尽管由伟大的量子先驱们发展的量子理论并不能改变我们对于宏观世界总体物理学的描述，但它却使我们的生活方式发生了革命性的改变，它使人类社会发生的改变如同工业革命一般巨大。量子理论定律成为所有重建现代社会的信息和通信技术的基础：计算机、互联网、卫星、手机以及所有电器。但和它的实际应用同样重要的是量子理论为我们讲述的关于自然、关于科学的东西。
牛顿式世界观的乐观主义曾经断言，使用正确的数学运算，人类就能预测和解释所有自然现象，因此，各个领域受到启发的科学家努力把他们的研究主题“牛顿化”。20世纪前50年的量子物理学家打消了这种渴望，他们发现了一个既能赋予人力量又极度谦卑的真理。它之所以能赋予人力量，是因为量子理论显示我们可以理解和操控一个超越我们感官的看不见的世界。它之所以谦卑，是因为几千年以来，科学家和哲学家所取得的进步表明我们的理解能力是无限的，但现在大自然通过量子物理学家的伟大发现告诉我们，我们可以知道的东西是有限的，我们可以控制的东西也是有限的。并且，量子提醒我们其他看不见的世界是有可能存在的，宇宙是一个充满非凡秘密的地方，在地平线之外挥动一下翅膀或许就会产生难以解释的、需要思想和理论新革命的现象。
在这些篇章中，我们一起走过了一段跨越数百万年的旅途，它从第一种人类物种开始，这种物种无论从外形上还是智力上都与我们天差地别。在这段400万年的旅程中，也就是一眨眼的瞬间我们就进入了现在这个时代，我们了解到大自然由各种定律控制，也明白除了我们在日常存在中体验到的这些定律之外，世界上还存在更多的东西——就像哈姆雷特对霍雷肖说的那样，宇宙和地球中存在的东西比我们在哲学里梦想的还要多。
在可预见的未来，我们的知识还会继续增加，鉴于从事科学研究的人数指数般地增长，我们有理由相信未来100年将会产生和过去1 000年一样伟大的进步。但如果你正在阅读这本书，你就会明白除了技术层面的问题，我们对于环境还有更多的疑问——我们人类在自然中发现美，寻找美的意义。我们不但想知道宇宙如何运行，我们还想知道我们应该如何适应这些。我们想给自己的生命和有限的存在提供一个背景，我们想感受与他人的联系，去感受他们的快乐和悲伤，去感受这个广阔的宇宙，在这里，我们的喜怒哀乐微不足道。
理解和接受我们在宇宙中的位置很困难，但从一开始它就是那些自然研究者的目标之一——从认为科学与形而上学、伦理学和美学一样都是哲学分支的早期的希腊人，到像玻意耳和牛顿这样的把自然研究当成是理解上帝本质的一种途径的开拓者。对我来说，当我某天在温哥华《百战天龙》的拍摄现场时，对于物理世界和人类世界的深刻见解之间的联系以最直观的方式显现了出来。我为他们正在拍摄的这部戏撰写了剧本，并就低温物理实验室的外观对道具师和场景设计师进行过指导。
在这些普通的技术讨论中，我突然第一次不得不开始面对这个事实，也就是我们人类并没有超脱于自然，而是像鲜花或者达尔文研究的鸟儿一样转瞬即逝。
一切都开始于一通从制片办公室转到拍摄现场的电话。在当时，还不是每一个12岁的小孩都人手一部手机，在拍摄现场接电话很不平常，我一般都是在事后数小时才会收到电话留言，潦草地写在皱巴巴的纸片上。就像这条留言：“伦纳德：（无法辨认）想让你（无法辨认）。他说事情很紧急！给他回电话（无法辨认）。”这次不一样。这次一名制片助理给我拿来一部电话。
电话那一头是芝加哥大学附属医院的一名医生。他说我父亲中风了，现在处于昏迷状态——这是几个月前我父亲为修复他的主动脉所做的手术的迟发性结果。黄昏时分我来到医院，注视着我父亲，他躺在病床上，眼睛闭着，看上去很平静。我坐在他的身边开始轻抚他的头发。
