牛津通识读本：物理学（中英双语）

序  言
顾  民
科学普及，可谓一项艰巨之事，尤其是物理科普，更是难中之难！昔日有人问及相对论之含义，爱因斯坦回答道：“若你与一位美丽女子共度一小时，你感受如同一分钟；若独自一人静坐一分钟，便似度过数小时。此即相对论也。”言简意赅，形象生动，诚如春风拂面，不胜妙趣。然而以形象示人，以比喻启智，虽显优雅，实则无奈之举。以指标月，但见其指。物理奥秘，大众难窥，奈何！
所幸，迎难而上者时有所遇，西德尼·佩尔科维茨（Sidney Perkowitz）堪为一例。佩氏乃美国杰出学者，曾就职于著名的埃默里大学，为查尔斯·霍华德·钱德勒荣休教授，且为美国科学促进会会员，长年从事物理研究、教育及管理，倾心于科学普及和科普写作，著有众多作品，其中包括《光之帝国》（Empire of Light）、《普有泡沫》（Universal Foam）及《数字人》（Digital People），被译为多国语言，甚至盲文，广为传播。在此，我们介绍的是佩氏与牛津大学出版社合作的成果—科普读物《物理学》，此书收录于“牛津通识读本”之中，并广受国际读者欢迎。
首先，佩氏之书，独具匠心，虽言物理，而不沉溺于方程之海。凡论物理，即便科普，常离不开方程与公式，视之如蚯蚓般爬行、如蝌蚪般浮泅，读之更令人困惑不解。除少数专业学者外，其他人开卷不久就会梦见周公之蝶。可见方程之繁杂，公式之晦涩，困扰众生。佩氏深谙其中弊端，故在叙述物理内容时，不着痕迹，以形象生动、概念清晰的方式描绘，完全抛弃数学化语言，此举可谓本书最为卓越之处，犹如劈崎岖之山，成平坦之路；驱障眼之雾，启智慧之光。读者只需具备少量物理基础知识即可放心开卷阅览此书，赏析并深入地了解物理这门伟大的学科，探寻物理奥秘，此乃科普之至善也！
其次，本书叙述宏大，横跨古今，勾勒了物理学的发展历程及内在逻辑。物理学源自古希腊，众所周知，亚里士多德曾言：“质量越大，加速度越大。”然而，伽利略却推翻此说，他观察斜坡滚动的球体，提出自由落体定律，指出加速度与物体质量无关，建立了物理学中实验验证理论的标准。这些事实如今看来似乎十分简单，在当时却饱经论战，波澜壮阔，书中有详尽描述。哥白尼的日心说亦是如此。最终，经由开普勒和牛顿的努力，才确立了物理学的基本框架，既有实验，又有理论。二者相辅相成，缺一不可。然事实并非总是如此简单，以太理论、热力学、量子理论、宇宙大爆炸理论等，皆曲折复杂，书中详细描述，实事求是，值得深思。由此引发的问题，例如科学为何兴起于西方而非东方，亦值得我们深入思考。
最后，佩氏多角度介绍了物理学的应用，如潮汐、地磁、天文望远镜、晶体管、 LED、激光、 X射线、核磁共振、医学超声、太阳能电池、核能（裂变与聚变）、生物物理、放射医学、放射性测年（地质测年与考古测年）等，并讨论了一些热点问题，如暗物质
与暗能量、薛定谔的猫和量子纠缠、量子计算和量子通信等。总之，佩氏在此书中全面展示了物理学的全貌，解答了物理研究的重要性及其对人类社会的影响等重要问题。易懂易读，实为一部难得的科普之作。
言之有味，译者功不可没。杨晨，北京理工大学物理学硕士。翻译出版多部图书，并曾为《环球科学》旗下“科研圈”公众号提供译文并参与审校工作。翻译乃文化交流之精髓，杨氏倾心其中已近十载，可谓卓越精深。今特译佩氏大众通识读本《物理学》，以供国内读者参考学习，实属一项极具意义之举。翻译之艰辛，信任与理解是关键。尤其是在物理学领域，术语繁多，理念玄妙，翻译起来可谓充满挑战，若非志愿者，岂能胜此重任？杨氏之译文，笔力沉稳，理念质朴，名副其实。闲暇之余翻阅，广博知识，润物无声！

作为一门研究物质与能量的基础科学，物理学的研究对象几乎横跨自然的各个尺度：小到亚原子，大到整个宇宙。佩尔科维茨在本书中纵览物理学的发展和演化，揭示了物理学的运作方式：物理学家如何思考，物理学研究由谁资助，物理学又如何支撑着我们所使用的科学技术。从希腊自然哲学家的思想到现代量子理论，再到能源生产等话题，本书呈现了纯物理理论的演变和应用物理学的影响。书中还探讨了物理学对于社会文化的影响，以及它如何让我们重新审视人类在宇宙中的位置。

