★四大物理常数是破解宇宙的密钥！从光速为何不可超越，到引力如何编织星系，从电子揭秘电磁，到量子世界的玄机，带你看透宇宙运转的底层逻辑。

★科学家趣闻让物理鲜;活起来！爱因斯坦的隐秘面、富兰克林的;小失误、卡文迪什的的古怪日常，这些逸事穿插其间，让硬核知识像故事般好读。

★文科生也能轻松读懂！通俗语言拆解相对论、量子力学，从身边的光到遥远黑洞，宇宙奥秘藏在日常里，物理爱好者更能挖到深层新知。

★跟着人类探索史;漫游宇宙！从伽利略测光速的尝试，到对暗物质的追寻，每步突破都闪耀智慧，看人类如何步步逼近宇宙终极真相。

★常数变一变，宇宙会怎样？大胆设想光速变慢、引力变强的场景，看地球冻结、行星消失等奇妙变化，感受物理常数对宇宙的决定性影响。

光速c、引力常数G、电子电荷e、普朗克常数h这组藏在日常背后的宇宙密码，是从柴米油盐到星辰运转的终极法则。若它们的数值稍有偏移，太阳可能坍缩成黑洞，地球或许再无人类踪迹，宇宙的模样将彻底改写。

本书追溯人类发现四大常数的历程，拆解它们如何揭开宇宙之谜，又衍生出哪些待解的新问题。从相对论到量子力学，从宇宙结构到基本粒子，读懂这些常数，便触摸到了世界运行的底层逻辑。

小谷太郎

1967年出生于日本东京，物理学博士，毕业于东京大学物理学专业，专业研究领域为宇宙物理学和宇宙探测装置开发。曾先后在日本理化学研究所、美国宇航局戈达德太空飞行中心、东京工业大学、早稻田大学任职。著有《宇宙了解了多少？》《不能说的宇宙论》《理科生;为什么？可以理解的书》《为什么科学家能心安理得地说谎？》《多云的宇宙》等作品。

