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趣味相對論

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內容簡介

  有趣易懂!
  一同踏入相對論的世界,
  解開宇宙誕生的祕密!


  牛頓力學雖然撐起了現代文明,
  碰上電磁現象卻無用武之地!
  科學家進行各式各樣的研究,
  最終誕生了相對論和量子力學。
  ◎用光速追逐光,會看到什麼呢?
  ◎壽命在宇宙中會延長嗎?
  ◎太空船內外的時間流逝相同嗎?
  ◎物體遠離地表而去時速度較快?
  ◎狹義和廣義有何不同?
  ◎光線會因太陽重力場而彎曲?
  ◎相對論也可能實現星際旅行?

  讓我們看電磁現象如何剝奪時空概念的絕對性;
  狹義相對論與量子力學如何為電子電波活動打下
  基礎,發展出新幹線及噴射機等交通工具;
  能量與質量等價理論又如何促成核彈的誕生!

本書特色

  1、 相對論的迷人之處!相對論涉及廣袤宇宙的時空祕密,和能量與質量間的謎題,並揭露了電磁現象在時間、空間及因果描述上的制約,雖然深奧卻充滿魅力,讓許多人深陷相對論深不見底的學問中難以自拔。

  2、 掌握基礎原理,輕鬆閱讀!相對論背後的基礎原理,其實只有「相對性原理」和「光速不變原理」。只要確實掌握這兩點,相對論便能迎刃而解。只要謹記此原則,跟著本書將不明白的部分慢慢思考清楚、逐步前進,想必就能體會相對論對我們的生活有多麼重要了。
 

作者介紹

作者簡介

大宮信光

  科學評論家,科學記者。1938年出生於東京,就讀於東京教育大學(現筑波大學)時期,即開始擔任家庭教師、經營補習班,1967年加入SF同人雜誌《宇宙塵》。約從1978年起,以SF亂學者和科學評論家之名,狩獵、採集並料理以科學技術和文明未來為中心的主題。主要著作有《有趣易懂的 科學有趣之謎》、《引人入勝懂很大之化學》、《引人入勝懂很大之氣象結構》(以上由日本文藝社出版)、《在世界發光的日本科學家們》(講談社出版)、《圖解不可不知的天災地變》(かんき出版 )等。

譯者簡介

黃姿瑋


  東吳日文系畢,曾任編輯與教職。讀書、看劇、旅遊、吸收新知,與愛貓度過每一天。譯有《甜蜜摩洛哥旅行繪本誌》、《蜜袋鼯飼養與生活指南》、《惡德偵探制裁社》2~4集等。

  hemingwork.weebly.com
 
 

目錄

前言

第1章  相對論誕生前的物理學
伽利略的發現,宣告中世紀的結束 - 「慣性座標系」必然存在
伽利略的相對論是? - 未來愛因斯坦相對論的基石
重力和光都能經由以太傳送? - 光的真面目,有2種說法
光是電磁統一的象徵 - 決定所有電磁現象的馬克士威方程式
如何計算地球的絕對速度 - 利用鏡子計算速度
20世紀初葉,壟罩物理學界的烏雲 - 邁克森—莫雷實驗
牛頓力學的破綻 - 以太究竟在哪裡……
狹義相對論,誕生前夕 - 電磁學與牛頓力學的矛盾
column1 愛因斯坦的人生(1)
~生於19世紀德國的意義~

第2章  狹義相對論的世界
愛因斯坦,16歲的夢 - 用光速追逐光,會看到什麼呢?
愛因斯坦的三級跳 - 愛因斯坦版本的相對論即將誕生
全宇宙通用的物理定律 - 制定「原理」,了不起的愛因斯坦
相對性原理支配了物理學! - 所有的慣性座標系都是同等的
不隨時空變化的光速 - 光速不變原理
2個原理推導出的奇妙現象 - 光速會無視觀察者的速度
顛覆科學常識的狹義相對論 - 時空圖乃狹義相對論的基礎
用時空圖表示移動中物體收縮的狀態 - 在狹義相對論的世界,物體會收縮
將時間和空間合而為一 - 以光為媒介的相對性原理和光速不變原理
用光鐘觀察時間膨脹 - 壽命在宇宙中會延長
從時空圖認識時間膨脹! - 太空船內外的時間流逝
物體愈接近光速,就縮得愈短 - 物體長度收縮公式
質量隨速度增加 - 消耗的運動能量會變成質量!?
時間流逝愈久,速度愈難改變 - 何謂慣性質量和靜止質量?
能量與質量的不單純關係 - 能量用在增加質量上
為什麼是E=mc2? - 能量與質量的關係可透過光速的平方換算
歡迎來到四維時空 - 以四維幾何學的形式表述
column2 愛因斯坦的人生(2)
~離開德國,至義大利和瑞士生活~

