内容简介

本书介绍了西方科学家如何从17世纪开始到21世纪初，通过天文观察及理论了解，逐步改变和深化我们对宇宙的认识，特别强调了科学家们对光和万有引力的探索所起的作用。用历史故事的方式，以时为经，以科学人物的逸事和贡献为纬，浅入深出，使读者通过趣味性阅读，增强对客观物理世界认识的力量，在轻松的氛围中吸收近代的硬核宇宙概念。

编辑推荐

作者留美30多年，是美国普林斯顿大学天文物理学博士，核聚变、空间等离子及微波物理专家。本书内容生动活泼，以讲故事的形式为主，贯穿宇宙大爆炸理论是如何从模糊的概念开始，一步步地成为今天有鼻有眼的模样，成为一个被主流科学界接受的宇宙模型，同时满足读者对宇宙奥秘的好奇。书中对宇宙学中一些较晦涩的理论，作者博采各种名家论述，以浅白的语言、生动的例证，深入剖析了其中的奥秘，使读者读起来恍然大悟。书中所描述的众多科学家虽然出身各异，但通过自身努力，都成为一代学者，可作为青少年的励志榜样。

作者简介

曾镜涛，留美30多年，是核聚变、空间等离子及微波物理专家。本科毕业后，赴美国普林斯顿大学攻读天文物理学博士，对宇宙大爆炸模型发展的关注从未停止。回国后，任北京师范大学香港浸会大学联合国际学院教授，从事大学教育工作15年，开设有宇宙天文学入门课 Space Time and Cosmos等课程。