他摸上去温暖而又鲜活，好像正在熟睡，仿佛会随时醒过来，微笑地看着我，伸出手抚摸我，问我早餐想不想吃黑面包和腌鲱鱼。
我和我父亲说着话。我告诉他我爱他——就像多年以后我偶尔会对我正在熟睡的孩子说的话一样。但这位大夫强调我父亲不是在睡觉。他听不见我的声音，这位大夫说。他说我父亲的大脑数据显示他已经死亡。我父亲依然温热的身体很明显就像《百战天龙》中的物理实验室——外表看起来精致的躯壳，但却没有任何有意义的功能。这位大夫告诉我，我父亲的血压会逐渐降低，他的呼吸也会逐渐放缓，直到他死去。
当时我非常痛恨科学。我想证明它错了。科学家和医生凭什么能判定一个人的命运？我愿意付出任何东西，或者我的一切来换回我的父亲，哪怕只是一天，一个小时，甚至一分钟，好让我对他说一句我爱他，说一句再见。但就像大夫说的那样，该来的还是来了。
那一年是1988年，我父亲76岁。在他去世后，我们全家人要“坐七”，意思是我们要进行为期7天的传统服丧，这期间每天要祷告三次，不能离开自己的家。以前我会坐在客厅里和他聊天，但现在我坐在那里，他却变成了回忆，我知道我永远不可能再和他说话了。多亏了我们人类的知识之旅，我知道他的原子依然存在，也将一直存在下去；但我同样也知道，尽管他的原子没有随他一起死亡，但它们将会消散。它们组织成的我父亲这样一个存在已经消失，也再不会出现，除了留在我以及那些爱他的人的脑海中的一个影子。我知道几十年后同样的事情也会发生在我身上。
让我惊讶的是，多亏了我理解物理世界的努力，我现在感觉我曾经学到的东西并没有让我变得冷酷无情——它给予我力量。它帮助我在心碎的时候振作起来，不再感到那么孤独，因为我是某种更伟大的东西的一部分。它打开了我的眼界，让我看到我们的存在那种惊人的美丽，无论上天赐予我们多少岁月。尽管我父亲从来没有机会进入一所高中，但他对于物理世界却有着深刻的体会和好奇心。在我年轻时，有一次我们在客厅聊天，我告诉他有一天我会写一本关于物理世界的书。几十年后，这本书终于出现了。
我的父亲，这天晚上他向我母亲求婚，纽约，1951年讽刺的是，林德曼曾经尝试过研究物理学，但没有取得多大成功。他为人熟知的原因是他证明了你不能“把圆变成方”——也就是说，只给你一把尺子和一个圆规，你无法画出一个和指定圆形面积相同的正方形。
严格来说，不确定性原理限制我们对位置和动量的了解（动量等于质量乘以速度），但对我们而言这种差别并不重要。
我非常荣幸地发现我的博士宗谱可以一直追溯至马克斯·玻恩。顺序是：玻恩/ J. 罗伯特·奥本海默（曼哈顿计划的带头人）/ 威利斯·兰姆（诺贝尔奖得主以及激光的创建人之一）/诺曼·克罗尔（为光和原子理论做出了重要贡献）/艾温德·威切曼（我的博士生导师，数学物理学领域一位重要人物）。
后记 这里有一道老掉牙的趣味智力题，讲的是某天有个修道士在日出前离开他的修道院，步行去一座位于高山顶峰的教堂的故事。上山的路只有一条，非常狭窄和蜿蜒，因为有些地段相当陡峭，他有时候会走得很慢，但他可以在日落前不久抵达教堂。第二天早上，他沿原路返回，还是在日出前动身，回到修道院的时间又是在日落时分。问题是：在这条路上有没有一个地点他会在两天中的同一时间经过？你不需要找出这个地点，只需要回答有——还是没有。 这个问题和那些谜语不同，靠的不是什么花招和隐瞒的信息，或者对某些词的新奇解释。这条路上没有什么祭坛让修道士在每天中午做祷告，你也不需要知道他上下山的速度，也没有你为了解答这道题必须猜测的遗漏信息。它也不像下面这个谜语：有一个身高6英尺的屠夫问他的重量是什么，答案是“肉”。不，这道题的情景设置很直接，你很有可能只需要读一遍就能完全理解该怎么回答它。