第3章  跟著量子力學,進入微觀世界
用噴射機測試時間膨脹的男人 - 證明相對論預測的實驗
宇宙射線隱藏的謎團 - 來自宇宙的基本粒子的命運
相對論對生命進化亦有貢獻 - 證明緲子壽命延長的實驗
探究宇宙創生之謎的粒子加速器 - 將能量轉變為物質!!
應用在癌症治療的狹義相對論 - 相對論的時間膨脹帶來的神奇效果
沒有相對論,就沒有20世紀後的文明! - 相對論衍生的產物(1)
核能與原子彈的相對論世界 - 相對論衍生的產物(2)
核分裂和核融合也是相同原理 - 太陽能的基礎也是核融合
相對論也可能實現星際旅行? - 將理論可行的技術付諸實現
column3 愛因斯坦的人生(3)
~由瑞士重返德國~

第4章  廣義相對論的全貌
解決難題的提示是? - 人在墜落時,感覺不到自己的重量
狹義相對論的2個弱點 - 加速座標系的重力問題
廣義相對論的「某個難題」 - 如果在下墜的電梯裡放開手中的蘋果……
由3個原理構築的廣義相對論 - 廣義相對性原理、等效原理、重力不存在時,狹義相對論方能成立
2個重量之謎 - 「重力質量」和「慣性質量」有何不同?
實驗證明2種重量是相等的 - 重力質量和慣性質量是相等的
光會因重力而彎曲! - 光和重力的密切關係(1)
距離地表愈遠,光行進的速度愈快 - 光和重力的密切關係(2)
重力位能愈高,光的行進速度愈快 - 光和重力的密切關係(3)
在重力場中,空間會彎曲 - 歐幾里得空間
用廣義相對論處理彎曲的時空 - 廣義相對論是非歐幾里得性的,也活用了黎曼幾何學
column4 愛因斯坦的人生(4)
~前往美國~

第5章  跟著宇宙論,進入巨觀的世界
觀測日食,證明廣義相對論 - 讓愛因斯坦一炮而紅的實驗
「太陽光的紅移」實驗 - 重力會使光改變
闡明光和宇宙!! - 「狹義」存在於光、「廣義」存在於重力的世界
來自外星「小綠人」的訊號 - 中子星的發現與時空彎曲
在時空中振翅飛舞的蝴蝶──重力波 - 就算不存在物質,也會出現重力
黑洞與相對論 - 從方程式得知黑洞的大小
宇宙會伸縮!? - 宇宙常數引導出宇宙創生的關鍵
大霹靂之前,宇宙不存在 - 相對論解開的「天地創造」之謎
什麼是宇宙暴脹? - 初始的宇宙充滿真空能量!
行車導航器也是相對論的衍生產品 - 我們都生活在相對論的世界裡!

結語
 

前言

  愛因斯坦提出相對論前,走過的是一條由先人智慧累積而成的漫漫長路。伽利略繼承了古希臘阿里斯塔克斯和16世紀哥白尼提倡過地動說,而其後的牛頓則統整了伽利略的「慣性定律」,提出「牛頓第一運動定律」,進而完成以三項「運動定律」為基本原理的牛頓力學。

  很快地,牛頓力學成為科學概念的基礎,將時空視為絕對關係的世界觀,在工業革命的技術革新中占據不可或缺的重要性。工業革命及隨後由19世紀中葉至20世紀初期的泛英和平盛世(Pax Britannica),可說是靠著牛頓力學才取得先機。

  然而另一方面,在英國法拉第率先起頭、由馬克士威完成的電磁學理論的發展下,物理學家逐一發現各種牛頓力學無法說明的現象。荷蘭物理學家勞侖茲的實驗,亦證明牛頓力學理論無法通用於電磁現象。

