這本書讓你飽覽2500年的科學、藝術與哲學之美！

數學系畢業

物理學諾獎獲得者

愛好哲學，文學，詩歌

獻上膝蓋吧

久違了的讓人眼前一亮的

超級科普大書

我們的宇宙是一件

天工神作的藝術品嗎？

（套裝贈送第一推動25周年紀念版筆記本）

為了探究這一問題，諾貝爾獎獲得者維爾切克帶領讀者踏上了人類2500年探索美的征途，沿途讓我們領略了物理、藝術和哲學的錦繡風光。作者從畢達哥拉斯的萬物皆數開始，曆數人類在認識自然過程中所產生的美麗思考：從開普勒的行星模型，到牛頓的力學，再到麥克斯韋的電磁方程、愛因斯坦的相對論和原子運動的量子美。他指出，有些思考即使是錯的，但其中蘊含的美仍然會具有強大的生命力。比如，畢達哥拉斯萬物皆數的觀點從現代科學角度看顯然不正確，但將整數和物理現象聯繫起來這個想法卻生存下來，在現代量子力學中得到了完美體現。

《美麗之問》這本書通過量子論和標準模型具體呈現了科學之美，建立在對稱性上的標準模型昭示著基礎物理已經非常接近畢達哥拉斯和柏拉圖的聖殿：物理現實和數學理想之間的完美對應。作者也指出了它的缺陷，從而將讀者引向更激動人心的暗物質和暗能量。

作者簡介

弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）由於在攻讀研究生期間發現夸克粒子的漸近自由，於2004年榮獲諾貝爾物理學獎。他現任麻省理工學院物理系教授，擁有「赫爾曼·費什巴赫教授」的榮譽稱號，並受聘於上海交通大學維爾切克量子研究中心。他在1989年出版的著作《渴望和諧》（Longing for the Harmonies）被《紐約時報》列為當年的優秀讀物。他常年為《自然》雜誌和《今日物理》供稿，他的文章曾入選《美國科學寫作精選》（Best American Science Writing）和《諾頓打油詩選》（Norton Anthology of Light Verse）。

作者致中國讀者

1、每個人都應該對現代科學感興趣。

充滿好奇心的年輕人，即使立志於深度學習，也應該先試試水讓自己和科學想法成為好友，然後再慢慢深入細節。阿爾伯特·愛因斯坦在孩提時代讀過阿龍·伯恩斯坦（Aron Bernstein）的《大眾自然科學》（People』s Book on Natural Science），他晚年時曾描述這對他的成長是如何重要。

現代科學中充滿了應用廣泛、出人意料和神奇美麗的想法。任何人，從孩子到退休老人，從藝術家到工人，都能通過了解和思考這些想法來豐富自己的生活和擴展自己的思想。你不一定要掌握複雜的數學計算，或學習操作複雜的儀器，你依然能受益匪淺。

即使不知道所有的細節，你仍然能理解更能享受很多科學知識。現代科學之父，伊薩克·牛頓深諳此道，留下了下面這段美麗的文字：

我不知道世界是怎樣看我的。但對我自己來說，我只是海邊玩耍的一個男孩，時不時會發現一枚更光滑或更漂亮的貝殼，對面前那浩瀚的真理的海洋我完全是無知的。

牛頓說的這種在探索和玩耍中獲得的喜悅是我們每個人在孩提時代都經歷和體會過的。進一步培養和發掘這種喜悅，我們便能豐富對世界的了解、升華自己人生、讓歡樂和自己常伴。我們會因此在精神上永遠年輕。

2、作為一個例子，讓我們看一下，關於顏色現代科學告訴了我們什麼。

對於大多數人， 顏色會讓他體驗到的世界變得生動而絢麗。當人們化妝、挑選衣服、駐足於藝術品前時，他們是在欣賞顏色是如何讓世界變得更加美麗的。不用絞盡腦汁地思考，你就可以欣賞顏色並獲得快樂。