仔细想一会儿吧，因为要想成功地解答这个谜题，需要耐心和毅力，就和科学家花费多年时间尝试着去解决的许多问题一样。但更关键的是，正如所有优秀科学家所知道的，这取决于你以正确的方式提出问题的能力，退后一步，以一个略微不同的视角来审视这个问题。一旦你这么做了，就可以轻松地找到答案。但问题难就难在你该如何找到这个视角。这也就是为什么只有具备超常智力和创造力的人才可以创造出来牛顿的物理学、门捷列夫的元素周期表以及爱因斯坦的相对论——然而当它们经过恰当的解释，今天的任何物理学专业和化学专业大学生都可以理解它们。这也就是为什么让前一代人吃惊的东西在下一代人这里就变成了常识，并使科学家攀登上更伟大的高度。为了找到回答修道士这个问题的办法，而不是在你的脑子里回放修道士头一天上山第二天下山的画面，来让我们做一次思想实验，以一种不同的方式来想象这个问题。现在设想这里有两个修道士——一个上山，一个下山，这两人都是在同一天的日出时分出发。很明显，他们会在路上碰面。他们碰面的这个地点就是那个问题中修道士在两天中的同一时间到达的地点。所以这道题的答案是“有”。
修道士在路上会经过一个特别的地点，他会在上山和下山的相同时间经过，这看上去像一个不太可能出现的巧合。但一旦你打开思路，想象有两个修道士在同一天上山和下山，你就会发现这并不是巧合——而是必然会发生的事情。
从某种程度上说，人类理解能力的进步靠的正是一连串诸如此类的想象，它们每一个都是由那个以略微不同的视角看待世界的人创造的。
伽利略想象物体在一个没有阻力的理论世界下落。道尔顿想象如果元素由不可见的原子构成，它们将如何发生反应来形成化合物。海森堡想象原子王国是由一种和我们在日常生活中体验到的定律完全不同的奇异定律统治的。这种幻想式的思维方式一头贴着“疯狂”的标签，另一头贴着“远见”。正是靠着一代又一代观点介乎这两点之间的思想家勤恳的努力，我们对于宇宙的理解才会发展到今天这个境界。
如果我达到了我的目标，前面的这些篇章将会使读者理解人类对于物理世界思考的根源、研究者所关切的问题、理论和研究的本质，以及文化和信仰体系影响人类探索的方式。这对于理解我们这个时代的许多社会、职业以及道德问题非常重要。但这本书的大部分内容也同样与科学家和其他创新家思考问题的方式有关。
500年前，苏格拉底把不曾进行过批判和系统性思考的人比喻成工匠，比如陶工那样的人，他们在从事自己的技艺时不会遵循正确的流程——实际上制作陶器看上去似乎很简单，但它一点儿都不简单。在苏格拉底的时代，这牵涉到从雅典南部的一个黏土坑中取土，将黏土放在特制的转盘上，以恰当的速度旋转它来获得准备制作的器皿的直径，接下来还要进行揩拭、刮擦、粉刷、上釉、晾干，然后进窑烧制两次，每一次的温度和湿度都要恰到好处。缺少任何一道流程，做出的陶器都会变形，开裂，变色，或者单纯就是难看。苏格拉底指出，强大的思考力也是一种技艺，它值得你去把它做好。毕竟，我们都知道那些不擅长思考的人所过的生活要么残缺，要么充满了悲哀的缺憾。
我们没有几个人研究原子或空间和时间的本质，但我们对所生活的这个世界都形成了自己的理论，并使用这些理论来指导我们的工作和娱乐，就像我们该如何投资、什么是健康饮食，甚至怎样才让我们感到幸福。并且，和科学家一样，我们在生命中也必须进行创新。这或许意味着当你没有多少时间或精力时你打算拿什么来做晚餐；当你的笔记丢了，你的电脑又死机了，你该如何临时做出一篇陈述——或者一些可以改变人生的事情，比如懂得何时放下过去的思想包袱，何时又该抓牢支撑你继续前行的传统。
