時與光：一場從古典力學到量子力學的思維盛宴（簡體書）

《時與光：一場從古典力學到量子力學的思維盛宴》是一本相對論與量子力學的零基礎入門書，同時也是一套描繪人類思維發展歷程的精彩畫卷。跟隨書中的一個個智者，你將從古典力學走向經典體系，最終跨入理論物理的前沿陣地——量子迷域。
一路上：拉普拉斯妖、麥克斯韋妖、芝諾的小烏龜、薛定諤的貓、布裡丹的驢子、坐在超級鋼琴旁狂敲鍵盤的小猴子……一輪又一輪的思想實驗將把你捲入無窮盡的謎題當中：時間擁有方向性的根源何在？“對稱”這一審美基調為何會對物理學造成如此深刻的影響？137這個數字又為什麼會對物理學家有著如此巨大的吸引力……
待到你通過閱讀和思考，親自將答案挖掘出來，相信你收穫的一定不僅僅是答案本身，更有學習過程中最本真的樂趣。

棽棽，雲南昆明人。山東大學應用化學學士，復旦大學物理化學碩士。喜好神游四海，偶爾亦會逃離地球，卻怎麼也逃不開對宇宙設計的好奇。探索其間的樂趣，願與你一同分享。

編輯推薦
如果你曾被《從一到無窮大》深深觸動，那麼你也一定會喜歡上這本書的。八零後作者棽棽用簡潔流暢的語言，對物理學近兩千五百年的發展史做了全景式的精彩描繪，其中既有牛頓力學、狹/廣義相對論與量子力學的誕生過程，又有諸位科學大師的成長歷程。
說起“物理”這兩個字，不論你對它是懷有幾分嚮往卻始終不得其門而入，還是由於考卷上層層套疊的公式、算符，一度激起了你的厭惡。給自己三天時間，跟隨作者來一場思維大冒險吧。相信讀完這本書，定會改變你對它的看法

物理是什麼？
你若帶著這一問號翻開本書，那麼此刻腦海之中定有千萬個問號在奔騰。
而這正是筆者想要借助些許文字來與你一同分享的——科學殿堂腳下的基石不是答案，卻是問題本身。
時與光，這對仿佛永遠分離卻又終身相依的伴侶
向我們展示的正是提問的樂趣所在。
流光飛舞中，人類試著去探知時間的本性。
而在時間的長河裡，我們一步步向著光的真實面目靠近。
這世上，有許多的東西，我們原以為了若指掌，但隨著探索的深入，才發覺自己距離真相遠不止十萬八千里；而另一些東西，曾被認定永遠也無從知曉，但隨著問號一個接一個地被攻破，人類竟慢慢觸到了秘密的核心……
宇宙的最可以理解之處是它的無法理解。
而宇宙最無法理解之處是它竟然可以被理解。

第一章 波，還是粒子：光的故事
反射與折射/ / 004
最短時間原理/ / 007
柴郡貓的微笑/ / 009
彩虹的顏色/ / 011
干涉與衍射/ / 012
穿越狹縫/ / 012
泊松亮斑/ / 014
電與磁/ / 018
力與場/ / 019
光的兄弟姐妹/ / 022
光與電/ / 026
與星光對話的人/ / 027
剝開原子的人/ / 030
光電效應/ / 031
行到水窮處坐看雲起時/ / 034
醉心歷史的小王子/ / 035
電氣公司的意外收穫/ / 040
握手言和/ / 042
第二章 一沙一世界：力的故事
斜塔與橢圓/ / 046
墜落的連體球/ / 048
“金鼻子”與“占星師”/ / 050
像蘋果一樣思考/ / 055
於沙粒中見乾坤/ / 056
地“心”引力/ / 059
稱量地球的人/ / 062
牛頓三定律/ / 063
拉普拉斯妖/ / 065
三個問題/ / 067
“相對”與“絕對”/ / 068
時間之矢/ / 069
三體/ / 070
第三章 μ子正傳：狹義相對論的故事
