《时间的形状》核心内容
这是一本读着像小说一样的科普读物，获第八届国家文津图书奖。作者按照时间顺序，从伽利略、牛顿的经典物理学理论开始说起，再讲到光速测量，以及困扰经典物理学界很多年的光速不变之谜。一个接一个的悬念推动物理学的发展，直到爱因斯坦横空出世，用相对论破解有关时间、空间、运动和引力的谜团，为读者打开一个看待世界的全新视角。
我们今天所知道的现代物理学知识并不是某一个科学家拍脑门的产物，而是一代又一代科学家们传承的结果。新的物理学知识并不是完全推翻了旧有的物理学知识，而是对旧有知识在更高精度上的修正，新知识体系必须兼容旧知识体系。现在，“上帝”留给我们的两道新思考题又摆在了人类面前，等待着我们去破解下一个自然规律之谜。
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相对论是研究时间、空间、运动、引力这四者关系的理论体系的总称，它是这一百多年来人类最伟大的两个理论之一，另一个理论是量子力学。在科学史上，曾经有一些理论没有获得诺贝尔奖，并不是这个理论的遗憾，而是诺贝尔奖的巨大遗憾，相对论就是它们的代表。
一、理解相对论的四个前置概念
第一，要判断一个理论是不是科学理论，著名的科学哲学家波普尔提出了一个被广泛接受的标准，那就是看它是不是具备“可证伪性”。也就是说，是不是具备被证明是错误的可能性。相对论也符合这个标准。
第二，科学界有一个比较推崇的哲学原则——奥卡姆剃刀原理。原文比较文绉绉，是这样说的：如无必要，勿增实体。简单翻译一下，就是想解释一个现象，假设最少的解释往往最接近真相。在相对论的发展史上，爱因斯坦充分运用了这个原理。
第三，在物理学的发展史上，有一种特殊的实验起到了至关重要的作用，就是“思维实验”。简单解释就是不需要任何实验设备，只需要在头脑中进行的实验。相对论的最终建立，思维实验起到的作用可以说是居功至伟。
第四，在物理学中，有一个很拗口的术语，叫“佯谬”，佯装的佯，谬误的谬。是说乍一听肯定是错误的，但是没想到却是正确的理论。在相对论的发现过程中，人们发现了非常多的佯谬，也就是反直觉、彻底颠覆我们三观的现象。
二、从这四个前置概念出发，通过三个反转剧情来讲述这个关于相对论的故事
1.第一个反转剧情
之前人们相信的都是牛顿和伽利略的观点，认为时间是绝对的，不受其他因素的影响。但到了19世纪末，一系列的实验推翻了人们的这个看法，其中最出名的就是“迈克耳逊—莫·雷”实验，它被称为“科学史上最成功的失败”。
2.第二个反转剧情
为了解释这一系列实验的结果，爱因斯坦通过一个伟大的思维实验，做了一个大胆的假设：光速相对于任何观察者来说都是不变的。这让他最终得出了狭义相对论的核心观点：时间是相对的，没有什么绝对的时间，它与运动密不可分。只要宇宙飞船运动得足够快，宇宙飞船上的一年可以相当于地球上的一百年。
3.第三个反转剧情
虽然我们现在知道，爱因斯坦提出的相对论是划时代的理论，但是我们刚刚也说了，在爱因斯坦去世的很多年后，他的理论才被实验证明。所以，当狭义相对论刚诞生的时候，几乎没有引起什么轰动。而且狭义相对论的一个明显缺点是没有将“引力”纳入到方程式中，为此，爱因斯坦又奋斗了十年，终于提出了“世界上最美的理论”——广义相对论。
爱因斯坦的研究告诉我们，我们身处的这个宇宙，它的时空结构符合一个方程式，这个方程式就是著名的爱因斯坦场方程，它是迄今为止人类找到的最深刻的一个方程式。通过这个方程式人类计算出了黑洞、宇宙大爆炸、引力波等等一系列重塑人类宇宙观的自然现象。
爱因斯坦场方程
金句
1.面对颠覆认知的实验结果，爱因斯坦没有像其他科学家一样，给实验找各种理由假设，而是挥起“奥卡姆剃刀”，刮掉了几乎所有的假设，只剩下一条，那就是光速本身就是不变的。
