The World According to Physics

《The World According to Physics》由英国萨里大学物理学教授 Jim Al-Khalili 撰写，普林斯顿大学出版社 2020 年出版。全书十章，把作者理解的现代物理宇宙压成三根支柱：爱因斯坦的相对论、量子力学和热力学。序言把这本书称为"献给物理学的赞美诗"，并说明写给没有科学背景的普通读者。

作者在序言里交代了自己的立场与边界。他不主张任何一种"万有理论"候选方案，弦理论和圈量子引力都不在他的专业范围内；面对量子力学的解释之争，他在哥本哈根派与多世界派之间不站队。他公开站在爱因斯坦一边，认为物理学的任务是接近世界真实的样子，可用的模型只是当前最接近这种真实的描述。他承诺尽量不陷入哲学思辨，但承认讨论量子力学解释、时空本质这类题目时很难完全避开。

作者承认科普写作的难点：能写研究论文的理论物理学家未必擅长向圈外人解释自己的思想，而擅长传播的人又可能对概念理解不够深。他选择不按科学史的时间顺序讲故事，也不讨论物理学还有多远要走（第 8 章专门写"已知的未知"除外），只挑选自己确信的内容，并逐处说明哪里是确凿事实、哪里是推测。

这本书要讲什么

Al-Khalili 把全书当作一次概念的巡航。第 1 章谈"理解的敬畏"：现代科学取代了许多古代神话，科学方法靠试错、实验和愿意用更好的理论替换错误理论来推进。他区分了两类研究者——路灯下的物理学家在能看见的范围内做可检验的理论，成功率较高但进步是渐进的；黑暗中的探索者提出大胆而难以检验的猜想，成功率低但一旦正确会带来范式转变。保罗·狄拉克、盖尔曼和茨威格、彼得·希格斯、薛定谔都被他归入后者。

第 2 章讨论尺度。第 3、4 章处理时空与物质能量，即相对论这根支柱。第 5 章进入量子世界，第 6 章讲热力学与时间之箭，第 7 章讲统一，第 8 章讲已知的未知，第 9 章讲物理学的应用，第 10 章讨论科学家如何思考以及科学真理的边界。

这个顺序有作者的设计逻辑：要画出现实的图景，先准备画布（空间和时间），再准备颜料（物质和能量），然后逐根支柱展开。作者在第 1 章就预告，现代物理学的三大支柱各有一套关于时间的不同说法，这个冲突贯穿全书。

尺度的跨度

物理学对尺度跨度的执着在别的科学里找不到对应。第 2 章开篇强调物理学是经验且定量的科学，靠可重复的观测、测量和实验检验想法。望远镜和显微镜是十七世纪物理学成年的两项仪器，伽利略 1610 年用改良的望远镜看见木星的四颗卫星，据此支持哥白尼的日心模型，并把物理数学化；胡克 1665 年的《显微图谱》和列文虎克的显微镜打开了微观世界。

物理学如何测量极小与极大

测量范围的数字本身构成论据。圣安德鲁斯大学的研究组用光纤产生的"散斑"图样把光波长测量精度做到单个阿米（质子直径的千分之一）。2016 年德国实验用 100 阿秒（10⁻¹⁸ 秒）的紫外激光脉冲轰击氦原子流，第二束红外激光捕获被击出的电子，测出光电离过程只耗时第一束脉冲的十分之一，氦原子中两个电子的相互影响让击出过程略有延迟。作者自己的核物理领域里，聚变初始的核子重组过程快于 1 仄秒（10⁻²¹ 秒），无法在实验室直接测量，只能靠计算机模型研究。

大尺度一端，天文学家把（我们这片）宇宙的年龄定在约 138 亿年。作者给出三个独立途径：最老恒星约 120 亿年给出下限；测量遥远星系的光度与颜色反推膨胀速度再倒拨时钟；宇宙微波背景的微小温度起伏给出恒星形成前的快照，进一步收紧数值。两个前提支撑这些外推：物理定律在宇宙各处相同，空间在各个方向看起来相同。

