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本書介紹了西方科學(xué)家如何從17世紀(jì)開始到21世紀(jì)初，通過天文觀察及理論了解，逐步改變和深化我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，特別強(qiáng)調(diào)了科學(xué)家們對(duì)光和萬有引力的探索所起的作用。用歷史故事的方式，以時(shí)為經(jīng)，以科學(xué)人物的逸事和貢獻(xiàn)為緯，淺入深出，使讀者通過趣味性閱讀，增強(qiáng)對(duì)客觀物理世界認(rèn)識(shí)的力量，在輕松的氛圍中吸收近代的硬核宇宙概念。

宇宙是什么樣的？宇宙有多大？宇宙有起源嗎？它是不是亙古不變
的？又或是如何演化到如今這般狀態(tài)？未來又會(huì)怎樣演變？這些問題是每
個(gè)人腦海中的謎團(tuán)，也是塑造青少年世界觀的重要環(huán)節(jié)，并將影響他們的
人生觀和價(jià)值觀。
哀吾生之須臾，羨長(zhǎng)江之無窮，古往今來，多少騷人墨客都有過這種
感嘆。宇宙是否無窮無盡，古人不一定有答案，但人類的確很渺小。人生苦
短，渺小而又短暫的人生，如何能認(rèn)識(shí)龐大而又古老的宇宙？作為本書的一
大特點(diǎn)，作者的重點(diǎn)不在于羅列大量的知識(shí)點(diǎn)，而是重點(diǎn)告訴青少年讀者，
這些知識(shí)是如何獲得和積累下來的，其中蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)思維方式和科學(xué)
方法。對(duì)科學(xué)思維方式和科學(xué)方法的介紹不足，是目前中國科學(xué)教育的短板。
西方科學(xué)發(fā)源于 16 世紀(jì)哥白尼的日心說，從此拉開了西方科學(xué)革命
的帷幕，此后一連串的連鎖反應(yīng)，使西方文化產(chǎn)生一個(gè)大躍進(jìn)。從 1642 年 a
牛頓誕生，到 1842 年《南京條約》的簽訂，不過短短的 200 年光景，歐
a 按照牛頓出生時(shí)的英國舊歷法，牛頓生于 1642 年 12 月 25 日，但根據(jù)今天的歷法
來說，則是生于 1643 年 1 月 4 日。
為了彌補(bǔ) 其前身朱利安歷法（Julian calendar）的不準(zhǔn) 確之處，公歷（Gregorian
calendar），我們今天使用的日歷系統(tǒng)，于 1582 年由天主教皇格雷戈里十三世頒布的教皇法
令首次推出。經(jīng)過三個(gè)多世紀(jì)，從 1582 年到 1927 年，公歷才為所有國家采用。英國和它
的殖民地花了將近 200 年的時(shí)間（1752 年）才從朱利安歷法改變?yōu)楣珰v，因此在牛頓去世
時(shí)（1727 年），英國還沒有改為我們今天使用的公歷。
洲在這期間人才輩出，百花齊放，近代科學(xué)從此產(chǎn)生，西方列強(qiáng)開始稱
霸全球。同一時(shí)期，東方大清帝國的君臣上下，知識(shí)分子，還在做天朝大
國的春秋大夢(mèng)，盲目自大、閉關(guān)鎖國，錯(cuò)過了大航海時(shí)代，錯(cuò)過了科技革
命，東西方實(shí)力對(duì)比，此消彼長(zhǎng)，發(fā)生了巨大的變化，以至曾經(jīng)科技文化
領(lǐng)先世界幾千年的中國，不得不面對(duì)幾近被西方列強(qiáng)瓜分的命運(yùn)。這一段
刻骨銘心的歷史，是每一個(gè)中國人應(yīng)該牢記的。寫作本書的目的是對(duì)這一
段歷史做系統(tǒng)性的梳理，重點(diǎn)放在近代天文學(xué)的發(fā)展上，特別聚焦在基礎(chǔ)
科學(xué)的進(jìn)步是如何提升人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的。作為一個(gè)案例，近代天文學(xué)的
演進(jìn)，可以使我們明白點(diǎn)點(diǎn)滴滴的知識(shí)，經(jīng)過數(shù)百年時(shí)間積累下來，開始
時(shí)看來無關(guān)宏旨，但是經(jīng)過世代的沉淀，產(chǎn)生了從量到質(zhì)的變化，后引
起飛躍式的進(jìn)步。
作者寫作本書的意圖有兩方面：一方面是以這一段歷史為鑒，使國人知
道科技的發(fā)展沒有急功近利的捷徑可走。當(dāng)前中國科技要更上一層樓，正需
要踏踏實(shí)實(shí)地重走這個(gè)厚積的過程，才可以把科技的發(fā)展建立在一個(gè)牢固的
基礎(chǔ)上。另一方面希望本書也是一本高水平的宇宙天文學(xué)通俗科普讀物。
