科学前沿：朱利安•巴伯（乙）/ 一生只为探寻宇宙与时间的奥秘

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我常想，我们就像自鸣得意地在池中游动的鲤鱼。我们的一生就在我们自己的“池子”里度过，以为我们宇宙只包含那些看得见摸得着的事物。 —一[美] 加来道雄 时间的流逝可能只是一种错觉，未来就像过去那样已经存在，只不过我们还没到达那里；我们生存于看似连续的四维时空当中，但在最根本的层面上，时空或许是由一些离散的单元组成…… 这本专刊将讲述时间的一切，而这一切都将颠覆你的认知。 ——环球科学•时间专刊 2015 SCIENTIFIC AMERICAN 科学美国人中文版 　　 目录 1）一生只为探寻宇宙与时间的奥秘The Country Gentleman of Physics [英] Michael Brooks 20212）时间的流逝只是你的错觉过去 并未消失未来也已经存在（视频） ——未杉文禾 20183）时间始于宇宙之前 （提要） 环球科学•时间专辑 2015 SCIENTIFIC AMERICAN ——本文为科学前沿：朱利安•巴伯（乙）/ 一生只为探寻宇宙与时间的奥秘。其相关文章请点击下面链接：<a href="https://www.meipian.cn/4bc43gw2?first_share_to=copy_link&share_depth=1&first_share_uid=12932471" target="_blank" style="font-size:20px;">科学前沿：朱利安•巴伯（甲）/ 时间真的存在吗？</a><a href="https://www.meipian.cn/4vajbk1o?first_share_to=copy_link&share_depth=1&firs" target="_blank" style="background-color:rgb(255, 255, 255); font-size:20px;">科学前沿：朱利安•巴伯（丙）/ 《时间的终结》</a>视频汇 —————— 1）这位住在乡下的“民科”，一生只为探寻宇宙与时间的奥秘 文章来源：返朴/20210710 /百度 现已耄耋之年的英国物理学家朱利安·巴伯 (Julian Barbour)，自他博士毕业后就没有选择走上获得教职的传统学术之路，而是回到了自己的家乡，在享受宁静的田园生活的同时，思考物理学上的“大问题”——时间之箭和宇宙。在如今的语境下，巴伯的职业或许更接近“民间科学家”的本意，他不断汲取科学史的精髓，对于时间和宇宙提出自己的观点。尽管这些思想一直游离在学术界的边缘，但其著作仍掀起过波澜，引起一流学者的关注。他是另类的物理学家，一名物理学的乡村绅士。撰文 | Michael Brook翻译 | 夏梦婵（上海师范大学数理学院天体物理中心）、张一（上海师范大学物理系） 挑战“时间”朱利安·巴伯（Julian Barbour）对时间的痴迷始于1963年10月18日。那天这位26岁的剑桥数学系研究生正在前往德国巴伐利亚阿尔卑斯山的火车上，他和一位朋友计划攀登德国的第三高峰瓦茨曼峰（Watzmann）。巴伯手中的报纸上有一篇英国物理学家狄拉克（Paul Dirac）发表在《科学美国人》上的文章的摘要。“他质疑四维对称性是否是物理世界的基本特征。”巴伯回忆道。狄拉克在拆解爱因斯坦关于三维空间和一维时间的观念，寻找更深层次的真理。第二天，巴伯头痛醒来，告诉朋友他的状态不能爬山。“我说，‘你得自己上山了。’”巴伯独自坐在那里沉思，他问自己：“时间是什么？” 巴伯认为这个问题来自狄拉克的那篇文章，但他后来重新读了它，问题却并不在其中。“里面没有一句话提及狄拉克曾问什么是时间。这一定是我为了让自己有信心挑战它而虚构出来的。”他说，“我猜当时我是这么想的，如果狄拉克说过这句话，这个问题肯定值得挑战！” 