普遍性、对称性与还原论

牛顿把地球上的落体与月球的轨道统一成同一条引力定律，这是定律层面的普遍性。爱因斯坦的广义相对论在 1915 年给出更准的引力描述，同时显示出更惊人的普遍性：引力场会放慢时间，场越强时间越慢。作者用这个公式推算，地球核心处在最深的引力势阱中，比地壳年轻约两岁半；楼上与楼下的钟每一亿年才差一秒，而 GPS 卫星上的原子钟每天快约 40 微秒，必须人为调慢，否则定位每天漂移超过十公里。

对称性方面，1915 年埃米·诺特证明了全局对称性与守恒定律的对应：物理定律不随位置改变对应动量守恒，不随时间改变对应能量守恒。这条定理让物理学家在数学里寻找更深的隐藏对称性，也去找对称性的例外——对称破缺。弱核力破坏左右镜像对称（宇称不守恒），这个事实在 1950 年代确立，如今是标准模型的内容之一。

还原论在这章被明确划出边界。把复杂系统拆成部件是行之有效的传统，但单个水分子 H₂O 的性质解释不了"湿"这个宏观涌现性质。作者引用菲利普·安德森 1972 年的论文标题"更多即不同"（More is different），说明涌现性质不要求引入新物理，而是需要更多物理——把粒子、原子、分子组装成整体时，温度、压力这类集体行为无法从单个分子的属性直接推出。还原论思路有用但不充分，物理学家常常要根据尺度选择合适的模型，比如描述原子核时把质子中子当作无结构的粒子就够用，不必降到夸克模型。

空间与时间

第 3 章从常识不可靠说起。地球是球这一事实连古希腊人都能通过简单实验证明；光同时具有波动和粒子的表现，也是靠实验确立的。作者引用笛卡尔 1641 年的《第一哲学沉思集》和十一世纪伊本·海赛姆的"怀疑"传统，说明质疑感官判断是物理学的传统。爱因斯坦的两个相对论都先从思想实验出发，再接受实验室检验。

狭义相对论

1905 年的狭义相对论建立在两个原理上：所有运动都是相对的，不存在实验能证明某人或某物真正静止；光速与光源速度无关，对所有观测者相同。作者用两枚对向飞行的火箭说明后者的后果：两个宇航员各自合理地认为自己静止，却都测到同一束光以约十亿公里每小时的速度前进。唯一能自洽的解释是距离和时间本身随观测者的运动状态改变。

狭义相对论把三维空间与一维时间合并成四维时空。作者用"面包切片"模型说明：面包的长度方向是时间轴，每一片面包是某一时刻整个空间的快照。不同观测者对两个事件之间的距离和时间间隔各执一词，但对"时空间隔"意见一致，正如从不同角度看同一个立方体。观察者的视角相对，合并起来的时空绝对。

广义相对论与引力场

牛顿把引力描述成一种即时作用的力，爱因斯坦把引力重新定义为时空的弯曲。物体"下落"是因为它总向时间走得最慢的地方移动——试图让自己老得更慢。作者特别强调一个常常教反了的次序：应该先接受物质与能量充满时空，广义相对论才是完整的画面，狭义相对论只是引力弱到时空近乎平坦时的理想化近似。

作者引用爱因斯坦 1954 年为《狭义与广义相对论浅说》写的第五版附录来支撑自己的解读。爱因斯坦在其中写道，把引力场拿掉之后剩下的不是平坦时空，而是"绝对什么都没有"；时空不独立存在，只是引力场的"结构性质"。电磁场需要引力场才能存在，因为没有了引力场就没有时空。

时空的膨胀

宇宙膨胀常被误解成时空本身在膨胀。作者指出，广义相对论的方程可以改写成所有距离乘上一个随宇宙年龄增大的"尺度因子"，膨胀只作用于三维空间，时间坐标不动。星系团内部的引力足以抵抗整体膨胀，星系就像烤炉里正在膨胀的面包中的葡萄干：面包变大，葡萄干自身大小不变，只是彼此距离拉开。

