子都是由3个被叫作夸克的基本粒子构成的。夸克和所有的基本粒子一样，也是一个点。
原来，微观世界完全是空的！在你的感官世界里，你可以实实在在地触摸每一个物体。物体都有确定的表面、尺寸和位置，但这一切都是你的错觉！从原子的角度上看，一切都是模糊的。我们看到的物体的形状和颜色，都是物体原子对不同频率的光子的选择性反射的结果。在宏观世界，一切都是看得见摸得着的；而在微观世界，只能说“色即是空，空即是色”。物质的内部如图1.1所示。
物质内部是虚空的第1章图1.1物质的内部，更像是这样的
1.3卢瑟福实验和行星模型
人们是什么时候认识到原子内部是空的？虽然科学史不是本书的重点，但是为了把科学研究的结论解释清楚，必须先让你了解卢瑟福实验。
卢瑟福的研究小组在1908—1913年间所做的实验，是用α射线轰击金箔。α射线是卢瑟福在研究物质的放射性时发现的，当时只知道这种射线是带正电的高速粒子流。而人们也知道原子里面有电子，因为研究发现过从物质中射出来的电子流。那为什么用金箔呢？纯金的延展性非常好，因此金箔可以被制成几个原子那么薄。
可是实验结果很意外，大部分的α粒子都穿越而过，连一个小小的偏转都看不到，但也有极少数的粒子被弹了回来，还有约1/8000的粒子有超过90°的拐角，如图1.2所示。
图12卢瑟福实验
实验结果为什么会这样？经过深入分析和思考，卢瑟福终于明白，大部分α粒子直穿而过，是因为原子内部存在巨大的空间；极少数粒子被弹了回来，是因为原子内部有一个很小的硬核。于是他设想了一个模型：一个非常小的带正电的原子核，周围有很多带负电的电子。大部分α粒子会从原子内部巨大的空间中穿越而过，即使撞到一个电子，由于α粒子比电子质量大7000多倍，结果也是电子被撞飞，而α粒子的轨迹不受影响。只有当α粒子非常接近原子核时，才会被弹回去，因为两个带正电的粒子之间的排斥力和距离的平方成反比（可以回忆一下我们的库仑定律），会形成很强的排斥力，而且原子核比α粒子质量大很多。如图1.3所示。
图1.3卢瑟福的原子模型
卢瑟福的模型，不但解释了奇怪的实验现象，还能够预测α粒子散射角（也就是偏转角）的分布，与实验结果定量地符合。不过问题来了，电子为什么不掉入原子核里呢？不但不会掉入，而且这个看似“完全空虚”的原子好像还很硬。黄金这样的物质基本不可压缩，这种空虚的原子根本压不垮。
卢瑟福把这个模型叫作行星模型。因为带正电的原子核会吸引带负电的电子，于是卢瑟福认为电子会围绕着原子核转，就像太阳系的行星围绕着太阳转一样，地球不是也没有掉到太阳上去吗？你应该听说过引力波吧。电子围绕着一个中心转动会产生电磁波，地球围绕着太阳转动也会产生引力波。只不过引力的相互作用比电磁的相互作用弱太多，而地球辐射的引力波更弱，即使等到太阳系灭亡的那一天，地球也不会掉进去。这一结论很快就被人指出错误，一个带电的粒子转圈的时候会辐射电磁波。电动力学告诉我们，带电粒子只要改变速度的大小或方向，都会有辐射。如果电子围绕原子核转动，由于辐射损失动能，那么电子转不了几圈就会掉进去。但如果电子不转，由于受到原子核吸引，那么电子就更没有理由悬在一片虚空之中！
认识到“色即是空”，即揭开了近代物理大发现的序幕。卢瑟福于1908年发现了原子射线中的α和β粒子，被授予诺贝尔化学奖。但关于原子结构的这个实验，才是他对科学最伟大的贡献。
虚空的原子，为什么可以构成坚如磐石、硬如钢铁的物质呢？量子力学将回答这个世纪难题。

1.4重建现代物理的物质观
现代物理学认为，粒子只是一个点，并不是一个实体，根本没有那种可以贴上去但进不去的实体。在宏观世界中体验到的实体感，是粒子之间相互作用的结果。
虽然物质内部是虚空的，但是我们却不能像崂山道士那样穿墙而过，这是因为身体的原子和墙上的原子之间有排斥力，本书将用量子力学解释这种排斥力。而我们看到的各种物质，从水、空气到黄金、钻石，都是原子、分子之间通过相互作用自发建立秩序的结果。
量子力学，就是探讨粒子之间相互作用规则的学科。