本書介紹西方科學(xué)家如何從 17 世紀(jì)開始到 21 世紀(jì)初，通過天文觀
察及理論了解，一步一步地改變和深化我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，特別強(qiáng)調(diào)科學(xué)
家們對(duì)光和萬有引力的探索所起的作用。用歷史故事的方式，以時(shí)為經(jīng)，
以科學(xué)人物的逸事和貢獻(xiàn)為緯，淺入深出，梳理清楚，使讀者通過趣味性
的閱讀，培養(yǎng)科學(xué)、理性的思維方式，增強(qiáng)對(duì)客觀物理世界認(rèn)識(shí)的力量，
在輕松的氛圍中吸收近代的硬核宇宙概念，如四維時(shí)空、宇宙大爆炸、暗
物質(zhì)、暗能量、引力波，等等。
本書的讀者對(duì)象為中等或以上學(xué)歷，對(duì)天文、航天有興趣的年輕人。
書中所描述的眾多科學(xué)家雖然出身各異，但通過自身努力，都成為一代學(xué)
者，可作為青少年的勵(lì)志榜樣。如愛因斯坦，他不是傳統(tǒng)教育下的好
學(xué)生、尖子生、學(xué)霸，但他以創(chuàng)造性的思維，鍥而不舍地攻克物理學(xué)中
的難題，石破天驚地發(fā)展并完成相對(duì)論的理論研究，成為前無古人的物理
與宇宙學(xué)大家。又如英國物理學(xué)家法拉第，盡管他出身卑微，13 歲便輟
學(xué)，到書籍裝訂店當(dāng)學(xué)徒，但他努力自學(xué)，終于被尊為電磁學(xué)大師，電磁
學(xué)中的很多定律都是在法拉第實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)的，引發(fā)了發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的
發(fā)明，啟動(dòng)了第二次工業(yè)革命，使人類社會(huì)進(jìn)入電氣化時(shí)代。
宇宙是奇妙的，它不可思議的地方是，人類居然可以用理性思維
來理解它。貫穿本書的主題，是宇宙大爆炸理論如何從模糊的概念開始，
一步步地成為今天有鼻子有眼的模樣，成為一個(gè)被主流科學(xué)界接受的宇宙
模型。作者在宇宙微波背景輻射被發(fā)現(xiàn)后不久即選擇研習(xí)物理本科，正是
被當(dāng)時(shí)科學(xué)界的興奮所感染。本科畢業(yè)后，作者赴美國普林斯頓大學(xué)攻讀
天文物理學(xué)博士，日后雖然因?yàn)榉N種原因沒有進(jìn)入宇宙學(xué)專業(yè)，但對(duì)宇宙
大爆炸模型發(fā)展的關(guān)注，從來沒有松懈下來。特別是在普林斯頓的一段日
子，在師友交流討論間，親身感受大爆炸模型一線研究者的堅(jiān)持與執(zhí)著，
他們的熱情和毅力，給作者留下了深刻的印象。大爆炸模型有今天的成就，
實(shí)在是來之不易。這一段歷史，是人類以理性邏輯思維來破解宇宙奧秘的一
個(gè)典型例子。介紹這一段歷史中大師們建模時(shí)的心路歷程和他們所使用的
方法，具有巨大的教育意義，可以作為科研人員解決其他問題的參考。
作者留美 30 多年，是核聚變、空間等離子及微波物理的專家。回國
后任北京師范大學(xué)香港浸會(huì)大學(xué)聯(lián)合國際學(xué)院教授，從事大學(xué)教育工作
長(zhǎng)達(dá) 15 年。開設(shè)的宇宙天文學(xué)入門課 Space Time and Cosmos 也有十多
年歷史了，其內(nèi)容生動(dòng)活潑，以講故事的形式為主，滿足年輕學(xué)子對(duì)宇宙
奧秘的好奇，深受歡迎。本書內(nèi)容多基于此。所謂十年磨一劍，作者對(duì)有
關(guān)的科學(xué)知識(shí)的介紹，是經(jīng)過教室實(shí)踐檢驗(yàn)的，一些宇宙學(xué)中較艱辛的理
論，如相對(duì)論的時(shí)空概念等，作者博采各種名家論述，以淺白的語言、生
動(dòng)的例證，淺入深出地剖析其中奧秘，使學(xué)子們聞之往往有如醍醐灌頂，
恍然大悟。
本書的覆蓋面很廣，每一章都有它的獨(dú)立性，可以做選擇性閱讀。章與章
間有一定的連貫性，前后呼應(yīng)，覆蓋了差不多 400 年的科學(xué)史，所以，為
了適應(yīng)更廣泛讀者的閱讀水平，不得不對(duì)素材和內(nèi)容有所取舍，不免有滄
海遺珠之嘆。一些相關(guān)高難度的題材不能做太專業(yè)的討論，但有興趣進(jìn)一
步探討的讀者，可以依從每章后所附的參考材料，按個(gè)人愛好做更深度的
鉆研。另一方面，鑒于近年來科幻和科學(xué)之間的區(qū)別變得模糊不清，特別
是在宇宙學(xué)領(lǐng)域，作為一本忠實(shí)的科普讀物，我們堅(jiān)持本書內(nèi)容應(yīng)該是基于
嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)知識(shí)。對(duì)一些目前還沒有得到實(shí)驗(yàn)證明的純理論性臆測(cè)的猜想，
如四維時(shí)空中的蟲洞、時(shí)間旅行、多重宇宙，甚至是宇宙大爆炸早期的暴
脹、超弦理論等話題，都不予討論，目的是不想用猜測(cè)混淆當(dāng)前的事實(shí)。
本書承蒙中國科學(xué)院歐陽自遠(yuǎn)院士、澳門科技大學(xué)月球與行星科學(xué)
實(shí)驗(yàn)室陳炯林教授鼎力推薦，在中國科學(xué)院國家天文臺(tái)鄭永春博士的建
議和多方幫忙下，申請(qǐng)獲得航天科技圖書出版基金資助，對(duì)本書的出
版，起了關(guān)鍵性作用，謹(jǐn)此衷心致謝。陳炯林教授是作者在普林斯頓大
學(xué)的學(xué)長(zhǎng)，也是宇宙學(xué)大師，2019 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主皮布爾斯教授
（Prof. James Peebles）的入室弟子，當(dāng)年作者從陳教授處獲知不少有關(guān)
皮布爾斯教授的逸事，所以對(duì)這一段歷史印象特別深刻，成為激發(fā)作者把
這些故事匯編成書的動(dòng)力。此外，作者啟蒙老師、香港中文大學(xué)陳方正教
授在百忙中抽空通讀書稿，賜予許多寶貴意見，對(duì)此深深銘謝。
后，本書的出版，有賴于中國宇航出版社徐春梅、黃莘、趙宏穎等
工作人員的熱心支持，十分感謝。
2021 年 6 月 30 日于廣東五桂山

章光的本質(zhì)與牛頓物理學(xué)／ 1
第 1 節(jié) 光能跑多快？伽利略，卡西尼，羅默／2
第 2 節(jié) 從光到萬有引力胡克和牛頓的瑜亮之爭(zhēng)／13
第 3 節(jié) 光更像是波？惠更斯，菲涅爾／27
第 4 節(jié) 不可見的光、電磁波赫歇爾、法拉第和麥克斯韋的貢獻(xiàn)／36
第 5 節(jié) 本來無此物，何處尋以太？邁克爾遜與莫利的實(shí)驗(yàn)／46
第二章光、愛因斯坦與相對(duì)論／ 57
第 1 節(jié) 凱爾文勛爵的兩朵烏云�。�59
第 2 節(jié) 騎在光波上的男孩／66
第 3 節(jié) 1905 年愛因斯坦的奇跡年／75
第 4 節(jié) 扭曲的時(shí)空廣義相對(duì)論／87
第 5 節(jié) 牛頓爵士，您的重力理論錯(cuò)了 ! ／97
第 6 節(jié) 愛因斯坦：我一生中的失誤／107
第三章于無聲處聽驚雷天文史上的顛覆性發(fā)現(xiàn)／ 117
第 1 節(jié) 19 世紀(jì)的宇宙有多大？／118
第 2 節(jié) 星云是什么 ?／126
第 3 節(jié) 近代巨型望遠(yuǎn)鏡的建造狂魔黑爾／131
I第 4 節(jié) 夜空中的魔眼變星／135
第 5 節(jié) 天文學(xué)的攝影革命哈佛天文臺(tái)的婦女團(tuán)隊(duì)／140
第 6 節(jié) 巨人天文學(xué)家哈勃／149
第 7 節(jié) 星光中的奧秘／158
第 8 節(jié) 哈勃定律膨脹中的宇宙／168
第四章其小無內(nèi) ?電子、質(zhì)子、原子中的世界／ 183
第 1 節(jié) 葡萄干布丁，還是微型太陽系？原子的結(jié)構(gòu)／184
第 2 節(jié) 地獄之火裂變核能的發(fā)現(xiàn)／196
第 3 節(jié) 聚變天上的火焰／200
第五章有物混成，先天地生宇宙大爆炸／ 207
第 1 節(jié) 初的 5 分鐘氦是怎樣煉成的？／208
第 2 節(jié) 大爆炸的余暉宇宙微波背景輻射／213
第 3 節(jié) 貝爾實(shí)驗(yàn)室與普林斯頓尋找宇宙微波背景的競(jìng)賽／220
第 4 節(jié) 宇宙的嬰兒照片霍金：本世紀(jì)重要的發(fā)現(xiàn)（宇宙
背景探索者衛(wèi)星）／228
第六章暗物質(zhì)，暗能量／ 237
第 1 節(jié) 沒有大爆炸的《創(chuàng)世記》，可能嗎？／238
第 2 節(jié) 暗物質(zhì)理論家的垃圾？還是上帝粒子？／243
第 3 節(jié) 暗能量量子世界中的空即是色？／251
第 4 節(jié) 宇宙的旋律微波背景輻射天空?qǐng)D中斑點(diǎn)的秘密／260
第 5 節(jié) 宇宙簡(jiǎn)史／266
結(jié)語：宏觀、微觀宇宙的大統(tǒng)一萬物理論與弦理論／ 269
參考文獻(xiàn)／ 277

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