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重力簡史:牛頓的蘋果如何啟發重力法則、相對論、量子論等重大物理學觀念

The Ascent of Gravity: The Quest to Understand The Force That Explains Everything

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OKAPI 推薦

  • 【2018 年第一季OKAPI書籍好設計|實物轉化篇】原來這本書的底圖竟然是.....!?

    文/博客來OKAPI編輯室,|,張志偉2018年06月29日

    好的書籍裝幀設計需要能夠一方面詮釋書籍的內容,一方面提供閱讀的想像,替書本創造吸引讀者的第一印象。 從「抽象概念」到「具象畫面」的成形過程中,不同的書籍設計師很可能會有截然不同的詮釋,其中光是在畫面素材的選擇上,就有許多種不同的表現形式。無論是以原文書的圖像素材重新轉化為中文版 more
 

內容簡介

《週日泰晤士報》2017年度科學選書
暢銷科普作家 馬特.瑞德利盛讚:當代最好的宇宙學作家!


國立清華大學天文研究所專任教授  江國興  審訂導讀
國立自然科學博物館館長、國立臺灣大學物理系暨天文物理研究所教授  孫維新
台北市天文協會常務理事  劉志安  聯合推薦


宇宙大霹靂之後,如果重力沒有「開啟」,時間可能會倒轉?
與你擦身而過的人,還有你口袋中的手機,都與你相互吸引?
月球與太空艙裡失重的太空人,其實都正在往下掉?
月球的潮汐力不只影響海洋,就連固態岩石也難逃魔掌?
越接近地面的人,時間過得越慢,也就越年輕?
2015年發現的重力波,將帶領人類去到什麼地方?……


重力是日常世界裡最微弱的力量,但在宇宙中,它卻是最強大的。儘管17世紀以來,人們便知道重力的存在,我們對它的了解卻非常有限,至今也仍未解開其核心之謎……

獲獎科普作家馬可士.鍾將帶領你穿梭古今,從1666年牛頓認知到重力,到2015年科學家發現重力波。旅程中,你會看到牛頓如何證明讓蘋果落下的力量,與讓月球繞著地球轉動的力量並無不同,並據此解釋了行星運行與海洋潮汐,甚至預測到未知的海王星。然而,牛頓的重力論無法解釋水星的異常運行,直到愛因斯坦提出「相對論」才解決這個難題,他甚至據此預測出黑洞,還有宇宙誕生時的大霹靂。但就如同牛頓的重力論,愛因斯坦的重力論本身也有其漏洞:光並非宇宙中行進最快的物質。為了解決此一難題,現今的科學家正試圖找出更深層的理論——量子重力論,以解答長久以來人們心中的大哉問:空間是什麼?時間是什麼?宇宙是什麼?宇宙又從何而來?

作者以一篇篇科學家的生平軼事,以及循序漸進、有趣易懂的解釋與比喻,帶領讀者進入相關理論的核心。翻開本書,相信你不會再認為天文與物理深奧難解,並深受吸引!


各界好評:
牛頓和愛因斯坦同樣被掉下來的東西吸引著,透過思想實驗,造就了驚人的發現,更用一套漂亮的數學語言使之呈現。科學之所以引人入勝,就是你永遠不會知道正確答案,而你的責任就是盡情發問,脫去前人的枷鎖,透過思考和觀察,尋找最簡單的答案,也許過程充滿挫敗感,但最後你會感受到喜悅。這就是大自然。——國立清華大學天文研究所專任教授  江國興

我們站在地球上,地球繞著太陽運轉,太陽系家族運行在銀河系之中。銀河系與鄰近星系相互間的拉扯,整個宇宙無處不有重力的勢力存在。身在其中,你對重力了解多少呢?且讓作者以說故事般的口吻,帶你輕鬆探索「重力」的奧祕吧!——台北市天文協會常務理事  劉志安