1.5自然界的四种相互作用
既然谈到了相互作用，就需要介绍一下自然界中都有哪些相互作用。
自然界的第一种相互作用是主宰宇宙的万有引力。如果没有万有引力，地球就不会被约束在太阳周围享受阳光的照耀，我们会飘向太空变成“孤魂野鬼”。万有引力正比于物体的质量，只在宇宙空间中才起作用。原子、分子之间的引力完全可以忽略。
自然界的第二种相互作用是构建物质世界的电磁相互作用。带电的粒子之间会有吸引力或排斥力。否则，电子就不会围绕在原子核周围从而形成原子，世间的一切都将不会存在。
这两种相互作用都是长程力，不需要接触，隔着很远就可以发生。近代物理研究揭示，这两种长程力并不是直接的相互作用。电磁的相互作用是靠电磁场或光子传播的，引力的相互作用则是靠引力场。
既然物体的内部都是虚空的，那么粒子是不是可以在里面畅行无阻呢？那可不一定，这时要看它参与的相互作用。
卢瑟福实验中用的α粒子，实际上是三种放射线中穿透能力最弱的。因为α粒子是带电的，电磁的相互作用是长程力。它能穿透很薄的金箔，但不能穿透普通的纸张。普通物质中的碳原子核和氢原子核，质量比金原子核更接近α粒子。在中近距离上，这些原子核就会通过电相互作用，吸收α粒子的能量。所以在放射性物质中，只有α辐射最不可怕，只要别吃进去、吸进去就行。
第二种放射线β射线，是由电子或正电子组成的。它也会因为和原子内部的电磁相互作用而减速，特别是和原子内部电子发生碰撞时。但是因为电子比较轻，从发生放射性衰变的原子核中发射出来的速度比α粒子快得多，而且大部分时候接近光速，所以它们能穿透更多的物质，需要一块金属板才能挡住。
光子不带电，但它是电磁相互作用的传播者，可以和任何带电的粒子直接作用。当光子能量和原子内部电子的能量比较接近时，在可见光波段，物质的相互作用就会特别强，会发生各种反射和吸收。不同的物质会反射、吸收不同频率的光线，这才有了“空即是色”。我们的眼睛，只对这个波段比较敏感，这也算是一种天人合一吧，人类的进化是适应自然规律的。
当光子的能量更高，远远超过原子内部电子的能量时，它的穿透力变得很强。量子场论的研究表明，光子能量越高，与带电粒子发生作用的概率就越低。到了X波段，光子已经可以穿透我们的身体，可以用来做透视帮助医学诊断。
第三种放射线γ射线，是能量更高的光子，需要很厚的铅板才能挡住，是一种很危险的射线。
自然界的第三种相互作用是强相互作用。中子不带电，基本上不与原子核和电子发生电磁相互作用，但它参与强相互作用。在地球上，强相互作用造成原子弹、氢弹的爆炸；在宇宙中，强相互作用主宰太阳和所有恒星的燃烧。顾名思义，强相互作用比电磁相互作用强得多。不像万有引力和电磁相互作用，它是一种短程的相互作用，只有当中子进入原子核时才能发生作用。所以它与原子发生相互作用的机会很小，穿透力有时比γ射线更强。氢弹爆炸时会有大量的中子从原子核里发射出来，利用这个原理设计的中子弹，据说可以利用中子射线穿透坦克杀死里面的人员。
自然界的第四种相互作用是弱相互作用。与强相互作用一样，弱相互作用也参与太阳内部的核反应，以及地球上的放射性衰变。把β射线从原子核激发出来的，就是这种相互作用。弱相互作用不但比强相互作用弱得多，而且作用距离也比强相互作用更短，不到强相互作用距离的1/100。有一种叫中微子的粒子，不带电，只参与弱相互作用。因为与其他物质的相互作用极弱，所以它能够轻易穿过地球！物质内部是空的，它是第一体验者。
核电站会有大量的中微子辐射出来。在深圳大亚湾核电站附近，我国科学家建立了一个中微子探测装置进行相关的科学研究。探测器就藏在核电站附近的大山深处，离地面至少100m，这样除中微子外，其他从核电站和太空来的粒子都无法进入。因为中微子的相互作用非常弱，探测它是一个挑战。

前言/序言

记得刚学物理的时候，最让笔者感到好奇的是电。电是什么？灯泡为什么能发光？如果把灯泡放到月球上，在地球上按下开关，灯是瞬间亮还是过一会才亮呢？老师们说:“电是电子的流动，所以电有速度，而且肯定超越不了光速，因为任何速度都不能大于光速——这是爱因斯坦说的。”于是笔者对光又产生了很多疑问：光是什么？为什么它是最快的？光和空气一样有重量（质量）吗？在一次“卧谈会”上，笔者宣布了最新的“研究成果”：光没有质量，否则人会感觉黑夜比白天轻松很多。很快，这一理论遭到其他同学的驳斥：“那是因为除反射的光外，其他的光都被你吸收了，但你的身体不会吸收空气……”