时间本性的问题是如此之大，巴伯自己并不能独揽其艰，却还是主宰了他的生活。1999年，他的初步结论出版了，即（《时间的终结》）一书，他在书中宣称时间是一种幻觉，在宇宙如何运行的基本描述中并无立足之地。这本书被不约而同地描述为“挑衅性的”和“引人入胜的”。物理哲学家桑德斯（Simon Saunders）在《纽约时报》上称赞它是“一部杰作”。但最令人欣慰的反应肯定是来自惠勒（John Archibald Wheeler）的，他是创造了“黑洞”一词的一流物理学家（在各种意义上），惠勒说：“如果柏拉图和亚里士多德读过这本书，他们可能仍然在讨论它。” 时间之舞：根据朱利安·巴伯的说法，时间未必是从过去流向未来的一支单向箭。他在花园里立了一块黑板，并向摄影师卡罗尔·加洛乔夫斯基（Karol Jalochowski）解释道：“通过结构和秩序如何形成来定义时间的方向要自然得多。” 丨图源：Karol Jalochowski/Nautilus 2021年4月，坐在位于英格兰牛津郡有着360年历史的老宅的厨房里，年已84岁的巴伯仍然像一个26岁的年轻人一样兴奋地讨论着时间的概念。2020年12月，他出版了《雅努斯点》，这是他继《时间的终结》之后的又一部力作。书名来自可以同时向前和向后看的双头罗马神祇。巴伯的论点是，大爆炸（The Big Bang）——他称之为雅努斯点——在两个方向上播撒了时间流动的种子。时间“不再只有从过去到未来的单一方向，而是有两个方向：从位于雅努斯点的共同过去，流向离它而去的两个未来。”巴伯写道。 在古罗马宗教与神话中，雅努斯是统治诸多双重事物的神，作为时间之神同时看向过去和未来。图为意大利费拉拉教堂博物馆藏雅努斯浮雕。丨图源：britannica.com 圆周理论物理研究所的教授斯莫林（Lee Smolin）称《雅努斯点》是“几年来我所读过关于宇宙学的最重要的一本著作……它既是一部文学作品，也是一部科学思想的杰作。” 我没有斯莫林那样的职业判断，但这本书确实让人感到耳目一新、与众不同：一部对物理学最大未解之谜之一进行严密论证且实质性解读的著作，作者不仅对物理学，而且对与其主题相关的历史和哲学进行了研究。尤为难得的是，不像其他许多科普游戏，巴伯只发表他认为值得发表的观点。单凭这一点就足以使他值得倾听。正如巴伯所预料的那样，要掌握他的中心论点并非易事。这就是为什么他的书在各处段落之间留有额外的空白：在这些地方，巴伯写道，读者可以暂停下来，“喝杯茶或咖啡休息一下”。但与其自己在家里，还不如和作者本人一起喝茶会学到更多。巴伯很乐意帮我这个忙。 物理学的乡村绅士 当他在前门迎接我时，巴伯体现了典型的英国乡村绅士闲适的精髓。他身着黄褐色运动衫，外面套一件拉好拉链的羊毛背心。巴伯长得瘦高，显得他蓝灰色灯芯绒长裤有点短，脚上，裹着厚厚的浅灰色袜子，踏着一双勃肯拖鞋。巴伯很快就笑出了声，给人一种曾经是学校板球队队长的感觉。 在物理学界掀起波澜之前，巴伯并不是一个学术巨星。在剑桥，他获得了他所谓的“相当普通的二等学位”，然后选择休假一年到慕尼黑生活以提高德语水平（结果去了一所由曾任希特勒首席译员的人管理的学校）。在那他遇到了彼得·米特斯泰德[注1]（Peter Mittelstaedt），一名年轻的学者，曾是海森堡（Werner Heisenberg）的学生。“他邀请我跟他攻读博士学位。”巴伯说。巴伯想研究马赫（Ernst Mach）关于时间本质的观念，但米特斯泰德说：“不，这太冒险了——你可能不会有任何进展，而且永远找不到工作。”取而代之，巴伯的博士论文是关于广义相对论的，他说，“坦率地讲，我的论文非常普通。” 即使放弃了马赫，他仍然坚信自己永远不会从事一份学术工作。当他必须做出决断时，巴伯问了一个熟人，如果担任一个研究职位，会对自己有什么样的要求。答案是——每年发表一、二篇优秀论文——这把巴伯吓坏了。“我说我完全不可能做到这一点。” 属于自己的房间：朱利安·巴伯在他的家——学院农场（College Farm）——里的一张定制的半圆形书桌旁写字。