【专栏话语】文汇讲堂作为热点问题学术解读平台，迄今已举办141期，汇聚社会各界精英、学术领军人物280余人次。2019年“嘉宾新书预告”节选2018年7月至2019年底嘉宾发表的新书、序言、编者评语等，展示学者最新研究成果，彰显新时代文化自信与中国力量。专栏从7月13日至12月，每周2-3期，7月至11月已发表54篇文章，12月将发表9篇文章。
本栏目以著名物理学家、科普作家李淼（第108期文汇讲堂嘉宾）的《太空中的物理》作为开篇，半年来，嘉宾们的60本新书已与读者见面。年底，文汇讲堂又带来李淼的又一新作《给孩子讲太空》。这本书从日常生活、天体到宇宙，从黑洞、虫洞、时光机到相对论、时间简史、量子力学，涵盖的知识面非常广，用科学诠释生命的可能性和多样性，让孩子们仰望星空，发现宇宙的美丽和科学的魅力。
《给孩子讲太空》，作者：李淼，编辑：唐静，江苏凤凰文艺出版社2019年5月出版，定价：48.8元
【精选后记】
实验将在弦理论的下一次重大进展中发挥关键作用
数学家哈代曾经写过一本书，书名叫做《一个数学家的告白》，这是通俗的翻译，严格来说应该译为《一个数学家的辩护》。我没有哈代那样的成就，所以只能告白，不能为自己辩护。
哈代写那本书的初衷是为了说明自己研究纯数学的动机，他有着英国贵族精神，认为纯数学的价值在于知识本身，知识不一定有用，或者说，不一定有功利作用。
纯数学不需要答辩，因为数学发展的动力不仅来自于其他学科的要求，也来自于数学自身发展的需要，这包括数学概念的自我创新、数学本身提出的难题、逻辑的拓展等。
理论物理则完全不同，虽然有时理论物理的问题也是其自身逻辑扩展的结果（比如广义相对论），但最终还是要经过实验检验。无法证伪的理论不是科学。不过，我最初研究理论物理的动机大概和哈代一样，只是好奇，觉得理论物理本身很美。因为从原理上把世间万物都纳入几个简单的方程式中，本身就是一个奇迹。为何会出现这个奇迹，至今无人知道答案。
大学毕业后，我开始做宇宙学的研究，经过超对称、超弦之后，又回到了宇宙学。当然，我现在还在研究弦理论。二十多年来，我的研究基本都是纯理论问题。最后因为弦理论的发展，我才回到了宇宙学，虽然实验也起了很大的作用。七八年前，宇宙微波背景辐射光谱涨落的测量有了新成果，我几乎每周都在新闻里听到，这自然在不知不觉中对我产生了影响。台大黄维彦教授不遗余力地推动宇宙学研究，对我重新研究宇宙学也起了很大的作用。
弦理论在21世纪面临巨大的挑战。弦理论本身确实提出了很多问题，比如如何解释非零的宇宙常数或暗能量？如何回答粒子物理学中的问题？我们能否在容纳粒子标准模型的同时对粒子物理做出准确的预测？这个问题清单可以很长，但不幸的是，在可预见的未来，没有一个问题能够得到解答。这是弦理论目前面临的大问题。十年前，我还认为弦理论本身的逻辑发展足以推动弦理论的发展，直到有一天我们一举写下了基本方程，并计算出了一些重要的物理量。现在我基本改变了看法。我不认为弦理论的下一个重大进展会来自理论本身的发展，但我认为实验将起到关键作用。关键的实验可能来自宇宙学，也可能来自LHC（即大型强子对撞机），更可能来自一些我们还不知道的实验。
数学家托马斯·哈代的《一个数学家的自白》
我目前正在研究的一些宇宙学问题在很多人眼里还是太过神秘。比如我想知道大爆炸的起源，想知道在我们的视界之外，宇宙中是否还有其他区域，那里的物理定律可能和我们这个区域完全不一样。我还想知道物理常数是偶然的还是逻辑上完全确定的，等等。这些问题看上去很神秘，但其实和现在以及未来的实验息息相关。这些问题并不是我前面提到的那些纯粹的弦理论问题。除了我提到的宇宙学“终极问题”之外，我还研究一些小问题，更实际的问题。
近几年，我写了一些科普文章，我的主要动机是想做一些对别人有用的事情，哪怕是写博客。科普和写博客最大的希望是读者能从我这里获得知识，最坏的希望是这是一种有趣的交流。
——李淼《一个物理学家的自白》
【精选文本】
铯原子钟的精确度为300万年误差1秒。
当西方人提醒你注意时间时，常说“time is ”（时间正在滴答作响），当然更优雅的翻译是“time is ”。
滴答声本身就表明了时间的计量方式。沙漏是一种计量时间的方法，假设一定体积的沙子需要一定的时间才能流出。与此类似的是利用某些运动的周期性，比如一天是太阳的升起、落下和升起，一年是季节的循环。古人注意到了这些自然现象的周期性，发展出了历法，最早的历法有5000年的历史。水钟可以追溯到公元前16世纪的古巴比伦和埃及。据说机械钟在西方可以追溯到13世纪，但没有实物保存下来。最早保存下来的机械钟是1430年制造的，是弹簧驱动的钟。最早记录分钟（没有秒）的钟是1475年制造的，后来出现了记录秒和分钟的钟。