真空，抑或“假空”/ / 075
民主的空間/ / 075
民主的時間/ / 077
相對，還是絕對/ / 080
“乙太”在哪裡/ / 082
μ子正傳/ / 086
奧林匹亞科學院/ / 086
“同時”並不同時/ / 089
μ子簡歷/ / 090
時間延緩/ / 091
變與不變：雙生子佯謬/ / 093
不變與變：時鐘佯謬/ / 094
空間收縮/ / 095
時空初相逢/ / 096
時空方差/ / 096
芝諾悖論/ / 099
閔可夫斯基光錐/ / 102
類時、類空與類光/ / 103
事件光錐/ / 106
品質與能量/ / 107
E=mc2/ / 110
第四章 時光戀曲：廣義相對論的故事
飛屋歷險記/ / 114
等價性原理/ / 115
時間彎曲/ / 118
第五公設謎題/ / 120
舍卒保車？這還不夠！/ / 122
屬於星星的幾何學/ / 125
空間扭曲/ / 128
舞動的時空/ / 130
床墊與力場/ / 131
鐵釘與繩索/ / 132
普林西比之行/ / 135
愛因斯坦最大的錯誤/ / 138
坍縮佯謬/ / 138
奧伯斯佯謬/ / 141
宇宙常數/ / 143
宇宙島/ / 146
紅移的譜線/ / 148
大爆炸/ / 153
α、β和γ/ / 155
聆聽宇宙的第一重歌聲/ / 157
恒星之殤/ / 158
宇宙是頓免費的午餐？/ / 160
暴脹理論/ / 161
搜尋宇宙的第二重歌聲/ / 162
還有幾個“大”問題/ / 164
宇宙的形狀/ / 164
宇宙的年齡與大小/ / 166
宇宙的未來/ / 166
宇宙之“外”是什麼？/ / 167
第五章 骰子出沒：量子的故事
黑體輻射/ / 170
普朗克常數/ / 172
再探光電效應/ / 175
“原子”進化史/ / 176
布丁模型/ / 177
行星模型/ / 177
軌道能級/ / 181
大與小/ / 185
電子自旋/ / 186
泡利不相容/ / 187
矩陣，還是波動/ / 190
海森堡矩陣力學/ / 192
薛定諤波動力學/ / 194
狄拉克量子代數/ / 196
不確定，你確定？/ / 198
海森堡不確定性原理/ / 200
拉普拉斯妖的挑釁/ / 203
骰子出沒注意/ / 206
電子組曲/ / 210
實驗一子彈實驗/ / 210
實驗二水波實驗/ / 211
實驗三電子實驗/ / 212
實驗四“偷窺”電子/ / 213
互補原理/ / 216
風雲對決/ / 217
第一回合上帝擲骰子嗎？/ / 218
第二回合愛因斯坦光箱/ / 222
第三回合EPR佯謬/ /224
薛定諤之貓/ / 227
哥本哈根： 當我望向你/ / 230
維格納的朋友： 意識是什麼/ / 230
馮•諾依曼： 無限遞迴/ / 233
休•艾弗雷特三世： 大千世界/ / 235
延遲選擇/ / 237
提問和回答 / / 239
指尖與月亮/ / 241
第六章 微觀盡頭：粒子的故事
玻色子與費米子/ / 246
玻色愛因斯坦統計/ / 246
費米狄拉克統計/ / 248
現代煉金術/ / 251
質子的發現/ / 251
中子的發現/ / 253
能量失竊案/ / 259
疑犯一： 中微子/ / 259
疑犯二： π介子/ / 261
誇克誇克誇克/ / 264