但是如果我們有好奇心，不想浮游一生，我們便會開始問問題。顏色究竟是什麼？它僅僅是自然隨意賜予世界的一種美妙的裝飾？還是背後有更精彩的故事？

對於這樣的基本問題，現代科學的答案常常出人意料。

我們發現我們其實生活在一種類似液體的媒介里，它瀰漫在整個空間里被叫做電磁場。我們通常認為空間是「虛無」 的，但現代物理髮現空間是一種充滿了各種奇妙成分的內容豐富的液體。我們就像魚兒一樣，生活在一個永遠逃避不了，同時早已習慣了的海洋里。

科學進一步發現：原來，光是這種液體里一種會傳播的振動。

我們都知道，聲音是空氣中傳播的振動。太妙了，光和聲音居然如此相似，這不是那種詩歌中模糊的相似，而是深刻的物理實質上的相似。

關於光科學有更多的發現。我們發現彩虹就像一個特殊的鋼琴鍵盤，每個鍵上都清晰地標註了對應的音符，只是對於彩虹，每個鍵對應一種顏色。這種詩一般的類比其實是建立在眾多事實和實驗上的。你理解的事實越多，你就越能欣賞這類詩歌的美妙。

科學有更深入的發展，它告訴我們，原子其實也是一件件樂器。雖然它們發出的不是聲音而是光，但它們工作的原理和我們製作的比它們大很多的樂器是一樣的。

另外，還有很多我們眼睛看不到的顏色。無線電波、微波、紅外光和紫外光、X射線和伽馬射線和可見光一樣是電磁場的波動。我們的眼睛雖然看不到它們，但是我們通過思維發現了它們的存在。我們現在可以用各種接收器、發射器來探測、控制、甚至產生它們。

儘管我多年前已經熟悉這些光、顏色、和聲音的科學事實，可是我每次後靜下來重溫這些知識的時候，我還是讚嘆不已，就像剛剛學到一樣。我們生活的世界太妙了！現實的深層結構常常是神奇和隱秘的。當你一步一步深入理解它，你才會發現日常經歷的世界是一個迷人的宮殿。

3、結束前讓我再引一段我喜愛的伊薩克·牛頓的話：

一個人甚至一代人要理解整個自然都太難了。最好先確切地解決一些問題，然後把其他的問題留給後人。最忌試圖通過建立一堆假設來一下子理解所有的問題。

理查德·費曼，一個偉大的現代物理學家，說過類似的話：

我玩的遊戲非常有趣。它就是想像，一種穿著緊身衣的想像。

前面我一直在強調科學是如何揭示有趣的相似，解放我們的思維。但是這些相似之所以令人信服，這些思維解放而不瘋狂，是因為牛頓和費曼在上面引言中表達的謙虛和自律。這是一個只有一條規則的遊戲，這條規則是嚴格的：大自然是最後的裁判。

弗蘭克·維爾切克

精彩文摘

對稱性Ⅰ：愛因斯坦的兩部曲

阿爾伯特·愛因斯坦（1879 - 1955）用他的兩個相對論——狹義相對論和廣義相對論 ——類思考大自然基本原理的思維模式另闢出一條路徑。愛因斯坦心中的大美蘊含於對稱的具體形式里而且自成一體。美變成了創造的原則。

神話般虛構的經歷

愛因斯坦說到自己的科學研究方法時，他的話聽上去具有明顯的「前科學」意味，感覺他似乎回到自己十分讚美的古希臘時代：

真正讓我感興趣的是上帝在創世的時候有沒有別的方案可選。

愛因斯坦認為，上帝 ——其稱為創世的神工巧匠 —— 可能別無選擇。牛頓和麥克斯韋九泉之下會對此非常震驚。但是它和畢達哥拉斯普世和諧以及柏拉圖永恆理想的概念契合得天衣無縫。