前言

宇宙是什么样的？宇宙有多大？宇宙有起源吗？它是不是亘古不变的？又或是如何演化到如今这般状态？未来又会怎样演变？这些问题是每个人脑海中的谜团，也是塑造青少年世界观的重要环节，并将影响他们的人生观和价值观。“哀吾生之须臾，羡长江之无穷”，古往今来，多少骚人墨客都有过这种感叹。宇宙是否无穷无尽，古人不一定有答案，但人类的确很渺小。人生苦短，渺小而又短暂的人生，如何能认识庞大而又古老的宇宙？作为本书的一大特点，作者的重点不在于罗列大量的知识点，而是重点告诉青少年读者，这些知识是如何获得和积累下来的，其中蕴含着丰富的科学思维方式和科学方法。对科学思维方式和科学方法的介绍不足，是目前中国科学教育的短板。西方科学发源于16世纪哥白尼的日心说，从此拉开了西方科学革命的帷幕，此后一连串的连锁反应，使西方文化产生一个大跃进。从1642年牛顿诞生，到1842年《南京条约》的签订，不过短短的200年光景，按照牛顿出生时的英国旧历法，牛顿生于1642年12月25日，但根据今天的历法来说，则是生于1643年1月4日。为了弥补其前身朱利安历法（Julian calendar）的不准确之处，公历（Gregorian calendar），我们今天使用的日历系统，于1582年由天主教皇格雷戈里十三世颁布的教皇法令首次推出。经过三个多世纪，从1582年到1927年，公历才为所有国家采用。英国和它的殖民地花了将近200年的时间（1752年）才从朱利安历法改变为公历，因此在牛顿去世时（1727年），英国还没有改为我们今天使用的公历。欧洲在这期间人才辈出，百花齐放，近代科学从此产生，西方列强开始称霸全球。同一时期，东方大清帝国的君臣上下，知识分子，还在做天朝大国的春秋大梦，盲目自大、闭关锁国，错过了大航海时代，错过了科技革命，东西方实力对比，此消彼长，发生了巨大的变化，以至曾经科技文化领先世界几千年的中国，不得不面对几近被西方列强瓜分的命运。这一段刻骨铭心的历史，是每一个中国人应该牢记的。写作本书的目的是对这一段历史做系统性的梳理，重点放在近代天文学的发展上，特别聚焦在基础科学的进步是如何提升人类对宇宙认识的。作为一个案例，近代天文学的演进，可以使我们明白点点滴滴的知识，经过数百年时间积累下来，开始时看来无关宏旨，但是经过世代的沉淀，产生了从量到质的变化，后引起飞跃式的进步。作者写作本书的意图有两方面：一方面是以这一段历史为鉴，使国人知道科技的发展没有急功近利的捷径可走。当前中国科技要更上一层楼，正需要踏踏实实地重走这个厚积的过程，才可以把科技的发展建立在一个牢固的基础上。另一方面希望本书也是一本高水平的宇宙天文学通俗科普读物。本书介绍西方科学家如何从17世纪开始到21世纪初，通过天文观察及理论了解，一步一步地改变和深化我们对宇宙的认识，特别强调科学家们对光和万有引力的探索所起的作用。用历史故事的方式，以时为经，以科学人物的逸事和贡献为纬，浅入深出，梳理清楚，使读者通过趣味性的阅读，培养科学、理性的思维方式，增强对客观物理世界认识的力量，在轻松的氛围中吸收近代的硬核宇宙概念，如四维时空、宇宙大爆炸、暗物质、暗能量、引力波，等等。本书的读者对象为中等或以上学历，对天文、航天有兴趣的年轻人。书中所描述的众多科学家虽然出身各异，但通过自身努力，都成为一代学者，可作为青少年的励志榜样。如爱因斯坦，他不是传统教育下的好学生、尖子生、学霸，但他以创造性的思维，锲而不舍地攻克物理学中的难题，石破天惊地发展并完成相对论的理论研究，成为前无古人的物理与宇宙学大家。又如英国物理学家法拉第，尽管他出身卑微，13岁便辍学，到书籍装订店当学徒，但他努力自学，终于被尊为电磁学大师，电磁学中的很多定律都是在法拉第实验中被发现的，引发了发电机和电动机的发明，启动了第二次工业革命，使人类社会进入电气化时代。宇宙是奇妙的，它不可思议的地方是，人类居然可以用理性思维来理解它。贯穿本书的主题，是宇宙大爆炸理论如何从模糊的概念开始，一步步地成为今天有鼻子有眼的模样，成为一个被主流科学界接受的宇宙模型。作者在宇宙微波背景辐射被发现后不久即选择研习物理本科，正是被当时科学界的兴奋所感染。本科毕业后，作者赴美国普林斯顿大学攻读天文物理学博士，日后虽然因为种种原因没有进入宇宙学专业，但对宇宙大爆炸模型发展的关注，从来没有松懈下来。特别是在普林斯顿的一段日子，在师友交流讨论间，亲身感受大爆炸模型一线研究者的坚持与执着，他们的热情和毅力，给作者留下了深刻的印象。大爆炸模型有今天的成就，实在是来之不易。这一段历史，是人类以理性逻辑思维来破解宇宙奥秘的一个典型例子。介绍这一段历史中大师们建模时的心路历程和他们所使用的方法，具有巨大的教育意义，可以作为科研人员解决其他问题的参考。作者留美30多年，是核聚变、空间等离子及微波物理的专家。回国后任北京师范大学香港浸会大学联合国际学院教授，从事大学教育工作长达15年。开设的宇宙天文学入门课 Space Time and Cosmos 也有十多年历史了，其内容生动活泼，以讲故事的形式为主，满足年轻学子对宇宙奥秘的好奇，深受欢迎。本书内容多基于此。所谓十年磨一剑，作者对有关的科学知识的介绍，是经过教室实践检验的，一些宇宙学中较艰辛的理论，如相对论的时空概念等，作者博采各种名家论述，以浅白的语言、生动的例证，浅入深出地剖析其中奥秘，使学子们闻之往往有如醍醐灌顶，恍然大悟。本书的覆盖面很广，每一章都有它的独立性，可以做选择性阅读。章与章间有一定的连贯性，前后呼应，覆盖了差不多400年的科学史，所以，为了适应更广泛读者的阅读水平，不得不对素材和内容有所取舍，不免有沧海遗珠之叹。一些相关高难度的题材不能做太专业的讨论，但有兴趣进一步探讨的读者，可以依从每章后所附的参考材料，按个人爱好做更深度的钻研。另一方面，鉴于近年来科幻和科学之间的区别变得模糊不清，特别是在宇宙学领域，作为一本忠实的科普读物，我们坚持本书内容应该是基于严谨的科学知识。对一些目前还没有得到实验证明的纯理论性臆测的猜想，如四维时空中的虫洞、时间旅行、多重宇宙，甚至是宇宙大爆炸早期的暴胀、超弦理论等话题，都不予讨论，目的是不想用猜测混淆当前的事实。本书承蒙中国科学院欧阳自远院士、澳门科技大学月球与行星科学实验室陈炯林教授鼎力推荐，在中国科学院国家天文台郑永春博士的建议和多方帮忙下，申请获得航天科技图书出版基金资助，对本书的出版，起了关键性作用，谨此衷心致谢。陈炯林教授是作者在普林斯顿大学的学长，也是宇宙学大师，2019年诺贝尔物理学奖得主皮布尔斯教授（Prof. James Peebles）的入室弟子，当年作者从陈教授处获知不少有关皮布尔斯教授的逸事，所以对这一段历史印象特别深刻，成为激发作者把这些故事汇编成书的动力。此外，作者启蒙老师、香港中文大学陈方正教授在百忙中抽空通读书稿，赐予许多宝贵意见，对此深深铭谢。最后，本书的出版，有赖于中国宇航出版社徐春梅、黄莘、赵宏颖等工作人员的热心支持，十分感谢。2021年6月30日于广东五桂山