第七章 上帝是個偏心眼？對稱的故事
對稱vs.不對稱/ /268
空間平移/ / 269
時間平移/ / 270
空間轉動/ / 270
洛倫茲變換/ / 271
全同粒子/ / 272
旋轉運動/ / 272
放大與縮小/ / 273
可逆vs.不可逆/ /274
杯中窺墨/ / 275
猴子與莫札特/ / 277
熵/ / 279
麥克斯韋妖/ / 280
物質vs.反物質/ /281
狄拉克之海/ / 281
尋找“反世界”/ / 284
左手vs.右手/ /287
柯尼斯堡的思想者/ / 288
細菌王國的探險家/ / 292
鏡子的另一端/ / 295
OZMA謎題/ / 298
宇稱守恆嗎/ / 302
τθ之謎/ / 304
上帝是個左撇子？/ / 305
輪盤上的物理學/ / 310
驢子的困境/ / 310
自發對稱性破缺/ / 311
第八章 雅典娜與對稱美：守恆的故事
諾特定律/ / 318
第九章 重回起點： 光的故事
路徑積分/ / 325
芥子與須彌/ / 332
迪克，我們愛你/ / 333
第十章 大設計
量子岔道口/ / 336
隱變數/ / 336
貝爾不等式/ / 339
平行宇宙/ / 345
量子永生/ / 350
萬物源於比特/ / 352
歷史求和/ / 356
137之謎/ / 359
常數無常？/ / 360
愛因斯坦的“錯誤”/ / 363
統一之路/ / 364
弱電統一/ / 366
量子電動力學（QED）與量子色動力學（QCD）/ / 367
最後的陣地/ / 368
弦/ / 370
啟程/ / 372
附錄一費馬最短時間原理的證明 / / 374
附錄二牛頓與蘋果 / / 378
附錄三質能方程的簡單推導/ / 379
附錄四重力加速度g的推導// 380
附錄五玻爾對愛因斯坦光箱的破解 / / 381
附錄六 / / 382
參考文獻/ / 383
後記 / / 386

最短時間原理
17世紀60年代，人類引逗光線的本領日漸高超，有關反射、折射的歸納性法則也已初現端倪。首位嘗試解答這一“為什麼”的天才終於在萬事俱備之際乘著東風翩然而至，他便是來自法國的職業法律顧問兼“業餘”數學家皮埃爾•德•費馬（Pierre de Fermat）。佛吉尼亞•伍爾夫（Virginia Woolf）曾說過：“所謂天才就如同流星一樣，他們劃過夜空，撕破黑暗，道出真相，然後消失。”費馬的一生便是對這句話最為生動的詮釋。這位命運的寵兒衣食無憂且與世無爭，從律師到法官，他表面上循規蹈矩，過著與其貴族身份相符的平順生活；而私底下，他卻悄悄為自己營造了一整座美輪美奐的思維殿堂，像個孩童一般流連其間、盡情玩耍。
費馬慣於獨自潛行，他終生遠離學術圈，卻也偶爾捉狹地浮出水面冒個泡，寫上一封短信給當時的某位權威教授，將他最近遊玩時無意間瞥見的美妙景象透露稍許，微微地撩撥一下學界的神經：一個原本無意流傳後世的“費馬大猜想”——xn+yn=zn，當整數n＞2時，方程無解——令千萬邏輯狂人撓破頭皮求證了足足358年；另一個關於多級指數的猜想——（2的2n次方）+1一定是素數——又讓眾多數論名家信以為然、琢磨良久，最終卻發現那是錯的……關於費馬的傳奇足有一大籮筐，可惜此處留白太小，寫不下。現在，讓我們先著重來領略一下費馬殿堂的明珠“最短時間原理”的風采吧，一個把數學當娛樂的頑童一不小心道破了宇宙的天機。
