变个宇宙出来：自然法则的起源

英国皇家学会会员、牛津大学研究员彼得•阿特金斯教授最新科普力作。一封生动、优雅的情书，献给统治整个宇宙的自然法则。

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很少有一项关于物理规律的研究能够这么幽默，并具有“高大上”的深度，然而化学家彼得•阿特金斯却做到了，他的书堪称研究界的“珍品”。
——芭芭拉•凯瑟尔（Barbara Kiser），英国《自然》杂志
阿特金斯在有趣的概念解构过程中，为读者提供了对现代物理学的深刻理解，即“虚无是万物的基础”。
——《出版人周刊》

★从现代物理学到量子力学，《伽利略的手指》作者阿特金斯关于宇宙精彩的哲学思考。
★从一无所有（nothing）中，在无为(indolence)的驱使和无规则(anarchy)的支配下，宇宙漫无目的地演化出了今天我们所知道的全部复杂精巧的自然律。
★不懂物理学的化学家不是好的人文学者。从俗语、俚语到历史故事，从莎翁名剧到流行文化，看阿特金斯教授如何将令人昏昏欲睡的科学理论讲得生动活泼、兴趣盎然。


丛书简介：
新科学人文库
穆列尔·鲁凯泽曾说道：“构成这个宇宙的不是原子，而是故事。”是的，科学也需要讲故事。“新科学人文库”更是如此。“新科学人文库”是商务印书馆在科普出版上的一次新尝试，丛书继承了商务印书馆上世纪出版的“自然科学小丛书”等作品的选书思路，以新颖的思想和视角为切入点，以激发好奇心为基点，用有趣的故事将科学知识或科学的探索历程展现在读者面前。
本系列图书定位有别于以图为主导的童书，也不等同于大学公选课或导论类教材，而是以培养和激发读者对科学探索的兴趣为目的。以期待这些新的视角和观点，能为初高中生和对科普人文感兴趣的青年读者及大众，带来新的思考。
《生命之数：用数学解释生命的存在》
《给年青数学人的信（修订版）》
《书林散笔：一位理科生的书缘与书话》
《元素与人类文明》
《音乐与大脑：艺术与科学的奇妙旅程》
《莎士比亚笔下的N种死亡方式》
《变个宇宙出来：自然法则的起源》

 

序 言
世界的运行被一些人归因于一位事儿妈得要命然而又看不见摸不着的创造者，他孜孜不倦地将每一个电子、夸克和光子引向各自的命运。我的直觉使我本能地抗拒这种关于世界运行的败家子式观点，而我的头脑唯直觉马首是瞻。在接下来的一百多页里，我将探寻是否存在一种关于“正在发生的是什么”的更简单的解释。科学家，归根结底，是一帮从复杂性中开采简单性的采掘工，大多偏爱更简单粗暴的东西而不是更精致复杂的。我将探寻通过这种采掘暴露出来的最幽深的隐秘之处，进而论证自然律—我们对世界运行方式的概括，是以可能存在的最简单的方式产生的。我将论证，它们只不过是从无为与无规则中滋生出来的，往往还或这儿或那儿地掺杂着一点儿无知。
我把谈论的范围限定在只包括司空见惯的事物。因此我会带你走马观花地了解一下力学（包括经典的和量子的）、热力学以及电磁学。虽然不像对谈论力学那么有信心，但是我也希望能以一种发人深省的方式，领你深入基本常数的起源。
作为总结，我还会尝试探讨一下数学在规范化表达自然定律方面的功效，以及它揭示现实的深层结构的可能。我写的东西中有些只是推测，因为尽管经过三个世纪的励精图治，科学已取得了显著进步，但是对自然的完全性理解仍然是它鞭长莫及的。如果你想寻求关于我的某些说法的更深层次的解释，那么可以在书后的注释中找到它们，我把这些注释当成是用来藏匿方程的安全屋。
我希望在接下来的篇章里回答一些你可能已经想到了但是还没得到解答的问题，同时希望我的文字能够在某些方面揭示这个复杂得无与伦比的世界的令人惊讶的简单性。
彼得•阿特金斯
于牛津，2017年