  牛頓力學雖然撐起了現代的物質文明,碰上電磁現象卻無用武之地。為了解開這個謎團,科學家進行了各式各樣的研究,最終才誕生了相對論和量子力學,從而揭露電磁現象在時間、空間和因果描述上的制約,剝奪了時空概念的絕對性。科學家向世人展現,人們從牛頓力學衍生的近代生產技術,最終反而超越了牛頓力學。

  狹義相對論發表於1905年,可說是象徵了世界中心由19世紀大英帝國繁盛巔峰的泛英和平,轉移至20世紀美國主導的泛美和平時代的重大事件。

  狹義相對論與量子力學相互輔助,為電腦和通訊機器內外的電子及電波活動打下基礎,發展出新幹線和噴射機等交通工具,而能量與質量等價的理論(E=mc2)更促成核彈的誕生。狹義相對論就在這樣的發展下,成為美蘇冷戰時期的幕後黑手。

  然而,狹義相對論依然存在2個弱點。其一,是這個理論只適用於慣性座標系,無法用在其他具有加速度的座標軸;其二,是並未處理到重力問題。為了解決這2個問題,愛因斯坦在正值第一次世界大戰的1916年,提出了廣義相對論。

  ……以上就是相對論誕生前的過程概述,而接下去的發展,就要請各位閱讀本書了。

  沒錯,相對論涉及廣袤宇宙的時空祕密,和能量與質量間的謎題,確實相當深奧,難以輕易理解全貌。如今仍有許多人陷在相對論深不見底的學問中,嘗盡挫敗。

  不過,相對論背後的基礎原理,其實只有「相對性原理」和「光速不變原理」而已。只要確實掌握這兩點,相對論便能迎刃而解。各位只要謹記此原則,將不明白的部分慢慢思考清楚、逐步前進,想必就能體會相對論對我們的生活有多麼重要了。希望各位可以愉快地閱讀本書。
 

詳細資料

  • ISBN:9789864439058
  • 叢書系列:知的
  • 規格:平裝 / 128頁 / 16 x 22.5 x 1 cm / 普通級 / 雙色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
 

內容連載

第1章    相對論誕生前的物理學

伽利略的發現,宣告中世紀的結束 - 「慣性座標系」必然存在

任何物體在無外力作用時,都會保持等速度運動(=無論物體是否處於靜止狀態,只要沒有外力作用,都會持續維持在相同的狀態),這樣的性質稱為惰性或慣性,「所有物體均具有慣性」的規則,則稱為「慣性定律」。「慣性定律」由伽利略.伽利萊(Galileo Galilei)所提出,堪稱是讓歐洲揮別中世紀的巨大發現。而偉大的牛頓(1642~1727年),也將慣性定律納入牛頓力學的第一定律中。

舉例來說,請各位想想馬車的移動方式。因為馬持續出力拉車,馬車才能持續前進。亞里斯多德(西元前384~西元前322年)認為,物體必須持續施以外力,才能保持運動狀態,中世紀的歐洲知識分子也都這麼認為。

伽利略支持哥白尼的地動說,即使面臨宗教審判,依然堅持「地球會轉動」。相信天動說的人們向他質問:若從高塔上丟下一塊石頭,在石頭下墜的期間,若地球真的會轉動,那麼石頭落地的位置,應該會稍微偏離塔底。伽利略回答:若搭乘一艘移動中的船,從桅杆上丟下一塊石頭時,無論船是否正在移動,石頭都會掉在桅杆的正下方。因此,無法因為石頭會落在塔的正下方,就斷言地球不會轉動。雖然同樣也無法據此證明地球會轉動,但如果從另一條小船觀察這艘船,石頭落下的路徑就會不同。伽利略從這項研究中,推導出相對性原理。直到牛頓提出慣性定律後,地動說才終於得到廣泛的認可。

伽利略的相對論是? - 未來愛因斯坦相對論的基石

如果伽利略生在現代,應該不會提出爬上桅杆這種實驗方法。當各位坐在等速前進的電車座位上時,可以拿出自己的鑰匙圈,舉高後手放開,讓鑰匙圈掉到地上。鑰匙圈會掉在正下方。電車停止時,當然也會掉在正下方。這個現象符合慣性定律,也就是牛頓運動定律的第一定律。伽利略已於實驗中證明,當物體自由落下時,在重力的持續作用下,物體會呈等加速度運動。靠著牛頓第二定律,這個實驗結果才成為普遍的認知。

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