万物原理+时间起源（套装2册） 弗兰克·维尔切克等著 中信出版社官方旗舰店 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

《万物原理》

世界有什么？世界是如何变成这样的？围绕这两个问题，诺奖得主维尔切克为我们揭示了十项深刻的洞见，阐明了每个人都应该了解的物理世界。

维尔切克教授用他优美而通俗的文笔，先从八个方面介绍了人类已经取得的科学成就: 空间、间、物质的构成、万物运动的规律、材料和能源、宇宙的演化、复杂性的出现、感知能力的扩展，然后描述了人类当前面临的科学难题，比如暗物质和暗能量。在这些介绍之前，维尔切克教授向读者发出了预警：科学揭示，“宇宙是一个奇怪的地方”，或者科学诞生之前的人类建立的关于世界的经验模型全然不同。为了理解和发现自然的奥秘，我们须学新弃旧，在思维模式上“重生”。

精彩、清晰、平易近人，这是一场凝聚人类智慧和想象力的盛宴，将扩展你的世界和思维。

《时间起源》

霍金在生前发表的后一篇论文中提出了自上而下的新宇宙学，颠覆了他在《时间简史》中提出的关于时间起源的观点，本书作者托马斯·赫托格正是这篇论文的合著者。在这篇刊登在《高能物理学杂志》上的文章中，他们认为多元宇宙并没有那么多，宇宙的演化在整体上是平滑而有限的。

霍金在他非凡的一生中试图回答，宇宙是如何创造出如此美且适宜生命生存的环境的？为了解开这个谜团，霍金研究了宇宙的大爆炸起源，但他的早期工作遇到了危机，因为他的数学预测结果显示，在可能产生的有宇宙中，占大比例的宇宙种类是无法孕育出生命的。

《万物原理》

序言 重生

引言

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一部分 世界有什么

01. 丰富的空间

02. 丰富的时间

03. 极少的组分

04. 极少的定律

05. 丰富的物质和能量

第二部分 开端和结尾

06. 宇宙的历史是一本读不完的书

07. 复杂性的出现

08. 还有很多值得一看的东西

09. 谜团犹存

10. 互补性是思维的拓展

后记 万般远途，惟有归家路

附录

致谢

《时间起源》

序 III

1章 悖论 001

第2章 没有昨天 039

第3章 宇宙诞生 081

第4章 灰烬和烟雾 117

第5章 迷失在多元宇宙中 151

第6章 没有问题，就没有历史 191

第7章 没有时间的时间 243

第8章 在宇宙中安家 289

致谢 311

图片来源 315

参考文献 319

注释 321

作者: 弗兰克·维尔切克著

简介: 弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）：理论物理学家。现任美国麻省理工学院教授，上海交通大学讲席教授。2004年因在夸克之间强相互作用理论方面所取得的成就，与戴维·格罗斯和戴维·波利策共同获得诺贝尔物理学奖。2021年当选中国科学院外籍院士。

作者: 托马斯·赫托格著

简介: 托马斯·赫托格，世界著名宇宙学家，比利时鲁汶大学教授、引力波中心主任，与霍金是多年的合作伙伴。他在比利时的团队主要致力于在弦论的基础上研究引力波和黑洞的物理本质。2014年获得欧洲研究理事会独立科研基金。2015年获得佛兰德科学研究基金资助。

他和霍金联合发表了霍金生前最后一篇关于多元宇宙的论文，本书也是在此基础上写作而成，代表了霍金科研生涯最后的成果。

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《万物原理》

写这本书改变了我对世界的看法。它开始只是一份阐述，但后来发展为一种沉思。当我反观写作材料的时候，两个包罗万象的主题出乎意料地展现在我眼前。它们的清晰与深刻令我震惊。

一个主题是丰富。世界很大。当然，在晴朗夜空仰望苍穹足以让你感受到空间之广阔。而经过更加仔细的研究，在了解了空间尺度的数字以后，你的头脑更是会被震惊到不知所措。但是空间的浩渺只是自然之丰富的一个方面，而且它并不是人类经验中核心的方面。

首先，正如理查德·费曼所言：“于微纳处天地宽。”我们每个人体内都包含了远比可见宇宙中的恒星数量还多的原子，我们的大脑包含的神经元数量也和我们星系中的恒星数量相当。内在宇宙为外在宇宙提供了有价值的补充。

空间如此，时间亦如此。宇宙的时间也很丰富。在追溯到大爆炸的时间长度面前，人类的寿命顿时变得不值一提。然而，我们将讨论到，人完整的一生所包含的有意识的瞬间，远多于宇宙历史包含的人类寿命的数量。我们被赋予了丰富的内在时间。