译后记
本书是英国著名化学家、化学教育家和科普作家、皇家学会会员彼得•阿特金斯的最新科普力作。40多年前，作为已经功成名就的物理化学家，阿特金斯以著名的《创世》（The Creation）奠定了其在科普写作领域的地位，其斐然的文采和对科学的深刻理解，使这部著作及其增补本《重临创世》（Creation Revisited）至今仍被视为史上最好的科普著作之一。我国在本世纪初曾翻译出版过他的另一部科普佳作《伽利略的手指》。本书是时隔十余年后阿特金斯的著作再次被译成中文，作为译者我深感荣幸。
本书继续聚焦于阿特金斯早年著作所关注的问题，这个问题可能也是迄今为止人类面临的所有自然谜题中最迷人的一个：我们的宇宙从何而来？或者，用一种富有戏剧性的问法来说：今天我们所看到的、所听到的、所拥有的一切，乃至我们自身，最初是怎么出现的？在他早年的著作中，阿特金斯曾对这个问题的几个最引人注目的方面给出过自己的回答，包括空间、时间和物质的起源。而这一次，他把目光转向了这个问题经常被忽视的另一面，即宇宙中除了物质以外的那一半—为所有物质运行划定的规则，并通过物质的运行方式表现出来的，即自然界中的各种定律—是如何被“制定”出来的。
当然，如你所见，本书实际上试图告诉你，这些定律从未被“制定”出来。它们只是宇宙从一个初始状态开始，自发演化的必然结果。而这个初始状态不是别的，就是“无”，什么都没有—没有能量，没有物质，没有一个炽热的火球或奇点，甚至连“真空”本身也不存在的绝对的一无所有。而导致定律、我们的宇宙，以及包括我们自身在内的一切出现的这个演化过程也是完全漫不经心的：无规则、无目的，唯一的动力就是尽可能少做事——最好一点儿都不做。
的确，这幅图景与被广为接受的宇宙在一声巨响中华丽登场的描述不太一致，而且与后者相比简直乏味至极。但它可能是真的，而且从哲学角度看，这种图景甚至更为自然，因为在这种图景中，完全不存在那个困扰大爆炸模型的根本性的问题：那个最初的奇点，从何而来？
当然，作为一部科普著作，本书的目的不是进行学术性争论。事实上与大爆炸模型一样，本书所描述的图景也只是从已知科学理论和观测事实出发进行的推演，只是出发的角度以及所考虑的事实略有不同。而且与包括大爆炸假说在内的所有宇宙学假说一样，要完善这些假说、彻底弄清宇宙诞生之初发生了什么，我们目前掌握的事实仍然太少太少了。
对这些未知的东西，作者谨慎地保持沉默。但是仅就本书所关注的自然界中各种定律的起源而言，目前已知的科学事实看起来确实指向这样一个结论：在宇宙诞生之初，无论是不是有那么个火球或一声“砰”，在那一刻，没有任何新的定律诞生，今天我们所看到的一切，仅仅是对宇宙最初状态的继承——一个比那声“砰”更古老的一无所有的状态。
这个假设的迷人之处在于，它提供了一幅如此简单的宇宙诞生之初的图景：不存在任何东西，也没发生任何事件，当然更不需要劳动那位事儿妈得要命的创造者——还有什么能够比一无所有更简单呢？而这种简单性，正是作者最终试图展示的，我们所坚信并希望你也愿意相信的，宇宙的本性。
作为译者，我希望借这个机会对文中几个重要术语的翻译略作说明。诚如诸位所见，本书描绘的宇宙以及自然律诞生图景大约可以概括为：从一无所有中，在无为的驱使和无规则的支配下，宇宙漫无目的地（作者用的词是“无知”）演化出了今天我们所知道的全部复杂精巧的自然律。“一无所有”，原文是nothing，我的编辑曾经建议我译成“虚无”，但是我觉得“虚无”这个词太隆重了，表现不出作者试图通过这个词传达的那种轻描淡写的态度。事实上“一无所有”也还是太隆重了，更贴切的译法其实是口语化的“没有”，但是这种口语化的表达方式写到书面语中又会感觉很别扭，所以最终我还是不思进取地满足于“一无所有”了。在书的后半部分，作者还使用了首字母大写的Nothing来强调宇宙开始以前的连真空都不存在的绝对空无一物的状态，我将其翻译为带引号的“‘无’”。利用这个引号，我试图引导各位将其想象为佛教所说的那种“原本无一物”的状态，事实上作者也确实借用了印度古代哲学中的相关概念来帮助读者理解他所描述的这种绝对的“无”。我曾经一度心血来潮地想将其翻译成看上去显得更有佛性的“空”，但考虑到原文中也出现了empty这个词，最终也仅仅是动了一念。
“无为”，原文是indolence，本义为“懒惰”（名词）。尽管我也同意，如果使用“懒惰”这个更直接的译法，书中的很多行文将更能体现原作者的幽默感，诸如“是时候找个地方让懒惰歇一歇，让无政府主义（这个词的翻译稍后会提到）来实施统治了”，但是考虑到在汉语中人们会更经常地把“懒惰”当作形容词来理解，为了避免因词性误解而造成的理解障碍，我选择了看上去更容易被当成一个专门术语来理解的“无为”，灵感当然来自于道家所说的“无为而无不为”。同时这也是为了让这个词能够整整齐齐地加入从“一无所有”到“无知”的这个“无”字辈的大家庭。
“无规则”，原文对应anarchy，这是一个政治学术语，直译为“无政府主义”。但是考虑到这个词对于比较年轻的读者而言可能不够友好，为了避免读个科普读物还得查字典的尴尬，我选择将其译为更浅白的“无规则”。另外还有“无知”，原文为ignorance，直译为“无知”——所以你看，如果事情全都这样简单的话，那么世界该多么美好呀。
值得一提的是，这里提到的某些概念看上去似乎与形成于数千年前的佛家和道家的某些观点暗合。这当然不是因为你在爬某座山的时候佛陀或老君已经在山顶喝着茶等你了，而只是因为我们与古人爬的是同一座山，见识的是同样的风景，由此也必致产生一些同样的感悟。这座山就是我们的现实世界。作为一位古代的图书馆馆长，老聃想必曾无数次看到书卷从书架的高处跌落，但如果没有人将它们拾起，它们从不会自己从地面跳回到架子上去。这也许不足以引导他发现“李耳”兹曼分布或最小势能原理，但应该已经足以让他意识到大自然“懒惰”的本性了。而佛教中“空”或“无”的概念则完全可以从一个非常简单的想法中推导出来：在“有”的存在以外，以及在“有”出现以前，存在着的是什么呢？它必定不是“有”，因此只能是“非有”，也就是“空”或“无”。
然而，尽管古人比我们起得早，在这条荆棘密布的山路上，他们远未登顶。我们也一样没有，但还是比他们爬得更高、走得更远，也因此能看到更多的风景，甚至发现他们因为被困在山坳里而造成的对此山真面目的误解。我们之所以能够走得比他们远，是因为我们站在他们肩膀上，来路的荆棘已经由他们为我们清除掉了，因此我们能够走得更快，不需要自己从头去摸索。但是他们的使命已经完成了，我们已不需要总是时时回望他们，纠结于他们对这座山的描述。从这里开始，前途的荆棘轮到我们来为后人清理。终有一天，他们也将站在我们肩膀上，比我们爬得更高、走得更远、看得更多，并发现那些被我们以及前人误解的东西，给它们以正确的描述。
就像我的一位出身于化学教育背景的同事喜欢说的：“不懂物理学的化学家不是好文化人。”通过本书，阿特金斯展示了一位精通物理学（尤其是热力学第二定律，就像C. P.斯诺提到的）的化学家在谈及莎士比亚以及其他通常被认为属于人文、艺术的内容时是多么地如数家珍。作者引用、化用了大量欧美读者耳熟能详的文化典故，从俗语俚语到历史故事，从莎翁名剧到流行文化，从而把寻常使人昏昏欲睡的科学理论讲得生动活泼、趣味盎然。然而这也极大地增加了本书的翻译难度。为了让不那么熟悉这些西方典故的国内读者能够同样体味到原作者试图带给全世界每一位读者的兴奋与愉悦，我尽量把作者的语言转换成中国文化语境下的内容，尽可能去体味作者在选用不同单词时所尝试表达出来的情绪，或举重若轻、或煞有介事、或明褒暗贬、或嬉笑怒骂，然后尝试用中文中感情色彩相近的措辞将其还原出来，另外以脚注形式为一些典故添加了注释说明，以弥补翻译笔力的不足。
最后，我想作者可能会同意我这样来概括他通过本书试图传达给读者的信息：
宇宙是简单的，而且并不神秘。