01 通过光速 c 理解狭义相对论在宇宙中任何地方测量都始终不变的量四大常数是;伟大的物理常数光速 c;贴心地接近30万千米/秒人类的运动神经难以精确测量光速光速c可以将时间转换为空间表达距离时，光速的应用思路与房地产行业类似距离最近的星系团约5900万光年如何测量极快的光速利用光行差与天顶仪望远镜进行更为精密的观测伽利略再一次挑战测量光速科学史上最著名的;失败实验之一为什么即使测量装置移动，光速也不变爱因斯坦出现，以太消失明星科学家爱因斯坦大学入学考试分数不够，也没能获得研究职位1905年是科学史上的;奇迹之年天才科学家的光与影列车告诉我们的相对性原理狭义相对论就是车厢内的情况不会发生变化地球的运动无法在地球上测量在接近光速的列车上打乒乓球列车缩短、质量增加、时间变慢光速c是宇宙中速度的极限乒乓球能超过光速吗接近光速时，物体的重量会变得极大能量是代表;物体活力的量著名的公式登场能量和质量是同一种东西关于原子能的误解阐明如果光速变慢，世界经济会大混乱;相对论的100米赛跑在跑的过程中变成了94米能量不会凭空消失或产生爬5米楼梯就能减重 6% 的;相对论减肥如果光速变慢，太阳会被冻结由未知粒子组成的宇宙02 通过引力常数G了解宇宙的结构地球之所以是圆的，要归功于重力的作用;重量和;质量是不同的概念为何如此微弱的重力能够支配宇宙牛顿向人类揭示了引力常数地球和你正以相同的力量互相拉扯卡文迪什测量引力常数的实验孤独的天才卡文迪什宇宙是像钟表一样精确运转的吗;拉普拉斯恶魔计算银河系的质量让天文学家感到困惑宇宙的主要成分是暗物质广义相对论的易懂解说广义相对论被认为难以理解的两个原因时间缩短，空间延伸被抛出的球能感知时间的差异连光都无法从黑洞中逃脱掉落也需要无限的时间从这里开始就再也无法返回了 ;史瓦西半径制造黑洞的方法宇宙的形状是什么样的爱因斯坦所设想的宇宙形状是;S3形态宇宙有多大宇宙学的蓬勃发展其他星系正在迅速远离吗70 亿年前，宇宙只有现在的一半大持续膨胀的宇宙如果重力变得更强，人类将在 0.5 毫秒内消失黑色太阳出现行星无法长久存在宇宙将以与现在不同的原理发光复杂且难以预测的;恒星演化03 通过电子电荷量e了解基本粒子电磁现象是由电子和质子引起的测量电量电子的电荷量 e 是 _ 1.602176634times;10?sup1;?C电磁现象的成因：电子的;脱落让孩子们远离物理学的;始作俑者之一富兰克林的风筝保护教堂的富兰克林的发明糟糕的定义，导致大量的;物理厌恶者产生科学家们的;新玩具 电流登场电与磁的关系：千年级的大发现电子的发现与微观世界的物理法则超级天才狄拉克的预言由新颖的狄拉克方程推导出的;正电子粒子和反粒子相遇后会发生爆炸并湮灭宇宙中是否存在由反物质构成的天体两颗光子的碰撞可以生成粒子和反粒子神秘的反粒子就在我们身边为什么正电子如此稀少假说 1：存在将反物质转变为物质的未知反应假说 2：宇宙这个区域恰好有很多物质基本粒子家族：华丽的 17 名成员;电子三姐妹夸克的电荷值是分数的原因真空;知道人类尚未发现的基本粒子如果电子电荷更大，火星可能适宜居住电动汽车以惊人的速度启动会被冰水;烫伤的世界宇宙核爆炸是无法避免的生命能否在这样的宇宙中诞生04 通过普朗克常数h了解量子力学终极关卡 ?普朗克常数 h普朗克常数对其提出者来说也是一个谜光的性质由振动频率决定物体发出光的最小单位量子究竟是什么普朗克常数代表了一个光子的能量不符合牛顿物理学的原子运动矩阵力学与波动力学相继诞生声波、地震波与引力波的波函数所表示的内容电子波函数到底表示什么波函数的概率解释超过光速的;波函数的坍塌观测问题的一种解释普朗克常数代表了这个世界的根本不确定性海森堡的不确定性原理这个世界的像素大小就是普朗克常数角动量是;离散的超越想象的;自旋概念经典比特与量子比特量子比特所传达的奇妙信息如果普朗克常数增大，原子将变得巨大元素周期表将扩展到 1000 亿质量是太阳数万倍的巨星将会在空中闪耀世界信息量的减少05 物理学的四大常数决定了计量单位计量单位是;物理常数的多少倍的表述;米的诞生测量技术的进步逐渐追上米原器光速成为新的米原器时间单位;秒的定义可能改变;秒定义的光晶格钟千克原器的替代品是普朗克常数借助普朗克常数测量质量的原理以米、千克和秒构建所有物理单位基本单位的可替换性极致精练的;自然单位制自然单位制：日常不便，却揭示宇宙奥秘后记 关于基础物理常数可能并非;基础的话题光速 c、引力常数 G、电子电荷量 e 和普朗克常数 h 所描绘的宇宙构成宇宙的其他基础物理常数存在物理常数不同的宇宙吗

什么是物理常数？ 对很多人来说，物理常数可能只是科学课上辛苦背诵的一串数字（而且恐怕考试一结束，它们就会被立刻抛诸脑后）。我偶尔也会遇到一些人说从未听过这个词（就像它从未存在过一样）。还有些人他们通过声速来计算与夜空中绽放的烟花的距离，或者通过重力加速度来计算过山车的速度回答道：;当然知道啊，在日常生活中我经常会用到它们（然 后开始自顾自地讲解起来，即便根本就没人问他如何使用）。 所谓;物理常数，其实就是支配从日常生活到宇宙深处各种奥秘，并以数值的形式呈现出来的规律。可以说，它是塑造我们这个世界的基石。所以，物理常数也是人类解读宇宙的关键词之一。人类在思考这些常数的意义，测量其数值的过程中，逐渐理解了宇宙是如何形成的。 例如，光速c是一个表示每秒能绕地球跑7圈半的极快速度的物理常数。这个常数有一个显著特点， 就是任何物体或机器都无法超越它。;光速是宇宙的极限速度，这一点可以通过;狭义相对论推导得出。 引力常数G，这是一个非常微弱的物理常数，若没有像地球这样巨大的质量，就很难觉察到重力的影响。不过，宇宙中飘浮着许多比地球质量更为巨大的物体，它们的重力不仅能缩短时间、拉伸空间，甚至还能使光线扭曲。 电子电荷量e，这个常数表示的是引起电磁现象的微观粒子之一电子的基本特性。提到电磁现象，从自然界的电击、打雷到日常生活中各种用电场景，如煮饭或驱动扫地机器人，都与电子（及质子等带电粒子）的行为密切相关。另外，电子还是人类发现的第一个基本粒子，为我们了解其他基本粒子提供了重要线索。 普朗克常数h，这是一个充满神秘色彩的物理常数。人类第一次接触它时，曾因无法理解它的意义而深深苦恼。不过，也正是在这个过程中，量子力学诞生了。量子力学不仅揭示了原子、电子等微观物体的行为，还推动了激光、核能、电子技术等支撑现代社会的科学技术的发展。更重要的是，它或许还可以解释宇宙的起源。在那一天到来之前，人类还会持续探 索普朗克常数的真正含义。 要理解这四个物理常数，需要涉及从相对性理论到基本粒子物理学等人类迄今为止所获得的关于宇宙的全部知识。换句话说，本书旨在通过阐释这四大常数，向读者传递所有与宇宙相关的知识。 物理常数的存在，完全不受人类是否试图去理解它的影响。所以，即便丝毫不提及人类，也能够阐述物理常数。然而，若要解开宇宙的奥秘，了解这些常数背后人类探索的故事却是关键。 在书中，我会不时地提及一些人物逸事，如在动荡时代崭露头角且推动了时代发展的天才爱因斯坦不为人知的一面、以风筝实验而闻名的智者富兰克林令人遗憾的;失误，以及被称为;疯子科学家的卡文迪什的那些可爱、古怪的行为。 接下来，就让我们以物理常数为线索，讲述宇宙是如何形成的，以及人类又是怎样一步一步发现这些奥秘的。本书力求用通俗易懂的语言进行解释，即使你此前没有物理常数方面的知识，也能轻松阅读。而对于热爱物理的读者，相信你也能从这本书中收获全新的感悟。

