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時間的形狀——相對論史話

時間的形狀——相對論史話

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內容簡介

史上最好懂、最精彩的相對論!
完全不同於一般傳統的科普書,更像一本閒暇時可翻閱的小說。
淺顯的語言、身邊的事例、思維的實驗,這是一本人人都能讀懂的相對論。

這本書保證有趣。跟隨作者,你可以進入愛因斯坦的夢境,坐在牛頓老師的課堂裡,來到星光實驗的現場……零距離接觸科學的知識與思維。

從小到大,你可能一直會有這樣的疑問:

光到底是什麼東西?
光速不變,代表什麼意思?
宇宙到底長什麼樣子?有大小嗎?有生死嗎?
我們能不能穿越時空,任意到達未來或回到過去?
時間到底是什麼東西?
時間會停止嗎?時間停止了宇宙還存在嗎?
這世界上的物質到底是由什麼構成的?

讀了這本書,你將會找到答案。

本書上半部(前五章)先回顧一下物理學所走過的曲折歷史,這段歷史的精彩程度不亞於任何一段戰爭史。在伽利略、牛頓等巨星紛紛謝幕之後,超級巨星愛因斯坦閃亮登場。他就像一位橫空出世的大俠,無門無派,一出手即震驚天下,他的絕招就是「相對論」。

中間的第六章是一段橫跨半個世紀的真實歷史故事,這故事塵封已久,現在很多年輕人都不敢相信那是事實,但真相往往比小說更驚人。

最後四章是本書的下半部,比上半部更精彩,結構更宏大,故事更神奇。作者將細緻剖析時空的真相,帶你領略神奇的四維時空奇景,了解整個宇宙的終極圖像,再回到原子的深處,見識不可思議的微觀世界,最後看一看當今物理學的最新發展——萬物理論。

本書最初於2011年在中國出版,就蔚為風潮,備受讀者喜愛,更被推崇為與曹天元《上帝擲骰子嗎?量子物理史話》齊名的科普傑作。

對於想了解相對論、物理、宇宙、或是電影《星際效應》背後原理的讀者,將會發現這本書是如此的清晰易懂,而且會先釐清一般人會想問的最基礎問題,把問題描述清楚了,才進入科學家的研究成果等等,這樣一來,讓物理變得更親切、有趣,進而產生好奇,是這本書的最大特色。
 

作者介紹

作者簡介

汪潔
科普作家,上海理工大學畢業。曾任上海天文博物館首席志願者講解員,「果殼網」果殼達人,「萬有青年燴」人氣講者,中科院上海天文臺「天之文系列科普講壇」講者。

人生最大的願望是,在老得快要死掉的時候,會有幾個陌生人對我說:「我年輕的時候看過您寫的科普書。雖然名字和內容現在都想不起來了,但當年看完以後我就毅然投身於自然科學,以至於今天有一點小小的成就,非常感謝您,祝您老一路走好。」

    新浪微博:@科普斯坦汪潔
喜馬拉雅人氣電臺:科學有故事


 

目錄

前言

第一章 不得不說的廢話
關於相對論的謠言粉碎機
你必須了解的四個概念

第二章 伽利略和牛頓的世界
相對性原理
伽利略變換
史上最強煉金術士牛頓
牛頓的絕對運動觀
牛頓水桶實驗中的絕對時空觀

第三章 光的速度
伽利略吹響衝鋒號
光速測量大賽
驚人的發現
科學史上最成功的失敗

第四章 愛因斯坦和狹義相對論
兩朵烏雲
巨星登場
第一個原理:光速不變
第二個原理:物理規律不變
環球快車謀殺案
同時性的相對性
時間會膨脹
空間會收縮
速度合成
質速神劍
光速極限
質能奇蹟
四個瘋狂的問題

