作者：泡爸
出版社：湖南科技出版社
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大人孩子都能懂的《大设计》试读：
导言
《大设计》是霍金继《时间简史》之后最重要的著作，以理解生命、万物和宇宙的存在和关系为中心。本书作者泡爸以《大设计》为蓝本，以简洁流畅的讲述方式，让孩子们和家长都能明白宇宙的科学，意识到宇宙整体或者万物均是由规则制约，它们的演化不只是一个历史，同时经历了无数的可能性。让孩子们更容易理解科学，享受知识的愉悦。领略宇宙的奇幻美妙，从小开始培养科学的世界认识观和发展观，激发他们学习和了解科学的热情和信念。
改写者序
假设你今年13岁。过去13年的每一个时刻，你在哪里，你在干什么，都是确定的。虽然，大多数你已经不记得，你的爸爸妈妈也不记得。
不管记不记得，某一天的某个时间点，你的状态一定是唯一的。你不可能既在北京，又在海南；不可能既在教室里坐着上课，又在家里的床上躺着睡觉。
但宇宙不是这样的，很有可能，宇宙经历了无数种共同存在的历史，这些历史相互作用，形成了今天的宇宙。
你想知道过去的某一个时刻，宇宙处于哪种确定的状态？对不起，这是没有答案的。因为，确定的状态根本不存在，只能说有多少多少种的可能性。
这就好像说，过去的13年，有无数个你，经历了无数种状态，这些状态互相影响，形成了今天的你。过去某一天的某个时间点，你既在北京、又在海南、还在月球；你既在教室里上课、又在家里睡觉、还在外天空坐着航天飞机溜达。
有意思吧？
这种观念来自物理学最最时新的M理论。
过去100年，物理学的发展太牛了。牛到什么程度？牛到终于让一般人听不懂啦。
100多年前，物理学的天下属于牛顿，牛顿物理学比较容易理解：一个苹果离开树枝，会往地上掉，这是地球引力在起作用。想让一个静止的物体动起来，你要给它力；想让一个动着的物体停下来，你也要给它力，这是牛顿运动定律。
不过，后来的各种观测和实验表明，只用牛顿物理描述我们的宇宙是不够的，想要准确地描述宇宙，必须使用更复杂的理论，比如不太好懂的相对论、量子论，等等。
好懂的、不好懂的，目标相同，都是为了认识宇宙，弄明白宇宙到底是什么样子。
人类是好奇的物种，除了想知道宇宙是什么样子，我们还想弄明白，宇宙为什么是这个样子？为什么会有宇宙？过去的解释说，宇宙由大爆炸而来。那么，大爆炸之前是什么？为什么会有大爆炸？
目前，最接近于解释这些问题的，是上面那个有点怪异的M理论。
如果你读过《大人孩子都能懂的时间简史》，再读这本书会更容易理解。当然，没读过也没关系。这本书的目标，跟《大人孩子都能懂的时间简史》一样，都是要让没有任何基础的人也能读懂。
没错，能够翻开这本书，你绝对值得为自己骄傲。虽然这只是一部青少年版，但是，想一想，一个十几岁的少年，已经读着一本叫《大设计》的书，思考宇宙由来的问题，怎么能不为你鼓掌呢？第1章为什么会有宇宙
我们和我们周围的一切、地球、太阳系、银河系，乃至宇宙，从何而来？
为什么会有宇宙？谁创造了宇宙？
这些问题过去属于哲学家，现在则不是。
最近的几十年，科学发展太快，哲学家跟不上，他们理解不了物理学的最新发现。所以，很多人说，哲学已经死了。
回答关于宇宙的终极问题，要靠科学，要靠物理学，要靠现代物理学。
现代物理学的发展，起源于大约100年前出现的量子理论。
在量子理论出现之前，大家普遍认为，世界是什么样子，是完全可以靠直观感觉了解的。
牛顿物理学非常符合直观感觉。人们曾经以为，基于牛顿力学，科学已经完美地解释、定义了整个宇宙，宇宙的终极规律已经找到。牛顿力学仅适用于引力，而引力只是科学家所定义的四种力之一。安静、安静，这个才像是终极的。
可是，这种想法错了。后来的科学发现证实，牛顿力学仅仅适用于引力，而引力只是科学家所定义的四种力之一。在解释其他三种力时，科学家们发现，必须使用另外一种工具：量子理论。（图1）
基于量子理论，物理学家们做了近100年的努力，其中包括好多次争论、争吵、自我否定等。如今，大家开始觉得，好像又快要找到描述宇宙万物的终极理论了，那就是M理论。M理论可以回答“为什么会有宇宙”这类超级大问题。量子理论：
量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。图1
注意了，还只是说“好像”，离“真正确信”还有距离，还需要继续检测和实验。
M理论说，宇宙是从无到有诞生的，而且诞生了不止一个，我们所在的宇宙，不过是其中之一。宇宙的历史，也不是只有一个，而是有许许多多个，其中绝大多数不适合生命的存在。