作者以優美且節奏極佳的筆調,詳細說明了自然界中最熟悉之力:重力。本書內容組織嚴密且探究詳細。——《出版人週刊》

內容精煉且容易進入,同時又面面俱到。本書是值得收藏的科普作品,全書筆調輕鬆,並富含相關引證。——BBC《夜之星空》雜誌(Sky at Night Magazine)

重力雖微不足道,卻支配著宇宙。科學作家從未忽略這個主題,但2015年發現的重力波震驚世界,並引發一連串的資訊更新。作者很早便著手鑽研此一主題,讀者若想尋找清楚易懂的科普作品,可先從本書開始。文中所提重力之謎的最新進展,或許遲早能幫助物理學家解釋所有事物。——《柯克斯評論》

獲獎無數的馬可士.鍾提供了一份易於理解的指南,讓科學門外漢能夠了解截至目前為止,科學界對重力的所有發現與理解。他也認為,若我們能更加了解無所不在的重力,將有助於看透宇宙最深層的奧祕。在不運用公式與專業術語的輕鬆筆調下,作者再次證明自己是一流的科普作家。——《書單》雜誌

本書提供讀者與他們的內部原子一段有趣的科學史。——《科學》期刊

在一連串巧妙結合與精心雕琢的故事中,馬克士.鍾追溯了人類2,500年來在了解物質本質與起源上的探索。——《達拉斯早報》

閱讀一本內容極佳的科普書,是現代生活的一大樂趣。這份貫穿生命、宇宙與萬物的導覽,提供了無窮的樂趣。——英國《獨立報》

作者對控制宇宙命運的自然界最弱基本力量,做了有趣且令人腦洞大開的導覽。——科普作家  曼吉特.庫馬爾(Manjit Kumar)發表於《泰晤士報》

馬可士.鍾是位良師益友。他在不運用專業術語與可怕數學的情況下,清楚講述了故事,也說明了重要概念……理論物理學家阿爾卡尼—哈米德強調「現在是研究重力的好時機」,而這本極具可讀性的作品會協助我們了解原因。——科普作家  格雷厄姆.法莫羅(Graham Farmelo )發表於《衛報》之好評

馬克士.鍾是英國傑出的物理學與天文學作家——非常樂見他回歸最擅長的領域……沒有人能像他這樣,以易於理解且令人愉快的筆調來介紹這個主題……我認為他對弦論的簡易基本描述,無人能出其右……馬可士.鍾再次以令人著迷的文字,將人類多年來對重力的探索寫得淋漓盡致……讀來令人愉快。——科普作家  布萊恩.克萊格(Brian Clegg)發表於popularscience.co.uk之好評

「每個人都認為重力沒什麼,但在宇宙的多數情況中,它極為強大。」這句格言式的前言,暗示了馬克士.鍾將以令人期待的適當機智與科學天賦,為重力做入門介紹,並追溯我們對力之理解的歷史軌跡。他告訴我們,牛頓1687年的著作《原理》如何協助解釋潮汐這類現象,而《原理》一書即是從宇宙的複雜性中精煉出基本定律來。作者分析了愛因斯坦將重力視為扭曲時空時所做的重新闡述。他也放眼至量子論這個奇特領域,以及下個大哉問:「尚未發現的國度」。——《自然》科學編輯  芭芭拉.凱澤(Barbara Kiser)

輕鬆寫意地貫穿宇宙學歷史與其可能未來,這一切都與我們理解重力的歷程緊緊相繫……作者在帶出理論暫定本質與琢磨理論混亂事物上表現卓越。——thebookbag.co.uk

作者將最著名卻最不被了解之力的歷史,說得清晰易懂。——《大誌》雜誌(Big Issue)