能量与物质

第 4 章解释物理学家说的"能量"和"物质"。能量的定义是做功的能力，动能、势能、热能都是它的形态。能量守恒来自时间平移对称性（诺特定理的推论），这个定律排除了永动机，也促成过新粒子的预言。作者在这里预告了"有用能量"与"废能量"的区分，把它留给第 6 章的热力学第二定律解释。

能量与质量

质量随速度增加是狭义相对论的直接后果：以 87% 光速运动的物体，相对观测者质量翻倍；以 99.5% 光速运动则达到十倍。最快子弹只有光速的 0.0004%，所以日常见不到这个效应。相对论动量公式在光速处发散，这是"没有东西能超过光速"的一种解释——越接近光速，注入的能量越多用于增加质量。

E = mc² 把质量与能量联系起来，质量可以看作冻结的能量。核裂变、粒子加速器里用能量制造新粒子，都靠这条关系。质量与能量之和在宇宙中守恒，比单独的能量守恒更准确。

物质的基本砖块

一百多年前，卢瑟福在盖革和马斯登协助下用 α 粒子轰击金箔，物理学家从此逐层拆开原子：电子云环绕的原子核、核内的质子和中子、更深层的夸克。作者给出比例帮助想象：原子放大到房子大小，质子中子内囚禁夸克的体积只有一粒盐那么大。所有原子物质由两种夸克（上夸克、下夸克）加一种轻子（电子）构成；更重的四种夸克（奇异、粲、顶、底）和 μ、τ、三种中微子只是短暂存在或几乎不参与构成日常物质。

四种力的分工：电磁力把电子束缚在原子周围，几乎支撑所有化学；强力把夸克和核子黏在一起，由胶子传递；弱力让质子与中子互相转化，通过 W 和 Z 玻色子传递，触发 β 放射性；引力在宏观尺度主导。标准模型把费米子（物质粒子）与玻色子（力载体，外加希格斯玻色子）分成两类，是目前对物质本质最好的描述，但不含引力，也不解释暗物质与暗能量。

物质与能量的来历

物质从哪来这一节把镜头拉回宇宙。星系红移说明空间在拉伸，宇宙在膨胀，这是大爆炸最直接的证据。大爆炸没有发生在一个"地点"，它发生在宇宙处处；如果现在的宇宙无限大，大爆炸时它就已经无限大。作者补充说明，我们谈论的"大爆炸"其实只是本地事件，只创造了我们可见的这片宇宙，远处还有各自的爆炸——这是多重宇宙的一种讲法。

支持大爆炸的证据还包括：氢占宇宙可见物质质量的四分之三、氦占四分之一，其余元素绝大部分是后来在恒星里合成的；1964 年发现的宇宙微波背景，其温度（略低于 3 K，即绝对零度以上不足三度）与理论预言吻合，这个预言在测量之前就做出过。早期宇宙在百万分之一秒时从夸克-胶子等离子体凝出质子中子；反物质之谜是这里最大的未解问题——物质与反物质应当等量产生，实际却是物质占了上风。恒星内部的核聚变只造到铁为止，更重的元素（银、金、铅、铀）来自新星、超新星和双中子星并合。太阳至少是第二代恒星，人体里许多原子正是在恒星中生成的。

量子世界

第 5 章是全书篇幅最大的支柱。作者从 2013 年在英国皇家研究院的星期五晚讲座说起，他在讲座里讲了双缝实验并向听众发起挑战：谁能给出双缝实验的"常识性"解释就能拿诺贝尔奖。此后他收到几百封自认为解决了谜题的邮件，他承认自己后来不再回复。量子力学被作者称为整个科学中最强大也最难接受的理论。

量子力学入门

十九世纪末的经典物理看似完整，却在原子尺度失效。普朗克 1900 年提出辐射能量以离散量子放出；爱因斯坦几年后把这一思想推广到所有电磁辐射，用光量子解释了光电效应——光把电子从金属表面打出，决定电子能量的是光的频率而非亮度，增加亮度只是增加光子数目和击出的电子数。波粒二象性由此确立：电子在探测粒子性的实验里像粒子，在探测波动性的实验里像波，但无法在同一实验中同时看到两面。