生活本身——尤其是现代生活——给我们带来的智力挑战和科学家面对的挑战不相上下，即使我们自己并不这么认为。因此，在所有你能从这段冒险中收获的经验教训里，最重要的或许是那些成功的科学家所展现的性格特征：灵活多变和不墨守成规的思考方式，耐心的探索，对他人相信的东西缺乏忠诚，改变自己看法的价值，以及对于一定存在答案并且我们也将发现答案的信念。
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我们对宇宙的理解现在处在哪里？20世纪在各个前沿取得了巨大的进步。物理学家解决了原子的谜题并发明出量子理论，这些进步转而又使其他进步成为可能，因此科学发现的步伐变得越发匆忙。
在诸如电子显微镜、激光和电脑等新量子技术的协助下，化学家开始理解化学键的本质，以及分子的形态在化学反应中发挥的作用。同时，创造和利用这些化学反应的技术也经历了爆炸式的发展。到20世纪中叶，世界已经完全变了模样。我们不再依靠自然界中的物质，而是学会了如何创造新的人造材料，并通过改造使旧有材料具备了新用途。塑料、尼龙、聚酯纤维、硬化钢、硫化橡胶、精炼石油、化肥、消毒剂、抗菌剂、氯化水——这份名单可以一直罗列下去，结果，食品产量不断增长，死亡率持续降低，我们的生命周期急速增加。
与此同时，生物学家也取得了巨大的进步，他们详细论述了细胞作为分子机器是如何运行的，破译了遗传信息是如何在代际间传递的，并为我们这个物种描绘了蓝图。今天，我们可以从体液中提取DNA片段进行分析，从而找出神秘的传递媒介。我们可以把DNA片段接入现有生物体内从而创造出新物种。我们可以把光导纤维植入老鼠的大脑来像控制机器人一样控制它们。我们可以坐在电脑前观察人的大脑如何产生思想，或经历情绪。在某些情况下，我们甚至可以解读人的思想。
尽管我们走了这么远，但如果就此认为我们接近任何一个终极答案，这种想法几乎可以肯定就是错误的。这样的认识是一个贯穿整个人类历史的错误。在古代，巴比伦人相信大地是女海神提亚玛特的尸体形成的。几千年后，希腊人在理解自然的本质方面取得了不可思议的进步，大多数人也同样相信陆地世界中的所有物体都是由土、气、火和水的某种结合构成的。又一个2 000年过去了，牛顿学说的信奉者相信已经发生的或将会发生的一切，从原子的运动到行星的轨道，在理论上都可以使用牛顿运动定律进行解释和预测。这些曾经都是虔诚的信仰，然而它们都错了。
无论我们生活在哪个时代，人类都倾向于认为自己处于知识的巅峰——尽管我们之前的那些人的信仰是错误的，但我们自己的答案却是正确的，并且也不会像他们的信仰那样被取代。科学家——甚至是那些伟大的科学家——他们的这种傲慢倾向并不比任何人少。看看斯蒂芬·霍金在20世纪80年代发表的宣言吧，他说到这个世纪结束时物理学家将拥有他们的“大一统理论”。
今天的我们是否像霍金在几十年前预言的那样，处在已经回答了我们对于自然界所有根本问题的边缘了？或者我们的处境是否类似19世纪和20世纪之交，在那个时候我们认为正确的理论将很快被一些完全不同的东西取代？ 在科学的地平线上笼罩着的疑云不在少数，这表明我们或许处于后一种情况。生物学家依然不知道生命是何时以哪种方式在地球上诞生的，或者在另一颗类似地球的行星上出现生命的可能性有多大。他们不了解推动有性繁殖进化发展的选择优势是什么。或许最重要的是，他们不清楚大脑是如何产生思维体验的。
化学同样也有很多尚未解答的重大问题，从水分子如何与其邻居形成氢键从而产生那种重要液体的神奇性质，到氨基酸链可以折叠的长度从而构成对生命至关重要的、意大利面般的精确蛋白质。然而，物理学才是最具爆炸性的潜在问题存在的领域。在物理学中，开放性的问题具备修正所有我们认为我们知道的关于自然最基本层面的东西的潜在可能。
