直面公式的挑战

品味人类史上最美丽、最具革命性的科学论文

★ 全国科学教师协会推荐

★ 一对一贴心科学辅导

★ 理工科考生必读经典

★ 附诺贝尔奖得主原始论文英文原文

本书最大特色在于完整保留了诺贝尔奖原始论文中的"数学公式"。市面上多数科普书籍往往刻意回避公式，仅罗列历史背景和文字说明——这或许是对那些看到数学符号就头疼的读者"贴心"的妥协（笑）。但本书选择直面这些公式发起挑战。要知道，诺贝尔奖论文中公式贯穿始终，跳过公式阅读论文无异于隔靴搔痒。

常言道：数学是科学的语言。要真正理解科学，就必须掌握这门语言。只有夯实数学基础，才能吃透科学精髓。不过也无需操之过急：即便不能立即理解全部内容也无妨。毕竟这是天才爱因斯坦的论文，岂能奢望一蹴而就？您大可以先跟随生动有趣的科学史故事轻松阅读。试着朦胧把握爱因斯坦孕育伟大理论的思维根基如何？公式不妨先快速浏览，待理解内容后再反复研读，届时收获的成就感必将更加深刻。

书末特别附上原始论文英文版。当您能在作者引导下真正读懂那些公式时，必将体会到无与伦比的成就感。为科学奉献青春的学子们，用科学改变世界的公民们，让我们共同挑战这些凝聚人类最美丽革命思想的论文吧！

目前已出版18册

预计26年年初20卷全部完成出版

系列构成
第一册：阿尔伯特·爱因斯坦 (1921年诺贝尔物理学奖) - 特殊相对论
第二册：玛丽·居里 (居里夫人) (1903年诺贝尔物理学奖, 1911年诺贝尔化学奖) – 放射性与化学元素
第三册：马克斯·普朗克 (1918年诺贝尔物理学奖) – 量子革命
第四册：尼尔斯·玻尔 (1922年诺贝尔物理学奖) – 原子模型
第五册：维尔纳·海森堡 (1932年诺贝尔物理学奖) - 不确定性原理
第六册：阿尔伯特·爱因斯坦 (1921年诺贝尔物理学奖) - 布朗运动
第七册：沃森与克里克 (1962年诺贝尔生理学或医学奖) - DNA结构
第八册：保罗·狄拉克 (1933年诺贝尔物理学奖) - 反粒子
第九册：苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡 (1983年诺贝尔物理学奖) - 恒星物理学
第十册：巴丁、布拉顿与肖克利 (1956年诺贝尔物理学奖) - 半导体革命
第十一册：阿尔伯特·爱因斯坦 (1921年诺贝尔物理学奖) - 广义相对论
第十二册：汤川秀树 (1949年诺贝尔物理学奖) - 核物理学
第十三册：莱纳斯·鲍林 (1954年诺贝尔化学奖, 1962年诺贝尔和平奖) - 量子化学
第十四册：理查德·费曼 (1965年诺贝尔物理学奖) - 量子电动力学
第十五册：吉姆·皮布尔斯 (2019年诺贝尔物理学奖) - 宇宙膨胀
第十六册：罗伊·格劳伯 (2005年诺贝尔物理学奖) - 量子光学
第十七册：邓肯·霍尔丹 (2016年诺贝尔物理学奖) - 量子物质
第十八册：克劳斯·哈塞尔曼 (2021年诺贝尔物理学奖) - 气候物理学
第十九册：安东·蔡林格 (2022年诺贝尔物理学奖) - 量子信息 (预定出版)
第二十册：默里·盖尔曼 (1969年诺贝尔物理学奖) - 夸克模型 (预定出版)

郑完相

他因对科学的纯粹好奇，考入首尔大学无机材料工程系，后因对物理学的热忱，转投韩国科学技术院 (KAIST)，主攻理论物理学，并最终获得博士学位。年仅30岁，他便被聘为庆尚国立大学物理学系教授，致力于向学生们传播物理学的魅力。 为不忘初心，他笔耕不辍，至今已在国际SCI期刊上，发表了超过300篇论文。 为了能与更多的孩子分享科学与数学的乐趣，他投身于科普图书的创作，并取得了惊人的成就。他独立创作了：

