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对我来说，物理学真正的美不仅仅在于抽象的方程或是令人惊讶的实验结果，还在于支配世界的深层原则。这种美就像令人惊叹的落日，像达·芬奇的绘画、莫扎特的奏鸣曲等伟大的艺术作品那样让人肃然起敬。这种美不仅在于自然法则那令人惊奇的深邃，也在于论及这些法则的来源时，底层的解释（即我们如何知道的这些法则）简单得难以置信。
探究简单性的一个绝佳例子，就是科学对物质的基本组成要素长期而持续的发现之旅。不妨看一眼周围，思考一下组成我们日常世界的一系列材料：混凝土、玻璃、金属、塑料、木头、织物、食材、纸张、化学品、植物、猫咪、人类……千百万种不同的物质，每种都有自己的特性：濡湿的、坚硬的、流质的、闪亮的、柔韧的、暖的、冷的……你要是对物理学或化学一窍不通，可能会觉得大多数物质之间没有多少共同之处；但是我们知道万物皆由原子组成，而原子的种类却数量有限。
但我们对更深层次的简单性的追求，不会止步于此。对于物质结构的思考可以一直追溯到公元前5世纪的古希腊，当时恩培多克勒首次提出一切物质皆由四种基本的“元素”组成（他称之为“万物的四重根”）：土、水、气、火。不同于这个简单的想法，大约在同时期，另外两位哲学家——留基波和他的学生德谟克利特——提出了一切物质皆由微小且不可分割的“原子”组成。然而两种观点虽然各有潜力，却彼此矛盾。一边的德谟克利特认为物质最终是由作为基本构件的原子组成，但同时觉得原子有无限多种；另一边的恩培多克勒提出万物最终是由四种元素构成，但却认为这些元素是连续且无限可分的。柏拉图和亚里士多德都推崇恩培多克勒的理论，反对德谟克利特的原子论，因为他们认为原子论所包含的过分简单化的机械唯物主义无法说明世界的“美”和“形式”的丰富多样性。
古希腊哲学家所做的探讨不是我们今天理解的真正意义上的科学——除了个别值得注意的例外，如亚里士多德（从事观察）和阿基米德（进行实验）——他们的理论往往只是理想化的哲学概念。尽管如此，今天我们通过现代科学的工具知道上述两种古代思想（原子论和四元素说）至少在精神上是走在了正确的道路上：我们的世界，包括我们的身体，我们在太空中看到的一切如太阳、月亮和其他星辰等，其构成材料都是由不到一百种的各类原子组成的。如今我们也知道，原子也有内部结构。它们是由微小致密的原子核及围绕原子核的电子云组成，而原子核本身还有更小的组成部分，质子和中子，而这两者又由更为基础的构件——夸克——组成。
因此，尽管物质的复杂性显而易见，由化学元素构成的各类物质不可胜数，但古人对简单性的探求终究是行之不远。以我们今天对物理学的理解，世上所有可见物质的组成要素，并非如希腊人所说的古典四元素，而只是三种基本粒子：“上”夸克、“下”夸克和电子，仅此而已。其余都只是细节问题。
但物理学的工作不只是给世界的构成要素分类，它还要为我们观察到的自然现象找到正确的解释，发现各种底层原理及这些原理的运行机制。虽然古希腊人会满怀激情地探讨原子的真实性或者“质料”和“形式”间的抽象关联，但他们不知怎么解释地震、闪电，遑论月相圆缺或彗星偶现这样的天文现象了——尽管他们也没有放弃尝试。
自从古希腊人做出探索以来，我们已经走过相当长的一段路，但仍有大量的现象需要我们去理解和解释。本书中涉及的物理学内容，基本是我们有把握的那些。自始至终，我会解释为什么我们有把握，并指出哪些是猜想，哪些还有商榷空间。当然，料想有些内容在将来会变得过时。可能本书刚一出版，人类就又取得了重要发现，这又会修正我们在某些方面的认识，而这就是科学的特质。 多数情况下 ，你在本书中读到的内容是关于这个世界的真实状况，这些事实已经得到普遍接受，毋庸置疑。
在下一章，我将探讨一下尺度的话题。没有其他科学领域像物理学这样大张旗鼓地处理如此广泛的尺度，无论是时间上、空间上还是能量上的，从微小到无法想象的量子世界到整个宇宙，从眨眼一瞬直至永恒。