那么，为什么我们恰好在这个适合生命存在的宇宙里呢？为什么宇宙是现在这个样子，而不是别的样子呢？M理论说，宇宙的诞生、宇宙的历史演变、人类存在的原因，都符合物理学定律，或者说，都是由物理学定律决定的。
所以，要思考宇宙问题，咱们有必要先从认识物理学定律开始。第2章物理学定律的由来
发生日食或月食，古人会以为是天狗把太阳和月亮吃了。于是，他们拼命大喊大叫、制造声音，希望吓走天狗。
除了日食月食，古人不了解原因的事情还有很多，比如火山喷发、地震、瘟疫，包括普通的疾病。
为了解释这些现象，人们发明了神，人们把神摆在崇高的位置，自己则放在极低的位置。
神高兴了，天下太平；神不高兴了，就出现自然灾害和疾病。至于神为什么会不高兴，人们认为，是自己惹的，没把神伺候好。图2
其实，2600多年前，已经有人发现，日食是有规律的，可以预测日食的发生。出现日食，即使没有人大喊大叫，太阳也会重新出现，未来还会有规律地出现日食。（图2）别以为你有什么了不起，你是我创造的好不好？
发现日食规律的这个人来自欧洲古希腊的爱奥尼亚地区，爱奥尼亚地区称得上当时世界的一个知识中心。这里出现了很多学者，比如以其名字命名数学定理的毕达哥拉斯，比如在那时候就相信有原子的德谟克里特。
爱奥尼亚学者们的思想很先进，他们对自然和宇宙的解释，非常接近科学定律。其中，有人发现了空气；有人已经意识到，人类可能经历了进化的过程；有人推断出，太阳比地球大得多；德谟克里特则相信，物质的最小单位是原子，原子不可分割。
可惜的是，这些非常接近科学定律的思想，没有被更多人接受。古代爱奥尼亚的学者是最早通过自然定律而非神学或神话来解释自然现象的人。
因为它们没有给“神和灵魂”留位置。
那个时候，哲学比科学更受欢迎，认识世界，靠的是“想”，而不是“观察”。大家认为，世间万物的演变，都要遵从“神”的安排和指示。比如，亚里士多德曾经认定：一个物体为什么加速？因为这时候它感到“喜悦”，这种“喜悦”是宇宙之神安排的。
听起来很可笑是吧？但是这种思想统领了两千年之久。还记得开普勒吧？通过天文望远镜，他发现了行星运动的规律。你知道他怎么解释这些规律的由来么？他认为，行星们之所以按规律运行，是因为它们有“头脑”，理解这些规律。
这就是“上帝说”的影响，一切由上帝安排，没必要存在什么定律。1277年，当时的巴黎主教曾经发布命令，谴责一切“定律思想”，因为“定律思想”跟万能的上帝有冲突。有意思的是，几个月以后，这位主教被坠落的宫殿屋顶砸死了。而宫殿屋顶之所以坠落，显然是引力定律在起作用。
对定律的重新认识，开始于爱奥尼亚科学之后两千年。通过观察和实验，伽利略、开普勒、笛卡尔等人重新相信，尽管与上帝的概念有冲突，科学定律仍然是存在的。现代天文学家从发射到太空的开普勒望远镜观测的数据中，一次性确认发现了715颗新的外星行星。
牛顿让“定律”这个词真正成熟，他发现并总结出牛顿三大运动定律、牛顿引力定律。这些定律与人们的实际观察完全一致，因此很快被人接受。直到现在，牛顿的这些定律还是物理学的必学知识。
什么是定律？当我们观察到太阳每天从东方升起，于是总结说：“太阳总是从东方升起”。这句话不但成功陈述了过去，也对未来做出了可以观测的预言。我们总结的这句话，就是定律。
定律一定可以被反复检测检验，没有例外发生，也不因“人”或“神”的意志而改变。
牛顿之后，一条又一条、越来越多的物理学定律被依次发现，借助定律，人们对宇宙的认识和把握越来越深，同时，人们对“定律”本身也产生了强烈的兴趣。
为什么宇宙里要有定律？定律必须是唯一的吗？有没有统一描述整个宇宙的终极定律？第3章我们所看到的，是不是真实的
定律是我们感知周围事物，然后总结出来的。
提到“感知”，比“为什么要有定律”更“恐怖”的问题出现了，那就是：我们所感知的，是真实存在么？
最早的宇宙模型是这样的。地球位于中心，静止不动，太阳、行星在复杂的轨道上，围绕地球转动。按照托勒密的观点，我们生活在宇宙的中心。
那时候，人们感觉不到地球的转动，所以想当然地认为地球是静止的。而太阳、行星看起来，确实也像是围绕着地球转动。
后来，哥白尼认为，地球不是中心，太阳才是。太阳静止不动，地球和行星围绕太阳转动。
当然，现在你知道，哥白尼也不全对，太阳既非静止不动，更不是宇宙的中心。
曾经，意大利的一座城市，禁止市民把金鱼养在弯曲的鱼缸里。因为这样子金鱼看到的景色都是弯曲的，对金鱼来说，很残忍。