“科学家为你亲口讲述的科学故事”系列 (共31册)

“科学共和国”系列 (共50册)

“一学就懂的数学漫画”系列
如今，他正致力于“以诺贝尔奖得主的原创论文，学懂科学”系列的创作。他怀抱着“希望韩国能涌现出更多诺贝尔科学奖得主”的赤诚之心，在网上创办并运营着“跟郑完相教授，读懂诺贝尔奖原创论文”的公益学习社群。

第一册 世界上最简单的科学课：量子光学——从光的波粒二象性到量子计算机

目录

推荐序
致读者：愿您能真正理解天才科学家的原创论文
量子光学开创者格劳伯&阿什金特别专访

第一讲 经典光学
粒子说vs波动说：飞行的棒球与荡漾的波浪

波动说的胜利：干涉条纹与衍射现象

电磁波的发现：寻找看不见的光

第二讲 激光的诞生
光子诞生：光的粒子性本质

爱因斯坦受激辐射理论：激光基本原理

量子力学诞生：电子遵循的量子法则

微波激射器发明：制造强而精准的波束

激光问世：被放大的可见光束

激光应用：从天文学到医学

第三讲 光通信史话
贝尔：光通信之父

光电话发明：镜面反射的光信号

光纤的发现：玻璃棒中的囚禁之光

低损耗光纤与光通信：更高效的信息传输

第四讲 量子光学诞生
光子产生湮灭算符：单光子操控之谜

矢量代数：电磁场的算符化表达

麦克斯韦方程组：描述电磁场的复杂方程

波动方程与电磁波：波的数学表达

电磁波：满足矢量势波动方程

电磁场量子化：立体空间中的电磁波

第五讲 原子与光的相互作用
杰恩斯-卡明斯模型：基态与第一激发态

拉比振荡：原子中电子的能级跃迁

第六讲 相干态
格劳伯：洛斯阿拉莫斯最年轻的科学家

相干态：光场的最佳清晰度

相干态特性：光子数概率分布与标准差

反聚束效应：光子发射的量子特性

第七讲 量子光技术
阿什金光学镊子：激光捕获微观粒子

频率梳发明：精密测量的光谱标尺

激光冷却：让原子减速的魔法

超材料：隐形斗篷的科学原理

量子计算与反聚束：量子光学的未来应用

附录

第二册 世界上最简单的科学课：宇宙膨胀理论——从弗里德曼-勒梅特方程到皮布斯的物理宇宙学

目录

推荐序
致读者：愿您能读懂天才科学家的原始论文

现代宇宙论诺奖得主皮布斯专访

超弦理论创始人威滕特别访谈

第一讲：人类如何想象宇宙
神话中的古代宇宙观：星辰为何高悬天际？

古希腊哲学家的宇宙：天如圆盖，地若平盘

毕达哥拉斯学派的秘密：地球是运动的！

托勒密的地心说宇宙：80个同心圆构建的模型

哥白尼的颠覆性革命：太阳才是宇宙中心？

地球在转动：哥白尼重绘的宇宙地图

第二讲：打开宇宙之门的先驱者
第谷·布拉赫的超新星发现：不用望远镜的观星者

开普勒的宇宙法则：行星轨道竟是椭圆

布鲁诺的危险想象："苍穹并非封闭！"