海森堡的不确定性原理常被误解。作者强调，量子力学的数学形式并不说电子不能同时有确定的位置和速度，只说我不能同时知道这两个量。他还驳斥"意识使量子世界成为现实"的说法：宇宙在生命出现前就存在，不会躺在模糊态里等人来测量。原子内电子的能量态是离散的，这一量子化防止电子螺旋坠入原子核，原子因此稳定，化学也因此有了基础。求解薛定谔方程得到波函数，给出测量到某个结果的概率分布；量子力学不回答电子不被观测时在做什么，只预测我们观测时会看到什么。

测量的解释之争

作者在这里明确站到"实在论"一边。玻尔开创的哥本哈根诠释主张物理学只管"我们能对自然说什么"，不追问"自然是什么"；这个务实态度让量子力学成了可用的工具箱，但也让许多物理学家回避了测量问题——量子世界如何在与宏观仪器接触时"凝固"为确定结果。作者引用约翰·贝尔的话：把量子力学限制在实验室操作上是背叛科学事业。

除了个别模型（如自发坍缩）在原则上可检验外，各解释目前给出相同的实验预言，却描绘不同的现实图景：多世界解释说每次测量分裂出平行宇宙；德布罗意-玻姆的隐变量理论说有波引导的粒子，只是粒子藏在暗处；还有动力学坍缩、一致历史、关系性解释等。作者认为选择解释不只是口味问题——数学理论之后还需要"故事"把符号接到可观测的世界上。他在这个问题上选择不给出最终答案，只说明自己站在实在论一边，并相信解释问题最终会引向新物理。

纠缠、退相干与薛定谔的猫

纠缠（非定域性）是量子力学最违背直觉的预言：两个粒子可以跨空间瞬时关联。爱因斯坦称其为"鬼魅般的超距作用"，拒绝接受，但 1970 到 1980 年代的实验确认爱因斯坦错了，宇宙确实是非定域的。作者接着讲退相干：一个量子系统——比如一个原子——其实一直和周围环境纠缠，它的量子性像热量一样泄露到环境里，这种泄露就是退相干，它解释了大尺度系统为何从不表现出叠加态。

薛定谔 1935 年的猫实验被作者当作测量问题的入口：盒子里放射性原子处于衰变与未衰变叠加态，猫的生死与之相连；但只要把环境（空气、盖革计数器、猫本身）算进来，叠加态很快就会退相干。多世界解释的回答是两条现实各自实现，退相干没有回答"打开盒子时发生了什么"。作者承认这个话题在这里只能打住，更多讨论留给别的书。

热力学与时间之箭

第 6 章把镜头拉回宏观。统计力学研究大量粒子组成的系统，热力学研究系统的热量与能量随时间的变化，两门课通常一起学。作者用弹跳的球开场：球每次反弹都把动能变成摩擦和碰撞的热，这个转变是单向的——没有人会看见球自己重新弹起来。

统计力学与熵

箱子里气体分子的速度分布服从麦克斯韦-玻尔兹曼分布，注入热空气后分子碰撞重新分配能量，系统回到热平衡。熵是这种趋向的描述：孤立系统的熵只会增加，系统从"特殊"（有序）状态松弛到"普通"（混合）状态，这就是热力学第二定律，本质上只是一句统计必然性。洗好的牌是有序的低熵状态，洗牌只会让它更乱。

作者给出熵的另一个定义：系统把能量拿出来做功的能力。充满电的电池低熵、放电后高熵；有序系统能干活，平衡系统里的能量一文不值。因此让世界运转的其实是低熵，生命靠摄入食物里锁定的低熵化学能维持自身远离平衡，最终是太阳的低熵能量在养活地球。引力让气体云聚拢成恒星看起来像熵减，实际如此——物质在引力作用下聚拢本身就增加熵，正如球滚下山增加熵，引力把系统推向更大的熵值。宇宙之所以能"松开发条"，是因为它一开始就处于大爆炸设定的低熵初始态。

时间的方向

第二定律给时间装上箭头。系统只能滑向更无序的状态，这个方向定义了时间的流向，也把过去和未来区分开。在分子碰撞的尺度上放电影看不出正放倒放，一旦有熵增和趋向平衡，过程的不可逆性就出现了。作者甚至说，我能记住过去而记不住未来，从热力学角度看不过是大脑做功产生废热、增加自身熵。