2.相对论是公理演绎思想的极致体现，它从三个最基本的公理出发，也就是三个无法证明，但又找不到任何反例的假设出发，一步一步，就像证明几何题一样推导出了整个理论大厦，令人叹为观止。
3.我们身处的这个宇宙，它的时空结构符合一个方程式，这个方程式就是著名的爱因斯坦场方程，它是迄今为止人类找到的最深刻的一个方程式。
《上帝掷骰子吗？》核心内容
《上帝掷骰子吗？》是中国非常出名的科普作品之一。曾获“吴大猷科普奖”，文津图书奖等奖项，被誉为中国版的《时间简史》。
作者梳理了量子力学百余年来的发展史，对量子力学的基本原理，发展历程中的重要事件以及多位顶尖科学家之间的观点争执做了梳理，并详细论述了量子力学对人类认知的颠覆性影响。
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一、“量子”概念冲击了经典物理学大厦
“量子”概念中展现出的不连续性，对以连续性为基础的经典物理学提出了重大挑战。
1.经典物理学在19世纪末发展到了巅峰
在19世纪末，经典力学、经典电动力学、经典热力学这三大体系和谐统一，牢不可破，共同构成了经典物理学的大厦。当时人们认为，物理学已经发展到了尽头，任何现象都在物理学的解释范围之内。
热力学泰斗开尔文爵士曾说：“物理学的未来，只能在小数点第六位之后去寻找。”意思是说，物理学各个领域的基础原理都已经定型了。此外，普朗克的老师也曾劝说普朗克别再研究物理学，认为物理学体系已经成熟了。
2.“量子”概念的提出冲击了经典物理学的连续性基础
在经典物理学发展到顶峰之时，两朵看似无关紧要的“乌云”，却最终导致了经典物理学的覆灭：一朵引发了相对论革命，一朵引发了量子论革命。
普朗克发现，能量的发射和吸收是有一个最小单位的，并不能无限分割，是非连续的。而经典物理学建立在微积分之上，连续性是经典物理学的基础。量子论由此颠覆了经典物理学的大厦。
在量子论中，能量的发射和吸收就像是花钱一样，你一次最少也要花1分钱，因为没有比1分钱更小的面值了。能量也一样，它有个最小单位，是不连续的。而在经典物理学中，一切都是平滑连续的。
二、量子力学是一场“掷骰子”的概率游戏
在经典物理学中，只要进行足够的计算，粒子的状态都是可以完全确定的。但量子力学认为，我们无法确定粒子的分布，只能掌握粒子出现的概率。
1.粒子的分布位置不是一个确定事件，而是一个概率
薛定谔在研究原子的过程中得到了一个方程，其中的ψ函数代表了电子在空间中的分布。薛定谔一开始以为，ψ代表了电子的实际分布位置。但波恩却指出，ψ函数代表的是电子出现的概率，并不是实际位置。电子的分布是一种随机分布。
在光的双缝干涉实验中，单个电子的出现位置是完全无法预测的，因为电子的位置是随机分布的。但如果我们加大电子的发射量，就能看到明显的干涉条纹。因为大量电子的随机分布是符合数学规律的，我们就可以预测电子在某一处出现的概率。
2.量子力学颠覆了“决定论”
在经典物理学中，一切事物之间都是有因果联系的。只要掌握了足够多的规律，拥有足够强的计算能力，就可以掌握所有事物的过去和未来，这种观点被称为“决定论”。但量子力学提出，我们不可能预测一切事物，只能预测事物发生的概率，上帝是在玩“掷骰子”的概率游戏。这一观点从根本上否定了决定论。
爱因斯坦不相信上帝会“掷骰子”，他在写给量子力学奠基人之一马克斯·波恩的信中明确表示，自己绝不愿意放弃因果性，他坚信量子论的基础一定有问题，一定能挑出毛病。他在信中说：“我毫无保留地相信，上帝是不会掷骰子的！”
三、量子力学中的“不确定性”推翻了“实在论”
“不确定性”原理指出，我们无法同时精确地测量电子或其他微观粒子的位置和速度，并且，我们的观测行为本身，会对测量结果造成干扰。所以，我们不能说世界的本质是什么样的，只能说我们观测到的世界是什么样的，甚至可以说，根本就不存在一个客观实在的世界。
