物理学有好多奇妙而令人疑惑的思想，可惜它们都被销在小盒子里，只有极少数的人拿着钥匙。在《时间、空间和万物》中，作者用简单的、没有数学的语言告诉我们，关于宇宙的基本结构，物理学会说些什么。他讲了现代物理学的所有基本概念，如基本粒子、黑洞、引力、量子论、时间、质量、相对论和能量；还包括一些近年涌现的概念，如弦、虚时间和混沌。他清晰而睿的描述，将一般读者引向激动人心的世界，也为科学家们展望了科学的未来。

　　第一版序

　　本书试着用通俗的语言来讨论物理学对宇宙基本结构的看法。它从物理专业里挑选出一些基本的概念，然后用平易的没有数学的语言将它们表达出来。物理学有许多绝妙而稀奇的思想，却总被关在狭小的盒子里，只有握着钥匙的一小伙人才可能走近它们，那不是太可惜了吗？然而，假如谁想把那盒子打开，让思想飘散，摆脱华贵的数学束缚，跳出沉重的历史阴影，那么他也许讨不了任何人的欢喜，有人会说他浅薄，还有人会感到不知所云。不过，尽管心存疑虑，我还是觉得该担起这个责任，因为专业化的东西已经太多，而向大众普及的却少得可怜。

　　即使身在物理学圈子里的大学生，也往往只看到一棵棵精心栽培的树，很少能发现树外还有森林。他全身心都在热力学、电磁学和量子力学的丛林里穿行，难免会迷失方向；但愿他能跳出那丛林，找回自己的路。正是出于这样一个心愿，我们在埃塞克斯（Essex）大学为大学生们开了门物理学的课，这本书就是从讲课中产生的。通常认为大学生理所当然应该熟悉的许多概念，我们也或多或少从头说起；另外有些只有研究生才会遇到的概念，在我们看来也并不比大家在中学碰到的东西更困难。要说难，那不过是对它们还不够熟悉。如果忽略了这些概念，本书也就谈不上它所企求的鸟瞰物理学了。

　　我欣赏马克?吐温说过的一句话：

　　科学真是迷人，根据零星的事实，增添一点猜想，就能赢得那么多收获！

　　我相信，不论是想追求物理宇宙的普通读者，希望成为通才的人文学科的大学生，还是发愿走进物理学的高中生，都能够体验到那迷人的东西。我还相信，这本书对各级物理老师都会有用，而念物理的大学生可以拿它作为了解物理学背景的读物。虽然这么说，我当然明白，写一本让专家和百姓都能读的书有多难。我也同样知道，没有几个科学家干这样的事情。不同学科之间的鸿沟，在今天比以往任何时候都更加宽广。虽然谁也不能更专业到哪儿去，但可能也不会有人来做普及，这实际上是常有的事情。那些沟壑没有什么可爱的，有时甚至还完全是危险的，如果这本小书能多少起到点儿沟通的作用，它也就至少达到了一个目的。

　　B.K.里德雷

　　1974年7月，Colchester第二版序

　　本书基本上在讲概念，如果不说科学前沿，它大概是不会很快落伍的。不过，有的概念还是失败了，而时空里生活着的某些精灵，在本书第一版出版后的8年里，却当然地获得了新奇的特征。例如夸克，一个与电子和其他轻子共同扮演着真正的基本角色的伙伴，表现出了令人欣喜的性质，越来越实在了。现在，新的实验发现了长程关联，量子世界更加不平凡了。囊括一切的大统一带来了最深广的思想。同时，与半导体电子学相关的低维物质的研究也在满地开花结果。所有这些（也许还有别的）七彩绚烂的东西都该向大家展示出来。在这第二版里，它们都找到了自己的位置，而书也重写了一点，篇幅也扩充了一些。但书的本色跟过去一样，我希望它还像第一版那样幸运，能得到专家和大众的接受和喜欢。

　　B.K.里德雷

　　1983年7月，Colchester第三版序

　　在这新的一版里，许多内容没变，而风格更是一点儿没变。不过我还是忍不住借这个机会增加了新的一章（“大白鲨”），增加了一个附录（“自然力的交易”）。译者觉得把它改作本书的“尾声”更好一些。新的一章强调了不太常听人说起的一些现代理论物理学的概念性难题——当然是凭我个人的兴趣。新的附录说得太随便了，有点儿不像话。另外，还简单谈了些最近流行的东西，如弦和混沌；修正了一些印错的数字。总的说来，本书从Aaron Riclley的批评中得到了很大的帮助，我要特别感谢他；我还要感谢Ann Spencer，她为我画了幅可能的“大白鲨”近影的插图，令我很感兴趣。我希望这本书现在也跟以前的版本一样，能令人欣喜地看到非专业的读者都能读下去。

　　B.K.里德雷

　　第1章万物

　　诗人的眼睛那神奇狂放的一转，

　　从天上看到地下，从地下转回天上；

　　幻想生成的

　　未知的事物，在诗人的笔底

　　显出了模样，空空如也的它们

　　也获得了名字和地方。

　　——莎士比亚：仲夏夜之梦第五幕第一场雅典公爵忒修斯的话。他说，“疯子、情人和诗人都是幻想的产儿……诗人的眼睛……”译文参考了朱生豪先生的译本（人民文学出版社，1978）。

　　从简单说起

　　物理学讲的是宇宙间的简单事物。它把复杂的生命和活体留给生物学，也求之不得地将原子间数不清的相互作用方式留给化学去探索。活细胞当然复杂得不能再复杂了，而一样复杂的还有曲面——随便哪种曲面。生物物理或化学物理偶尔会遇到这些问题，但总的说来，它们是很难对付的。细胞和曲面都不是什么简单的东西。