学院农场是他在1963年11月从牛津大学新学院买来的，他可以透过一楼的窗户看到童年时的家。丨图源：Karol Jalochowski/Nautilus 巴伯放弃了学术生涯的想法，回到了英国。他在德国期间还学习了俄语，之后开始为纽约的普莱南出版社（Plenum Publishing）和美国物理研究所（American Institute of Physics）翻译经典的俄罗斯物理学论文，以此谋生。“这份工作十分枯燥，但收入却很稳定。” 巴伯谈道，“这使我约有三分之一的时间用于自由发展自己的想法。”为了进一步满足自己的智力渴求，巴伯成了各种物理学会议上的一个常客，吸收各种思想并在业余时间消化它们。“我把自己比作一只从学术界采蜜的蜜蜂。”他说。 巴伯住的这栋老宅名叫学院农场（College Farm），家中有一张定制的半圆形书桌，他就在这儿写作。学院农场是他在1963年11月从牛津大学新学院购得的，从一楼的窗户可以看到他童年时的家。这两座建筑，和村子里的大多数房子一样，都是用某种金色的石头建造的，似乎是为了捕捉并反射傍晚的落日余晖；按照房地产经纪人的说法，这里就是田园牧歌。好像是为了证实这一点，巴伯的房子旁边挂着一块指示牌。它指向房子背面，宣告后面某处就是阿卡迪亚（Arcadia），古希腊人神话里的世外桃源。学院农场隔壁，通向世外桃源的路的另一边，是建于12世纪的圣伯多禄受铁链刑教堂（St. Peter ad Vincula）教堂。不难想象，年轻的休·格兰特[注2]（Hugh Grant）穿着晨礼服冲过教堂院落，喃喃自语地为再次迟到道歉。这是《四个婚礼和一个葬礼》[注3]（Four Weddings and a Funeral）的英格兰，是约翰·贝杰曼[注4]（John Betjeman）的英格兰，是时光凝滞的英格兰。对于一个一生中大部分时间都在和时间对抗的人来说，这一幕恰如其分。 来自科学史的启示 在许多方面，宣称时间是虚幻的不过是举手之劳。我们最深刻的理论表明，时间不是宇宙的基础：在量子物理学中，除去作为变化的标记，它并不真正扮演角色。在相对论中，时间是可塑的，横跨宇宙，片刻都无法定义。一个悬而未决的大问题是，是什么导致我们关于时间之箭的经验——时刻的单向流动？巴伯在《雅努斯点》中已经解释了他所认为的答案。他说，这个答案自18世纪末起就潜藏在众目睽睽之下，等待着被发现。 1772年，法国数学家拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange）做出了一项非凡的发现。大概如是：假设有三个粒子在运动，且仅通过牛顿引力定律相互作用。拉格朗日表明，这一总系统的大小——即一个包围所有三个粒子的假想圆的直径——会以一种非常古怪的方式变化。该直径会在某个时刻收缩到最小，然后再增长——直到永远。整个三粒子系统再也不会回到那个最小的尺寸。 令人惊讶的是，拉格朗日的结果适用于任何数量的粒子。当巴伯读过后，他认为这一结论可能适用于整个宇宙；毕竟，宇宙无非是一堆旋转的粒子。如果真是这样，那就意味着宇宙在某个时刻达到最小的尺寸，然后一直膨胀下去。这个最小值就是我们认为的大爆炸时刻。在巴伯的双面雅努斯宇宙中，时间朝着远离最小尺寸的点在两个方向流动。巴伯表示，拉格朗日最小尺寸的证明给了我们时间之箭的原因。为什么我们只体验到时光流逝？因为我们正在远离拉格朗日极小值点，数学定律告诉我们不能回到那里。 巴伯说：“从我记事起，我就一直对时间之箭感兴趣。，还从来没有人提出过一条宇宙法则告诉我们时间之箭一定存在。这样的想法在那已经有四个世纪了，真是不可思议。” 虽然巴伯看好他从科学史研究中总结出的东西，但其他物理学家并不清楚是否雅努斯点的想法解决了时间之箭的问题。首先，这是一个纯粹的经典思想，对于量子场论等更基本的方法来说意义不大。更重要的是，巴伯的模型本应该能解释宇宙中物质初始涨落的起源，这对于解释天文学家以极高精度观测到的大尺度结构至关重要，可是他的模型并没有做到。