《宇宙从何而来(科学家)》为“科学家”03#系列作品。起点与终点、生命与信息，物质与能量、时间与宇宙，不要被这些词语所吓倒。我向你保证，这个世界并没有我们想象的那么难以理解，只要你认真的看完本书。
    诺贝尔奖获得者大会中国博士生代表傅渥成，直面霍金提问之作。北师大系统科学学院博士生导师点名推荐。

    从混沌到宇宙诞生，从气态到固态；从原子分子到生命形成，从原始生产到人工智能。霍金向人类发问：我们为何在此？我们从何而来？本书作者傅渥成在这里告诉大家，时间永远向前。宇宙、生命、文明，不断进化，不断演生。物理学家不断探索宇宙的意义，亦是在寻找天地万物的来时之路。
    《宇宙从何而来(科学家)》由傅渥成著。

    就在你对人工智能革命、区块链革命、基因革命等应接不暇的时候，物理学却在时空、物质和宇宙等底层革掉了你对整个世界的认知的命。
    ——张江：北京师范大学系统科学学院教授、博士生导师，腾讯研究院、阿里研究院、网络智库专家，集智俱乐部、集智AI学园创始人
    这是一部令我耳目一新的物理学科普作品。作者向读者展现了物理学前沿在统一信息、物质和时空方面的新尝试。
    ——Everett：加州大学圣迭戈分校物理系助理教授
    书中用浅显易懂的语言把历史上物理学家对客观世界的认识不断提高的故事，娓娓道来。
    ——王川：金融圈独立投资人，现居硅谷
    从物理学基本理论的视角观察分析生命、智能这样复杂的体系，让普通人也能够体会到物理学家眼中的世界的精彩。
    ——狐狸先生：中国科学院国家天文台研究员、《漫步到宇宙尽头》作者、《星际穿越》联合译者
    这本书能为你打开一个壮丽的新世界，前提是用你的全部智力去阅读。
    ——采铜：《精进》作者、心理学博土

    傅渥成，本名唐乾元，“诺贝尔奖获得者大会”中国博士生代表，南京大学物理学院博士，东京大学博士后，综合文化研究科特任研究员，曾于物理学期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表学术论文。