　　可以说，简单的东西根本就不存在。皇后敢向爱丽丝吹嘘，她在早餐前能想出6样不可能的东西，但是她却很难想象6样简单的东西。请看第2章标题下引的那段话。让我们来看一个普通的例子，如一块石头，一块能拿得起也放得下的石头，还有什么能比它更简单的东西吗？我们看得见、摸得着、拿得起的东西，都是我们身边的一些实实在在的东西。重要的是要认识它们是怎么运动的——而石头是最简单的子弹。石器时代的军队大概会积极开展某些关于石头弹道曲线的研究，但是物理学家们几乎不会去碰它，除非重金悬赏。石头太复杂了，表面一点儿也不规则。想想看，空气从它粗糙的表面流过，该有多复杂，多混乱。所以，也不可能从石头的特殊现象中找出所有子弹普遍存在的东西。

　　于是，有人把石头切割成整齐规则的形状——像那5个规则的物体（图11）。像四面体或立方体形状的物体，似乎更容易把握，因为它们是高度对称的。我们只需要考虑5种规则形状，这该是多图1.15种规则的固体。每一固体的面数都写在括号里。

　　简单呀！有兴趣的读者可以试着证明，在三维空间里的确只能存在那5种规则的多面体。（证明只需要用点（v）线（e）面（f）关系的欧拉（Euler）定理：v+f-e=2，当然还得靠一点数学机智。）想当然地看，这些形状的物体在专门研究简单事物的科学里一定占据着特别重要的地位，但事实并非如此。只有在极少的情况下，规则体的概念才可爱，才有用。开普勒（ Kepler）曾以此为基础艰难地构造太阳系的理论。开普勒在1596年出版的第一本书《宇宙的秘密》（Mysterium Cosmograhicum）中说，宇宙是以柏拉图的这5个规则固体的模式构成的。在他看来，数学的协调是宇宙的基础。在结晶学中，立方体的对称性起着特别重要的作用。然而，不论哪种规则形状的物体，在物理学中都没有意义。原因是，规则的固体也有棱角，它们的规则性是相对的。从不同角度看，它们并不相同，有的方向比别的方向“更特殊”。

　　把那些棱角磨掉，我们就得到一个台球。物理学家那么喜欢台球，天知道！在物理学中，台球是许多事物的原型，从这一点说，我们常说的没有重量的弦也不如它重要。台球从各方面看都是一样的；我们可以将它握在手中，也可以抛向天空，还可以让它摆，让它滚，一切力学定律都可以拿它来考察。石器时代的自然哲学家们一定乐意拿钱来买我们关于球状石头的研究成果。台球虽然诱人，却也不够简单。它的缺陷是那张包在外头的曲面。我们在开头讲过，曲面不是简单的东西。然而，一个物体要与周围区别开来，总会裹张皮的。既然这样，我们来想象一样无限坚硬、完全光滑、绝对没有结构的东西，让曲面理想地消失。然后，我们用一种无比坚硬的理想弹性材料来做一个绝对均匀的台球。我们将那材料叫“乌托子”（ utopium）。这个名字当然是从utopiu（乌托邦）衍生来的；ium是代表元素的词尾。现在，我们有了第一样简单的物理学事物——用乌托子造的台球。

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第一版序  ………………………………………… 001

第二版序  ………………………………………… 003

第三版序  ………………………………………… 004

第1章万物  …………………………………… 001

从简单说起 …………………………………… 001

理想化 ………………………………………… 004

原子 …………………………………………… 007

波 ……………………………………………… 011

第2章奇事  …………………………………… 016

电磁波 ………………………………………… 017

电子和原子 …………………………………… 019

粒子和波 ……………………………………… 024

作用量子 ……………………………………… 026

泡利原理与基本粒子 ………………………… 028

夸克 …………………………………………… 034

相互作用 ……………………………………… 038

弦 ……………………………………………… 040

从粒子到黑洞 ………………………………… 042

第3章空间 …………………………………… 046

绝对的空间和时间 …………………………… 046

空间和维 ……………………………………… 049

空间的几何 …………………………………… 054

空间的尺度 …………………………………… 059

第4章时间 …………………………………… 063

时间的测量 …………………………………… 063

时间尺度 ……………………………………… 068

时间的选择 …………………………………… 072

时间箭头 ……………………………………… 074

时间是虚的吗 ………………………………… 075

第5章运动 …………………………………… 077

速度测量与时间同步 ………………………… 078

光速与时间 …………………………………… 081

相对论 ………………………………………… 083

加速运动 ……………………………………… 090

第6章能量 …………………………………… 095

引力质量 ……………………………………… 096

惯性质量 ……………………………………… 098

动量和动能 …………………………………… 103

能量守恒 ……………………………………… 107

E=mc2 ………………………………………… 112

大数巧合 ……………………………………… 115

第7章自由 …………………………………… 117

不确定性原理 ………………………………… 118

量子的自由 …………………………………… 121

量子场 ………………………………………… 126

相互作用 ……………………………………… 129

对称性 ………………………………………… 136

第8章质量 …………………………………… 141

惯性的电磁起源 ……………………………… 142

等效原理 ……………………………………… 147

惯性的相对论起源 …………………………… 153

第9章机会 …………………………………… 160

简单和复杂 …………………………………… 160

概率 …………………………………………… 163

大数 …………………………………………… 167

热量和温度 …………………………………… 172

熵 ……………………………………………… 178

混沌 …………………………………………… 181

第10章大白鲨………………………………184

第11章奥妙…………………………………193

尾声自然力的交易 …………………………… 199

附录1基本物理常数 ………………………… 202

附录2大小数表示法 ………………………… 204

译后记 …………………………………………… 205