因此，虽然这些论据听起来很有说服力，但宇宙学的业内人士一般都对雅努斯点持谨慎态度。 这样的批评并不能阻止巴伯探索他的想法。即便现在已怀揣两本代表作，他的探索之旅还没结束。巴伯现在身体还不错，每天步行一个多小时。但他承认，有些事情正在放缓，例如他必须重新阅读前一天的作品，然后才能继续写作，但他对年龄毫不畏惧。“我认为真正重要的东西是，那些概念上的想法是好的。”所以，就像时间一样，他总是勇往直前。“我还想出版两本书” ，一部是他已经写了一半的热力学史；另一个则是全新的，典型的巨著，要将量子物理学同爱因斯坦的相对论结合起来，创建一个单一的“量子引力”框架来描述宇宙。“不夸张地说，在我写《雅努斯点》最后一章时，这一想法降临了。” 这个新想法的根源来自他的初心——奥地利物理学家马赫。对马赫工作的深入研究使巴伯走上了一条与他各方面的合作者将理论形式化的道路。他把其本质概括为：你需要什么样的初始数据来预言未来？巴伯说，关键是要确保将宇宙膨胀考虑在内，“这带来了所有有趣的结构、形态以及一切。”新想法可能解决量子力学的测量问题，以及结合量子理论与相对论，令他感到十分兴奋。巴伯还认为，甚至更具争议的是，它可以确定宇宙的意义。“如果这个关于时间和量子引力的新观点正确，我认为定义宇宙是可能的。” 雨燕和行星：朱利安·巴伯的天赋在于他了解曾经的思想和表述，并找到将这些见解综合成新想法的途径。在这段简短的视频中，巴伯将农场里的雨燕群落与开普勒对行星运动的洞察进行了比较。拍摄/Karol Jalochowski【前往“返朴”观看视频】 宇宙的意义 寻找宇宙的意义并不在绝大多数科学家考虑的职责范围之内。按照惯例，艺术家、作家和哲学家才是给我们带来意义的人。但巴伯似乎很乐意把科学和艺术的角色互换。他甚至认为，艺术可能比科学能更好地引领我们认识宇宙的真实本质。在《雅努斯点》一书中他写道，人类深刻创造力的时刻“可能是来自整个宇宙的潜意识灵感”，一部伟大的歌剧咏叹调的表演可以像任何数学方程式一样巧妙地捕捉宇宙的某些东西。他将人类视为宇宙戏剧中的演员，而形容自己是“宇宙所发生一切的参与者”。 无论学术界的同事们把他看作是科学家、思想家、作家，还是煽动者，巴伯都是科学界备受赞赏的参与人。他是乐观主义者和理想主义者，他的性格并不像许多象牙塔内的研究员那样顽固、总是多疑。他是个乐天派，并且承认自己是个柏拉图主义者，相信存在理想——一种藏在阳光斑驳的小巷里的乌托邦，我们不太可能见到的地方。对这种避世的田园生活的追求似乎是他的动力所在。 这也许是为什么17世纪的德国物理学家和哲学家莱布尼茨（Gottfried Leibniz）不断出现在我们对话中的原因。莱布尼茨关于时间的想法并未引起巴伯太多兴趣，反而是莱布尼茨的宇宙观。莱布尼茨认为，追求完美是宇宙演变的最终根本目的。伏尔泰（Voltaire）嘲讽莱布尼茨认为我们生活在所有可能世界当中最好的那个，但巴伯同意莱布尼茨的观点。尽管所有人都经历其人生，但在许多方面，巴伯一生的工作是莱布尼茨为理想主义辩护努力的延续。他对我说，“我倾向于认为，正如莱布尼茨所想，世间之善要比恶多。” 在我们的交谈中，巴伯找不到合适的词来概括莱布尼茨的哲学。第二天早上7点35分，他给我发了一封电子邮件。他说：“我要找的词是神正论（theodicy）。”它的意思即为上帝辩护，试图证明邪恶的存在并没有内在的理由，而否定一个善的、无所不能的神的存在。巴伯工作的核心似乎存在一个神正论：随着宇宙远离它的最小值，所有的事情都能且必然发生；如果你想让善存在，你就必须容忍恶。正如巴伯在书中所说，“没有黑暗就没有光明。” 而且，年届高龄，也许他更有资格作评判。在经历了从爬山到与一个年轻的理论物理学家共处一室，听他首次介绍我们现在称之为霍金辐射的想法，再到照顾他患阿兹海默症的妻子，他学到了充分利用时间才是最重要的。他的厨房里摆满了孙子孙女的照片，他几乎每天都用Zoom和生活在法国、阿根廷和南非的孩子交流，家庭对巴伯来说比以往任何时候都重要。