伽利略是第一个注意到钟摆运动具有周期性的人，他似乎也曾有过用钟摆做时钟的想法。惠更斯计算出一秒对应的钟摆长度为99.38厘米，并制成了第一台以钟摆为驱动力的时钟。可见，时钟的原理和精度与采用一定的周期运动有关。机械钟一般能精确到一天一秒以内就算不错了，日常生活中我们也不需要更精确的时钟。
20世纪50年代，精确计时进入原子钟时代。原子钟是如何工作的呢？我们以最精确的铯原子钟为例。铯的两个能级跃迁所辐射的电磁波频率为赫兹，如果我们制作一个仪器，把铯的振荡周期乘以这个数，就是一秒。这个仪器的工作原理是：把液态铯蒸发成气体，然后让气体铯原子通过一个磁场，磁场把不同能级的铯分开，低能级的原子则能通过U型腔。这些低能的铯原子再受到波长为3.26厘米的微波的照射，一部分受到激发，碰到热丝而被电离，电离后的铯原子经电路放大。 这样，照射到铯原子上的微波频率就调整到电流最大，而微波的频率正好是赫兹，这个频率经过电子转换后用来控制一个石英晶体，保证它的振荡频率是500万赫兹，这就是原子钟的输出。
最精确的铯原子钟可以达到每天一纳秒的误差，这个精度意味着什么呢？这意味着这台钟的误差是300万年一秒。最早的原子钟用的不是铯原子，而是氢原子。
时间测量和长度测量的精确度在现代科学实验中越来越重要。例如不到两个月前令人惊奇的中微子实验告诉我们中微子可能超越光速，这就要求时间测量的精确度达到几毫秒，误差不超过纳秒。当然，原子钟达到这个精度很容易，但测量中微子的速度还涉及两地原子钟的同时校准。实验人员认为，校准时钟不会成为问题。
高精度铯原子钟
由于热力学，时间只能从过去流向未来
孔二曾在江边感叹：“光阴似箭，日夜不停。”意思是时间如流水般流逝。这句话自然是感叹时间的流逝无法重来。今天更深层的含义是时光机是不可能的。人不可能回到青春，也不可能坐时光机回到过去从头再来。
时间只能从过去流向未来，这是热力学的规律，也就是说，给定一个孤立系统，熵是不会减少的。我们通常看到的例子有：洒出来的水无法收集，热量从高温流向低温，鸡蛋在一定条件下会变成小鸡，而小鸡几乎在任何条件下都不能变回鸡蛋。前两个例子是熵增加的直接例子，鸡蛋和小鸡的例子则是熵增加的间接例子。人的生命过程和记忆也是熵增加的间接例子，就像鸡蛋变成小鸡一样。生命过程就像时间之箭一样指向未来：一个人从出生、成长、衰老到死亡，是一个从过去到未来的过程，而不是相反。当然，我们可以把生命过程拍成电影，然后倒着播放，这样就可以看到人逐渐变年轻，最后变成婴儿的神奇过程，但这在现实生活中永远不会发生。 虽然生命本身的演化不一定是一个熵减的过程，但维持生命的发展需要能量的消耗和外界的有序性，即生命和其所处环境加在一起，熵就会增加。所以热力学第二定律禁止人类返老还童的现象，因为这是一个考虑到环境的熵减过程。
同样，记忆与生命的过程类似，我们只记得过去，无法“记住”未来。我们可以把人脑看作一个系统，它储存的记忆越多，某种意义上就越有序。没有任何记忆的大脑是一个混乱的大脑，完全无序。这样，在人的成长过程中，通过经验的积累和学习，我们的记忆越来越丰富，这当然是指过去，因为过去的时间越来越多。大脑逐渐有序化的代价是我们消耗能量，环境的熵增加，所以记忆的时间箭头和热力学的时间箭头是一致的。
热力学第二定律很好理解，假设把一些原子放在一个盒子里，如果一开始原子都在一个角落里，随着时间的推移，原子逐渐向盒子里扩散，这是一个扩散的过程，也是一个熵增的过程。熵就是状态数（严格地说是状态数的对数）。一开始原子都呆在角落里，可能的状态数自然很少，但后来它们可以呆在整个盒子里，那么状态数就大得多了。我们在咖啡里加一点牛奶，一开始牛奶聚在一起，然后逐渐扩散，和整个咖啡混合，这也是一个扩散的过程，也是一个熵增的过程。我们不可能看到牛奶和咖啡一开始充分混合，然后牛奶逐渐聚在一起，这就像水回缩一样不可能。
现在的问题是，既然熵在增加著名物理学家霍金于，为什么经过了很长一段时间之后，宇宙的熵还没有达到一个最大值，以致于熵保持不变，以致于我们看不到熵增加的过程？在我们前面的例子中，为什么一开始原子都呆在盒子的角落里，牛奶却聚集在一起？这个问题的追问最终回归到一个“终极”答案，那就是宇宙的寿命是有限的，宇宙的熵在一开始几乎处于最小值。因此，即使经过了大约140亿年，宇宙的熵仍然在增加，所以我们可以看到热力学第二定律在起作用。