第三讲：行星与星系的发现
恒星诞生与消亡之地：星际物质的奇妙世界

赫歇尔兄妹的银河观测：揭开银河系真容

提丢斯-波得定则：数字中隐藏的宇宙密码

海王星：计算找到的最后一颗行星

被除名的第九行星：冥王星的兴衰史

冥王星之外的疆域：柯伊伯预言的太阳系边缘

第四讲：宇宙探索之旅
"天体警察"的诞生：寻找失踪的行星

奥伯斯佯谬：夜空为何黑暗？

三位科学家的世纪辩论：宇宙有限还是无限？

女性天文学家勒维特的突破：造父变星测距法

哈勃的发现：星系退行速度与距离成正比

伽莫夫的大爆炸理论：宇宙如何起源？

稳恒态宇宙论：无始无终的宇宙构想

宇宙微波背景辐射：无线电波中的创世证据

大爆炸前的宇宙：时间开始的瞬间

第五讲：用数学解读膨胀的宇宙
皮布斯与现代宇宙论：绘制宇宙蓝图

弯曲时空中的宇宙：爱因斯坦场方程

平坦宇宙的时空度量：弗里德曼-勒梅特视角

宇宙曲率的三种命运：黎曼几何的预言

球形宇宙的数学模型：弗里德曼时空理论

爱因斯坦方程揭示的宇宙：加速还是减速膨胀？

膨胀宇宙中的物质密度：热力学与弗里德曼方程

宇宙膨胀的三种模式：解读皮布斯《物理宇宙学原理》

第三册 世界上最简单的科学课：量子电动力学

目录

前言
"若初学科学时就有这本书该多好"

致读者：愿你读懂天才科学家的原始论文

量子电动力学之父费曼 ✖️ 格拉肖（1979年诺奖得主）特别对谈

第一讲 | 线性代数的史诗
线性方程组：巴比伦泥板上的最早记录

克拉默法则 vs 高斯消元法：解方程的两大武器

矩阵诞生记：凯莱的矩形数字阵列革命

向量的意外起源：病榻上的格拉斯曼灵感迸发

向量空间公理化：那些必须满足的数学条件

第二讲 | 狄拉克的量子革命
狄拉克符号〈bra|ket〉：当向量穿上量子外套

柯西积分新解：复平面上的优雅回旋

δ函数奇想："不存在"却改变物理学的幽灵函数

量子力学创世记：

海森堡的矩阵力学

薛定谔的波动方程

约尔当的桥梁建构

位置态 vs 动量态：电子的"分身术"悖论

第三讲 | 费曼的路径积分
天才的多面人生：从曼哈顿计划到邦戈鼓手

颠覆性构想："粒子同时走过所有可能路径"

惠更斯原理再现：用历史决定未来的波动哲学

路径积分实操指南：

自由电子：简单得像做加法

受迫电子：每个路径都要加权计算

传播子解密：量子世界的概率传播规则

第四讲 | 量子电动力学圣殿
量子场论三巨头：

福克的空间量子化

约尔当的粒子产生算符

维格纳的对称性研究

QED诞生时刻：

施温格的算子魔法

朝永振一郎的超多时间理论

费曼图的降维打击（用涂鸦解决复杂计算）

第四册 世界上最简单的科学课：量子化学

推荐序
致读者：愿您能读懂天才科学家的原始论文

鲍林1931年论文引发的革命

赫施巴赫教授（1986年诺贝尔化学奖得主）特别专访

第一讲 | 化学的起源
炼金术与化学的诞生：点石成金背后的科学萌芽

酸与碱的发现：石蕊试纸的发明

拉瓦锡的化学革命：《化学命名法》与《化学基础》

后拉瓦锡时代：贝托莱揭示染色原理与元素反应

化学亲和力：若弗鲁瓦绘制首张亲和力表

原子与分子：气体反应定律的突破

元素符号与原子量：贝采利乌斯的符号系统与理查兹的精确测量

电解的里程碑：从电解法发现新金属

范德华实际气体研究：克拉珀龙理想气体方程的局限

第二讲 | 有机化学简史
有机物的定义：贝格曼首次提出"有机物质"概念

生命力论：亚里士多德的"灵魂"与埃拉西斯特拉图斯的"元气"

