物理学研究自然世界的规律。人们从古代就开始观察天空和大地。他们看到太阳升起落下。他们感受风吹过脸庞。他们发现石头扔出去会掉到地上。这些现象引发思考。早期的人类思考世界由什么构成。古希腊人提出各种想法。泰勒斯认为万物源于水。赫拉克利特认为火是根本。德谟克利特提出原子概念。他说物质由微小不可分的粒子组成。这些是早期猜测。

中世纪时期科学发展缓慢。宗教影响很大。人们大多接受地球是宇宙中心的说法。哥白尼提出不同观点。他发表《天体运行论》。这本书说太阳是中心。地球绕着太阳转。这个想法很惊人。很多人反对。伽利略用望远镜观察天空。他看到月球上的环形山。他看到木星的卫星。这些发现支持哥白尼的理论。教会逼迫伽利略放弃观点。他被迫认错。但科学继续前进。

开普勒研究行星运动。他分析第谷的观测数据。他发现行星轨道是椭圆。太阳在一个焦点上。行星运动速度不均匀。靠近太阳时快些。远离太阳时慢些。这些发现很重要。它们描述天空的运动规律。牛顿站在巨人的肩膀上。他思考苹果为什么落地。他思考月球为什么绕地球转。他提出万有引力定律。任何两个物体之间都有引力。引力大小与质量成正比。与距离平方成反比。牛顿还总结运动三定律。物体保持静止或匀速直线运动。力改变物体的运动状态。作用力与反作用力大小相等方向相反。牛顿的《自然哲学的数学原理》出版。这本书奠定经典力学基础。人们可以用数学计算天体的运动。也可以计算炮弹的轨迹。世界好像一座大钟。规律而精确。

十八世纪人们研究电和磁。富兰克林做风筝实验。他发现闪电就是电。他发明避雷针。伏打发明电池。他提供持续的电流。奥斯特发现电流能使磁针偏转。电和磁有联系。法拉第做大量实验。他提出场的概念。他认为空间存在电场和磁场。磁感线和电场线描述场的分布。他发明发电机。机械能可以转化为电能。麦克斯韦总结前人成果。他写下四个方程。这些方程统一电和磁。他预言电磁波的存在。赫兹后来用实验证实。电磁波的速度等于光速。光也是一种电磁波。无线通信成为可能。马可尼发明无线电。世界联系更紧密。

十九世纪末物理学似乎很完善。力学、电磁学、热力学都很成功。但天空飘着两朵乌云。一朵关于黑体辐射。一朵关于光速测量。经典理论无法解释。普朗克提出能量子概念。能量不是连续变化的。能量有一份一份的最小单位。爱因斯坦推广这个想法。他解释光电效应。光也是由粒子组成的。这些粒子叫光子。玻尔提出原子模型。电子在特定轨道上运动。原子只能吸收或发射特定能量的光。这些想法开创量子力学。海森堡、薛定谔、狄拉克等人建立理论体系。微观世界充满不确定性。粒子既是粒子也是波。量子力学描述原子和分子的行为。它解释化学键的形成。它带来半导体技术。晶体管和激光由此发明。

另一朵乌云引出相对论。迈克尔逊和莫雷测量光速。他们发现光速不变。爱因斯坦思考这个问题。他提出狭义相对论。时间与空间是相对的。速度接近光速时时间会变慢。长度会缩短。质量会增加。能量等于质量乘以光速的平方。这个公式很小。但它蕴含巨大能量。原子弹利用这个原理。后来爱因斯坦提出广义相对论。引力是时空弯曲的结果。大质量物体使空间弯曲。光经过太阳时会偏折。宇宙可能正在膨胀。相对论改变人们对时空的理解。它预言黑洞和引力波。这些后来都被观测证实。

二十世纪物理学飞速发展。人们发现原子核内部结构。卢瑟福用α粒子轰击金箔。他发现原子有一个很小的核。查德威克发现中子。原子核由质子和中子组成。居里夫妇发现放射性元素。原子核可以衰变。哈恩和迈特纳发现核裂变。重原子核分裂释放能量。费米建造第一个核反应堆。奥本海默领导曼哈顿工程。原子能时代到来。

粒子物理研究更小的世界。加速器越建越大。人们发现数百种粒子。夸克和轻子是基本单元。强相互作用、弱相互作用、电磁力、引力是四种基本力。标准模型统一前三种力。希格斯玻色子给予粒子质量。这个粒子在2012年被发现。但引力还无法纳入。暗物质和暗能量是新的谜题。它们占据宇宙大部分。但我们看不见它们。宇宙学也在进步。哈勃发现星系在远离我们。宇宙起源于一场大爆炸。微波背景辐射是大爆炸的余晖。卫星精确测量这些辐射。宇宙的年龄和组成逐渐清晰。

物理学从简单的观察开始。人们看星星。人们扔石头。人们玩磁铁。这些日常小事引出深刻道理。一代代科学家积累知识。他们做实验。他们写方程。他们争论对错。物理学史就是人类理解世界的历史。它没有终点。每回答一个问题。就出现十个新问题。我们知道的越多。我们不知道的也越多。这很好。好奇心推动我们前进。今天的手机、电脑、医疗设备都离不开物理学。它不仅是高深的理论。它也藏在生活每个角落。冰箱制冷用热力学原理。GPS导航用相对论修正。太阳能电池用光电效应。物理学改变世界。它也改变我们看世界的方式。它告诉我们宇宙的浩瀚。也告诉我们原子的精巧。它让我们谦卑。也让我们勇敢。我们还在探索。路还很长。