在对物理学所能解释的范围有所认识后，我们将正式踏上旅程，从现代物理的三大“支柱”开始：相对论、量子力学和热力学。为了依照物理学的呈现来描绘世界图景，我们须先准备好画布，而这幅画布就是空间和时间——宇宙中发生的一切，都可以归结为在空间中的某一处和时间中的某一刻发生的事件。不过我们将在第3章看到，这张画布无法和所画的内容分开。空间和时间本身就是现实不可分割的一部分。你会很震惊地发现，物理学家对空间和时间的看法，是多么地不同于我们的常识，因为物理学家依赖于爱因斯坦的广义相对论，该理论描述了空间和时间的性质并明确了我们要如何思考宇宙的结构。一旦画布就位，我们就能继续准备颜料了：第4章就会指明物理学家所谓的物质与能量是什么意思，宇宙中的各种“东西”是由什么组成、如何被创造又是如何运转的。大家也可以把这一章当作前一章的配套章节，因为我同样描述了物质和能量如何与它们所在的空间和时间密不可分。
第5章涉足微观世界，我们将画面不断放大，重点着眼于对物质基本构成要素之性质的研究。这里就是量子世界，现代物理学的第二根支柱，在这个世界中，物质的行为表现和我们日常体会到的大不相同，而我们对于“何为真实”的理解也变得越来越不可靠。然而我们对量子的认识绝不是什么异想天开或者智力消遣；要不是因为理解了主宰物质和能量的基本要素的那批规则，我们不可能构建出现代技术世界。
在第6章中，我们把镜头拉得离量子世界稍远一些，看看当我们把许多粒子放在一起，形成更大更复杂的系统时，会发生什么。物理学家所说的有序、无序、复杂、熵、混沌都是什么意思？在这里我们会遇到物理学的第三根支柱——热力学，即关于热、能量和大质量物体性质的研究。我们不可避免地要问是什么让生命本身如此特别。生命物质与非生命物质为何如此不同？毕竟，生命也和其他一切事物一样，都遵循同样的物理法则。换句话说，物理学能帮助我们理解化学和生物学之间的区别吗？
在第7章，我们会探讨物理学中一个最为深奥的观念，即“统一”：在这种观念之下，我们一再寻找并找到各种普遍法则，从而用一套统一的描述或理论将自然界中看似完全不同的现象统合了起来。在本章末尾，我会介绍一些研究追求涵盖一切的“万有理论”的领军人物。
在第8章，我们将触及当前对物理宇宙的认识的极限，并最终会涉足广阔的未知领域。我会探讨一些我们目前正努力解决的谜团，并推测这些谜团是否会很快得到解决。
在倒数第二章，我会讨论物理学理论和实验是如何相互作用并为现代世界奠定技术基石的。比如要是没有量子力学，我们就不能理解半导体的特性或发明硅芯片，而这又是全部现代电子学的基础；没有量子力学，我也无法在笔记本电脑上打下这些文字。我也会展望一下未来，预测目前的量子技术研究将如何超乎想象地变革我们的世界。
在最后一章，我会探讨科学真理观，而探讨的背景正是我们这个“后真理”社会——很多人对科学仍然持怀疑态度。科学的进程如何有别于人类的其他活动？是否有绝对科学真理这样的东西？如果科学的任务是找出关于自然的深层真相，而科学的事业在于形成假设并检验假设，并在这些假设不符合数据时则舍弃它们，那么科学家该如何使社会大众相信科学事业的价值？如果有一天我们知道了所有要知道的，科学是否会走向终结？还是说对答案的探求活动将继续引我们进入一道不断下探的深渊？
在序言中，我保证过不会太纠缠于哲学思考，而这里我做的恰恰是这样的思考，而且还只是抛砖引玉。因此，我要深吸一口气，慢慢地、把握分寸地带领大家重新开始。
[1] 道格拉斯·亚当斯，《困惑的三文鱼：在银河系的最后一次搭车》（Douglas Adams, The Salmon of Doubt: Hitchhiking the Galaxy One Last Time . New York: Harmony, 2002），第99页。
[2] 这是霍金发表于1981年的一篇论文的标题（S. W. Hawking,“Is the End in Sight for Theoretical Physics?,”in Physics Bulletins 32, no. 1 (1981): 15–17）。