精采絕倫。——www.booklore.co.uk

(書中)潮汐那一章所提到的內容,從塞文河的潮水到木衛一艾奧的擠壓與拉張,都極為引人入勝……作者對質量不同的物體會以同等速率掉落的解釋,是我讀過的最佳解釋之一……本書結尾講述了當前對於重力與量子論整合的努力,也對弦論與多維度空間進行了非常容易理解且讓人樂在其中的討論……真的讓人樂在其中,本書從未給人「物理學崩壞」之感,反而更像是我們正處於引發認知改變階段的關口上。——愛丁堡大學生物物理學教授  凱特.馬菲(Cait MacPhee)發表於《泰晤士高等教育》(THES)期刊之好評

馬可士.鍾完美捕捉到此主題的「偵察奧祕」。——《奇異時代》雜誌(Fortean Times)

好美妙的一本書啊!——理查.道金斯(Richard Dawkins)對《多美妙的世界》(What a Wonderful World)之好評

荒謬但巧妙,整個大成功……只需花費一個下午閱讀這本書,你所學到的知識也許就勝過童年上過的所有自然課程。——《旁觀者》期刊(Spectator)對《推特宇宙》(Tweeting the Universe)之好評

流行物理學的一流之選。——《衛報》對《我們得談談凱文》(We Need to Talk about Kelvin)之好評

內容樂觀風趣且極具見識。——《週日泰晤士報》對《創造的餘輝》(Afterglow of Creation)之好評

對於現代物理背後的偉大理念給予簡明扼要的介紹,難有比馬可士.鍾更佳的入門介紹了。——《新科學家》對《量子論不會傷害你》(Quantum Theory Cannot Hurt You)之好評

奇特、令人入迷且感到興奮。——《自然》期刊對《量子論不會傷害你》之好評
 
 

作者介紹

作者簡介

馬可士.鍾Marcus Chown
獲獎無數的作家與播報員。過去曾是加州理工學院的電波天文學家,期間曾師承諾貝爾物理學獎得主理察.費曼。目前則於英國科學週刊《新科學家》(New Scientist)擔任宇宙學顧問。他的著作有《多美妙的世界》(What a Wonderful World)、《量子論不會傷害你》(Quantum Theory Cannot Hurt You)及《我們得談談凱文》(We Need to Talk about Kelvin〔榮獲二〇一〇年皇家學會科學書籍獎項〕)。馬克斯也是《iPad版太陽系》(Solar System for iPad)的作者,此APP榮獲二〇一一年書商雜誌數位創新獎。
作者網頁:www.marcuschown.com;推特帳號:@marcuschown。


譯者簡介

蕭秀姍
國立成功大學物理治療系學士、醫學工程研究所碩士,比利時魯汶大學醫療影像處理碩士、家庭與兩性關係碩士。旅居歐美超過十年,目前回台定居。身兼全職媽媽與半職譯者,以照顧家庭為主業、翻譯書籍為調劑,在文字與生活之中尋找平衡。擅長科普、心理、醫藥理工與食材料理等翻譯。譯作有《都是荷爾蒙惹的禍》、《帕夫洛夫的狗與薛丁格的貓》、《大腦有問題!?:大腦瑕疵如何影響你我的生活》、《讀不出時鐘指針的女人:從多重學習障礙到創辦學校》、《天天在家玩科學》、《風味聖經》與《風味事典》等等。

 

目錄

導讀    大自然奧祕的解答,就存於好奇心中
前言

第一部:牛頓
第一章:掉落中的月亮
牛頓如何發現第一個萬有定律——一個適用於所有位置與時間的定律
第二章:最後的魔術師
牛頓如何創造世界體系,發現了解宇宙的關鍵
第三章:當心三月的潮汐
牛頓的重力理論何以成果豐碩,不只可以解釋行星的運行,還能說明海洋的潮汐
第四章:未見世界的星圖
牛頓的引力定律如何能夠解釋我們所見及未見的一切