在今天看来，这些问题似乎太幼稚可笑。但翻翻物理学史，伟大的理论不正是从这些“幼稚可笑”的问题当中诞生的吗？比如古希腊人否定地动说，可能仅仅是因为地球转动没有形成东风；暗能量假说之所以存在，也可能仅仅是因为没有办法解释宇宙正在加速膨胀。这些案例不胜枚举。因此，笔者认为在学习物理时，任何幼稚可笑的问题都不是多余的。

在笔者的教学过程中，学生总会提出各种奇怪的问题。笔者发现将它们解释清楚完全是徒劳的，因为往上追溯，一个问题最终会带出无穷无尽的问题。尽管笔者不能解释清楚，但记录下来总是件好事，于是将点串成线，形成了本书。

本书总共分7章。

第1章为经典力学。一开始，人们以为地球是宇宙的中心，但是行星们似乎并不“听话”，于是哥白尼用太阳取代地球的位置，提出日心说。日心说意味着地球无时无刻不在运动，既然运动就会产生强大的东风。为了解释这一问题，伽利略提出相对运动和惯性定律。在此之上，牛顿力学体系渐渐成型。

第2章为电磁学。牛顿的光芒照耀着宇宙的各个角落，以至于牛顿之后的科学家们总是希望电磁力与万有引力相契合——符合平方反比和超距作用。最初的几十年确实如此，但当问题逐渐变得扑朔迷离时，伟大的法拉第提出了“场”的概念。麦克斯韦从场出发，断言电磁波的存在并预言光就是电磁波。当赫兹证实这一切之后，场理论取代了超距作用。

第3章为热力学与统计力学。燃烧与热是生活中两种常见的现象，它们的本质是什么？在19世纪中叶之前，人们一直认为它们都是某种元素——燃素和热素。这种元素运动便产生了热效应。但当热素无法解释众多现象时，科学家们终于认识到热是一种能量（热力学），这种能量来自分子运动（统计力学）。

第4章为光学。一开始，人们从光的三种传播方式得出光是一种微粒，然而第四种传播方式（衍射）让科学家们对光的本质产生了激烈的争论——波粒战争。光是什么？光有速度吗？每当人们以为快要揭开光最后的神秘面纱时，发现又进入了一个未知领域：光速不变诞生了相对论；光电效应是量子物理的基础；光的红移让人们发现宇宙正在膨胀……

第5章为相对论。自19世纪开始，光的波动说打败了微粒说。波传输需要介质，人们搬出了以太。但当科学家们辛辛苦苦寻找以太时，发现根本无法找到。这时初出茅庐的爱因斯坦站了出来，建立了相对论，也解决了物理学当时的窘境。

第6章为量子物理。组成物质的微粒是原子，原子的本意是“不可分割”，但最终还是被汤姆孙打开了。当科学家们“进入”原子内部参观时，发现经典的物理理论在这里并不适合，于是哥本哈根派的勇士们“另立山头”，却一不小心捅了哲学的屁股，一场荡气回肠的辩论开始了……

第7章为宇宙学。宇宙大爆炸是物理学中最脍炙人口的话题之一。宇宙真的起源于大爆炸吗？原始原子有存在的可能吗？黑洞又是怎么诞生的？暗物质与暗能量是怎么来的？这些都是该章的话题。

除物理内容外，本书还尝试探讨物理与数学、哲学之间的关系，大致有以下三个方面：一是从微积分角度探讨万物是连续的还是离散的，二是探讨测量对于物理的重要性，三是简述量子力学带来的哲学悖论。

有几点需要特别说明：一是本书的图片仅是示意图，并非实物图和实验结果图；二是本书记录了一些人物故事，这些故事只为展示人物性格与历史背景，并不能作为正史考究；三是对于一本科普书而言，举例的生动性与精准度总是难以两全的。本书从生活出发，举了不少事例，只为抛砖引玉。

在写作的过程中，笔者遇到不少困难。首先，物理与数学、哲学之间的细节问题一度困扰着笔者，好在笔者的同事——饶冬飞教授给予了笔者无私的帮助，与他讨论才让笔者茅塞顿开。其次，由于笔者不善绘画，绘图问题一度影响这本书的写作进度，好在未铭图书给予了笔者非常大的帮助。在此，对帮助过笔者的老师、同事和朋友致以深深的谢意。

由于笔者水平有限，书中难免出现纰漏，恳请读者朋友批评指正。

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