物理世界也充满了此前未被开发的资源，供人们创造和感知。科学表明，我们周遭的世界包含的已知可利用的能源和材料远多于人类当前正开发的。认识到这一点，可以赋予我们力量，也应当能激励我们的雄心壮志。

在没有辅助的情况下，我们只能感知到科学探索揭示的现实中很小的部分。以视觉为例，我们的视觉感受是我们与外部世界间宽广和重要的接口，然而它对太多东西视而不见了。望远镜和显微镜揭示了海量的信息，这些不为人知的宝藏编码于我们肉眼通常无法察觉的光线之中。另外，在电磁辐射谱这个无限长的键盘上，我们的视觉仅限于可见光这一个八度范围，它的一侧是从无线电波到微波再到红外线，另一侧是从紫外线到X射线和伽马射线。即使在我们可见的这个八度范围内，我们的颜色视觉也是模糊的。尽管现实有诸多方面是我们的感觉不能认识的，但我们的头脑让我们超越了自身的天然极限。拓宽认知的大门是一场伟大而持续的冒险。

《时间起源》

1章 没有昨日：宇宙膨胀的发现

有这样一个事实可能会构成一个奇妙的比喻：即使是大的望远镜，其目镜也不能大过人类的眼睛。（英、德文意同）。

——路德维希?维特根斯坦，《文化与价值》

20世纪90年代末是宇宙学发现的黄金十年之峰。在长期以来一直被视为一个天马行空的领域之后，宇宙学——这门敢于在整体上研究宇宙起源、演化和命运的科学——终于成熟了。精密的卫星和地面仪器给出了令人注目的观测结果，这让全世界的科学家都为此感到兴奋不已。这些观测正在改变我们对宇宙的认知，就好像宇宙在和我们交谈一样。对理论家来说，这是对现实世界的一个非常重大的检验，这告诉他们要把握好自己的推断，使自己模型的预言变得更加翔实。

在宇宙学中，我们会去发现过去的事情。宇宙学家们是时间的旅行者，而望远镜就是他们的时光机。当我们观察深空时，我们会回溯到时间深处，因为来自遥远恒星和星系的光传播了数百万年甚至数十亿年才能到达我们。早在1927年，比利时牧师兼天文学家乔治·勒梅特（Georges Lema?tre）就曾预言，若考虑如此长的时间范围，在此范围内空间是会膨胀的。但直到20世纪90年代，先进的望远镜技术才使得追踪宇宙膨胀的历史成为可能。

这段历史让人感到有些意外。例如，在1998年天文学家发现，大约50亿年前，空间的扩张已经开始加速，可是有已知的物质形式都会互相吸引，因此扩张速度应该减缓。从那以后，物理学家们一直在想，这种奇怪的宇宙加速度是否是由爱因斯坦的宇宙学常数驱动的。这是一种看不见的、类似以太的暗能量，它会导致引力相互排斥而不是吸引。一位天文学家打趣说，宇宙看起来就像洛杉矶：有三分之一的物质、三分之二的能量。

显然，如果宇宙现在正在膨胀，那么它在过去一定更加受挤压。如果你倒推宇宙历史——当然，这只是一个数学练习——你就会发现，有的物质曾经都非常密集地聚集在一起，而且非常热，因为当物质被挤压在一起时会发热并产生辐射。这种原始状态被称为热大爆炸。自上世纪90年代黄金时期以来的天文学观测已经将宇宙的年龄——即从大爆炸时刻起流逝的时间——定为138亿年，误差范围是2000万年。

出于对宇宙诞生之谜的好奇，欧洲航天局（ESA）于2009年5月发射了一颗卫星，以完成有史以来详细、雄心勃勃的夜空扫描。它的目标是寻找大爆炸遗留下来的热辐射中的一种神秘的涨落模式。宇宙诞生时产生的热量在不断膨胀的宇宙中旅行了138亿年之后，今天到达我们的时候是非常低的：2.725 K，约-270摄氏度。在这个温度下，辐射主要位于电磁波谱的微波波段，因此残余的热量被称为宇宙微波背景辐射或CMB辐射。