第二部:愛因斯坦
第五章:來追我啊
愛因斯坦如何理解到,沒有什麼東西的速度能快過光,而這個現象也與牛頓的重力定律相悖
第六章:掉落者之歌
愛因斯坦如何了解到「重力」只是錯覺,實際存在的只有扭曲的時空
第七章:上帝在哪裡出了錯
愛因斯坦重力論如何就黑洞「奇異點」做出瘋狂的預測,以及為何需要不會出現瘋狂預測的更深層理論

第三部:超越愛因斯坦
第八章:時空中的量子
量子論如何暗示時空的說法注定式微,時空必定源自於某種更為基礎的東西
第九章:尚未發現的國度
找出比愛因斯坦重力論更深層理論的奮鬥過程將會告訴我們:宇宙為何存在、宇宙從何而來

延伸閱讀
致謝
 

導讀 大自然奧祕的解答,就存於好奇心中
——國立清華大學天文研究所專任教授 江國興


小時候我的爸爸總愛講一些科學家的故事,也許這就促使我從小就十分喜愛科學,以及對科學家的生平事蹟產生興趣。我印象最深刻的故事是阿基米德的「Eureka!」(我發現了!)及牛頓的蘋果樹。雖然這兩個故事有可能都是虛構的,但可以確定的是,阿基米德和牛頓都有著如故事中驚人的洞察力和聯想力,再配合他們非凡的數學才華,使他們成為偉大的科學家。

《重力簡史》一書便從牛頓的蘋果樹開始說起。時至今日,那棵蘋果樹仍立於英國林肯郡的伍爾索普莊園,還成為英國50棵最重要的樹之一。在伍爾索普莊園內,牛頓改寫了現代科學,他不到2年便發明微積分,以及完成光學和萬有引力的研究。雖然牛頓的學術成就很早已在學術界得到認同,在離開莊園後隨即成為劍橋大學教授和皇家學會院士,但他偉大的萬有引力理論,要待20年後才正式發表。

這本書的第一及第二章便試圖分析箇中原因。牛頓除了個性複雜且矛盾,更是位實用和完美主義者。雖然他早已發現讓蘋果掉下來的力量,與讓月亮掛在天空的力量,都源於同一種力。他必須證明重力是種萬有力,主宰宇宙一切物體的運動,並以精準的數學語言描述,更要說服自己這的確是一套完美的理論。因為哈雷的一個問題,牛頓再次投入重力的研究,更精益求精,將成果以臻於完美的方式呈現。這便是1687年出版的《自然哲學的數學原理》,而哈雷彗星更是牛頓的運動定律與重力定律的最佳驗證。今天,哈雷的房子和天文台仍保留在牛津大學城內,每次我回到校園時,總會到他的故居緬懷他當年鼓勵牛頓發表其偉大著作,促使現代科學的發展。

牛頓的重力定律不只具有普遍性,還很簡單。這就是科學的美。重力平方反比定律,可以解釋行星的運動、尋找新的行星,甚至太陽系外行星、測量銀河系中心黑洞的質量,以至推算暗物質的分布。坊間很多探討重力的科普書籍都有精采的描述,但這本書的最大特色是,作者花了很多的篇幅論述重力與潮汐的關係。潮汐跟我們日常生活息息相關,特別是台灣四面環海,河流貫穿大城市,潮汐預報更不可或缺。牛頓便是第一個以完備的理論解釋潮汐因由的科學家。書的第三章除了討論牛頓怎樣利用萬有引力理論預估漲退潮時間,更比較月亮與太陽對潮汐的作用,以及潮汐對井水和大型強子對撞機的影響,最後更延伸到太陽系內其他衛星。事實上,在宇宙裡所有雙星系統都不能忽略潮汐力。

牛頓的研究和著作打開現代科學的大門,而1846年發現的海王星更將牛頓的萬有引力理論推至極致。可是問題終於來了,牛頓的重力理論未能解釋水星的異常軌道。雖然這是一個有趣的問題,但在愛因斯坦之前,沒有人意識到這是源於牛頓對時間和空間概念的誤解。

