引言1
第1章基本概念4
1.1變分原理4
1.2歐幾裡得時空9
1.3偏微分12
1.4e，π和高斯型積分16
1.5拓展閱讀材料23
第2章物體的運動24
2.1引言24
2.2牛頓運動定律25
2.3小作用量原理27
2.4多體運動與牛頓第三定律
36
2.53維空間中的單體運動39
2.6中心力41
2.7逆平方律的吸引力45
2.8G與地球質量49
2.9組合體和質心運動50
2.10開普勒2體問題52
2.11拉格朗日點55
2.12能量守恆59
2.13摩擦力和耗散60
2.14拓展閱讀材料61
第3章場63
3.1場63
3.2標量場方程64
3.3波67
3.4散度和旋度69
3.5電磁場和麥克斯韋方程70
3.6靜電場75
3.7電磁波79
3.8靜磁學84
3.9電磁場的小作用量原理
85
3.10洛倫茲力86
3.11場的能量與動量91
3.12粒子與場的動力學93
3.13拓展閱讀材料95
第4章狹義相對論96
4.1引言96
4.2洛倫茲變換98
4.3相對論性動力學102
4.4關於4矢量的更多討論109
4.5麥克斯韋方程的相對論
特征110
4.6相對論性小作用量原理
114
4.7拓展閱讀材料116
第5章彎曲空間118
5.1球面幾何118
5.2非歐雙曲幾何120
5.3高斯曲率121
5.4黎曼幾何123
5.5張量128
5.6黎曼曲率張量133
5.7測地線方程137
5.8應用142
5.9拓展閱讀材料146
第6章廣義相對論147
6.1等效原理147
6.2牛頓引力場和潮汐力148
6.3閔可夫斯基空間151
6.4彎曲時空幾何學152
6.5引力場方程156
6.6廣義相對論的經典測試
161
6.7愛因斯坦方程的史瓦西解
165
6.8粒子在史瓦西時空中的
運動168
6.9史瓦西時空中的光線偏折
172
6.10史瓦西內部解174
6.11黑洞175
6.12引力波182
6.13愛因斯坦希爾伯特作用量
186
6.14拓展閱讀材料189
第7章量子力學190
7.1引言190
7.2量子力學中的位置與動量
191
7.3薛定諤方程194
7.4波函數的詮釋——可觀測量
200
7.5期望值206
7.6測量之後208
7.7不確定關繫208
7.8散射與隧道210
7.9量子力學中的變分原理213
7.10拓展閱讀材料216
第8章3維量子力學217
8.1引言217
8.2位置和動量算子217
8.3角動量算子221
8.4具有球對稱勢的薛定諤方程
226
8.5自旋230
8.6作為量子範式的自旋12235
8.7多個全同粒子的量子力學
236
8.8玻色子、費米子和自旋241
8.9回歸作用量242
8.10拓展閱讀材料246
第9章原子、分子和固體247
9.1原子247
9.2分子252
9.3有機化學261
9.4固體266
9.5能帶理論269
9.6鐵磁性282
9.7拓展閱讀材料283
第10章熱力學285
10.1引言285
10.2熵和溫度288
10.3熱力學定律292
10.4子繫統——吉布斯分布
296
10.5麥克斯韋速度分布298
10.6理想氣體——狀態方程
和熵300
10.7非理想氣體302
10.8化學勢303
10.9低溫時的費米和玻色氣體
305
10.10黑體輻射314
10.11激光317
10.12自旋繫統中的磁化320
10.13相變簡述323
10.14霍金輻射326
10.15拓展閱讀材料328
第11章核物理330
11.1核物理學起源330
11.2強力331
11.3核殼層模型340
11.4α衰變350
11.5裂變354
11.6聚變356
11.7穩定島362
11.8異核363
11.9π子，湯川理論和QCD366
11.10拓展閱讀材料368
第12章粒子物理369
12.1標準模型369
12.2量子場論372
12.3狄拉克場376
12.4作用量和相互作用381
12.5強力385
12.6量子色動力學391
12.7弱力396
12.8弱電理論400
12.9中微子振蕩409
12.10拓展閱讀材料414
第13章恆星415
13.1太陽415
13.2赫羅圖416
13.3恆星的誕生418
13.4星體結構424
13.5核合成429
13.6主星序外的巨星435
13.7晚期演化437
13.8中子星444
13.9超新星447
13.10密度溫度圖452
13.11拓展閱讀材料454