1.我们无法同时精确测量一个电子的位置和速度
海森堡在研究中发现，当我们在测量电子的速度和位置时，如果对速度的测量越精确，那么对位置的测量就越不精确；反过来也一样，对位置的测量越精确，对速度的测量就越不精确。这就是大名鼎鼎的“海森堡测不准原理”，也就是“不确定性原理”。
科学家们进一步研究发现，能量和时间，也存在着这种不确定性的互补关系。如果能量测量的越精确，时间就越模糊；如果时间测量的越精确，能量就会开始起伏不定。许多物理量都遵循着海森堡的不确定性原理，此起彼伏，难以捉摸。
2.“不确定性”原理意味着“实在论”的破灭
“不确定性”原理意味着，我们的观测行为本身，会影响我们的观测结果。采取不同的观测方式，会观测到不同的结果。因此，我们无法把握事物的本质状态，甚至可以说，在量子世界中，根本就没有一个绝对客观的实体或者外部世界。
假如你现在看到了一匹棕色的马，那如果你带上墨镜，那这匹马的颜色在你眼中就变了，而如果你是一位色盲患者，那马在你眼中又会是另外一种颜色。我们其实并不知道马在本质上是什么颜色的，只能说马在我们的观察中是什么颜色的，甚至可以说，马根本就没有什么“本来的颜色”。
金句
1.经典物理学建立在微积分的基础之上，认为一切的自然过程都是连续不断的，可以无限切分。但普朗克却发现，能量的传输并不是连续的，而是有个一个最小单位，就是“量子”。整个经典物理学的大厦因此摇摇欲坠。
2.即使我们掌握了电子的初始状态，拥有最强大的计算工具，考虑了所有可能的影响，也不可能准确预言电子的位置。这不是因为我们的能力不足，而是大自然从根本性质上就是不可预测的。
3.电子的位置和速度，是一种互补关系，就像跷跷板一样，按下这头就翘起那头，我们永远也无法同时确定一个电子的速度和位置。这个原理，就是大名鼎鼎的“海森堡测不准原理”，或者叫“不确定性原理”。
4.我们的观测行为本身，会影响我们的观测结果。采取不同的观测方式，会观测到不同的结果。
5.物理学或者其他科学，都没法去研究一个所谓的“客观实在”的世界，人类并不知道宇宙的客观本质是什么，只知道我们观测到的宇宙是什么样的。任何事物都只有在被观测的时候才有意义。
《时间简史》核心内容
霍金在《时间简史》中介绍了20世纪物理学的基础知识，涵盖范围很广，从相对论到量子力学，从宇宙膨胀到基本粒子，从黑洞到虫洞，霍金都有所涉及。更重要的是，霍金还介绍了“奇点定理”和“霍金辐射”这两个自己最重要的学术贡献，以及试图解决宇宙起源问题的“无边界宇宙模型”。
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一、奇点定理
霍金和彭罗斯利用严谨的数学方法证明了，如果广义相对论是正确的，而且宇宙中的确有我们观测到的那么多物质，那宇宙一定诞生于一个奇点之中。
1.宇宙不是静态的，而是在不断地膨胀
埃德温·哈勃等科学家发现，宇宙中的绝大部分星系都在远离地球而去，而且离地球越远的恒星，离开地球的速度也越快。这意味着，宇宙就像是气球一样，在不断地膨胀。
爱因斯坦曾经认为，宇宙应该是静态的。为了维持静态宇宙的假设，他还在自己的方程里加上了一项“宇宙常数”，这被称为“爱因斯坦一生中最大的错误”。
2.“奇点定理”意味着在广义相对论框架内，宇宙必然有一开端
“奇点”是体积无限小、弯曲程度无限大、密度无限大、引力无限大的点。宇宙就诞生于“奇点”之中。
宇宙膨胀的发现意味着，在很久以前，宇宙必然比现在小，所有的物质都会紧紧地集中在一起。霍金和彭罗斯证明了，如果我们把时间往前推亿年，那所有星系之间的距离都是0，宇宙必然诞生于“奇点”之中。
二、无边界宇宙模型
在描述宇宙历史的模型中，“宇宙大爆炸”模型是当前的主流理论，但这一理论目前无法解决宇宙起源问题。霍金因此把量子力学和相对论结合起来，提出了“无边界宇宙模型”，试图解决这一问题。