如果這位大工匠別無選擇：他為什麼不能選擇？他被什麼束縛了手腳呢？

有一種可能：這位大工匠內心裡就是個藝術家。約束來自對美的渴望。我情願（也確實）認為，愛因斯坦曾沿著我們問題的思路思考過 ——間萬物是否是各種妙想的附體？ ——充滿信心地回答說：「對，就是。」

美是一個很模糊的概念，其實「力」和「能量」等概念最初也很模糊。科學家通過與自然對話，學習著讓「力」和「能量」的概念不斷完善，力求這些概念盡量符合世界實相的重要方面。

同樣，通過研究這位大工匠的作品，我們也可以逐步完善「對稱」的概念，進而最終完善「美」的概念 ——些概念反映了實相的要素。與此同時我們盡量恪守保持這些詞在日常語言的原意。

狹義相對論：伽利略加麥克斯韋

如果愛因斯坦是畢達哥拉斯的轉世，（由於多次轉世輪迴）他在這過程中一定學到了很多東西。愛因斯坦當然不會摒棄牛頓、麥克斯韋以及其他科學革命時期的英雄們做出的重大發現，他也不會輕視這些人對觀測到的現象及其具體事實的尊重。理查德·費曼1 稱愛因斯坦是「一個巨人」，他說：「他的頭腦遠在雲端而他的腳卻踩在地上。」

愛因斯坦在他的狹義相對論中調和了兩位前輩貌似矛盾的兩個概念。

* 伽利略注意到，勻速的整體運動使得自然規律保持不變。這個概念是哥白尼天文學的基礎，它在牛頓力學中也根深蒂固。

* 麥克斯韋方程組意味著光速是自然的基本規律的直接結果，光速不會改變。這是麥克斯韋關於光的電磁理論的明確無誤的結論，而這個理論得到了赫茲和很多其他人的驗證實。

但這兩個概念之間卻存在著衝突。經驗告訴我們，如果我們本身處於運動中，那麼任何觀測對象的表面速度都會發生改變。阿基里斯追上了烏龜，他甚至超過了烏龜（因為在阿基里斯的眼裡烏龜其實不在往前跑而是在往後跑）。可光束為什麼會與眾不同呢？

愛因斯坦解決了這個衝突。通過縝密地分析異地同步時鐘的操作程序，以及這個同步過程如何被勻速的整體運動所改變，愛因斯坦很快意識到運動的觀察者分配給一個事件的「時間」和固定的觀察者分配給它的「時間」不同，而且這個不同還取決於觀察者的位置。對於共同觀察的事件，一個觀察者的時間融合了對方的時間和空間，反之亦然。這種時間和空間上的「相對性」就是愛因斯坦狹義相對論中的全新理念。這個理論所做的兩個設想本來早在愛因斯坦之前就存在而且已被廣泛接受 ——有人給予足夠的重視來強迫它們和諧一致。

因為麥克斯韋方程組包含了光速，狹義相對論的第二個假設——利略變換下光速保持不變，直接來自於愛因斯坦的開創性想法：同時尊重麥克斯韋方程組和伽利略的對稱性。但前者是一個更弱的假設。

實際上，愛因斯坦還把問題反過來進行了討論，發現利用伽利略變換可以從麥克斯韋方程組四個方程中的一個推導出完整的方程組。（如果讓電荷運動起來便會產生電流，如果讓電場運動起來便會產生磁場。支配靜止的電荷產生電場的定律經過伽利略變換後可以描述更一般的情況。這一招可謂意義深遠，它煥發著未來的光芒。對稱，而不是現有定律的推論，成了一條充滿活力的主要原則。人們可以用對稱性約束定律。

光照下的兩首詩

| 將彩虹重新編織 |

我發覺狹義相對論的物理結果中有一個結果特別美麗，它彙集了許多深刻的主題，但我們居然可以用感官去直接體驗它。前面幾個章節的沉思里，我講述了光與色彩的物理原理以及發現它們的歷史，這為我們盡情享受這個美麗的結果做好了充分的鋪墊。