图2:由欧洲航天局的普朗克卫星拍摄的热大爆炸余晖的天图，以量子先驱马克斯·普朗克的名字命名。不同灰度的斑点代表了古老的宇宙微波辐射从天空不同方向到达我们时的轻微温度变化。乍一看，这些涨落似乎是随机的，但一项密切相关的研究表明，图上不同区域之间存在着相互联系的模式。通过这些研究，宇宙学家可以重建宇宙的膨胀历史，以模拟星系的形成，甚至预测其未来。

欧空局在捕捉古老热量方面的努力在2013年达到峰，当时世界各大报纸的头版上都出现了一幅类似点彩画的奇特斑点图像。图2再现了这幅图像，它显示了整个天空的投影，由数百万像素组成，这些像素代表了空间中不同方向的残余CMB辐射的温度。对CMB辐射如此详细的观测提供了大爆炸后38万年宇宙样貌的快照，当时宇宙已经冷却到几千度，冷到足以将原始辐射释放出来。从那时起，原始辐射在宇宙中便一直畅通无阻了。

CMB的天图证实，大爆炸的残余热量几乎均匀分布在整个空间，尽管不是完全均匀。图像中的斑点实际上代表了微小的温度变化，即不超过十万分之一度的微小涨落。这些微小的变化，无论多么微小，都至关重要，因为它们刻画了终形成星系的种子。如果热大爆炸在任何地方都是完全均匀的，今天的星系也将不复存在。

这幅古老的CMB快照代表着我们的宇宙学视界：我们无法往回看得更远了。但是，我们可以从宇宙学理论中收集到一些关于更早时期宇宙运行过程的一些信息。正如古生物学家从化石中了解到地球上的生命曾经是什么样子一样，宇宙学家可以通过破译刻印在这些涨落“化石”中的模式，将这张余热图拓印在天空之前可能发生的事情拼凑起来。这就把CMB变成了一块宇宙学的罗塞塔石碑，使我们能够追溯宇宙更早的历史，甚至可以追溯到宇宙诞生后的一秒钟。

而我们从中学到的东西也很有趣。正如我们将在第4章中看到的，CMB辐射的温度变化表明，一开始宇宙快速膨胀，然后减速，而近（大约50亿年前）又开始加速。在深时间和深空间尺度上，减速似乎反倒成了一种例外，而不是规律。这是宇宙中看似偶然的对生命体友好的特性之一，因为只有在缓慢的宇宙中，物质才会聚集并形成星系。如果不是在过去的膨胀过程中出现了长时间的近乎停顿，那也不会有星系和恒星，也就不会有生命。

实际上，在初几次将我们存在的条件纳入到现代宇宙学考量的时候，有一次是以宇宙的膨胀历史这一问题为中心的。这一时刻发生在20世纪30年代初，当时勒梅特在他的一本紫色笔记本上描绘了一个他所谓的“踌躇”的宇宙，它的膨胀历史很像一次颠簸之旅，70年后的观测也将给出该行为*（见彩色插图3）。考虑到宇宙的可居住性，勒梅特接受了宇宙在膨胀过程中长时间停顿这一想法。他知道，对附近星系的天文观测表明，近星系的膨胀率很高。但当他以同样的速度回溯宇宙的演化时，他发现这些星系在不超过10亿年前一定会相互重叠在一起。当然，这是不可能的，因为地球和太阳比这个年份古老得多。为了避免宇宙历史和太阳系历史之间的明显冲突，他设想了一个膨胀非常缓慢的中间时代，给恒星、行星和生命以发展的时间。

（*勒梅特经常在笔记本的一头写下科学见解，在另一头写下精神上的反思，并在中间留下几页空白，似乎是为了避免不要地将科学和宗教混在一起。）

自勒梅特开创性工作以来的几十年里，物理学家们不断邂逅更多这样的“幸福巧合”。从原子和分子的行为到大尺度的宇宙结构，如果宇宙的任何基本物理性质发生哪怕一个微小的变化，它的可居住性都会大打问号。

比如说引力，这个塑造和支配起大尺度宇宙的作用力。引力是极弱的；它需要地球的质量刚刚好，可以保持我们的脚站在地面上。但是，如果引力再强一点的话，恒星会更加明亮，因此也会在更年轻的时候消亡，没有时间让复杂的生命在任何一颗被其热量加热的轨道行星上进化。

再比如说大爆炸余晖辐射温度十万分之一的微小变化。如果这些变化稍大一点，比如说万分之一，宇宙结构的种子大部分都将成长为巨大的黑洞，而不是拥有丰富恒星的宜居星系。相反，若是更微小的变化——一百万分之一或更小——也不会产生任何星系。热大爆炸则恰到好处，它以某种方式将宇宙带上了一条对生命体其友好的道路，而结果直到几十亿年后才会显现出来。为什么会这样？