1.宇宙大爆炸模型无法解决宇宙起源问题
在宇宙大爆炸模型中，宇宙诞生于“奇点”。但包括广义相对论在内的所有物理定律，都会在奇点处失效，因此人类无法直接研究奇点，这就为上帝的存在留下了空间。
在大爆炸模型中，物质、空间和时间，都是大爆炸之后才出现的。大爆炸之前的任何事件，对于我们来说都没有任何意义，或者说根本就不存在。也就是说，宇宙时空并不是无限的，而是有一个边界和开端。
2.在“无边界宇宙模型”中，宇宙没有起源和开端
在“无边界宇宙模型”中，宇宙是“有限无界”的，没有边界和奇点。霍金认为，这个宇宙是完全自给自足的，不受任何外来事物影响，没有创生和消灭的时刻，它就是存在本身，不需要上帝来创造它。
“无边界宇宙模型”里的宇宙，是一个空间和时间交织在一起所组成的四维宇宙。在这个宇宙中，时空就像是地球的表面，在范围上是有限的，但却没有形成边界，也没有形成奇点。科学规律在任何一个时空点上都适用，不会发生崩溃。
三、霍金辐射
“霍金辐射”也就是“黑洞辐射”。霍金利用量子力学中的“不确定性原理”提出，黑洞也会发出辐射，并不是完全黑的。
1.黑洞引力极大，连光都不可能逃出黑洞
当恒星的内部燃料耗尽之后，在自身的引力作用下，就可能坍塌成黑洞。黑洞质量大，体积小，引力极高，任何物质，包括光在内，只要进入某个临界区域，就永远不可能逃出黑洞。
黑洞吸引一切的性质，跟热力学第二定律产生了冲突。所有有温度的物体，都应该发出辐射和粒子，但如果连光都逃不出黑洞的引力，黑洞怎么能发出辐射呢？
2.霍金利用“不确定性”原理提出了“黑洞辐射”
霍金提出，黑洞的边缘在一刻不停地产生成对的粒子，其中带有负能量的粒子会被吸到黑洞里去，但还有一些带正能量的粒子，可以从黑洞的边缘逃脱。在外界看来，就好像是黑洞在不断地向外发射粒子，这就是黑洞辐射，也叫“霍金辐射”。
在“不确定性原理”的限制下，即使是看似毫无一物的虚空，在微观上也是波澜起伏的。会不断地产生成对的粒子和反粒子，再碰撞到一起发生湮灭。
金句
1.霍金的一位博士后半开玩笑地评论说，霍金的科普，要比麦当娜谈性的书还好卖。
2.“奇点”的出现证明了，广义相对论也只是一个不完全的理论，因为在宇宙最开始的那一刻它失效了，广义相对论预言了自身的崩塌。
3.霍金提出的“无边界宇宙模型”意味着，宇宙没有开端，也没有诞生的时刻，所以也没有上帝的位置。
4.黑洞的确会发射出粒子，但这些粒子，并不是从黑洞里面跑出来的，而是从黑洞边缘的空虚的空间里，无中生有变出来的。
《宇宙的琴弦》核心内容
《宇宙的琴弦》是布赖恩·格林的成名之作，是关于弦理论的最好的科普书籍之一。这本书曾在当年的《纽约时报》畅销榜上排名第四，还获得了年的英国皇家学会科普图书奖。根据本书改编的纪录片曾三次被美国电视界的最高奖项“艾美奖”提名，并获得美国广播电视文化成就奖“皮博迪奖”。
布赖恩·格林，世界顶尖的物理学家，牛津大学物理学博士，哥伦比亚大学数学和物理学博士。他始终处于弦理论研究的第一线，对弦理论中空间形状和形态的研究做出过重要贡献。
布赖恩·格林从现代物理学的两大支柱理论——量子力学和广义相对论的冲突说起，介绍了弦理论的诞生背景。随后对于弦理论的基础概念、精妙之处、发展历史进行了描述，并展望了弦理论的未来。
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一、弦理论诞生于广义相对论和量子力学之间的冲突
广义相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱理论，但在普朗克尺度以下，二者产生了不可避免的矛盾。弦理论就诞生于这样的背景之下。
1.广义相对论认为,空间是平滑的
广义相对论认为：物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动。在这一图景中，宇宙就像是一张巨大的膜，是平滑的。