熵的概念描述了排列
时间是绝对的吗？仍有争议
抛开时间的单向性不谈，我们要问，物理学中的时间到底是什么？很遗憾，直到今天，除了一些可操作的定义，我们还不知道时间到底是什么。时间的操作定义和人们心理上感受到的时间很相似，就是当我们感受到变化的时候，就觉得时间在流逝，或者时间在流逝。所以，时间是和变化，也就是运动有关的。为了测量时间，我们需要找到可靠的运动，比如天体在天空中位置的变化。一天是太阳升起、落下、再升起的一个周期，或者星星在东方升起、在西方落下的一个周期；一个月是月相变化的一个周期；一年是地球绕太阳运动的一个周期。所有这些都和周期性运动有关。有时候，我们觉得这样定义的时间并不准确，这与周期是否严格有关。现代计时技术已经使用了原子钟著名物理学家霍金于，原子钟是根据某些原子的跃迁频率设计的。
在牛顿力学体系中，时间独立于空间均匀流动。即使牛顿力学有伽利略相对论，但这里的相对论只涉及空间，不同惯性参考系中的空间不同，但时间却完全相同。在狭义相对论中，时间不再完全独立。新的相对论原理要求不同参考系中的时间和空间都是不同的。当以相对速度从一个参考系转换到另一个参考系时，时间和空间之间存在线性变换。但即使在狭义相对论中，时间和空间也是完全不同的。例如，当在一个参考系中用静止的时钟标记的两个不同时间被视为两个事件时，它们不会在另一个参考系中变成同时发生在空间不同点的事件。用专业术语来说，类时间间隔事件不会变成类空间间隔事件，反之亦然。
和现代引力一样，量子力学也赋予时间特殊的地位。在决定波函数演化的方程中，时间被单独提出来。波函数决定了物理系统的一切，包含了系统在某一时刻的所有信息。如果我们想得到系统在另一时刻的所有信息，就会用到波函数随时间演化的方程。有些人试图让演化方程“协变”，也就是让时间和空间尽可能相等，但时间仍然是独一无二的。如果我们把引力和量子力学结合起来，就会发生一些事情，让时间变得更加独特，因为时间和空间本身也是动态变量。我们不再有演化方程，我们只有“静态”方程。这个“静态”方程确定的波函数实际上意味着时间，因为时间只是波函数中的一个动态变量。然而，如果我们试图给波函数一个物理解释，我们似乎必须选出一个变量作为时间（比如宇宙的平均大小，或者某个地方的变量，比如你家里的时钟）。 从这个角度来看，虽然几乎“任意”的变量都可以作为时间，但是，一旦选定了这个时间，它就标志着整个宇宙的时间，具有一定意义上的“绝对性”。
关于时间是否绝对，仍然存在争议。简而言之，时间仍然是物理学中最难理解的概念之一。
——摘自袁荣禄第二讲《原子钟滴答作响》、《时间之箭》、《读不懂的时间》
【目录】
【关于作者】
李淼，理论物理学家、畅销科普作家、文津图书奖获得者。1982年毕业于北京大学天体物理学专业，1984年获中国科学技术大学理学硕士学位。1989年赴丹麦哥本哈根大学玻尔研究所留学，1990年获哲学博士学位。1990年起先后在美国加州大学圣巴巴拉分校和布朗大学担任研究助理教授。1996年任美国芝加哥大学费米研究所高级研究助理。1999年回国，任中国科学院理论物理研究所研究员、博士生导师。
作为物理学家，李淼在科普领域也十分活跃，其延伸自刘慈欣科幻史诗《三体》的《三体中的物理学》出版后，曾获世界华人科普金奖等多项大奖。其儿童科普读物《给孩子讲解量子力学》获文津图书奖。《给孩子讲解宇宙》《给孩子讲解相对论》《给孩子讲解时间简史》等也深受读者喜爱，屡获大奖。
2017年李淼受邀在第108届文汇讲堂上作主讲《墨子的成功与中国式科技创新》
【编者注】
关于宇宙时间起源，最流行的理论是大爆炸理论。但也有学者认为，大爆炸理论是人类对宇宙形成的猜想，时间的本质也是一种猜想，并没有确切的结论。时间的奥秘，仍需要通过深入的科学研究去探索。在阅读有关太空知识的书籍时，最令人恐惧的莫过于其中罗列的各种物理公式。据说，著名物理学家霍金在出版《时间简史》时，出版商就告诫他，要少引用公式，否则读者数量会大大减少。《给孩子讲太空》这本书就做到了这一点。李淼用最简单、最清晰的方式讲解科学知识，并引用了很多故事和例子，包括一些我们熟悉的神话传说、电影故事和小说情节。虽然这本书的标题是一本“儿童”读物，但对于对太空知识了解不多的成年人来说，它同样适用。
【中奖感言】
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【嘉宾阵容】
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