愛因斯坦的事蹟和科學成就在本書的第五、第六,以及部分的第七章有簡單的描述,篇幅明顯比牛頓的少。可能是因為坊間已有大量與愛因斯坦有關的科普書籍,但重點是作者帶出愛因斯坦跟牛頓作為偉大科學家的特徵,以及他們對科學的態度。愛因斯坦跟牛頓一樣,是一位專注力十分高的科學家。書中提到1905年是愛因斯坦的「奇蹟年」,愛因斯坦花了幾個月就完成4篇重要的科學論文,其中光電效應為他贏得了1921年的諾貝爾物理學獎,而狹義相對論和質能轉換更奠定相對論的基礎,當中E=mc2更是家喻戶曉的方程式。愛因斯坦放棄牛頓對於絕對空間與絕對時間的概念,推翻牛頓的世界觀,用自己的一套想法全新演繹現代物理。

雖然牛頓與愛因斯坦的時代背景完全不同,但他們石破天驚的發現有一些相似的地方。牛頓的「奇蹟年」是在與世隔絕的伍爾索普莊園,當時他剛從劍橋大學畢業,為躲避鼠疫而回家;而愛因斯坦的「奇蹟年」,是他找不到大學職位,只能在瑞士伯恩專利局當三級技術專員。也許是生活乏味枯燥,讓他們驚人的專注力花在研究上。他們問了一些很基本,很簡單的問題,然後放在心裡,時時刻刻專注思考,直至得到滿意的答案。牛頓受到伽利略的啟發,發展出他自已的三大「運動定律」,進而解釋克卜勒定律和發現萬有引力定律,還自創微積分這門數學工具(與德國數學家萊布尼茲同期但各自獨立發明微積分)。發現過程雖然不到2年,但編撰成書卻耗時20年。愛因斯坦則延伸伽利略的相對性原理,屏棄牛頓的絕對空間和絕對時間概念,找到光速恆定,從而解答他16歲時問的一個問題:「如果能夠追上光,那會是什麼樣子?」也就是說,這個問題在他心中有10年之久。牛頓解答了克卜勒從觀測歸納出來的行星運動,並推廣其理論到其他科學領域,愛因斯坦則回答了光的本質,徹底改變物理學的基礎。

因狹義相對論不能在加速的環境應用,加上光速恆定跟牛頓的重力定律在概念上有所衝突,愛因斯坦必須將相對論廣義化。從狹義相對論到廣義相對論,愛因斯坦花了接近10年的時間,專注的研究工作更導至日後的家庭問題,其中最主要的目的是要解釋重力的本質。牛頓將重力想像成平方反比定律,兩個物體之間必定有一道「力」牽引著,但就沒有說明這道「力」到底是什麼。愛因斯坦將重力化身為時間和空間的扭曲,不僅如此,物質能改變時空的形狀,而時空的形狀又主導物質移動的方式。這是廣義相對論最奧妙之處。

廣義相對論發表後,愛因斯坦隨即要解答重力的傳播問題,亦即時空結構中的波動,也就是第六章討論的重力波。重力波無疑是廣義相對論其中一個最重要的驗證,科學家努力了100年,終於在2015年9月14日首次偵測到重力波。這本書剛好出版在2016年2月的重力波發布會之後,在前言和第六章都有介紹這次發現的重要性。過去兩年,重力波的觀測可謂突飛猛進,至2017年8月為止,科學家共找到5個來自雙黑洞合併所產生的重力波。而在2017年8月17日,更發現首個雙中子星合併的重力波,並找到來自合併所釋放的電磁波輻射,也就是光子,使我們更了解中子星合併後的演化過程,這是一次史無前例的觀測。而三位來自雷射干涉重力波天文台(LIGO)團隊的靈魂人物,更獲得2017年的諾貝爾物理學獎。待LIGO在2018年年底經升級後再次運作時,重力波的研究將大放異彩。