PART 01 终极的终极
PART 02 物质与能量
PART 03 生命与信息
PART 04 时间与宇宙

    细推物理须行乐
    很多年以后，当我在写作您眼前的这本科普书时，我还常常会想起我最初渎到《时间简史》的那个遥远的下午。当时的我还是中学生，那是一个常常会被斜面和滑块所困扰的年纪。当我怀抱着心中关于“物理”的许多困惑，翻开斯蒂芬·威廉·霍金(Stephen william Hawking)这位最知名的物理学家的书，我才发现物理学完全不是中学教科书中所说的那些。我几乎完全没看懂霍金在说些什么，只是有一种“不明觉厉”的情绪。霍金的书在我面前展开了一幅关于宇宙的宏伟画卷：膨胀的宇宙、高维的空间、相互湮灭的物质和反物质、黑洞和虫洞……关于时空的奇妙图景与我的无知重叠在一起，一种渺小的感觉油然而生。
    万万没想到，在很多年以后，我竟然“不慎”成了一个物理学博士。在这么多年的学习和研究中，虽然没有取得太多的成绩，但我确信，与当年那个无知的中学生比起来，自己对物理学的理解有了很大的提高。而当我仔细回顾学习物理学的过程时，我发现自己在这一条道路上曾经跨越过三个重要的鸿沟：
    第一个被跨越的是“中学物理”的鸿沟。
    在中学的课堂上，可能每个物理老师都会花费大量的时间来让学生学会画受力分析图，通过图解来掌握力的合成与分解，通过受力分析来求解物体的运动。然而，当我在大学里见识到理论力学(theoretical mechanics)时，我才知道，原来“受力分析”根本就不是“力学”所必须的，伟大的物理学家约瑟夫·拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange)在他的《分析力学》一书中庄严地宣告：“在这本书中找不到任何插图，我在这本书中阐述的方法，既无作图也无须几何或力学的推理，而仅仅是按照常规的统一的代数运算固有的过程。”这对当时的我形成了一种巨大的“文化冲击”。诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克(Frank wilczek)更是在他的文章中一针见血地讨论过这一问题，他指出：“同现代基础物理相比，‘力的文化’定义很模糊，视野有限，而且是近似的……力持续被使用的原因很大一部分是出于精神上的惯性。”类似的文化冲击还有很多很多，而一旦走过了中学物理的鸿沟，我才发现物理学背后隐藏着美妙的结构与形式，这些都是在中学的物理中绝对无法体会的东西。
    第二个被跨越的是“习题物理”的鸿沟。
    在中学和大学，我们做过无数的物理学习题，习题给定了一些条件，要求证明或者求解某些特定的问题，但“习题”完全不同于那些物理学家真正想要解决的问题。对物理学家来说，最重要的根本就不是解题，而是“提出问题”。这世界上有大量的问题根本还没有用精确的数学语言表达，只有一个模模糊糊的想法，物理学家在实际工作中遇到的困难在于，怎样才能将这个想法转变成定义良好(well-defined)的问题？要知道，在阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)提出狭义相对论之前，物理学家并没有合适的语言来描述“追光”这样的问题，对爱因斯坦来说，他需要重新定义“时间”这样基本的概念，这无疑是比解题困难得多的事情。而当问题被提出来之后，“解决问题”也不等同于“解题”。对物理学家来说，没有什么是给定的条件，如果因为条件限制无法测量或者计算某些东西，我们完全可以通过国内或国际合作来解决这些问题。物理学家还可以通过一些简化和近似，将真实世界中复杂的问题抽象为“真空中的球形鸡”，在此基础上对问题进行定性半定量的分析，以获得对问题基本图像的理解。有了前面的这些分析，问题的求解很可能会变成不那么困难的问题，我们甚至可以用多种方法对一个问题进行求解，一个经典的例子就是“气压计问题”：题目要求用一个气压计测量一栋大楼的高度。我们当然可以根据楼顶与地面的气压差来估算楼的高度；不过我们也可以从楼顶扔下气压计通过自由落体公式来计算楼的高度；我们甚至还可以把气压计作为礼物送给大楼的管理员，直接让他告诉自己这栋楼的高度。第三个被跨越的是“科普物理”的鸿沟。
    “科普物理”是我自己发明的一个词，指的是通常在科普书中所能读到的一些物理学内容，这些内容通常包括宇宙学、量子力学、基本粒子以及弦论等等。这些“知识”也常常出现在科幻小说和科幻电影中，给普通公众一种充满“神秘感”的想象。然而随着我自己也成了物理学领域的研究者，我才突然意识到：这些领域的研究者只是物理学家群体中的少数派，绝大部分的物理学家所关心的是各种凝聚态体系。这曾经让我也觉得非常困惑，为什么这么多伟大的头脑既不去“仰望星空”，也不去钻研物质的最基本构成，而是去关心一些奇奇怪怪的材料的性质呢？我怀着这样的困惑，开始学习固体物理等凝聚态物理课程，才发现一块小小的固体里隐藏着不比宇宙更简单的秘密。在公众所熟知的“科普物理”之外，物理学家们还有另一套完整的世界观。