维勒的尿素合成：推翻生命力论的致命实验

李比希的分子式：碳氢氧定量分析奠定有机化学基础

取代反应定律：杜马发现卤素置换现象

类型理论：热拉尔用四种类型归纳所有有机物

弗兰克兰的化合价：化学键概念的首次提出

四价碳的发现：凯库勒与库珀的关键论证

布朗结构式：用图形表示分子结构的先驱

苯环之谜：凯库勒的蛇梦与六边形结构

第三讲 | 路易斯的化学键理论
分析化学简史：从古代试金到现代光谱

原子模型演进：汤姆逊的葡萄干布丁→卢瑟福的原子核

化学键之父：路易斯的立方体原子模型

路易斯点式：用电子对解释共价键

第四讲 | 轨道理论革命
量子力学诞生：海森堡不确定性原理

三维氢原子问题：薛定谔方程的立体解

洪德规则：电子在基态时的排布规律

第五讲 | 量子化学时代
马利肯：用量子化学赢得诺奖的第一人

莱纳斯·鲍林：构建量子化学理论体系

分子轨道理论：洪德与马利肯的开拓性工作

走进鲍林论文：甲烷结构的量子化学解释

第五册 世界上最简单的科学课：核物理学

目录

第1章 原子核的发现
卢瑟福的实验：α粒子散射与原子核的诞生

玻尔的原子模型：量子化轨道与核外电子

质子与中子的探索：从氢核到查德威克的突破

第2章 核力与粒子物理
汤川秀树的预言：为什么原子核不会飞散？

π介子的发现（1947年）：验证强相互作用

费米的β衰变理论：弱相互作用的开端

第3章 核能的应用
核裂变的发现（哈恩 & 迈特纳，1938年）

曼哈顿计划：从实验室到原子弹

核聚变：太阳的能量来源与托卡马克装置

第4章 现代核物理前沿
夸克模型（盖尔曼，1964年）

标准模型：强相互作用（QCD）与弱电统一理论

中微子振荡（2015年诺奖）

第五册 世界上最简单的科学课：核物理学

目录

推荐序
致读者：愿您能读懂天才科学家的原始论文

亚洲首位诺奖得主汤川秀树 ✖️ 南部阳一郎（2008年诺奖得主）特别对谈

第一讲 | 原子核的结构
原子核的发现：组成原子的微小粒子

宇宙射线的奥秘：赫斯因发现宇宙射线获诺奖

威尔逊云室与μ子的发现：粒子探测器的革命

气泡室的发明：测量粒子质量的新方法

新粒子发现时代：质子与中子的登场

核结合能之谜：为什么4个氢核比1个氦核更重？

液滴模型：不同原子核的结合能差异

幻数的发现：梅耶与延森的完美核壳层模型

微分方程：描述核内运动的数学工具

第二讲 | α衰变理论
含时 vs 不含时薛定谔方程：量子力学的核心

边界条件：量子力学是概率的游戏

势垒穿透：量子隧穿的奇妙现象

伽莫夫论文解析 I：用量子隧穿解释α衰变

伽莫夫论文解析 II：薛定谔方程的近似解

α衰变理论：α粒子如何逃出原子核？

第三讲 | β衰变
β衰变的发现：中子如何变成质子？

切伦科夫效应：三位科学家的美丽发现

中微子的存在：诺奖级的关键证据

费米的β衰变理论：衰变释放的能量是多少？

第四讲 | 汤川秀树与核力
日本物理学的开端：仁科芳雄、长冈半太郎的贡献

亚洲首位诺奖：汤川秀树的中介子理论

麦克斯韦方程与洛伦茨规范：电磁势的有趣性质

汤川的预言：计算介子的质量

走进汤川论文：汤川势的数学表达

π介子的发现：在比利牛斯山拍到的关键照片

第六册 世界上最简单的科学课：广义相对论

目录

推荐序
希望读者能理解天才科学家的原始论文

创造统治宇宙的方程 - 彭罗斯教授特别访谈

第一讲 | 黎曼几何的诞生
几何学的历史：纸草记录与欧几里得几何

非欧几何：否定平行线假设诞生的新几何学

高斯与黎曼的出现：数学之王和他的学生

曲率概念的诞生：弯曲的程度

球坐标系：表示三维空间的方法

第二讲 | 四维时空
爱因斯坦的学生时代：同伴米列娃·马里奇

狭义相对论：观察者的时间流逝不同

