现代科学简史+时空简史（套装共2册）

《时空简史：从芝诺悖论到引力波》不仅是一部动人心魄的科普佳作，更是一部叙事宏大的科学哲学著作。本书从物理、数学和哲学三个角度展开，以对时空的物理哲学、数学哲学和科学哲学的基本认识和思维范式为主线，展开了纵横几千年的人类文明史；从对时间和空间认识的哲学视角出发，深入浅出地阐述了多种不同的时空观对社会文明进步所造成的不同影响；高度概括了人类思维方式的演化历程，对科学思想史上惊心动魄的原创性思想探索历程进行了细致入微的描述。作者在人类不同历史时期的时空观认识基础上，对新世纪面临的新的机遇和挑战，做出了充满深情的展望，给人以巨大的震撼和启迪。可以说，这是一部由中国作者原创的、关于宇宙时空观历史的高端科普读物。

《现代科学简史：从蒸汽机到??求偶》用妙趣横生的故事，严肃讲述科学史。在品味故事中，拨开迷雾，走进科学，近距离认识那些普通又伟大的人，科学不再枯燥，大师不再遥远。从科学家身上学到一点真的东西，这会让你受用一生。

《时空简史》
序言
引言
01 静止的时空：从芝诺悖论说起
万物皆数：第一位宇宙人
芝诺的时空：“万物静止”
无穷的烦恼：“潜无穷”与“实无穷”
第一次数学危机：拒绝无理数
定义连续性：“刀切”拥挤的数轴
整体与部分相等：疯了，无穷大可计算
反驳芝诺：芝诺的意义
数学的柏拉图主义：认识即回忆
康熙皇帝与勾股定理

02 运动的时空：微积分思想
无穷小的复活
导数：探寻永恒的刹那
牛顿的物理直觉：消失的“瞬”
莱布尼茨的几何直觉：消失的“三角形”
牛顿-莱布尼茨公式：小心求证与大胆假设
第二次数学危机：捕捉“无穷小的幽灵”
消灭无穷小：极限理论
数学符号：宇宙的语言

03 绝对时空：朴素沉静的绝对时空
新范式的胜利：把圆压扁
伽利略：过程比原因重要
笛卡尔：天花板上的苍蝇
牛顿：定义质量
绝对时空：分割的时间与空间
万有引力：神秘的超距作用
经典的因果论和决定论范式
数学与物理的伟大融合

04 相对的时空：时空一体，同时相对
麦克斯韦方程与牛顿力学的冲突
迈克尔逊-莫雷实验： “以太”存在吗？不存在！
光速是绝对的：空间的运动影响时间的流逝
狭义相对论：同时相对，众生平等
时空一体：时间膨胀，空间收缩
E＝MC2，质量可以换转为能量
信仰与范式

05 弯曲的时空：引力即几何
发现引力波
从平直空间到弯曲空间：非欧几何
狭义相对论的困惑：惯性系为什么如此特殊
突破：引力质量与惯性质量
等效原理：引力和加速度是等效的
时空弯曲：引力即几何
引力使光线弯曲
广义相对论三大经典预言的验证
人类第一次用肉眼验证广义相对论
相对论的意义：物质与时空，有限与无界
爱因斯坦的哲学和美学思想

06 膨胀的时空：时空的方向性
两种宇宙范式
宇宙常数：“一生中最大的错误”
宇宙创生时刻 Big Bang！
什么是时间
时间的方向性：时间箭头
统计熵：宏观与微观的统一
时间的静止：黑洞的引力时间膨胀
时空穿越：时间的演化

07 混沌的时空：无序的世界
混沌现象：不确定性
“蝴蝶效应”的来历
“面包师”变换
通往混沌的路径：周期倍分岔
三生乱象：周期三导致混沌
混沌是自然系统的内在特征：费根鲍姆常数
通往混沌的四条道路及其轨道
预测在原则上是不可能的

08 破碎的时空：分形的世界
分形几何：英国的海岸线有多长
分形的数学渊源：病态函数
上帝的指纹：对经典的挑战
分形维数：“量化了物体细节的瀑流”
理解分形：对称破缺之美
科学与艺术的结晶：混沌分形图
混沌分形的世界观：“复杂思维”范式