彼得•阿特金斯(Peter Atkins，1940—  )，英国著名化学家、化学教育家和科普作家，皇家学会会员，牛津大学林肯学院研究员。已出版作品近七十部，其中代表作包括享誉世界的教科书《物理化学》，以及科普作品《伽利略的手指》《宇宙运行四法则》《创世》《重临创世》等。阿特金斯曾在法国、以色列、日本、中国和新西兰担任客座教授，是国际理论与应用化学联合会(IUPAC)化学教育委员会创始主席，于2016年获得美国化学会颁发的Grady-Stack科学传播奖。
译者简介：
苏湛，北京师范大学哲学博士，中国科学院大学人文学院副教授，研究方向为物理学史、物理学哲学。已出版著作《十一世纪中国的科学、技术与社会》及译作《延长的万物之尺》等。

宇宙的运行由深奥的自然法则和基本的物理常数统治着，它们决定了宇宙的起源、形状、规模和命运。这些自然法则和常数从何而来?为什么宇宙的奇妙与复杂可以使用如此简练、优雅的数学语言来表达?
作为著名化学家、化学教育家和科普作家，彼得•阿特金斯教授以斐然的文采和对科学的深刻理解奠定了在科普写作领域的地位。他运用轻松、诙谐的写作方式，如变魔术般带领读者探索能量守恒、电磁学、经典力学、量子力学和热力学的起源，展示其中所隐藏的各种定律是如何从深层对称中产生的，将物理学的基本思想简洁又丰富地编织在一起，获得了革命性的成果。阿特金斯以其特有的睿智和幽默，用一种发人深省的方式揭示出这个复杂得无以伦比的世界那令人惊讶的简单性。

一、回到永恒：定律的本性
二、无事生非：定律何以能够从一无所有中突现
三、无法无天：定律何以从无定律中突现
四、炙手可热：关于温度的定律
五、超越无规则：一切缘何发生
六、无知的创造力：物质如何响应变化
七、光的载荷：电和磁的定律
八、量尺子的尺子：基本常数的起源
九、来自深层的呐喊：数学为何能发挥作用
注释
索引
译后记