大約1662年前後，費馬在他某張信稿邊頁以其一貫的潦草筆鋒輕描淡寫地留下了一行小字：“在從一點行進到另一點所有可能的路徑中，光所選擇的一定是耗時最短的路徑。”這便是赫赫有名的“費馬最短時間原理”。也許你會想：這不顯而易見嘛，只要足夠機靈，放著捷徑誰還願意繞遠道呢？但在費馬之前，還鮮有人嘗試把自己融入一束光來思量其處境。況且一條論斷之所以能被冠以“原理”頭銜，僅靠揣度是不夠的，它必須嚴格建立在事實與邏輯的雙重基礎之上。下面，請你試著玩幾個簡單的幾何遊戲，來證明這一原理吧（參見附錄一）。
耗時最短，實則意味著跑得最快。速度與角度，兩個原本風馬牛不相及的物理量通過費馬原理竟微妙地聯繫到了一塊兒，這不得不說是對大自然的一次深刻洞見。不僅如此，費馬對光行為那頗具人性化的詮釋總透著一股子說不清道不明的刁鑽氣息，自問世之日起數百年來，它就像費馬本人一樣，激起的讚美與嘲諷兩相滔滔，至今仍不絕於耳。按照斯涅耳定律，光從光源出發之後，若碰到不同介質，由於事先已約定好折射率，它只需依照老規矩及時調整方向，便可在各介質間彎來折去、暢行無阻了。整個過程自先而後，與慣常所期待的因果律恰相吻合。然而，最短時間原理的橫空出世卻打破了這片祥和：如果說每趟旅程都必須考慮時間損耗，那麼在出發之前，光是如何確定自己將駐步何方，途中又會遭遇怎樣的流轉與機變的呢？從A到B，它可以直奔主題，也可以醉鬼似地打著旋晃蕩過去，精力充沛的話，甚至可以撲騰到海角天涯再折返回來……退一步說，即使能夠預知最終落點，它究竟該採用何種方式來尋出最優路線呢？
本章我們暫且不去探究光是如何自三千弱水中毫不猶疑地取出了屬於自己的那一小瓢，僅只考慮它能於事件發生之前便知曉結果這一點，就足令眾人頭疼不已。試想，假如你是一束光，正準備從A點去往B點，依據時空王國新近頒佈的“最短時間章程”，你不僅得知道目的地B的精確位置，更需詳細瞭解沿途將經過幾層介面，各介面的具體位置，各介質分別是什麼……每段路況皆無疏漏，如此才有可能定制最優方案。倘若你尚未摸清狀況便貿然前行，悶頭一陣疾馳之後，猛然撞見一介面，這才臨時決定進退轉圜，勢必得反復修正原初的軌跡。而既然還有調整的餘地，則意味著它並不是上上之選，比起動身之前一口氣描畫的路線，勢必耗時更多。因此，“費馬章程”若想順利施行，光就必須在跨上起跑線的瞬間便對所有的選擇都了然於心，並早早做好計畫——沿著結果去譜寫過程，這簡直就是一場逆時而上的盛大遊行！“先”和“後”、“因”與“果”顛倒錯亂，原本規規整整的邏輯拼圖霎時被震得七零八落，彌散不知所蹤。
與我們形影相隨的光背後竟藏匿著如此紛繁的秘密。隨著實驗器材的改良，學者們進而又發現，費馬對光行為的解讀仍不夠全面，光程除了取極小值之外，有時也會取定值（例如當光源位於橢圓反射鏡的焦點之一時），必要時甚至還會取極大值（這需要耍點兒花招，對光進行“誘騙”。例如仍把光源置於橢圓鏡的任意焦點上，再緊貼橢圓內壁鑲嵌一塊拋物鏡，則光線必定落於抛物面底端）。因此，費馬原理最為精確的表述應該是：“過兩個定點A、B的光總選擇光程一階變分為零的路徑。”多年以後，隨著人類對世界的瞭解不斷深入，最短時間原理漸漸化身成羽翼更為豐滿的“最小作用量原理”，傲然翱翔在諸如廣義相對論、量子場論等現代物理各前沿陣地上空。然而，有關行程的詭譎思辨不過是光奉獻給世人的一碟開胃小菜而已，觥籌交錯間，一場從古典力學到量子力學的思維盛宴正緩緩拉開序幕……