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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，我们必须学新弃旧，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。

序言 重生 

引言 

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 

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。 

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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。

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。

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人类信号处理的一个根本限制因素，是神经元互相通信时使用的脑电活动（动作电位）的脉冲之间的间歇期（也称潜伏期）。这个恢复周期将每一秒内脉冲的数量限制为几十到几百次，具体次数取决于神经元的类型。电影通过连续展示一系列静止画面来形成看似会动的影像，每秒展示的画面数（被称为帧率）低于40就可能被人识别出来，也许并非偶然，这个频率刚好足够容纳适度数量的脉冲。这个帧率客观地衡量了我们将视觉信号处理为大脑可以使用的形式的速度。这意味着我们一生中能处理并“理解”大约1000亿幅不同的场景。

在现代计算机中，信息的存储和处理并不是通过整个原子或分子的行为来实现的，而是通过电子的排列和重组。这种做法所涉及的能量会小得多，因此处理速度就可以快得多。这些电子分布在数以万亿计的容器中，容器中的电子浓度较高，电压就低，可以记录为“0”；容器中的电子浓度较低，那么电压就高，可以记录为“1”。如此一来，信息传递便成为可能。通过这种方法，我们创造出了临时稳定单元的组合激增，这是动态复杂性的通用平台。

我们回顾一下广义相对论诗人约翰·惠勒总结的那句话：“时空决定了物质如何运动，物质决定了时空如何弯曲。”

惠勒的总结朗朗上口，但它其实具有一定的误导性，或者可以说它不够完整，我们有必要对它做出补充：时空也是物质的一种形式。具体来说，认为时空曲率完全是由其他东西（即“物质”）决定的这一想法是错误的。让时空弯曲需要能量，而能量又会导致时空的弯曲。曲率以这种方式参与到了自身的创造中。简而言之，时空拥有自己的生命。

一些成功的模型需要的计算超出了常人所能及的范围，而它们会导致类似玻尔所说的这种互补性产生，这是相当严重的。现在在国际象棋和围棋这两种曾经被视为人类智力巅峰的竞赛中，最棒的棋手是计算机。我们有大量关于国际象棋和围棋的文献资料，伟大的人类棋手在这些文献中解释了他们用于组织相关知识的概念。但是作为这些领域现在的王者，计算机并不使用这些概念。

人类的概念适用于在运用图像以及进行并行处理等方面拥有超强能力的大脑，不过人类大脑记忆力相对较弱，并且运行速度较慢。计算机可以开发出完全不同的概念，当然它们也可以发现对人类而言有效的概念。它们只需要自己和自己下很多很多盘棋并观察哪一种方法有效即可，换句话说，它们遵循从实践中学习的科学方法。在量子色动力学，也就是我们的强相互作用理论中，科学家发明了一些概念来填补描述夸克、胶子的基本方程同最终出现在大自然中的那些更复杂的物体之间的差距。这些概念帮助我们人类的大脑理解了这些问题。然而，其实目前为止最有效的策略是用最少的指令将运算的工作交给超级计算机。

自主、通用的人工智能（AI）可能还需要好几十年才能达到人类的水平。我们发展人工智能的决心不可动摇、进展不可阻挡，除非发生灾难性的战争、气候变化或是瘟疫，否则我们可能只需要一两个世纪就能达成目标。考虑到工程设备在思维速度、感知能力以及体力等方面具有先天的优势，智能水平的顶点将会从没有得到机器帮助的智人过渡到电子人和超级智能身上。基因工程也有可能产生超能力生物。它们会比现在的人类更聪明、更强壮，当然我也希望并期待它们能更有同情心。

这四种力分别是：

·电磁力，描述它的量子理论是量子电动力学（QED）；

·强力，描述它的量子理论是量子色动力学（QCD）；

·引力，由爱因斯坦的广义相对论描述；

·弱力。

编辑推荐

如果你想了解迄今为止科学家已经揭示了多少物质世界的奥秘；或者你一直专注于一个科技方向，想知道整个科学的发展现状；又或者你充满了迷茫，不知道飞速发展的科技和强大的人工智能会把人类带向何方，那么恭喜你，你已经找到了你的向导，这本《万物原理》就是你的好选择。尹烨吴国盛吴飙郝景芳等联袂推荐，特别收入专家解读本，伴你同伟大心灵一同探索和哲思！

书摘插图

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。

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。

媒体评论

《万物原理》是这个瘟疫之年冬季完美的书……维尔切克的写作简洁而清晰，令人惊叹，他对于写作这个主题的享受也是显而易见的。

——《纽约时报》书评

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》

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。