西德尼·佩尔科维茨 美国埃默里大学物理学荣休教授，美国科学促进会会员，科普作家，致力于大众科学普及，出版《普有泡沫：从卡布奇诺到宇宙》（2000）、《数字人》（2004）、《缓慢的光》（2011）等多部科普作品，并为《科学》《华盛顿邮报》《洛杉矶时报》等报刊撰稿。2015年获得美国文艺与科学协会授予的终身成就奖。

前  言　
        致  谢　
        缩略词表　
第一章  一切自希腊人始　
第二章  物理学包括什么，不包括什么　
第三章  物理学的运作　
第四章  物理学的应用与扩展　
第五章  社会中的力
第六章  未来的物理学：尚待解答的问题　
        索　引　
        英文原文

作为一门研究物质与能量的基础科学，物理学的研究对象几乎横跨自然的各个尺度：小到亚原子，大到整个宇宙。佩尔科维茨在本书中纵览物理学的发展和演化，揭示了物理学的运作方式：物理学家如何思考，物理学研究由谁资助，物理学又如何支撑着我们所使用的科学技术。从希腊自然哲学家的思想到现代量子理论，再到能源生产等话题，本书呈现了纯物理理论的演变和应用物理学的影响。书中还探讨了物理学对于社会文化的影响，以及它如何让我们重新审视人类在宇宙中的位置。

西德尼·佩尔科维茨 美国埃默里大学物理学荣休教授，美国科学促进会会员，科普作家，致力于大众科学普及，出版《普有泡沫：从卡布奇诺到宇宙》（2000）、《数字人》（2004）、《缓慢的光》（2011）等多部科普作品，并为《科学》《华盛顿邮报》《洛杉矶时报》等报刊撰稿。2015年获得美国文艺与科学协会授予的终身成就奖。