决定论与随机

决定论与随机的讨论引向自由意志。如果宇宙因果决定，现在的状态可以一步步回溯到大爆炸，未来也已被锁定，包括大脑中神经元的放电。但天气无法长期预报，原因在于对初始条件的敏感依赖——蝴蝶效应说明微小扰动会随时间指数放大。混沌系统的不可预测来自我们对初始条件不可能精确到无限精度，它并不是真正的随机。量子世界的不可预测性则不同：我们无法预先知道电子的位置或放射性原子何时衰变，但量子力学的数学并不要求这种不可预测来自真实的不确定性——这取决于你选择哪种解释，多世界解释就是完全决定论的。

作者在这章末尾总结三种时间观：相对论里时间是时空的一个维度，可被引力拉伸；量子力学里时间只是方程里的参数，方向可逆；热力学里时间是不可逆的箭头，指向熵增。他提到 2018 年昆士兰大学的一个实验显示量子层面的事件没有确定因果顺序，这让一些人主张时间之箭只在宏观尺度涌现。

统一

第 7 章讲物理学家反复做的一件事：把看起来无关的现象收进同一条规律。牛顿把落体与天体运动统一成万有引力；麦克斯韦把电与磁统一成电磁力；爱因斯坦把空间与时间合并，再把引力改写成时空的弯曲，之后他花了大半辈子想统一引力与电磁力，没有成功。

量子场论

量子力学的成熟形态是量子场论。狄拉克把量子力学与狭义相对论结合，又用场论描述电子发射吸收光子——两个电子互相排斥不靠隔空的神秘力，靠交换光子。量子电动力学（QED）在 1940 年代末完成，至今是科学中精度最高的理论，化学和日常物质行为都从它导出。1950 到 1960 年代，物理学家把 QED 与弱力场论合并成电弱理论：通过希格斯场赋予 W、Z 玻色子质量而让光子保持零质量，对称破缺把一种电弱相互作用拆成电磁力和弱力两种表现，W、Z 玻色子 1983 年在 CERN 被发现。强力的场论叫量子色动力学（QCD），夸克携带红、蓝、绿三种色荷，必须组合成无色粒子才能独立存在，胶子传递强力。电弱理论与 QCD 拼在一起就是标准模型。

量子引力的两个候选

标准模型不含引力。广义相对论与量子场论的数学结构不相容，而处于量子叠加态的电子必然意味着它周围的时空也该有模糊性，问题在于如何把引力量子化。弦理论起源于 1960 年代末对强力的尝试，加入超对称后在 1980 年代中期重生为万有理论候选：基本粒子都是藏在六个紧致维度里振动的微小弦。这个思想可追溯到卡鲁扎和克莱因——卡鲁扎在五维时空解爱因斯坦方程时，电磁力从第五维的振动中冒出来，克莱因提出这个维度蜷曲得比原子小亿万亿分之一而不可见。到 1990 年代出现五种弦理论版本，威滕提出 M 理论（十一维）把它们统一在一个伞下。

圈量子引力从另一个方向出发，量子化时空本身。空间的最小单位是一个普朗克长度（10⁻³⁵ 米）的体积量子，时间也必须是"块状"的；平滑的时空只是这些像素的宏观近似。作者用原子核里包含的普朗克体积数量与银河系的立方米数量相当来帮助想象。弦理论说引力子是一根弦的无质量状态、存在于时空内；圈量子引力说时空本身被量子化，只有圈与圈之间的关联是真实的。两个候选都还停留在推测，作者在结尾强调：统一是理解加深后的自然结果，它当初并不是被人刻意设计的目标。