四维时空：同时描述时间和空间的新几何学

爱因斯坦的新规则：省略求和符号

第三讲 | 爱因斯坦的等效原理
关于质量：惯性质量与引力质量

自由落体实验的真相：德索托与斯蒂文

等效原理：加速度与引力场强度

创造引力：失重状态与新引力场

1908-1915年的爱因斯坦：讲课与研究经历

等效原理与光线弯曲：应用于太阳系

第四讲 | 爱因斯坦方程
马塞尔·格罗斯曼：广义相对论诞生的助手

广义相对论的出现：统治宇宙的完美方程

观测光线弯曲：传播广义相对论的伟大

引力导致的时间延迟：引力大的地方时间流逝慢

水星近日点移动：解开43秒的秘密

引力透镜：星系看起来更大的现象

爱因斯坦的第二次爱情：既是妻子也是秘书的艾尔莎

爱因斯坦的美国生活：躲避纳粹迫害

希尔伯特：无穷大与无穷旅馆

第五讲 | 进入爱因斯坦的论文
牛顿力学中的加速观察者：公交车上的人看到什么？

弯曲时空中的度量：描述时空的弯曲

皮埃尔班与克里斯托弗符号：新符号的引入

加速观察者的运动方程：表观加速度

协变微分：新微分的定义

黎曼张量：与曲率成正比

爱因斯坦方程：考虑宇宙的弯曲程度

第六讲 | 黑洞
史瓦西的黑洞：爱因斯坦方程的通解

牛顿力学中的黑洞：事件视界隐藏的秘密

黑洞物理学的英雄们：四位物理学家

黑洞物理学：奇点与蒸发的黑洞

虫洞：连接时空两点的隧道

第七册 世界上最简单的科学课：半导体革命

目录
推荐序
希望读者能理解天才科学家的原始论文

"晶体管发明三巨头是谁？" - 诺贝尔物理学奖得主基尔比博士特别专访

第一讲：半导体材料的发现
形形色色的固体：金属、矿物与陶瓷

半导体材料：硅与锗、二氧化硅

有趣的氧化锆材料：天然钻石的替代品

液晶的发现：从莱尼策到德热纳

杜隆-珀蒂定律：固体比热的共同研究

爱因斯坦的固体比热公式：荣耀归于德拜

硅与锗的发现：既非导体也非绝缘体

第二讲：能带理论
量子力学的诞生：粒子与波的双重性质

连接固体物理与量子力学的四位科学家

能带与带隙：允带与禁带

电子与空穴的有效质量：给半导体加电场会怎样？

第三讲：费米-狄拉克统计
量子统计力学：量子力学与统计物理学的相遇

玻色-爱因斯坦统计：给爱因斯坦的信

费米-狄拉克统计：如何达到最大可能状态数？

第四讲：半导体理论
自由电子的量子态密度：与能量的平方根成正比

费米-狄拉克分布函数：温度与费米概率密度函数的关系

半导体基本关系式：什么是有效态密度函数？

本征半导体与掺杂半导体：n型与p型半导体

第五讲：真空管时代
真空二极管的发明：交流变直流的转换

弗莱明阀与马可尼的无线电报：横跨大西洋

半导体二极管：发明p-n结的罗素·奥尔

第六讲：晶体管的发明
开启晶体管时代的人们：凯利、巴丁、肖克利、布拉顿

点接触晶体管的发明：将输入信号放大100倍

金属氧化物半导体场效应晶体管：阿塔拉与姜大元博士

集成电路的发明：基尔比与诺伊斯

第八册 世界上最简单的科学课：恒星物理学

目录

推荐序
希望读者能理解天才科学家的原始论文

"用物理学解密恒星死亡过程" - 根策尔教授特别专访

第一讲 | 古代恒星理论
古埃及太阳历：恒星与行星的区别

星座命名：以物体、动物和神话英雄命名

黄道十二宫与占星术：太阳经过的12个星座

太阳神拉的故事：被神化的太阳

泰勒斯与阿那克西曼德的恒星观：太阳、月亮和星星的构成

天球模型的诞生：恒星的位置

阿里斯塔克斯的观测：地球与月球、地球与太阳的距离

埃拉托斯特尼测量地球半径：利用太阳光线和影子

喜帕恰斯的恒星亮度研究：制定星等系统

第二讲 | 万有引力与恒星距离
万有引力的发现：质量间的相互吸引力

重力加速度计算：由重力产生的加速度

重力势能：运用微积分解释