09 纠缠的时空：量子世界
量子通信：幽灵般的超时空穿越
连续性的丧失：普朗克时空
因果性的丧失：上帝掷骰子吗
确定性的丧失：测不准原理
实在性的丧失：当你不看月亮时，月亮存在吗
局部性的丧失：量子纠缠
信仰之争：决定论与概率论

10 振动的时空：多维的世界
时空中的场
“杨-米尔斯”规范场
宇宙的四种基本力
标准模型与“上帝粒子”
一切都在振动：多维的时空
宇宙的琴弦：平行宇宙
在路上：无边界的宇宙

结语
写在后面的话

科学时代

在19世纪的所有发明中，“科学家”这一名称的问世最为令人瞩目了。在1789年时，已经有了自然哲学家和自然历史学家，但化学家、解剖学家和仪器制造商的地位却略逊一筹。他们那种看上去像童稚的好奇心也进入了成熟的岁月，在当时的成人世界里，解决问题和寻找答案既可以是个人消遣，也可以是一种社交活动。1812年，汉弗莱·戴维（Humphry Davy，1778—1829）这样向年轻的迈克尔·法拉第（Michael Faraday，1791—1867）解释科学 ：科学就是一个令人烧钱的冷酷情人。除医药之外，医生对病人的态度和临床经验非常重要，而科学知识在这方面只能起到某种辅助的作用，它只是一种技能或爱好，而不是一种正当的工作或职业。1833年，当“科学家”这个词问世以后，情况完全不同了。科学要求一个人具有机械、数学、手工、逻辑、观察技能等各方面的能力，而组织能力在不同程度上也同样必要。医学和数学在大学已开设课程，站稳脚跟，但在1789年，大学里却没有任何其他科学方面的学位课程（包括近代史、现代语言文学）：希腊和拉丁语经典是谋求仕途者必经的传统人文教育，其中能拿到奖学金的男孩会成为神职人员、教师、法官和校长。在当时，工程师和大多数医务人员都是通过工作进行学习的。学习科学最好的方式，或许是师徒形式，就像法拉第与戴维之间的关系，是一种非正式的学徒制。在当时的法国、普鲁士和俄罗斯，科学院中有几个受薪职位可以竞聘，但一般来说，赞助对科学很关键。1789年，这样的赞助通常来自贵族和士绅 ；到1914年，则由那些成名的科学家挑起了大梁。那些不屑为赞助折腰或无法获得赞助之士，只能靠文笔或者演讲来过 日子。1对大多数人而言，除非像查尔斯·达尔文（Charles Darwin，1809—1882）那样过着独立的小康生活，否则，拥有一份职业以糊口度日是必要的，要么靠笔谋生，要么沦为失意文人和街头说客。对他们来说，科学只能是某种业余爱好。进入18世纪90年代，随着巴黎综合理工大学（Ecole Polytechnique）的成立，

理科学生在极具革命精神的法国大革命中诞生了。这些学生通过竞争性考试进入大学，在致力于研究的大学教师教导下，正规学习理科与工程方面的课程。研究生则起源于德国。尤斯图斯·冯·李比希（Justus von Liebig，1803—1873）在19 世纪20年代的吉森大学，创立了一个小型实验室并开始化学博士课程的教学—— 这是世界上第一所著名的研究学院。2德国研究型大学的模式很快就遍布欧洲， 并在19世纪后半叶登陆英国和美国。3它们的毕业生在教学、工业和商业等领域就职。与科学相关岗位（包括政府实验室）的数量在大学和各种技术机构迅速增

加。1870年后，随着普法战争中教育程度更高的德国赢得战争的胜利，这种趋势 更加势不可当。4从这个意义上来说，“应用科学”开始真切地实践它过去许下的诺 言。科学工作的从业资格促进了科研团体的团结5，以及科学家的职业生涯规划、专业化和社会认可度。在世人眼里，科学家的形象改变了，不再是一个成天恍惚健忘的演奏家或半桶水货色，而是能给社会带来经济价值和改变人们世界观的宝贵的公民。这种整合恰巧与欧洲走向民族统一发生在同一时期，澳大利亚人也不 再把自己当作在南半球的英国人了。由于集应用、才智和社会活动于一身，科学在19世纪变得至关重要。由此，我们不应该仅仅只关注天才以及他们的发明创造，还要关注其他那些开放、渊