第一章 一切自希腊人始
即便你不是物理学家、没学过一门物理课程，物理也是你生活的一部分。你的智能手机使用了根据量子力学制造的半导体芯片；如果你拍过 X光片或者做过核磁共振，那么你便体验了从物理实验室发展出来的医学技术的好处；如果你关心清洁能源、注重环境保护，或是担心爆发核战，那么这些话题也离不开物理学；如果你曾仰观夜空繁星，像众人一样想知道它们与世间万物从何而来，那么物理学会告诉你答案。
从消费用品到探索未知边缘的研究，物理学已经融入了我们的日常活动、社会文明和远大志向之中。它是一门获得了社会坚定支持的基础学科，也是其他学科与技术的根基。不过，这场人类伟业发轫于很久以前，最初的规模也很小，只存在于几位想要理解周身世界的希腊思想家的头脑之中。
好奇与理解
从古希腊人实践的自然哲学到如今错综复杂的理论和仪器，物理学史如果有一个贯穿始终的永恒主题，那么它将包含两个方面：对大自然的好奇，以及我们人类能够理解自然的信念。日出日落、观海听涛，我们的古老先人想必对身边的自然现象惊讶不已、充满敬畏。这些情感，定然伴随着想要理解所见事物的愿望。
我们依旧会为周身的美好与造化惊奇不已，但今非昔比，如今我们对于感官感知或以专门器材测得的现象，虽说还不能尽数阐明，但也能解释大半。我们不断寻求更广泛、更深入的理解，现在又有了满足这份好奇的各种工具—这些工具的发展本身就是物理学等一切科学发展史的重头戏。
物理学与自然
物理学在建立伊始就与自然有着深厚联系，它的名字“physics”来源于希腊语词根“physis”，意思是“自然”。但形成现代物理学的工具演化了很长时间。我们的古老先人认为，希腊奥林匹斯主神宙斯会惩罚一切挑战其权威的神明与凡人，而自然造化就控制在这等反复无常的神明手中。后来，对神的信仰让位于一套融合于物理学的概念与技术，物理学成为探索宇宙的整体方法。
人类能够通过智慧的理智思考理解世界的造化，这个信念过去是，现在依然是物理学思想的要义。相比先前人们相信神明能够在人类的知识与控制之外随心所欲，这是一个重大的观念改变。因果思想与之有密切联系，它相信世间的物质作用（比如施加一个力）会产生可以预测的结果，且相同条件下，同样的原因总能产生同样的结果。
发展物理学的其他必要条件包括仔细观察、持续记录自然事件，比如行星与恒星的规则运动。再之后是定量分析。数学成为物理学的语言，是处理数据、表达物理思想、构建世界模型、预测世界行为的最有力、最简洁、最准确的方式。另外还有两个先决条件：一个是实验的概念，即通过人为设计限制现实实在的一部分，从而检验某个特定的思想，其典型形式是将观测与记录的量化数据相结合；另一个是理论物理学的发展，它用数学来分析、解释物理行为和实验结果。
这些要素并非一蹴而就，也不在同一地点出现，它们诞生于不同的国家与文化，经历了几千年的时间。举一个已经融入物理学之中的例子：在希腊人之前，早期的苏美尔人、巴比伦人和埃及人就已经提出了各种测量方法，并在其中应用了数学。苏美尔人和巴比伦人制作了星表，埃及人发展了实用数学，以处理因尼罗河泛滥、土地界标被抹去之后的土地分配问题。
世界上的其他古文明也提出了多种物理和量化科学，以及能够体现他们掌握了一些物理学原理的技术。例如，中国人发明了算盘和罗盘等诸多装置与方法；南亚的印度数学家提出或广泛传播了一些基础的数学观念，比如“零是一个数”、负数等概念；中美洲的玛雅人发展出了精密的天文学体系和历法；南美的印加人则设计建造了一套大规模的道路和沟渠系统，用以水文管理。
然而，自然“律”无须神明介入，可以用理性来理解的中心思想应当追溯到早期的希腊哲学家，尤其是亚里士多德—他在其《物理学》中提出了一个世界体系。这本书的书名与这个
词现在的意思不同，亚里士多德这样的自然哲学家也不像如今的物理学家。他们不必做实验或是运用数学，但他们确实在寻找自然律，比如运动和变化的规律，这是物理学的主题。
运动的物体
希腊思想家非常看重研究运动，这似乎是必然之事。地球和天界很少有事物固定不变，我们身边到处是变化，希腊哲学家赫拉克利特就意识到这一点，写下了“人不能两次踏入同一条河流”这句话。而且，我们总能看到并本能地感受到日常生活中的运动因果，比如丢出石头要用力，而不同大小的力会让石头的轨迹有所不同。
亚里士多德对运动的分析有其洞见，但他的落体定律暴露了希腊思想的弱点，即它不会运用经验结果来理解自然。亚里士多德断言更重的物体下落得更快，这听上去符合常识，但并不正确。做过许多实验之后，我们就会明白，在给定的重力场中，一切物体都会以相同的加速度下落。然而希腊的思辨产生了一些重要思想，如阿布德拉的德谟克利特捍卫的原子论，他将其精简为这么一句话：“原子和空间之外无物存在，其他的一切都是观念。”不过某些早期思想家也确实做了一些实验与观察。例如，阿基米德发现了液体的浮力原理；而在公元 2世纪，克劳狄乌斯· 托勒密搜集了光在不同介质间折射或者说弯折的数据。
随后的每个世纪都有自己的物理贡献。早先的工作追随着希腊哲学家尤其是亚里士多德的著作，但不是所有的文明都拓展了这些思想。罗马哲学家兼诗人卢克莱修只是向自己的市
民同胞解释希腊科学，便产生了极大的影响。他的诗作《物性论》以清晰呈现原子论等希腊思想而闻名。这首诗影响了艾萨克· 牛顿对落体运动的理解，也影响了苏格兰数学生物学家、经典著作《论生长与形式》（1917）的作者达西· 汤普森对生物受到的物理约束的思考，他认为卢克莱修给每一代科学家都带来了灵感。
希腊人与罗马人对物理学的贡献是西方文化的一部分，而在9世纪初，则是中东文化引领了物理学思想的研究与传播。巴格达的学者将亚里士多德等希腊人的著作译成阿拉伯语，阿拉伯天文学家兼数学家伊本· 海赛姆（又以其英语化后的名字“阿尔哈曾”而闻名）则在光学方面取得了许多进展。海赛姆证明托勒密对折射的分析是错的，驳斥了后者认为视觉出自人眼射出的光的观点，支持光线进入眼睛形成视觉的正确观点。
进一步翻译阿拉伯和原始希腊著作的运动促进了中世纪欧洲的物理学进步。这段缓慢的发展延续到 16、17世纪，其间自然哲学家逐渐背离亚里士多德式的物理，转向了之后构成物理学基础的定量分析与实验。

佩氏深谙其中弊端，故在叙述物理内容时，不着痕迹，以形象生动、概念清晰的方式描绘，完全抛弃数学化语言，此举可谓本书☆为卓越之处，犹如劈崎岖之山，成平坦之路；驱障眼之雾，启智慧之光。读者只需具备少量物理基础知识即可放心开卷阅览此书，赏析并深入地了解物理这门伟大的学科，探寻物理奥秘，此乃科普之至善也！
——南京大学物理学院教授 顾民
                         

从夸克到厨房里的电冰箱，西德尼·佩尔科维茨引领我们踏上一段启迪心智的物理学之旅。他用清晰的语言向我们展示，人类对于这个世界单纯的好奇心如何指引我们去理解从地球内部到光年之外的黑洞等一切事物。这就是物理学！
——诺贝尔化学奖得主 罗阿尔德·霍夫曼