比如，尽管我们已经建造了一个统一电磁学和两种原子核力的非常成功的作用力和物质“标准”模型，但几乎没有人相信这个模型可以被当作最终的答案。这个模型的一个主要缺点是它排除了重力。另一个问题是它有很多可以调整的参数——“修正系数”——它们与实验测量的基础密不可分，但却无法通过任何一种重要理论加以解释。弦理论/M理论曾经似乎拥有迎接这两个挑战的希望，但它的发展看起来也停滞了，使许多物理学家对曾经寄予它的厚望产生了怀疑。
同时，我们现在怀疑我们使用最强大的设备观测到的宇宙也只是未被探明的宇宙的极小一部分，宇宙空间的大部分区域就像幽灵般的冥界，注定是一个——至少在一定时间内——难解之谜。有人更精确地指出，我们通过感官和实验室器材探测到的普通物质和光能似乎只占到宇宙中物质和能量的5%，而一种看不见的，从未被探测到的被称为“暗物质”的物质类型，以及一种看不见的、从未被探测到的被称为“暗能量”的能量形式被认为构成了其余的部分。
物理学家之所以会假定暗物质存在，是因为我们在宇宙中能够看见的物质似乎被某种来源不明的重力牵引着。暗能量也同样神秘。这种观点的流行始于1998年，当时科学家发现宇宙正在以一个前所未有的加速度扩张。这种现象可以通过爱因斯坦的重力理论——广义相对论——加以解释。这种理论允许宇宙具有被注入一种奇特的、可产生“反重力”效果的能量形式的可能。但这种“暗能量”的起源和本质目前尚未被发现。
暗物质和暗能量会被证明符合我们现有理论——标准模型和爱因斯坦的相对论——的解释吗？或者，它们会像普朗克常数一样让我们得出一个完全不同的宇宙观吗？弦理论会被证明是正确的吗？或者，如果不正确，我们能不能发现一种统一自然界所有作用力的理论，一种没有“修正系数”的理论呢？没有人知道答案。在所有我希望自己可以长生不死的理由中，活着知道这些问题的答案排在我这张名单的前列。我猜这就是我成为一个科学家的原因吧。
致谢 在我最终将我的构思付诸文字的这些年里，我很荣幸地从许多朋友那里获得了真知灼见，他们都是各个科学领域及其历史的学者，那些阅读过部分初稿的人提出的建设性批评意见也让我受益匪浅。我特别要感谢拉尔夫·阿道尔夫斯、托德·布伦、杰德·布奇沃尔德、皮特·格雷厄姆、辛西娅·哈灵顿、斯蒂芬·霍金、马克·希拉里、迈克尔·杰非、汤姆·莱昂、斯坦利·欧拉皮萨、阿列克谢·蒙洛迪诺、尼克莱·蒙洛迪诺、奥莉维亚·蒙洛迪诺、桑迪·珀尔里斯、马库斯·珀希尔、贝丝·拉希巴姆、兰迪·罗杰尔、弗雷德·罗斯、皮拉尔·瑞恩、厄尔哈德·塞勒尔、迈克尔·谢尔莫以及辛西娅·泰勒。我也很感激我的代理人和朋友苏珊·金斯伯格，谢谢她为本书的内容以及出版方面的工作做出的指导，同样重要的是，感谢在她对我进行指导时我们共进的那些伴着美酒的绝妙晚宴。另一位给予我巨大帮助的人是我耐心的编辑爱德华德·卡斯腾梅尔，他在这本书的成书过程中提出了宝贵的批评和建议。我同样也要感谢企鹅兰登书屋的丹·弗兰克、艾米莉·吉格里尔拉诺和安妮·尼克尔，以及作家书屋的史黛西·戴斯塔，我对他们的帮助和建议深表感激。最后，我还要对我另外一位全天24小时待命的编辑表达深深的谢意，她就是我的妻子唐娜·斯科特。她不辞劳苦地一遍又一遍审阅草稿，仔细阅读每一个段落，提出了宝贵的建议和深刻的观点，并给予了我极大的鼓励，这期间也常常伴随着葡萄酒，但（几乎）从没有过不耐烦。从孩提时代起，我就同我父亲谈论科学方面的事情，这本书就是那个时候开始在我的头脑中酝酿的。他总是对我说的话很有兴趣，并提出他自己的民间智慧作为回应。我觉得假如他还健在的话，他应该会珍视这本书的。