博、专业、正式或非正式的（也许中介性质）科学团体，它们变得越来越专业化，跨越阶级、地区和国家的界限。科学既是公共知识，又可使社会任人唯才，成为一种社会阶层流动的手段以及走向现代化的途径。科学教育也许是至关重要的，但它也难以摆脱或多或少的教条式的“科学方法”。过去是这样，现在还是 这样。也许今天的学生更需小心，以免重犯过去的错误。在小学或成熟的科学知识里，问题是有标准答案的 ；在教学方法上虽然可以让学生动手实践，但答案却不能是开放式的。学习中一定有或多或少需要死记硬背的东西。特别可恶的是，随着学生的进步，那些简单化的解释还必须被遗忘。总而言之，科学研究会涉及理想的条件、受控的条件、实验室中、模型化和一般规律下的各种情形，这必然促进思维锻炼，使人能够质疑，变得更加谨慎。科学家尽力解答难题，偶尔也绞

尽脑汁提出难题，但他们总希望找到明确的或有一定概率的答案。这一点似乎完全不同于那些伦理或政治方面的问题，这也造成了所谓“两种文化”和“科学战争”，将科学与其他思维方式相对立。科学至上主义认为，科学方法是任何领域中唯一有效的方法，这种观点更加剧了这样的冲突。在19世纪，科学对社会与公众的影响是巨大的。它的作用辐射到食品生产、交通运输、通信、时尚、艺术、文学、政治、宗教等诸多方面，甚至影响到国家

的尊严与信心。许多科学家也是宗教信仰者，他们却成为教会的一股新生力量， 以世俗精英来取代原先由先知与教士所担当的角色。8但是，并非所有人都欢迎这种变化。丑陋不堪的工业化城市、矿山与工厂，都让人无法细看。然而，通过技术进步，各种问题得到了改进 ；政府也逐渐放弃了原来不干涉的态度，加强了对水源、排水系统和工厂的监管，对食品药品以及交通运输进行安全立法。玛 丽·雪莱（Mary Shelley）通过其科学作品《弗兰肯斯坦》（Frankenstein，1818）， 对伊拉斯谟斯·达尔文（Erasmus Darwin，1731—1802）和戴维这两位启蒙时代的诗人对科学的高歌发起了一场争论。在我们今天看来，她的小说只是一部哥特式恐怖小说。她把科学家描述成一群巫师的学徒，却想扮演上帝的角色。她的观 点获得了意想不到的共鸣，9与当时众多的科学文章、演讲、博览会、科学植物 园等各种强调科学与自然的进步与益处的活动，形成了有力的抗衡。1019世纪一个鲜明的特点是超自然主义、巫术、唯心主义与科学的兴起，包括对疫苗和解剖学的对抗。就连当时“物竞天择”的发现者之一，阿尔弗雷德·罗素·华莱士（Alfred Russel Wallace，1823—1913），在对社会主义思想表示支持的同时，也对 科学抱有不信任的态度。这在当时的科学家中是极为少见的。流行科学并非总是学者们想看到的结果 ：骨相学、催眠术、动物催眠比严肃精确的科学要更受欢迎［事实上，动物催眠理论早就被本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin，1706—1790）推翻，但动物催眠术依然饱受人们的喜爱。我们在渴望新思想新景象的同时，不该忘记接受科学的人们为科学进步所付出的代价。传统的价值观及生活方式消失了。制作火药棉这类新型爆炸物的人在制作过程中被炸药炸死、化工厂附近的居民和动物受到化学品的毒害、政府官员把人进 行分类（也许是想区分出哪些属于隔代遗传病者，哪些属于退化人群）、在机械化面前许多人发现自己的技能变得一无所用。在都市里进行科学研究，成功合成靛蓝、在克佑区培育出橡胶和奎宁，再把秧苗送到殖民地的种植园，损害了这些植物的原产地印度、巴西和秘鲁的国家经济。远离欧洲及美国科学研究中心的国家和地区，似乎只能为那些在“国内”的研究人员提供原材料，由他们去分析研