目录

第一章 光的本质与牛顿物理学／ 1第 1 节  光能跑多快？伽利略，卡西尼，罗默／2第 2 节  从光到万有引力—胡克和牛顿的瑜亮之争／13第 3 节  光更像是波？惠更斯，菲涅尔／27第 4 节  不可见的光、电磁波—赫歇尔、法拉第和麦克斯韦的贡献／36第 5 节  本来无此物，何处寻“以太”？迈克尔逊与莫利的实验／46第二章 光、爱因斯坦与相对论／ 57第 1 节  凯尔文勋爵的两朵“乌云”！／59第 2 节  骑在光波上的男孩 ／66第 3 节  1905 年—爱因斯坦的奇迹年 ／75第 4 节  扭曲的“时空”—广义相对论／87第 5 节  牛顿爵士，您的重力理论错了 ! ／97第 6 节  爱因斯坦：我一生中的失误／107第三章 于无声处听惊雷—天文史上的颠覆性发现／ 117第 1 节  19 世纪的宇宙有多大？／118第 2 节  星云是什么 ?／126第 3 节  近代巨型望远镜的建造狂魔—黑尔／131第 4 节  夜空中的魔眼—变星／135第 5 节  天文学的摄影革命—哈佛天文台的妇女团队／140第 6 节  巨人天文学家—哈勃／149第 7 节  星光中的奥秘 ／158第 8 节  哈勃定律—膨胀中的宇宙／168第四章 其小无内 ?—电子、质子、原子中的世界／ 183第 1 节  葡萄干布丁，还是微型太阳系？—原子的结构／184第 2 节  地狱之火—裂变核能的发现／196第 3 节  聚变—天上的火焰／200第五章 “有物混成，先天地生”—宇宙大爆炸／ 207第 1 节  初的 5 分钟—氦是怎样炼成的？／208第 2 节  大爆炸的余晖—宇宙微波背景辐射／213第 3 节  贝尔实验室与普林斯顿—寻找宇宙微波背景的竞赛 ／220第 4 节  宇宙的婴儿照片—霍金：“本世纪重要的发现”（宇宙背景探索者卫星）／228第六章 暗物质，暗能量／ 237第 1 节  没有大爆炸的《创世记》，可能吗？／238第 2 节  暗物质—理论家的垃圾？还是上帝粒子？／243第 3 节  暗能量—量子世界中的“空即是色”？／251第 4 节  宇宙的旋律—微波背景辐射天空图中斑点的秘密／260第 5 节  宇宙简史／266结语：宏观、微观宇宙的大统一— “万物理论”与弦理论／ 269参考文献／ 277