这种宇宙中幸福巧合的其他例子比比皆是。我们生活的宇宙有三个大的空间维度。三这个数有什么特别之处吗？是的。哪怕再增加一个空间维度就会使原子和行星轨道变得不稳定。地球将螺旋式地进入太阳，而不是在其周围的稳定轨道上按部就班地运行。具有五个或更多大空间维度的宇宙存在更大的问题。另一方面，只有两个空间维度的世界可能无法为复杂系统提供足够的存活空间，如图3所示。三维空间对生命体来说似乎刚好合适。

图3。在只有二维空间的宇宙中，生命似乎很难形成，更不用说维持了。平常的狩猎和进食方式都行不通。

此外，这种对生命不可思议的适应性还延伸到了宇宙的化学性质，这些化学性质是由基本粒子以及它们之间作用力的性质决定的。例如，中子比质子要重一点，中子与质子的质量比为1.0014。如果相反，则宇宙中的有质子都会在大爆炸后不久衰变为中子。但是没有质子就没有原子核，因此就没有原子，也就不会产生化学结构。

另一个例子是恒星中碳的产生。就我们所知，碳对生命至关重要。但宇宙并非生来就有碳，相反，碳是在恒星内部发生的核聚变中形成的。20世纪50年代，英国宇宙学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）指出，恒星中由氦到碳的高效合成取决于束缚原子核的强核力和电磁力之间的微妙平衡。如果强力再强一点儿或是弱一点儿——哪怕只有百分之几——那么核子的束缚能就会发生变化，危及碳的结合，从而危及碳基生命的形成。霍伊尔觉得这太奇怪了，以至于他说宇宙看起来就像一个“骗局”，仿佛“一个超级智慧体在物理、化学和生物方面都在捣鬼”。1

但在这些造就生命的精细调节中，令人感到不解的是暗能量方面。我们测量到的暗能量密度值非常小，竟然是许多物理学家认为较自然的数值的10^(-123)倍。然而，正是因为这么小，使得宇宙在暗能量能够聚集足够的力量加速其膨胀之前“踌躇”了大约80亿年。早在1987年，史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）就指出，如果暗能量密度稍微大一点，比如说是较自然的数值的10^(-121)倍，那么它的排斥效应就会更强，而且会更早出现，又会将宇宙形成星系的机会拒之门外。2

简言之，正如斯蒂芬在我们的一次谈话中强调的那样，宇宙似乎是为了让生命成为可能而设计的。著名作家、理论物理学家保罗·戴维斯（Paul Davies）在谈到宇宙的“金发女孩”因素时说：“就像金发女孩和三只熊的故事中的粥一样，宇宙在许多有趣的方面似乎‘正好’适合生命。”3虽然这并不意味着宇宙就应该充满生命，但这些使它变得宜居的审慎的调节决不是这个世界表面上的性质。相反，它们深深地铭刻在物理定律的数学形式中。一大批粒子的质量和性质，支配它们相互作用的力，甚至宇宙的整体组成——有这些似乎都是为支持某种形式的生命而量身定做的——反映了用以定义物理学家所称的自然法则的数学关系的特定特征。因此，宇宙学中的设计之谜在于，物理学的基本定律似乎是专门为促进生命的出现而设计的。似乎有一个隐藏的密谋在起作用，它将我们的存在与宇宙运行的基本规则编织在一起。这看起来不可思议。然而事实就是这样！这个密谋究竟是什么呢？

现在，我应该强调，对于理论物理学家来说，这是一个非比寻常的难题。通常，物理学家使用自然法则来描述各种现象或预测实验结果。他们还试图推广现有的法则，以便将更广泛的自然现象纳入其范围。但关于设计的这些问题让我们走上了一条截然不同的道路。它们促使我们反思这些法则的深层本质，以及我们如何与它们的方案相符合。现代宇宙学的令人激动之处在于，它提供了一个科学框架，在这个框架中，我们有望阐明这一大的谜团。因为宇宙学是物理学的这样一个领域，在这里，我们试图解决的问题的内在一部分就是我们自己。

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☆霍金推翻了霍金！理论上的杰出创新——科学巨匠霍金后二十年的理论结晶！ 《时间起源》介绍了霍金毕生倾尽心血的集大成理论——自上而下的宇宙学观念，是霍金本人晚年的超越性思考，颠覆了霍金早期也是霍金知名的作品——在全球卖出2500万册《时间简史》——的观点。本书由霍金合作20年的密切的合作者之一、弟子、比利时鲁汶大学教授托马斯·赫托格撰写。如果霍金还在，那么这本书的作者栏也会有史蒂芬·霍金的名字。