廣義相對論將現代物理學推向一個新的高峰,但同時帶來新的問題。廣義相對論可以推導出黑洞和大霹靂,它們的共通點是奇異點的存在。由於奇異點的重力是無限大,換句話說,時空扭曲至無法描述,廣義相對論因此面臨重大危機。要了解奇異點的物理,我們要結合廣義相對論和量子論,也就是量子重力論。可惜的是,廣義相對論和量子論的本質並不相容。書末兩章便介紹量子重力論的最新發展。我們可以預期,這套更深層的理論,將會幫助我們進一步了解宇宙誕生之謎。

牛頓和愛因斯坦同樣被掉下來的東西吸引著,透過思想實驗,造就了驚人的發現,更用一套漂亮的數學語言使之呈現。科學之所以引人入勝,就是你永遠不會知道正確答案,而你的責任就是盡情發問,脫去前人的枷鎖,透過思考和觀察,尋找最簡單的答案,也許過程充滿挫敗感,但最後你會感受到喜悅。這就是大自然。剛逝世的霍金說:「我希望鼓勵更多人去想像和探討已知和未知的科學。」
 

詳細資料

  • ISBN:9789864774227
  • 叢書系列:科學新視野
  • 規格:平裝 / 352頁 / 21 x 15 x 2 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
  • 適讀年齡:15歲~99歲
 

內容連載

前言  關於重力,你可能不知道的6件事

1. 因為重力,你口袋中的錢幣,還有大街上與你擦身而過的人,與你有了相互的吸引力。

2. 整個地球的重力是如此微弱,以致當你舉起手臂,它無法對抗你的肌力。

3. 雖然重力十分微弱,但在宏觀世界中卻無可抵抗,因為它掌握了整個宇宙的演化與命運。

4. 每個人都認為重力沒什麼,但在宇宙的多數情況中,它極為強大。

5. 若在宇宙大霹靂(big bang) 之後, 重力沒有「開啟」,時間可能會倒轉。

6. 唯有了解重力,我們才得以解答世界的大哉問:宇宙從何而來?

在路易斯安那州利文斯頓(Livingston)和華盛頓州漢福德(Hanford)兩地,各有一把4公里長的雷射尺。2015年9月14日,美國東部夏令時間早上5點51分,有股波動首先穿過利文斯頓,6.9微秒後傳遞至漢福德。這股波動毫無疑問就是重力波;愛因斯坦在一百年前就已經預測出重力波的存在,重力波即是「時空結構中的波動」。

過去,當地球上只有細菌大小的生物,在極為遙遠的星系中,2個有如怪獸、被鎖在死亡螺旋(death-spiral)中的黑洞,彼此產生最後一次振盪。它們碰觸並結合之時,造成整整3個太陽質量(solar masses)消失,有如海嘯般的時空扭曲再現,並以光速向外擴散。它的瞬間威力,比宇宙所有星體重力總和的50倍還大。

2015年9月15日,雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory;LIGO) 的2個偵測器測得重力波,這是科學史上劃時代的重要時刻。試想一下,從出生就耳聾的人,在一夜之間突然聽得見的情況,這正是物理學家與天文學家當時的感受。縱觀歷史,我們向來就可以「看見」宇宙,而現在我們終於可以「聽見」它。重力波即是太空的聲音。若說這次的偵測,是繼1608年望遠鏡發明以來,天文學上最重要的進展,可是一點也不為過。

重力波證實了時空本身就是可以振動的「實體」,它如同池塘中擴散的漣漪一般,向外傳遞波動。這是愛因斯坦主張重力是時空扭曲的終極證明。牛頓想像「重力」從太陽向外作用,像無形的橡皮筋般牽引地球;愛因斯坦則認為,太陽在周遭創造了時空深谷,而位在其中的地球,則如同處於在巨大輪盤上的小球般,永無止境地環繞太陽運行。

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