无标题

0_Introduction

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引言
我们生活在一个迷人世界中，各个尺度上都充满着引人注目的现象。我们正在膨胀的宇宙中充满了数以万亿计的星系，每个星系中心都栖息着一个超大质量黑洞。爆炸的恒星用生命的尘埃播撒星系，而八分钟路程外，一个炽烈的核熔炉释放出能量，使地球保持绿色、生机勃勃、充满生命。我们这颗大理石纹般的、多水的地球可能是独一无二的，也可能是众多演化出智慧生命的天体之一。在更小的尺度上，所有可见物质仅由少数几种基本粒子类型构成，但这些粒子组合成一百多种不同的原子，这些原子又以无数种方式键合在一起。
也许最令人惊讶的是，我们对这些能了解到如此之多，以及如今理解的精确程度。利用天然和人造材料，我们可以制造出令人惊叹的设备，这些设备改变了我们的生活，帮助我们更深入地探究宇宙的奥秘。一些重要的物理现象处于我们可观测的极限。偶尔发生的黑洞碰撞在时空结构中产生微小的涟漪，我们用最灵敏的仪器探测到它们。基本粒子中包括难以捉摸的中微子，它们每天大量穿过我们身体，但只在巨大的地下探测器中被偶尔捕捉到。在人类历史的大部分时间里，人们在日常生活中对物理世界知之甚少。我们确实有幸生活在这样一个时代，它的如此多的秘密正在被揭示。
作为物理学家，我们被永不停歇的好奇心所驱使，去探寻和解释自然的内在运作。这传统上是哲学家的领域，但精巧的理性论证只能带我们走这么远。真正的洞察力建立在实验研究和优美数学模型这两大支柱之上。正如理查德·费曼(Richard Feynman)所说：“如果你想了解自然，欣赏自然，就必须理解她所说的语言。”因此，我们在《物理世界》(The Physical World)中采用了一种毫不掩饰数学的风格。
我们将探索物理学的理论基础，并呈现这门学科本质统一性的宏伟愿景。我们的目标是提供一个广泛的物理学概览，为深入探究各章节所涵盖的主题提供必要的背景和动力。我们全面涵盖了物理定律，但在用相对简单的应用来说明这些定律时有所取舍。在选取材料时，我们融合了几条信息线索：基本定律及其所基于的哲学原理、定律的数学描述、定律的实验基础、定律的历史发展、我们当前理解的不足之处，以及尚待回答的悬而未决的问题。我们遵循阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的格言：“解释应尽可能简单，但不要更简单”，以提供一个
The Physical World. Nicholas Manton and Nicholas Mee, Oxford University Press (2017).
c⃝Nicholas Manton and Nicholas Mee. DOI 10.1093/acprof:oso/9780198795933.001.0001

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引言
本书旨在诚实地阐述现代物理学家如何理解他们的学科。我们的目标是呈现一幅引人入胜的物理学图景，以清晰解释每一步骤的风格，简明地推导重要结果。书中数学的水平与《费曼物理学讲义》(Feynman Lectures on Physics)大致相当。我们假设读者熟悉代数，包括矩阵及其行列式，使用笛卡尔坐标和极坐标的几何，基础微积分，以及复数。

在第1章中，我们涵盖一些入门概念：矢量、物理学中变分原理的运用，以及偏微分。我们给出了偏导数易于理解的导论，因为它们是物理学大多数基本方程的基本组成部分，这些方程包括麦克斯韦电磁场方程组、量子力学的薛定谔方程和狄拉克方程，以及广义相对论的爱因斯坦方程。第2章讲述牛顿动力学，以及牛顿万有引力定律在太阳系天体运动中的应用。第3章主要讲述由麦克斯韦方程组描述的电磁场。

粒子和场是经典物理学的关键概念，但牛顿定律与麦克斯韦方程组彼此并不完全相容。爱因斯坦在构思其狭义相对论时解决了这个问题，如第4章所述。在狭义相对论中，通过引入时空这一新颖观念，空间和时间被统一了起来；但随之又出现了一个更深层的问题，因为狭义相对论与牛顿的引力理论不相容。爱因斯坦完成了他的革命，他表明一个相容的粒子、场和引力的理论需要时空是弯曲的，正如他的广义相对论所描述的那样。第6章专门讨论这一理论及其非凡的推论，例如黑洞的存在。为了激发本章中的某些想法，我们的讲述之前先在第5章讨论了弯曲空间，包括一些物理应用。弯曲空间比弯曲时空更容易形象化。

第7章和第8章是关于量子力学的，这是20世纪另一个革命性的思想，对于理解原子尺度上的各种现象至关重要。第9章将量子力学应用于材料的结构和性质，并解释了化学和固态物理学的基本原理。第10章是关于热力学的，它建立在温度和熵的概念之上。我们讨论若干实例，包括引发量子革命的黑体辐射分析。第11章纵览原子核，介绍其性质和行为。利用高能粒子束对原子核进行研究，得以更深地进入物质结构并探求其终极构造单元。第12章探索粒子物理学，并包含量子场论、标准模型和希格斯机制的简短描述。

全书之中，我们精心挑选了能够洞悉基本物理学的应用。第13章关于恒星就是一个延伸的实例，它汇集了物理学诸多分支的思想：引力、量子力学、热力学、核物理和粒子物理。第14章关于宇宙学，纵览始于大爆炸的宇宙整体的结构和演化。我们以第15章作结，该章讨论了遗留下来的一些基本问题，例如量子力学的诠释，以及粒子的终极本性。也简要探索了一些令人兴奋但带有猜测性的思想，以期更好地理解粒子，并将引力与粒子物理中的力统一起来。这些思想包括超对称、孤子和弦论。

延伸阅读
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在《物理世界》(The Physical World)一书中，我们着重强调了物理学中变分原理的应用，特别是最小作用量原理(principle of least action)，这一方法处于现代理论物理的核心，却在大多数入门介绍中被忽视。我们认为这一概念理应得到更广泛的认知。将作用量(action)引入到理论物理的前沿，是费曼(Feynman)的伟大成就之一。我们对于最小作用量原理如何奠定牛顿(Newton)运动定律的基础，给出了一个简洁且略有新意的解释，并简要说明了作用量在电磁理论与广义相对论中的作用。我们对量子力学的处理方式是传统的，基于薛定谔方程(Schrödinger equation)，但我们也讨论了作用量的角色，以及这如何引出费曼的路径积分方法。

尽管本书主要涉及业已确立的物理学，我们仍描述了许多关键领域的最新进展，例如天体物理学、相对论、核物理与粒子物理。这些进展包括引力透镜、超大质量黑洞、石墨烯、玻色–爱因斯坦凝聚体(Bose–Einstein condensates)、超重核、暗物质、中微子振荡，以及希格斯玻色子(Higgs boson)与引力波的发现。

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延伸阅读
R.P. 费曼(R.P. Feynman)，《费曼物理学讲义》(Feynman Lectures on Physics)（新千年版），纽约：Basic出版社，2010年。
M. 朗盖尔(M. Longair)，《物理学中的理论概念：对物理理论推理的另一种观点》(Theoretical Concepts in Physics: An Alternative View of Theoretical Reasoning in Physics)（第二版），剑桥：剑桥大学出版社(CUP)，2003年。
R. 彭罗斯(R. Penrose)，《通往实在之路：宇宙法则的完整指南》(The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe)，伦敦：Vintage出版社，2005年。