☆直面人类深刻的叩问——探讨宇宙和时间起源的极问题：宇宙从何时开始？时间从何时开始？昨天是否有昨天？关于宇宙起源看法的惊人修正，将彻底改变人们看待宇宙和时间起源的方式。作者提出了对宇宙诞生的惊人新视角，将改变我们对自己在宇宙秩序中的位置的看法，本书是霍金留下的伟大的遗产。也许物理定律并不是一成不变的，而是随着它们所统治的宇宙的形成而诞生和共同进化的！我们以往从上帝的视角观察宇宙的角度也许是错的，宇宙的真正历史取决于我们探寻它的方式。

☆霍金亲传弟子深情回忆二十余年合作细节，近距离感受科学巨匠的别样风范和思想世界。这既是一本讲述宇宙起源理论如何诞生的科普著作，也可以看作一部详实的人物传记。从剑桥的办公室到梵蒂冈的演讲堂，有自由的学术讨论，也能看到科学的头脑如何在宗教与科学之间的思考甚至平衡……霍金特殊的身体情况和沟通方式世人皆知，而在赫托格细致的回忆视角下，我们能够看到，在这样的不便下，一位科学巨人是如何以其对科学的热爱做出了不凡的事业的。他的风趣幽默，他的活跃与好奇，全都跃然纸上。作者以自己的亲身经历为蓝本，表达了对霍金的敬仰与崇拜，读者也可感受到他们之间浓浓的师生情谊。

☆提出“宇宙全息图”“自上而下的宇宙学”等全新概念，引领关于时间起源的新一轮讨论。在霍金生前在《高能物理学杂志》上发表的后一篇文章中，霍金和赫托格指出，平行宇宙并没有那么多，宇宙是有限且无界的。他们产生了一个革命性的想法：物理定律并不是一成不变的，而是随着它们所统治的宇宙的形成而诞生和共同进化的。这是具有革命性的“自上而下的宇宙学”，试图重塑我们对宇宙和生命演化的整体观念。

☆特别邀请华中科技大学物理学院天文学系副教授邱涛涛执笔翻译，并邀请业内众多专家解读，随书附赠专家解读本，帮助您轻松读懂前沿宇宙学知识。

媒体评论

《万物原理》

对基本原理的清晰而引人入胜的叙述，维尔切克称之为“现代物理学的核心信息”，它不仅是关于世界如何运行的事实，而且是“让我们发现它们的思维方式”。

——《科学美国人》

[维尔切克]是真正具有视野的人。

——《泰晤士报》

《时间起源》

这本书绝对让你耳目一新，有所收获。

——《泰晤士报》

《时间起源》是一场温和的论战，它介绍了一种内容丰富而迷人的理论……你会时而与赫托格的已故导师边喝茶边进行睿智的对话，时而遇到一些令人费解的有趣想法，比如时间本身就位于黑洞里。

——《星期日电讯报》

赫托格的书将带你领略宇宙的美好，了解宇宙起源的科学。

——《自然》

这是一本关于史蒂芬·霍金留给世人的“后的遗产”的著作……一本书告诉你宇宙的起源，让你体会一种聪明的感觉，了解一个古老的关于形而上学问题的可能答案，你还能学会一个新游戏，收获这么多真的很不错。

——《观察家报》

书籍介绍

一位伟大的当代科学家揭示了十项深刻的洞见，阐明了每个人都应该了解的物理世界。

在《万物原理》一书中，诺贝尔奖得主弗兰克·维尔切克以现代科学的深刻启示为基础，对现实进行了简单而深刻的探索。世界是什么，它又是如何运作的？维尔切克通过清晰准确的叙述，加上一份富有感染力的愉悦感，引导我们探索了关于以上问题的理解的基本概念。读完这本书，我们将以一种新的方式来看待我们身处的现实——会发现，它比以前看起来更大、更完整、更陌生。

维尔切克综合了基本的问题、事实和令人眼花缭乱的推测，研究了那些形成我们对宇宙的理解的基础观念：时间、空间、物质、能量、复杂性和互补性。他挖掘基础科学的历史，探索我们知道什么以及我们是如何知道这些的，他带领我们在科学世界的视野中旅行。精彩、清晰、平易近人，这是一场凝聚人类智慧和想象力的盛宴，将扩展你的世界和思维。