维里定理：克劳修斯的证明

光行差的发现：地球公转的证据

恒星距离测量：贝塞尔与视差法

绝对星等：比较恒星的真实亮度

第三讲 | 多方过程与恒星结构方程
多方过程：恒星内部气体的热力学

莱恩-埃姆登恒星模型：维持恒星平衡的方程

爱丁顿恒星模型：加入辐射压力

第四讲 | 恒星的形成与演化
哈佛大学女天文学家与恒星光谱分类

赫罗图的发现：亮度与温度的关系

原恒星理论：恒星如何诞生

恒星发光原理：核聚变反应

恒星的一生：从诞生到死亡

脉冲星：中子星发出的规律信号

黑洞：连光都无法逃脱的天体

第五讲 | 恒星死亡研究
钱德拉塞卡生平：永不熄灭的热情

解读钱德拉塞卡论文：白矮星的平衡条件

第九册 世界上最简单的科学课：从反粒子理论到狄拉克方程 

 目录

推荐语
愿读者能深入理解科学巨匠的原始论文
预言反粒子的物理学家狄拉克——张伯伦博士专访

第一讲 • 微积分的历史

微分与积分的发现——牛顿与莱布尼茨
反三角函数——三角函数的逆运算
牛顿的广义二项式定理——当n为非自然数时
三角函数的无穷级数表示——另一种表达形式
欧拉公式——从欧拉数出发
牛顿的微分方程——包含函数微分的方程
偏微分——多元函数的微分

第二讲 • 三维空间中的力学

三维牛顿力学——向三维空间的拓展
拉普拉斯——拿破仑时期的伟大数学家

第三讲 • 塞曼效应

量子论的诞生——具有不连续能量的奇异粒子
塞曼效应的发现——氢的新线状光谱
斯塔克效应——氢原子在电场中的现象
新量子数的出现——塞曼效应的理论解释
量子力学的诞生——描述量子的物理学
玻恩的概率诠释——物理算符与波函数
球坐标系——三维空间的不同表述
角动量算符——角动量的变化
氢原子问题——深入氢原子核
用三个量子数描述的电子——轨道函数
磁场中的薛定谔方程——受磁力作用的电子运动

第四讲 • 自旋的诞生

第四量子数的出现——解释反常塞曼效应的物理模型
第四量子数的发现——斯特恩-格拉赫实验
泡利不相容原理——禁止占据同一状态
矩阵的发现——数的矩形排列
解读泡利论文——将自旋引入量子力学

第五讲 • 狄拉克方程与反粒子的发现

克莱因-戈登的尝试——将狭义相对论应用于电子运动会怎样？
狄拉克的登场——薛定谔方程与狭义相对论的结合
狄拉克的惰性粒子——作用力方向上的速度衰减
解读狄拉克论文——新方程的诞生
狄拉克的空穴理论——狄拉克海洋中的空穴
正电子的发现——狄拉克预言的电子反粒子
反物质的发现——寻找新反粒子的实验

第十册 世界上最简单的科学课：原子模型

目录
推荐语
愿读者能深入理解科学巨匠的原始论文
震惊世界的原子模型理论诞生——尼尔斯·玻尔博士专访

第一讲 • 道尔顿原子论的形成
泰勒斯的基本元素——求知精神如何平息纷争
四元素说——构成万物的水、火、气、土
古代原子论——不可再分割的微小粒子
魔法与科学之间的炼金术——石头能变成黄金吗？
近代化学之父道尔顿——元素的原子是球形的

第二讲 • 牛顿的圆周运动
向量解析——用大小与方向定义
三角函数的历史——余弦定律
牛顿的向心力——为什么月亮不会掉到地球上？
圆周运动所需的向心力大小——半径越小，所需运动越大
角速度与角动量——也用于描述多种自然现象

第三讲 • 汤姆逊的原子模型
原子模型的历史——土星模型与葡萄干布丁模型
计算电场强度——高斯定律
解读汤姆逊论文——原子中均匀分布的电子

第四讲 • 卢瑟福的原子模型
卢瑟福的原子核——首个揭示原子核存在的模型
卢瑟福原子模型——坚持不懈终获突破

第五讲 • 玻尔的原子模型
巴尔默公式——氢原子的发射光谱
玻尔的发现——颠覆卢瑟福原子模型
解读玻尔论文——不连续的能量
能量的量子化——从原子模型看角动量量子化

 

by Wendy