    著名的华人物理学家文小刚曾经在采访中这样对比两种不同的思路：“以前的思路是，你要找一个东西的起源，都是要把它分解，来得到其组成和基本构件，分得越小就越基本……新思路下，结构是更重要的。考虑结构会使我们对自然界的基本性质有更深刻的理解，这跟老思路考虑物质的构件很不同。二者的区别就好比，观察一根绳子时，是看它由什么分子构成的，还是看这根绳子的扭结结构是什么。老思路看重基本构件是还原论，而新思路看重组织结构（序）是演生论。”虽然物理学家们可能以不同的思路为切入点，但物理学内在逻辑是统一的，各种不同领域的研究是存在联系的，这种思路上的差异让物理学的研究变得丰富多彩。
    帮助读者们跨越上述三个鸿沟正是我写这本书的理由，我希望可以向物理学的爱好者们展示那些在教科书、习题集和其他科普书籍中较少见到的一些东西——事实上，我在知乎上的许多回答也在进行着这样的尝试。
    对于那些大家在教科书中早已熟悉的论题，如能量守恒、热力学第二定律、不确定关系等，我希望本书的讨论可以延伸读者们对相关问题的理解；而面对那些大家习以为常的“问题”，我希望仔细地介绍为什么那些伟大的物理学家可以提出这些重大的问题，这些重大的问题在物理学的发展中起到了怎样的作用；与其他科普书中体系化的叙述不同，读者在阅读本书时不必下定决心从头开始阅读，完全可以从自己感兴趣的章节开始，而针对那些在其他科普书中同样提到的问题，例如“时间是什么”“麦克斯韦妖(Maxwell's demon)”“宇宙的命运会怎样”“量子纠缠是怎么一同事”等等，我希望本书中的讨论可以向读者传达一些更新的理念。此外，由于本人的研究领域主要是与生命系统有关的统计物理，出于本人的趣味，我希望尽可能地将信息、生命和智能的许多讨论穿插到物理问题的分析中，这些问题涉及的都是我所关心的或者是正在研究的领域，希望这些讨论可以为读者提供一些不同的视角，促成更多有意义的学科交流。
    理查德·道金斯(Richard Dawkins)在他《自私的基因》(The Selfish Gene)一书的序言中提到，在他写作时，脑海中出现过三位假想的读者：第一个读者是不太熟悉相关领域的一般人；第二个读者是个有些挑剔的专业人士；第三个读者则是从外行向内行过渡的学生。要让一本书同时面对这三位读者，需要非常精细地考虑各种平衡。我平时喜欢阅读各种科普书籍，但我也常常感到强烈的挫败感。杨振宁曾经有一句名言：“有那么两种数学书，第一种你看了第一页就不想看了，第二种是你看了第一句话就不想看了。”遗憾的是，不只是数学书如此，很多科普书也有类似的问题，在写作过程中，我时常警告自己，希望自己不要成为那种“自己讨厌的人”，写出“自己讨厌的书”，希望我的这本书会比通常的科普书更好读一些。不过，说到好读，最好读的莫过于小说了，但过于有趣的叙述却时常与准确的物理学概念冲突。我想到美籍华裔物理学家徐一鸿(Anthony zee)曾经提到过的一个重要的警示，徐先生曾将爱因斯坦“物理学应尽可能简单，但不能过分简单”的名言改为了“物理学应尽可能有趣，但不能过分有趣”。这也是我非常认同的想法。有趣的故事能让大家对许多物理学定律有更准确和更深刻的理解，但“太有趣”常常会让真正的重点弱化，让读者产生一些多余的联想和不必要的误解。在写作过程中，避免“过分有趣”也是一个非常重要的考量，希望这本普及性质的读物可以兼顾物理叙述的准确性和讨论的前沿性，期待本书能帮助不同知识背景的读者渐渐走到自己的“舒适区”。
    感谢中南博集天卷文化传媒有限公司和知乎的出版部门为本书的出版所做的重要工作。感谢凯风基金会与集智俱乐部在2016年国庆期间主办的“网络、几何与机器学习”研读营，在此次研读营中所讨论的大量问题为本书的写作提供了实质性的帮助。另外，谢晓月老师为本书精心绘制了非常可爱的插画，希望这些萌萌的插画可以缓解读者在阅读严肃的物理讨论时感受到的压力。在这本书写作和完成的过程中，还有大量朋友为这本书的草稿提出过重要的建议，在此特别感谢章彦博、杨凌、刘大可、张倩、王小川、郭瑞东、程嵩、曾培、张雅琦、朱浥青、王雄、党训旺、田凯文等朋友在提高这本书的可读性和语言的准确性方面的重要贡献。感谢我的家人、老师、同学以及来自五湖四海的朋友们对我的科研和写作的理解和支持。
    由于本人知识水平的限制，可能在讨论某些具体问题时显得有些肤浅，很多讨论也可能存在一些疏漏，这些不妥之处都应由我本人负责，在此提前向各位专业读者表示歉意，还请各位朋友不吝指教(fuwocheng1024@gmail.com)，相关的勘误信息和各类资料的补充会同步在我的知乎账号(@傅渥成)中更新。
    傅渥成