他最近失去了妻子，一个女儿也在近期过世了（他在《雅努斯点》一书的题献上纪念了她们）。 在访谈的最后，我提出了物理学家卡尔·萨根（Carl Sagan）关于意义的看法：我们的生命，无论看起来多么微不足道或痛苦，都具有宇宙意义，因为人类是宇宙获得自我认识的手段。“我从没读过卡尔·萨根的书。”巴伯说。 在巴伯面前，也许因为缺乏相关训练，人们很容易感到胆怯。他对物理学史了解的广阔，几乎比从事这一领域的任何人都要广得多。他的天赋在于，他知道人们曾经的思考和陈述，他找到了综合这些见解的方法，并从它们的含义中引出新的思想。但巴伯也对新思想持开放态度。“我认为萨根的直觉很准。”他说道。 注释及参考文献[1] 彼得·米特斯泰德（Peter Mittelstaedt ，1929-2014），德国著名的理论物理学家和科学哲学家[2] 休·格兰特（Hugh Grant），英国著名男演员。[3]《四个婚礼和一个葬礼》是Channel Four Films出品的爱情轻喜剧电影，由Mike Newell执导，Hugh Grant、Andie MacDowell主演，1994年上映。[4] 约翰·贝杰曼 (John Betjeman，1906-1984)，英国诗人。[5] 本文译自The Country Gentleman of Physicshttps://nautil.us/issue/100/outsiders/the-country-gentleman-of-physics 2）时间的流逝只是你的错觉过去并未消失未来也已经存在 时间的流逝只是你的错觉过去并未消失未来也已经存在 ——未杉文禾 bilibili 20180509（视频，请点击下面蓝色链接：）<a href="https://m.bilibili.com/video/BV1dp411f7RG?mid=0&p=1&share_from=ugc&share_medium=android&share_plat=android&share_session_id=0c5b1bd1-28cc-411d-9a96-3ae62d8a5072&share_source=WEIXIN&share_tag=s_i&timestamp=1658829850&unique_k=61Q1TjG" target="_blank" style="font-size:20px;">时间的流逝只是你的错觉过去并未消失未来也已经存在</a> 3）时间始于宇宙之前 （提要） ——环球科学•时间专刊 （科学美国人中文版） 年度巨献 2015年 时间始于宇宙之前时间的流逝可能只是一种错觉，未来就像过去那样已经存在，只不过我们还没到达那里；我们生存于看似连续的四维时空当中，但在最根本的层面上，时空或许是由一些离散的单元组成……这本专刊将讲述时间的一切，而这一切都将颠覆你的认知。 卷首 PREFACE时间是什么？ ……时间和记忆打造了我们对自身的感知。我们也许会觉得自己任凭历史的摆布，但我们也会希望自己在未来拥有自由意志。令人不安的是，这样的想法和物理学家及哲学家的观点矛盾，因为如果时间类似空间中的一种维度，那么昨天、今天和明天都变得同样具体，已被决定。未来就像过去那样已经存在，只不过我们还没来到那里而已。…… ——科学美国人编辑部 目录 CONTENTS06 时间简史生活节奏在不断加快，然而我们仍不能完全理解与时间相关的事物。时间的本质 THE NATURE OF TIME“如今，物理学里的时间和我们感受到的时间之间已经横亘着一条鸿沟，一个合乎逻辑的结论呼之欲出—一理论物理学界有许多人开始相信，时间根本就不存在。”12 时间是幻觉？一些物理学家认为，根本不存在时间这种东西。～～～[编者摘录：] “…法国地中海大学马塞分校（ University of the Mediterranean in Marseille ）的卡洛·罗韦利（ Carlo Rovelli )也参加了 FQXi 举办的那场论文竞赛，他是圈量子引力的提出者之一，参赛论文题目是《忘掉时间》( Forget Time )。