第五章 廣義相對論的宇宙
愛因斯坦的不滿
生死重量
等效原理
太空大圓盤
時空彎曲
重力的本質
水星軌道之謎
星光實驗
沒見過這麼黑的洞
從黑洞到蟲洞
壓軸大戲

第六章 紅色革命

第七章 時空那點事
時空中的運動
四維時空
時間旅行
星際旅行
星際貿易

第八章 再談四維時空
宇宙的終極圖景
神奇的四維

第九章 上帝的判決
上帝玩不玩骰子?
美劇《宅男行不行》
要命的雙縫
波耳的上帝
EPR實驗
宇宙大法官
上帝的判決
萬物理論

第十章 宇宙是一首交響樂
萬物皆空唯有音樂
擊碎原子
宇宙中的四種「力」
超弦理論
偉大的設計

後記
給讀者的話
索引
 

專業推薦
林秀豪 清華大學物理系特聘教授
蔣正偉 台灣大學物理系教授
孫維新 國立自然科學博物館館長、台灣大學物理系及天文所教授

作者用生動的語言,營造趣味盎然的場景,為讀者介紹時間、空間、相對論背後的科學。特別是作者虛擬的對話,以淺顯迷人的方式,切入一個又一個的精彩話題:引人入勝,又不失科學的嚴謹性。在喧囂繁雜的日常生活裡,你可曾想過時間是什麼?如果是,那這是一本你不可錯過的好書。
——林秀豪 清華大學物理系特聘教授



前言

  我希望這是一本很有趣的書。我認為這本書與傳統科普書最大的差別在於,它更像是一本茶餘飯後的休閒書,或是一本有點意思的小說。在這本書裡,你會看到很多天馬行空般的小故事。牛頓帶著Tom和Jerry來到一個大水桶裡面觀看神奇的水面凹陷;愛因斯坦化身大警長先是調查了一起環球快車謀殺案,然後又要奔赴雲霄電梯處理可怕的超級炸彈,最後又在太空中建造了一個超級大圓盤以展示他那神奇的時空觀。雖然這一切看上去不像是正經八百的科普,但我可以很負責任地說,故事裡包含的都是很確實的科學真相。很多科學真相用「不可思議」來形容是一點都不過分的,你平常之所以感受不到物理學的神奇,那是因為沒有人告訴你很多看似普通的物理現象背後的故事。現在的高中生都會在實驗室做一個觀察光的雙縫干涉圖像的實驗,這是一個普通得不能再普通的高中光學實驗,可是卻沒有人告訴我們這個實驗背後隱藏著的驚人大祕密,這個祕密足以撼動以愛因斯坦為代表的一代科學家們苦苦建立起來的物理學信仰。一個簡單的光學實驗,如果你了解了它藏在最深處的本質,你會驚訝地發現,這個世界不再是我們原來頭腦中的那個世界了,我們腦袋中很多樸素的哲學觀念,例如物質決定意識,原因決定結果等等都將受到空前猛烈的衝擊。而且,我確確實實是在講科學,不是在講神學或者宣揚神祕主義。

  我們這本書大致可分為上下兩部分。前六章和大家一起回顧物理學走過的四百多年坎坷歷史,這段歷史中的懸念,其精彩程度不亞於任何一段戰爭史,因為物理學的發展本身就是一部精彩的好萊塢懸疑大片。在伽利略、牛頓等巨星紛紛謝幕之後,我們的超級巨星愛因斯坦閃亮登場,而他成為我們的主角的時候才只有26歲。他就像是一個橫空出世的大俠,無門無派,但是一出手就讓天下震驚,他的絕招就是「相對論」。在第六章,我將講述一段跨越半個多世紀的厚重和真實的歷史故事,這個故事塵封已久,但我想告訴大家,真相往往比小說更曲折。後四章是本書的下半部分,故事更神奇,真相更驚人,我將幫你細緻地剖析時空的真相,帶你領略神奇的四維時空奇景。我們先一起去了解整個宇宙時間光錐的終極圖景,然後再回到原子的深處見識一下不可思議的微觀世界,最後看一看當今物理學的最新進展──萬物理論。你只要隨便記住其中的一兩段,就能讓你在平時和朋友們吃飯聊天時大放異彩,只是要當心別聊得興起忘了吃菜,不要發生總是發生在筆者身上的悲劇:話講完了,菜也被別人吃光了。

  看完這本書,也許你對這個世界的看法會大大改觀。潮起潮落,物換星移,這些平常司空見慣的大自然現象突然在你眼裡會產生完全不一樣的意義。當你晚上抬頭仰望星空,看著夜空中的皓月星辰,宇宙在你眼裡將會換了一番景象,過去的宇宙觀一去不復返了,一個嶄新的宇宙觀將在你的頭腦中建立起來。

  自小到大,你可能一直會有這樣的疑問:

  時間到底是什麼東西?
  我們能跨越未來嗎?
  我們能回到過去嗎?
  光到底是什麼東西?
  宇宙到底長什麼樣子?有大小嗎?有生死嗎?
  我們能像星際迷航一樣穿梭在銀河系嗎?
  這個世界的物質到底是由什麼構成的?
  物質可以無限分割嗎?……

  這些令人不可思議的問題,科學家到底是如何找到答案的?