物理学的未来

第 8 章的作者判断是：今天离物理学的终点比二三十年前以为的更远。标准模型描述的所有东西只占宇宙的 5%，其余 95% 是暗物质和暗能量。

暗物质与暗能量

暗物质之所以叫"暗"，是因为它不参与电磁力、不发光也不与普通物质作用（引力除外）。手按在桌上不穿过桌子靠的是电磁斥力，如果手是暗物质做的就会直接穿过去。证据链包括：星系外圈恒星转速快于可见质量允许的值；光线经过星系时弯曲的程度需要额外引力场解释；计算机模拟显示没有暗物质就不会形成今天的星系结构；微波背景的温度起伏太微小，需要暗物质提供额外聚集。MOND 这类修改引力的替代方案被作者认为解释不了星系团（尤其子弹星系团）和微波背景的细节。暗物质的候选粒子包括轴子、惰性中微子、WIMP、GIMP；中微子太轻太快，算"热暗物质"，困不住在星系里，被排除出暗物质主体的可能。地下探测器至今没有捕获到暗物质粒子的信号。

暗能量来自 1998 年超新星观测：遥远的星系退行得比距离预期的慢，说明宇宙过去的膨胀比现在慢，膨胀在加速。广义相对论里的宇宙学常数 Λ 被用来充当暗能量，它可能是真空本身的能量——真空里有虚粒子不断冒出又消失。作者点名这是物理学最尴尬的问题之一：量子场论算出的真空能量与天文观测差了 120 个数量级，而且我们不知道为什么 Λ 是它现在这个值，这就是"精细调节"问题。

暴胀与多重宇宙

大爆炸模型本身解释不了两个问题。平坦性问题是宇宙的密度恰好让空间几乎完全平坦，这是个需要解释的巧合；视界问题是宇宙各处看起来一样，可相距很远的区域从未有过因果接触。1980 年代提出的暴胀用暴胀场解决这两个问题：早期宇宙经历一段指数膨胀，把任何曲率拉平，也让原本接触过的区域现在隔着无法沟通的距离。暴胀场具有负压强（像拉伸的橡皮筋），负压强产生反引力推动空间加速膨胀，而它的能量"从自己的引力场借来"——作者称这是"终极免费午餐"。彭罗斯提出的共形循环宇宙学是暴胀的替代方案，作者说它比暴胀更具争议。

永恒暴胀把我们的宇宙说成无穷高维空间中的一个气泡，外面还在永恒膨胀。这个图景回答精细调节问题的方式是：所有可能的泡泡宇宙都存在，各有自己的基本常数，我们恰好在一个适合生命出现的泡泡里。作者特意澄清，这些泡泡宇宙与量子力学多世界解释里的平行现实是两回事。

信息、黑洞与物理学的危机

信息在这章被提升到物理学的中心。量子力学要求信息守恒，黑洞蒸发（霍金辐射）按说应带走被吞入的所有信息。研究还发现一个体积能存储的最大信息量与它的表面积成正比，这就是全息原理。作者顺带提到马尔达西那和萨斯坎德 2013 年的 ER=EPR 猜想，把纠缠与虫洞看成同一个现象。两个首字母组合都出自 1935 年的两篇论文：爱因斯坦-罗森（ER，虫洞）和爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR，纠缠）。

作者评估了 2012 年希格斯发现与 2016 年引力波探测：两者都只是确认了理论家几十年前的预言，希格斯等了五十年、引力波等了一百年。他承认这样说不公平，实验物理学家和工程师的成就毋庸置疑，但他指出过去三十年里唯一真正出乎意料的基础发现是 1998 年的暗能量。超对称至今没有在 LHC 找到证据，约束最小超对称已经不太可能；作者强调"我们希望超对称为真并不使它为真"。乐观的理由包括：1997 年马尔达西那的规范/引力对偶（AdS/CFT）让弦理论至少展示了量子力学与广义相对论可以一致地结合，论文被引用超过 17000 次。作者本人把量子力学的解释问题列为最想解决的未解问题，并设想也许需要一个人工智能来充当下一个爱因斯坦。

物理学的用处

第 9 章转向应用。作者不打算罗列所有应用，只讲两个主题：物理学与其他学科的交叉，以及一批正在出现的新量子技术。GPS 被他用作纯物理支撑工程的标准例子：卫星上的原子钟必须考虑量子力学描述的原子振动和爱因斯坦相对论的时钟修正，否则定位每天漂移超过十公里。