考慮一束純色的光，我們設想自己處在一個勻速移動的平台上，也就是做一次伽利略變換，看看這束光會如何變化。我們當然會看到一束光，那束光仍然按照以前的速度穿過空間：光速是不變的。如果一開始有一束特定顏色的純光，那麼我們看到的光束仍然有那個特定的顏色，可是…

它的顏色變了！如果我們沿著光束的方向移動（這樣我們就離開了光的源頭），或者說光的源頭遠離我們，光束的顏色就會向光譜的紅端轉變（如果顏色一開始就是紅色，那麼光束就會變為紅外線）。如果我們反向移動，顏色就會向光譜的藍端轉變（或變成紫外線）。移動的速度越快效果越明顯。

前一個效果在宇宙學中很常見，因為遙遠的星系正在朝著遠離我們的方向移動 - 用我們的行話說：宇宙在膨脹。在這種情況下，我們稱這個現象為紅移。正是觀察到了已知光譜線的紅移現象，我們才發現了宇宙的膨脹。

我們因此得出了這樣一個重要的結論：所有顏色，都可以通過運動，也就是所謂的伽利略變換，從另一個顏色中產生。因為伽利略變換是自然規律中的對稱性，任何顏色與其它顏色完全等價。不同的顏色只是相同事物的不同視角；那些視角雖然不同但都同等有效。

百聞不如一見，說了這麼多不如看一張圖！在彩圖58.中你們看到的是一個純色光束的波動圖形，這束光的光源以光速的十分之七的速度向右移動。如果你們處在偏右的位置，光束會向你們靠近，這時你們感受到的顏色是藍色。如果你們在左面，光束就會離你們漸遠，你們看到的就是紅色。在這個圖中，光源處於靠近中心的位置。

牛頓本以為他可以證實每種顏色都和其它顏色之間存在著固有的內在區別，沒有鍊金術似的辦法可以把一種顏色變成另一種顏色。牛頓的實驗確立，每種顏色的光，無論經過反射、折射或是其它可能的轉換過程，顏色都保持不變。

但是他大錯特錯啦！如果牛頓以每秒鐘數以萬米的速度飛跑過稜鏡，他就會發現自己犯的錯誤。我當然是在開玩笑了。但我們常常聽到科普作者和科學評論者一本正經地這麼說 - 好像除了最新的「萬物真諦」，其餘的一切都是垃圾。這種觀點有點讓人恐懼，它讓人想起沒有容忍性的集權意識。我真正想要強調的觀點卻恰恰與之相反：牛頓的結論差一點就對了，而且這些結論一直都那麼有用。

然而，發現了故事還有續集還是十分美妙的。在續集里我們讀懂了，在多樣的表面背後深深地隱藏著統一，正是這種統一又維持著多樣性。所有的顏色只是我們在不同的運動狀態下看的同一個東西。濟慈曾抱怨說科學「把彩虹拆得七零八落」，科學用新的篇章對這樣的抱怨做出了出色而富有詩意的回應。

| 讓色彩恢復生氣 |

和音調一樣，色彩的物理本質也是隨時間變化的信號。光的時變速度太快，我們人類的器官根本跟不上這種變化。光的頻率太高了。所以，為了在這種逆境下隨遇而安，我們的感官系統在處理信息的時候只將其中一小部分信息編碼成了色彩。到頭來在這些編密碼中幾乎沒有任何它們起源的蛛絲馬跡！當我們看到一種顏色的時候，我們看到的只是象徵變化的一個符號，而不是發生變化的事物本身。

我們可以將更多隱藏的信息還原，具體地說就是恢復時變本來的狀態，使它按比例變慢以適應人類所及的能力。通過這種還原變換，我們為感知敞開了更多的幾扇大門。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！