  看完這本書,或許你將對以上這些問題不再感到疑惑,說不定,你還可以很自信地為你的親朋好友解答他們心中同樣的疑惑。

  所有這一切,都要從愛因斯坦發現的相對論開始講起。這的的確確是一個偉大的理論,這是上個世紀人類對這個宇宙祕密最深刻的一次發現。你可能還是會茫然地看著我:「我聽說過相對論,可是它跟我們的日常生活有關係嗎?」

  當然是有關係的。比如,GPS導航系統現在已經是一個常用小電器了,我估計很多讀者都有一個車載的,或者手機裡面就有一個。知道嗎,如果沒有相對論,那麼這玩意兒可就會出大問題。因為根據相對論,衛星上面的時鐘會比地面上的時鐘走得快,每天大約快38微秒(0.000038秒)。這個時鐘的快慢並不是因為計時器精度不夠造成的,而是因為衛星上的時間真的變快了。你設想一下,如果人類沒有掌握相對論的知識,那麼就不會知道發射到天上的衛星哪怕用再精確的計時工具計時,也不可能消除這個誤差。你千萬不要小看這微不足道的38微秒,如果不校正的話,那麼GPS導航系統每天積累的誤差將超過10公里(當然這個誤差是垂直方向上的,不是水平方向上的),如果美軍用這個來導航飛彈的話,那麻煩可就大了。因此在GPS衛星發射前,要先將其時鐘的走動頻率調慢100億分之4.465,把10.23兆赫調為10.22999999543兆赫,這些數字全靠相對論才能精確地算出來。

  「神奇!」你大概會驚呼一聲,「相對論原來就是這個啊。」哦不,這並不代表相對論,衛星上的時間變快只不過是相對論無數推論中的一個,我們透過相對論可以精確地計算出衛星上的時鐘和地面上的時鐘的誤差到底是多少。相對論還有很多很多的推論,小到推測水星的運行軌道、在發生日全蝕時星星的位置,大到可以推演太陽的過去與未來、甚至宇宙的過去與未來。「神奇!」你再次驚呼一聲,「不過你越說越玄了,我還是有點不信,你先別說得那麼遠,你前面說什麼來著?時間本身變慢了?這個太令人難以理解了。在我眼裡時間本身是均勻流逝的,我們感受的所謂快慢無非是我們自己的感覺在變化,即便是你的錶和我的錶不準那也不是時間本身不準,而是我們的手錶精度不夠造成的。中午12點整開飯對任何人來說都是12點整開飯,這是一個客觀事實擺在那裡,不會因為我們用的是一支真的勞力士還是一支山寨勞力士而改變。」坦誠地說,我非常理解你的這種想法,而且我還要恭喜你,你的這個思想和偉大的牛頓是一模一樣的。但非常遺憾,這個想法錯了,真的錯了。

  相對論是研究時間、空間、運動這三者關係的理論體系的總稱,它是這100多年來人類最偉大的兩個理論之一(還有一個是量子理論,那又是一個長長的激動人心的故事,推薦閱讀《上帝擲骰子嗎?量子物理史話》,作者曹天元),諾貝爾物理學獎是不足以來評價相對論的偉大的。如果上帝真的存在的話,上帝過去總是說:「人類一思考,上帝就發笑。」相對論之後,上帝改口了:「人類一思考,上帝就發慌。」

  我們對相對論的誤解實在是太多了。大多數人都覺得相對論很神祕、很深奧,是大科學家才能理解的東西。這種誤解來自於一個廣為流傳的關於相對論有多難懂的故事,說的是一位記者問天文學家愛丁頓(Arthur Eddington):「聽說全世界總共只有三個人能懂愛因斯坦的相對論,您是其中之一,是不是這樣?」愛丁頓一時沉默了,正當記者以為愛丁頓要反駁的時候,沒想到愛丁頓說:「我正在想第三個人是誰。」我估計當時這個記者就震驚了。不管這故事是真是假,總之給我們的一個印象就是相對論很難懂。但是大家千萬不要忘了,這個故事發生在100多年前的1906年,那時候相對論剛剛被愛因斯坦用嚴謹的數學語言描述出來,對那個時代的人來說確實是很難理解的。不要說相對論了,你想像一下如果你回到乾隆年間,對大知識分子紀曉嵐說隨便找一個三角形的東西,把三隻角割下來拼在一起,不多不少,總是恰好能拼出直直的一條邊。