连光都无法从黑洞中逃脱 连光都无法从黑洞中逃脱，这究竟是什么意思呢？我们可以先从日常生活中的现象说起。在地球上向空中抛出一个球，我们会看到球上升的速度逐渐减慢，到达最高点后开始下落，几秒后落回地面。这是重力作用的结果。在地球表面，物体上升的速度约减少10米/秒。这个规整的数值让相关计算变得简便，每次计算时，都会让人感叹大自然的;贴心。 如果球被抛出的速度更快，它上升的时间就会更长，达到的高度也更高，例如，擅长投掷的人大约能以40米/秒（时速144千米）的速度把球向上抛出。在这种情况下，球会在4秒内上升到约80米的高度，然后再用4秒落回地面。不过，若球被投得更快，情况就不同了。随着离地球越来越远，重力逐渐减弱，球的减速程度也会变小。 例如，当球能升到2 600千米的高空时，那里的重力加速度只有地表的一半，球的上升速度每秒仅减少5米。要让球达到这个高度，初速度必须达到6千米/秒，这远超人类手臂的力量，需要借助其他工具来抛出。 倘若初速度更快，球就能飞得更远，重力进一步减弱，速度下降得越来越慢。当球的初速度超过11千米/秒时，它将彻底摆脱地球引力的束缚。虽然它的速度仍会逐渐降低，但永远不会降到零，而是会一直向上飞行，再也不会回到地球表面。物体摆脱天体引力束缚所需的速度，被称为;逃逸速度。

掉落也需要无限的时间

逃逸速度因天体而异。天体的质量越大，半径越小，逃逸所需的速度就越快。例如，太阳表面的逃逸速度约为600千米/秒，目前人类开发的任何载具、火箭或子弹都无法从太阳表面脱离。而日本2014年发射的小行星探测器;隼鸟2号所探测的;龙宫小行星，直径约为900米，它的逃逸速度约为37厘米/秒，比步行速度还慢。如果《小王子》中的主人 公降落到;龙宫，轻轻一跳就能脱离小行星。黑洞是一个逃逸速度超过光速的天体。由于根据现有物理理论，无法将有质量的物体加速到光速以上，这就意味着没有任何东西能从黑洞中逃逸。在黑洞附近，无论以多快的速度抛出球，或者发射任何光线，都无法摆脱黑洞的引力。球和光线都会沿着曲线回到黑洞。尝试在黑洞附近做实验的人，将永远无法返回报告结果，也无法通过通信传递信息。这种强大的引力超出了牛顿万有引力定律的解释范畴，因此，黑洞的性质需要通过爱因斯坦的广义相对论来解释。 在黑洞附近，空间被剧烈拉伸，时间变得极为缓慢，广义相对论效应表现得极为强烈。因此，如果观察物体向黑洞掉落的过程，会发现这个掉落过程需要无限长的时间。物体下落的速度会逐渐变慢，并在离黑洞中心一定距离的地方仿佛;停止。这一切实在令人难以想象。 当你轻松抛出球时，时间突然变慢，物体的下落也仿佛停滞。黑洞的相关议题总是充满了超乎常理的复杂性