可是，谁又能绝对保证，我们人类不是鱼缸里的金鱼呢？
在一部名叫《黑客帝国》的科幻电影里，人类全部被电脑控制，养在溶液池子里为电脑世界提供能量。为了让人活得“高兴”，制造更多能量，电脑世界给人类大脑输入程序，让每个人都以为自己是活蹦乱跳的人，有自由的思想，生活在真实世界里，而不是那个溶液池子。
如果现实真是这样，那人类的情况，连鱼缸里的金鱼还不如呢。不能让我亲眼看见，休想让我承认！
牛顿物理学认为，在我们的思想之外，有一个真实确定的世界。这个世界，不管我们去不去观察它、认识它，都是毫无疑问存在的。房间里有一张桌子，不管你有没有进去看到，那张桌子一定在那里。
这种观点，听起来天经地义。但是，它先后遇到了两种挑战。
前一种挑战来自更传统的观点，这种传统观点说，我没看见的，我不承认它存在。就像原子的概念，直到两百年前，还有很多学者否认存在原子，他们对原子概念的批评是，你说有原子，给我一个看看啊。既然看不见，凭什么让我承认啊？（图3）
后一种挑战来自现代物理学的量子理论。量子理论告诉我们，对一个小粒子来说，除非我们测量它，否则，它的位置和速度都是不确定的，存在很多种可能。所以，没有天经地义的“真实”。图3阴极射线：我们看不见单独的电子，然而我们能看到它们产生的效应。
科学模型的方法同时应对了这两种挑战。科学模型预言理论上的可能性，如果这种可能性不断被各种观测、实验所证明，那就证明了科学模型的正确。这样，即使我们看不到的东西，也可以相信它的存在。
现在你明白，原子是由原子核跟外面的电子共同组成的，但是，这种说法，曾经很多人不相信，他们认为，原子已经是物质的最小单位，不存在比原子更小的粒子。不过，电子论的模型后来还是被证实了，人们虽然看不见电子，但通过阴极射线枪，可以观测到电子束所产生的效应，这种效应让所有的科学家相信：虽然看不见，但电子确实存在。
原子核由带正电的质子和不带电的中子组成，质子和中子可不可以再分呢？有人提出了夸克模型，认为质子和中子必须由更小的夸克组成。但夸克比电子还麻烦，因为夸克从来都是一组一组，或一对一对出现的，无法分开。也就是说，夸克从不单独出现，我们永远看不见单个的夸克。原子核：
位于原子的核心部分，由质子和中子两种微粒构成。质子是由两个上夸克和一个下夸克组成，中子则是由两个下夸克和一个上夸克组成。
夸克模型引发了更大的争论：定义永远不可能单独出现的夸克，说它存在，这件事有意义吗？不过，最近几年，这种质疑渐渐没有了。因为，科学家从夸克模型推导出越来越多正确的预言，观测和实验不断证实这些预言，也同时证实了夸克模型的正确性。尽管单独夸克不能被观测到，但是夸克的概念是一个不可或缺的要素。
科学模型是不断进步的，它也可以被推翻。
人是怎么来的？“上帝造人”的模型认为，人是上帝造的，上帝造人这事离现在不远。但是，大量的化石等证据证明，人类的过去有一个古老的历史，人类是宇宙经过100多亿年演化的一个结果。尊重科学的人相信，人类由宇宙大爆炸而来的模型更有价值。
观察和观测可以修正科学模型，100年前，人们认为，宇宙是静止不动的。在哈勃观测到宇宙中的星系不断远离之后，人们开始修正“静止不动的宇宙模型”，转而接受膨胀宇宙。
对于光的认识也经历了调整的过程。牛顿认为光是由粒子组成的，这种认识可以很好地解释为什么光沿直线行走，还可以解释光进入不同介质后发生偏折的现象。牛顿的光模型能解释为什么光从一种介质进入另一种介质时弯折，但它却不能解释我们现在称为牛顿环的另一种现象。
但是，连牛顿自己也发现，光不是这么“老实”的。扔两块石头到水里，两块石头所产生的水波会相互干涉。光也会产生类似的现象，如果光只是粒子，不应该出现这种结果。干涉概念在日常生活中，出现在从水池到海洋的水体。正像人一样，在波相遇时它们会倾向于要么相互加强，要么相互削弱。
正是由于对光波的认识，物理学发展出最最重要的模型：量子理论。
用量子理论解释光，比较容易理解：光既是粒子，又具有波动性。光波会相互干涉、相互影响。
用量子理论解释宇宙，很多难题变得轻松了，一些没有答案的问题，也露出有答案的迹象。
虽然爱因斯坦不喜欢，并且曾经引发过极大的争论，但是，量子理论还是称得上最近100年物理学最重大的发现，它也是现代物理学存在的基础。
下一章，我们来更深入地了解一下量子理论。
你将会发现，当量子理论被用到宇宙概念上时，有挑战性的认识跟着出现了。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]