他和英国物理学家朱利安·巴伯（ Julian Barbour ）是这一观点最主要的支持者。他们还尝试把量子力学改写成了不含时间的形式，这似乎是相对论所要求的…”～～～20 时间从未流动哲学家和物理学家得出了一个不可思议的结论：时间并未流动，我们对时间在流动的感受只是一种错觉。26 时空是离散的？圈量子引力理论预言，时空存在不可再分的最小单位－一在最根本的层面上，时空是由一些离散的单元组成的。36 时间冻结难题：物理学的漏洞？在将量子力学方法应用到广义相对论上时，物理学家遇到了一个根本性的难题：得到的方程中，时间变量完全消失，就好像整个宇宙中的时间都冻结了一样。38 时间为何一去不返时间为何总催促我们朝着未来，而不是相反的方向前进？时间的方向性、热力学、宇宙大爆炸这三者有着怎样的关系？与物理学家肖恩•M•卡罗尔的对话，将揭开上述迷团。时间与宇宙 TIME AND UNIVERSE“时间是从何时开始的妮？科学家并未给出决定性的答案，但至少有两种理论认为，宇宙和时间在大爆炸之前就存在。如果其中一种理论是正确的，那么宇宙便是永远在的、并且，即使某一天它会再次塌缩，也永不会终结。” 44 时间有没有开端研究弦论的物理学家提出，大爆炸不是时间和宇宙的起点，而是一个转折点。56 时间会终结吗就连爱因斯坦都在纠结时间是不是会终结这个问题，在预言时间会在奇点终结的同时，又暗示奇点无法真正存在。64 时间箭头的宇宙起源一些科学家认为，我们的宇宙是更加宏大的多重宇宙的一部分；在其他宇宙里，时间箭头可能与我们相反——我们的未来是他们的过去。72 变化的宇宙常数表示电磁相互作用强度的精细结构常数竟然会发生变化的——而这个常数一旦发生变化，通常意味着整个宇宙的结构都会随之而变。时间与人 TIME AND HUMAN“ '时间是相对的’ 这句格言可能并不像 ' 时间就是金钱’ 那样为人们所熟知。但是 '时间流逝的快慢会因一个物体相对于另一个物体的运动速度不同而改变' 这一观点，肯定算得上爱因斯坦最为深刻的思想之一。”82 双生子佯谬为什么高速飞向外星又飞回地球的双胞胎哥哥会比弟弟更年轻？我们将带你重现这场漫长而诡异的旅行。86 人体里的三个时钟在我们的身体里有三个时钟：“秒表”、“日程表”和“倒计时器”。94 每个器官里，都有生物钟在人体的不同器官，甚至不同细胞里都有调控昼夜节律的生物钟。100 给记忆打上时间标签科学家试图搞明白大脑是如何产生时间观念，如何给记忆打上时间标签的。106 不同的文化，不同的时间不同的文化对时间概念的认知也可能完全不同。丈量时间 MEASURING TIME“时间的精密测量对科学技术具有重要的意义，因此对更高精度的追求从未停止。原子钟的精度每十年就提高10倍，这一发展速度已经保持了约50年。”110 钟表编年史每一种里程碑式时钟的发明，都标志着人类技术的飞跃。118 终极时钟最新的原子钟逐渐接近可以达到的精确度极限。126 用光尺丈量时间一把神奇“光尺”可以重新定义“秒”的长度。134 检验时间的相对论效应利用最新的光学时钟，科学家可以在日常条件下观察到相对论预言的效应。136 时间的量度：从瞬间到永恒时间旅行 TIME TRAVEL“假如时空扭曲得很厉害，以至于一些世界线构成了闭合环路，它们就会成为通向过去的通道。如果精确地沿着这样条闭合的类时曲线走一周，我们就会撞到以前的自已。”140 时间旅行的量子之门量子力学可以对时间旅行给出合理的解释，让时间旅行在理论上得以实现。148 制造时间机器理论上，先进的文明可以制造或改造虫洞，得到一台来往于过去和现在的时间机器。154 加来道雄：时间旅行可以实现作为物理学家，加来道雄认为，可以从真空中抓住一个“量子泡沫”，使其扩大、稳定，形成一个虫洞，进而实现时间穿越。160 静止的时间——————[编者注]《环球科学》是《科学美国人》的中文版，适合高科技企业管理者、专业技术人才、科研工作者、教师、以及所有科学爱好者阅读。