  鐵齒銅牙的紀曉嵐一開始肯定不相信,真的去找了一些三角形的物件來,一驗證,發現完全正確,即便是大知識分子紀曉嵐也會表示很神奇。但要是在現代,隨便找一個國中生就能證明三角形的內角和是180度,他會告訴你這是一個很簡單的幾何常識。

  同樣,相對論的一些基本原理和概念對我們現代人來說,也一點都不高深,不神祕,很好懂,關鍵在於你是不是願意聽我娓娓道來。

  我保證,只要有高中學歷,都可以大致看懂這本書,並且了解到愛因斯坦的相對論為何足以讓上帝對渺小的人類產生敬畏。作為人類的一份子,我以此感到深深的自豪!

 

詳細資料

  • ISBN:9789869441001
  • 叢書系列:自由學習
  • 規格:平裝 / 344頁 / 23 x 16.8 cm / 普通級 / 單色印刷
  • 出版地:台灣
  • 適讀年齡:19歲~25歲
 

內容連載

2 伽利略和牛頓的世界

相對性原理


我們的故事要從四百多年前開始講起。你可能會嘀咕,相對論不是一百年前的愛因斯坦發明的嗎,怎麼一下子要多倒回去三百多年?知足吧,我已經比美劇《宅男行不行》(The Big Bang Theory,又稱為「生活大爆炸」)中的謝耳朵(Sheldon)好多了,他一講起物理,總是從古希臘開始說起。是的,為了讓你能充分領略人類在通往相對論這條路上所經歷的蜿蜒曲折、峰迴路轉,我們必須回到這條路的起點。

現在請跟我一起回到16世紀末的義大利比薩,此時正值文藝復興的後期,國富民強。文學、藝術、科學的春風從義大利席捲整個歐洲,空氣中彌漫著新世紀即將到來的新鮮氣息(相當於中國的明朝萬曆年間)。在比薩大學的一間大教室裡,宮廷數學家奧斯提里歐.利奇(Ostilio Ricci, 1540-1603)正在講台上開講,台下坐無虛席。利奇是聞名全國的著名數學家,一向只在皇宮中講課,他要來比薩大學的消息在幾個月前就已經傳遍了整所學校。醫學系的一位名叫伽利略.伽利雷(Galileo Galilei)的學生起了個大早,終於搶到了最前排的好座位。

利奇開始講解數學的新進展──代數學,並且用簡潔流暢的手法向大家展示了什麼是一元二次方程式,並且給出了ax2 + bx + c = 0通用解法的證明,進而開始講解因式分解的概念以及現場演算了(a + b)n的分解過程。

利奇熟練的演算和生動的講解博得了陣陣掌聲,他注意到坐在第一排的一個年輕學生自始至終都聚精會神地聽講,臉上不時閃過興奮和滿足的表情。利奇一下子對這個學生產生了好感,講課的空檔利奇問道:「同學,你叫什麼名字?」

「伽利略。」

「什麼科系的?」

「我是醫學系的。」

「啊,真是了不起!」利奇讚歎道,「學醫學的也能對數學如此感興趣,你一定會成為一名偉大的醫生!」

伽利略的臉一下就紅了:「其實,先生,我不喜歡醫學,我更喜歡數學和物理。但是我的父親希望我成為一名醫生,我為此感到十分苦惱。」

利奇說:「別洩氣,年輕人。你可以自學,大學很短暫而人生很長,追隨自己的興趣,你一定能成功的。不管什麼時候,你都可以來找我,我願意成為你的良師益友。」

伽利略受到極大的鼓舞,從此更是瘋狂地喜歡數學和物理,並且經常向利奇請教問題。

我們應該感謝利奇對伽利略的幫助,這雖然使得世界上少了一名不錯的醫生,但是卻催生了一位偉大的物理學家、天文學家和哲學家。

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