究，对他们表示感恩。至于理论方面的研究，甚至于命名的事情，都交由都市中心去做，与各地方、各殖民地都没有关系。直到19世纪末，亚洲人和非洲人才有了机会在科学上施展他们祖先曾经施展过的才华抱负。在这个按地域划分科学的时期，女性也被排挤出这一活跃的科学研究领域之外（她只知道家务，他则什么 都知道13）。女性在1900年终于冲破藩篱，得到社会的认可，这也是“科学家”一词取代“从事科学研究的男人”的真正原因。19世纪是一个人类对自然界有着全新认识的时代，它见证了当时科技的进步、帝国的扩张、新国家的兴起，以及新专业、新行业、新可能的诞生。在概述这个科学的时代时，许多内容必须有所取舍，有些只能略过。科学是讲究背景

的，它有自己的内容 ；我对此尽量做到不偏不倚。当我们看待科学时，我们往往过于关注内容、理论、实验，以及具有创新能力的个人，而忽略了社会历史背景，如伦理与宗教信念、教育体制、社会、团体、出版商、科普人员及市民大众。因此，当我试图恰如其分地评价科学的学术价值时，有人也许更想了解能源的革新与保护，了解那些在19世纪50年代里给科学带去新凝聚力的普遍原理。革新与能源的确渗透于方方面面，但我还是努力把科学和以下的这些背景结合进行叙述 ：社会进步、宗教质疑、伦理争议、科学家对地位和尊重的要求，以及在印染技术、照明、运输业、炸药、战舰方面的发展。在19世纪早期，科学落后于技术，科学研究者努力阐释发明的本质 ；而随着科学的进步，应用科学成为新型工业的关键。在19世纪后期，“纯”科学与应用科学剥离开，但要把科学、技术、医学分开是不可能的事，因为它们同属于一个我们所关心的集知识性、实践性和社会活动于一体的范畴。诠释自然需要考虑如何处理相关的知识。这点尤其表现在化学上，这是一门在19世纪得到最深入研究的学科。化学在医学和工业上至关重要，它是财富和力量的源泉，它带给我们原子理论、分子模型，它帮助我们理解物质，让我们明白它与电和摄影之间的关系。我在本书中对它给予了应有的关注。作为西方文化的一个重要元素，科学改变了19世纪的世界面貌。因为无法对所有的背景情况面面俱到，我的叙述只能专注于西欧。我尽力恰如其分地对待在

1789年处于核心地位的法国，以及在1914年最重要的科学发达国家德国。由于对英国情况更为熟悉，而非因为英国在全世界的重要地位，我选取了不少来自英国的例子。不同的视角毫无疑问会带来有所不同的看法。我的叙述中会有大量有关人类在科学知识与实践方面所取得的成就，以及关于人类对大自然的诠释和理解。但是，关于科学家诞生的过程依然是该书的核心。我们将关注的是，在当时，世人如何接受和认识科学和科学家，以及科学和科学家是如何诞生的。

长期以来，大卫·奈特一直用生动而有趣的科学史书籍在启迪和愉悦着读者。在该书中，他以穷尽毕生心血之研究为我们解释了科学如何作为一种实用的、具有智力挑战性的、社会多样性的活动，在漫长的19世纪中获得其文化意义的重要性。强烈推荐。   

 —胡恩·赫德雷·布鲁克，安德里亚斯·伊德瑞斯，牛津大学名誉教授

书写风格轻盈，内容精辟，信息量大，意义深远——本书带给读者非常愉快的阅读体验。仅需几个精心挑选的词语，奈特就让读者在他们的脑海中勾画出一个赫胥黎或法拉第的生动形象；能够一针见血解释科学问题的核心所在，而不会为繁缛细节所累。关于19世纪科学历史的介绍，我想不出比这本书写得更全面、更好的了。

—–杰弗里·坎特  利兹大学名誉教授

大卫·奈特的新书是一部耀眼的杰出著作。书中运用各类学科的众多例子来描述科学的专业性。作者博学多识、文笔通俗易懂、笔调乐观幽默。该书是社会历史、制度历史和科学内部历史的一个结合体，我亦很欣慰地看到化学在该书中占据了相当中心的地位。

 —–埃里克·斯克里，《元素周期表：关于它的故事和它的意义》之作者