量子技术

物理学家与化学家、生物学家、医学家、计算机科学家的工作长期交叉。作者提到量子生物学：酶的作用和光合作用的一些实验观察似乎需要用量子隧穿、叠加、纠缠来解释，作者认为生命有近四十亿年演化去找捷径，如果量子机制能让生化过程更高效，演化就会用上它，但这个领域还在争议中。石墨烯和转角石墨烯（twistronics）是量子材料应用的例子，转角双层石墨烯在低温加弱电场下可以变成零电阻的超导体。作者还列出量子引力仪、量子相机、量子成像、量子密钥分发、纳米粒子和量子传感等未来应用。

量子计算机

量子计算机用量子比特（qubit）代替经典比特。一个电子自旋构成最简单的量子比特，电磁脉冲可以把它翻转到叠加态；两个纠缠的电子可以同时处于 00、01、10、11 四种状态，N 个纠缠量子比特能同时利用 2ᴺ 个状态。问题在于量子纠缠态极脆弱，需要隔离环境保持相干，输出又要放大成宏观可读，这些实现难题还没解决。Shor 的因子分解算法和 Grover 的搜索算法是已知的量子算法代表。2016 年 Google 的原始量子设备首次模拟了氢分子，IBM 随后模拟了更复杂的分子。作者判断量子计算机不会取代经典计算机，而是专攻特定数学问题，并预测到本世纪中叶可能由运行 AI 的量子计算机来回答基础物理的问题。

像物理学家一样思考

第 10 章转向方法论与科学信任。作者用 2017 年 BBC 纪录片《Gravity and Me》的经历开场：他和团队开发了一个用 GPS 定位计算用户所在处时间流速的手机应用。直到播出前一周，制片人发现他的公式可能算错了。地球是椭球体，赤道比北极离地心远约 22 公里，两个效应——极点处更强的引力让时钟变慢、赤道处更快的自转让时钟变慢——恰好精确抵消，全球海平面上的时钟都以相同速率走动（国际原子时）。作者在节目中公开承认了这个错误，他写道，掩盖错误最容易，但向观众展示科学家如何犯错与改正，才是真实的科学过程。

诚实与怀疑

作者主张科学的可信度来自对不确定性的坦白。他承认有些物理学家真心希望希格斯不被找到，因为那意味着标准模型出了问题、会打开新物理的门。他不排斥业余研究者声称推翻爱因斯坦的想法——他希望爱因斯坦被证明错，那样就需要更好的理论——但一世纪的反复检验让相对论一直通过。阴谋论与科学理论相反：阴谋论把反证吸收进自身以维持不可证伪，这被称为确认偏误。

理论与知识

日常语言里的"理论"指观点或猜测，科学理论必须满足：解释观察并提供证据、可按科学方法检验且可重复、能做出可再检验的新预言。作者点名相对论、量子力学、大爆炸、达尔文进化、板块构造、病菌说都是经过严苛检验后的最佳解释，"只是理论"的说法忽视了理论成功的标准。他承认对否认气候变化、拒绝疫苗的人没有简单答案，但批评媒体在气候问题上搞"虚假平衡"——让一位否认者提供"另一面"会让公众误以为双方同样可信，而真正的差别在于，主张气候变化的科学家真心希望自己判断错误。

真理与科学的人性面

作者把绝对真理定义为独立于人类主观的实在，科学是不断逼近它的过程。他举了一个"绝对真理"的例子：从五米高丢下的球会在一秒后落地，任何哲学论证、冥想或意识形态都告诉不了他这个数字，但科学能。未来物理学的进步会细化、加深现有理解，不会把已知的东西变成废纸。他也承认科学家与所有人一样有偏见、争取经费、承受发表压力、有确认偏误，但同行评审、可重复性和对年轻研究者的伦理训练让科学方法自我纠错。他替弦理论、圈量子引力这类还无法检验的理论辩护：麦克斯韦写下电磁场方程时，没人知道它日后会变成无线电；相对论刚提出时也没人想到它会被用于卫星导航。如果有一天我们停止好奇宇宙如何形成，那就是我们停止做人的时候。