像太阳这样的大质量物体，会使空间产生弯曲。空间会影响物质的运动，弯曲的空间因此改变的地球的运动方式。
2.量子力学认为，空间在微观层面是疯狂涨落的
量子力学中的“不确定性”原理认为：如果我们把观察范围缩小，那即使是在看似一片虚无的空间里，也存在着大量的活动。宇宙在微观尺度上是一个混沌、疯狂的世界。
“不确定性”原理认为：粒子的位置和速度、能量和时间，都不可能同时被确定。假如在一个很大的盒子里装着一个电子，如果把盒子慢慢往里挤压，越挤越小，那电子在位置上的确定性就变高了，但电子的行动轨迹会越来越难以预料，速度也会变得越来越不确定。
二、弦理论认为物质的基本构成元素是“弦”
主流的“标准模型理论”认为：物质是由各种点一样的粒子构成的。但弦理论认为，物质的基本构成元素是一根根震动的“弦”，并由此解决了相对论和量子力学之间的冲突。
1.物质是由振动的“弦”组成的
弦理论认为，如果我们把基本粒子放大，会发现它们是由一个个小环构成的。每个粒子都像是一根无限细的、一维的橡皮筋。“弦”的不同震动方式产生了不同的粒子。
我们可以把弦理论中的“弦”想象成乐器的弦：通过不同的弹奏力度，可以让同样的弦产生不同的振动，发出不同的声音。弦理论里的弦也是这样，虽然所有的弦都是一样的，但这些弦有不同的振动模式，所以可以产生不同的粒子。比如说，如果弦的振幅大，波长小，那产生粒子携带的能量就高。
2.弦理论解决了量子力学和广义相对论之间的冲突
量子力学和广义相对论的冲突，只有在普朗克尺度下才会展现出来。而在弦理论中，空间并不是可以无限切割的：由于物质的基本构成元素是弦，而弦的平均长度大约是普朗克尺度，因此在普朗克尺度以下的空间里所发生的事是无法影响到任何事物的。也就是说，量子力学和广义相对论的冲突在弦理论中其实是不存在的。
如果用手去摸一块精心加工过的花岗石，你会感觉它特别光滑顺手。但如果用放大镜或者显微镜来观察它的表面，就会发现花岗石的表面有许多颗粒，只是这些颗粒太小，手根本感觉不到。
在这个例子中，花岗石表面的小颗粒已经超出了手的感知范围，对于手来说它是没有意义的。同样的道理，如果我们把手换成弦的话，那就意味着，如果一个东西比弦还小，对弦都产生不了影响，那它对于我们来说，也是没有意义的。
三、弦理论推翻了许多对于宇宙的传统的认知
科学家通过数学推导发现，弦理论中的宇宙应该是11维的。利用弦理论，科学家们还在黑洞和基本粒子之间建立了无懈可击的联系。
1.弦理论中的宇宙是11维的
科学家通过数学推导发现，弦理论中的宇宙应该有10个空间维度和1个时间维度，一共11维。10个空间维中，有3个维度是展开的，也就是我们所感受到的三维世界，而其余的7个维度是蜷曲起来的，目前还观测不到。当然，这一理论目前还不成熟。
如果我们离得远一点观察一根水管，会认为这根水管是一维的，蚂蚁只能进行一维运动。但如果我们凑近了看，就会发现水管还是有粗细的，蚂蚁不光可以顺着水管的方向爬，它也可以在水管上转圈爬。转圈的那个方向，也是一个维度。我们的宇宙就像这根水管，有些维度是展开的，有些维度是蜷曲的。
2.黑洞和基本粒子之间存在着联系
任何两个黑洞如果有相同的质量、力荷和自转，那它们就是完全相同的，这跟基本粒子的性质是一样的。此前科学家们就试图在黑洞和基本粒子之间建立联系，弦理论的出现完成了这一构想。但目前这一理论也尚未成熟。
金句
1.物理学家恵勒曾经用一句非常简洁的话，概括了广义相对论的核心内容：“物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动。”
2.一个粒子的位置和速度，不可能同时被确定。如果它的位置越确定，那它速度的不确定性就越高；如果速度越确定，那位置的不确定性就越高。
3.广义相对论