第14章宇宙學455
14.1愛因斯坦的宇宙455
14.2距離紅移關繫455
14.3弗裡德曼羅伯遜沃克
宇宙學457
14.4宇宙學紅移463
14.5FRW宇宙學的牛頓型
解釋465
14.6大爆炸466
14.7暗物質468
14.8宇宙微波背景輻射470
14.9宇宙學常數472
14.10星繫形成473
14.11暴脹宇宙474
14.12拓展閱讀材料479
第15章物理學前沿480
15.1量子力學的詮釋480
15.2點粒子問題489
15.3標準模型的評論494
15.4拓撲和標準模型494
15.5超越標準模型496
15.6弦論499
15.7拓展閱讀材料503
圖片來源注解504
術語索引507
人名索引513

撰寫本書是人生一大幸事。它使我們有機會全面思考物理學的所有主要分支，並將它們串聯起來組成物理世界的整體圖像。我們對這門學科進行了既簡明又全面的全景考察。正像諸如理查德·費曼和吉姆·哈利利那樣的許多評論家所強調的，數學自然而然成了描述我們周圍大千世界的語言，要真正理解物理學，數學是必不可少的。因此，我們的描述必然是數學化的。對於支撐現代基礎物理學的數學論證，我們將給出了清晰的解釋，並不規避呈現關鍵方程以及它們的解。
對宇宙科學的全面闡述，如此強烈的渴望，這是前所未有的。我們的目的是為那些至少學過高中物理和數學的人，不僅對基礎物理學提供一個易於理解，而且還是一個啟迪靈感的旅程。對於剛剛離開中學的人，本書可以使他們對大學課程所覆蓋的多數物理學內容有一個初步了解。本書也適合那些已經在大學裡學過為科學家或工程師所開設的數學課，並有意願了解基礎物理學，直至當前研究前沿的人。對於那些想要了解更多物理學的數學家和計算機科學家，本書也極具吸引力。
闡釋物理世界是代代相傳的事業。今天好的理論是建立在過去的偉大理論之上的，所以，必須很好地了解牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦和其他許多對理解宇宙萬物做出貢獻的前人所建立的物理學，否則就幾乎不可能欣賞現代物理學。為此，本書大部分內容看上去是在講述歷史。然而，本書內容是以一種與原始形式極其不同的現代方式演繹的。我們所采用的做法有一個主要特征，那就是用一個統一的觀點貫穿整個物理世界。這就是變分原理，它重要的範例就是小作用量原理。幾乎所有的成功物理理論都能利用這個觀點進行闡述，它是現代物理學的核心。本書也涉及近些年來的重要進展，包括WMAP和普朗克衛星對宇宙微波背景輻射的觀測，大型強子對撞機上希格斯玻色子的發現，以及LIGO所發現的引力波。
在這裡，我們要對許多朋友、同事和親屬表示由衷的感謝，這本書的寫作是在他們的鼓勵下完成的。我們特別感謝巴羅（John Barrow）和埃文斯（Jonathan Evans）給予的鼓勵和建議。
曼頓感謝查爾斯沃思（Anthony Charlesworth）、艾塔（Helena Aitta）、阨曼（Roger Heumann）和史密斯（Alan Smith），感謝他們對本書的興趣和討論。他還要感謝他的母校德威士學院的物理社團，以及查特豪斯公學，給他機會向中六年級學生講述小作用量原理。他特別感謝肯尼迪（Alasdair Kennedy），直到近肯尼迪還在德威士學院。他還要感謝安內利（Anneli）和本（Ben），他們給了他鼓勵，並在一輪又一輪的寫作和編輯中非常耐心。
米要感謝他的父母，他們給了他持久的支持。他非常感激伊斯特伍德（John Eastwood），在許多簽售活動中給予了幫助，包括2013年在劍橋大學的大眾天文學會的會議上，遇到曼頓並促成這本書的寫作。他也要感謝埃文斯，在那次活動中，在岡維爾與凱斯學院給予了熱情款待。他也要感謝希基（Mark Sheeky）和奈廷格爾（Debra Nightingale）所給予的幫助和啟發。他要對他的通信組所有成員以及他的博客讀者的鼓勵和熱情表示真誠的感謝。他特別感謝安吉（Angie）在另一個長期項目中表現出的耐心和毅力。
我們感謝牛津大學出版社的阿德隆（Sonke Adlung）和弗龍斯基（Ania Wronski），為使本書問世所投入的個人參與，以及卡倫巴伊蘭（Suganiya Karumbayeeram）和同事們在制作本書過程中所起到的作用。我們還感謝格雷（Mhairi Gray）編制了索引。我們在寫作本書時參閱了一些著作，我們對所有作者表達謝意。在每章結尾，我們提供了一個拓展閱讀材料，列出了一些重點書目和論文。