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從狹義到廣義,揭開相對論奧祕:從震驚世界的E=mc2到遺憾未完的統一場論,摘下愛氏相對論的神祕面紗

從狹義到廣義,揭開相對論奧祕:從震驚世界的E=mc2到遺憾未完的統一場論,摘下愛氏相對論的神祕面紗

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內容簡介

時間空間為何物?物質運動何相關?
剪不斷來理還亂,且看愛氏相對論──
 
◎到底有沒有逆轉時間箭頭的可能性?
◎人類真的能實現超時空之旅的夢想嗎?
◎萬一有一天宇宙開始收縮了,時間會倒流嗎?
 
《量子的星際漂流》作者全新科普力作
跟著本書走進相對論,探索時空奧祕,領略宇宙!
 
  「宇宙最不可理解的事情是,它是可以被理解的。」──阿爾伯特‧愛因斯坦
 
  ▎首先,你得先知道這件事──相對論分為三層境界!
  第一層是狹義相對論,第二層是廣義相對論,第三層是統一場論。
  但令人遺憾的是,愛因斯坦盡其畢生精力也沒能完成第三層境界……
  所以,目前人們只將相對論的發展分為兩個層次:狹義相對論、廣義相對論,
  廣義相對論是狹義相對論的延續,狹義相對論是廣義相對論的一種極限情況;
  狹義相對論建立了四維時空的概念,廣義相對論找到了解鎖時空密碼的鑰匙!
 
  ▎雙胞胎悖論──我知道聽起來很酷,但什麼意思!
  一對雙胞胎兄弟,哥哥生活在地球,弟弟到太空去旅行,
  哥哥發現弟弟的時間變慢了,便判斷弟弟回來時會比他年輕。
  但有人說運動是相對的,若從弟弟的角度來看,他自己沒有動,
  只是從地球出去飛了一圈又回來,那不是哥哥應該更年輕嗎?
  問題就來了!當弟弟回來時,到底是誰更年輕?
  這個曾引發全世界大討論的悖論,最終結論是?
 
  ▎祖父悖論──回到過去阻止祖父結婚,我會在哪裡?
  時間不能逆流,但並沒有規定不能以其他方式回到過去!
  比如說,也許我們能夠從可穿越的蟲洞穿越回去。
  這方式雖然目前看來不現實,但總是存在理論上的可能,
  那麼,如果一個人真的回到過去,會發生什麼情況?
  假設有個人真的回到過去,阻止了自己祖父的婚姻,
  那麼,這個時間旅行者根本就不會出生……
  他又怎麼可能從未來回到過去?他還會不會存在?
 
  什麼是空間?什麼是時間?光速受光源影響嗎?宇宙是如何膨脹的?
  愛因斯坦的「最大錯誤」?光線受重力作用嗎?可穿過的蟲洞?
  ……帶你認識不一樣的時空,輕鬆理解深奧的宇宙!
 
本書特色
 
  本書以愛因斯坦建立狹義和廣義相對論的思想歷程、物理學家們對時空和宇宙的探索為主線,循序漸進地介紹了相對論的產生、發展、驗證與應用,以及各種神奇的相對論效應和宇宙學奇觀;深入剖析了時空的本性,釐清了一些容易產生誤解的問題,同時還穿插歷史趣事在其中,以使讀者在輕鬆氣氛中探索奇妙的相對論世界。
 

作者介紹

作者簡介
 
高鵬
 
  工學博士,現於哈爾濱工業大學任教。喜好人文歷史,熱愛自然科學,對相對論和量子力學尤感興趣,多年來不斷學習與思考,偶得一些感悟與體會,想拿出來與讀者朋友們一起分享。著有《量子的星際漂流》、《給青少年講量子科學》。
 

目錄

自序
第一部分 狹義相對論
1 時間與空間 最熟悉的陌生人
2 牛頓時空觀 固定舞臺上的世界
3 以太危機與光速之謎
4 經典時空變換
5 狹義相對論的建立
6 震驚世界的E=mc2
7 牛頓時空觀的顛覆
8 四維時空奇景

第二部分 廣義相對論
9 廣義相對論的建立
10 重力場與時空彎曲
11 廣義相對論的實驗驗證
12 愛因斯坦的宇宙
13 超時空之旅
14 時間之箭

第三部分 統一場論
15 時空與萬物至理
後記
 

自序
 
  詩曰:
  時間空間為何物?物質運動何相關?
  剪不斷來理還亂,且看愛氏相對論。
 
  什麼是相對論?我想最有資格回答這個問題的人非愛因斯坦莫屬。愛因斯坦在著作中指出:相對論是以對運動、空間和時間的貫徹一致的物理解釋為基礎的一種物理理論。提到運動顯然離不開物質,所以物質也應該囊括在其中。這樣一來,相對論實際上就是一種解釋宇宙整體規律的理論了,因為宇宙就是時空以及其中所包含的物質及運動。
 
  自古以來,宇宙就是人類永恆的話題。浩渺的宇宙充滿了神祕,也引發了人類無數的幻想。愛因斯坦曾說過:「為什麼相對論及其如此遠離日常生活的概念和問題會在大眾中引起持久而強烈的回響,有時甚至達到了狂熱的程度,這一點我從來沒有想清楚……」其實,我覺得可以從他所說的另一段話中來尋找答案:「我們所能擁有的最美妙的情感體驗就是神祕……誰要是對神祕失去了興趣,不再好奇、不再驚訝,那他就失去了活力。」任何一個有活力的人,都對探索未知充滿了興趣。相對論是解開宇宙之謎的鑰匙,所以,儘管它與日常生活無關,還是引起了無數人的狂熱,因為它把人們帶進了最美妙的神祕體驗中。
 
  依愛因斯坦自己的說法,相對論分為三層境界:第一層是狹義相對論,第二層是廣義相對論,第三層是統一場論。遺憾的是,第三層境界愛因斯坦盡其畢生精力也沒能完成,所以,目前人們只把相對論的發展分為兩個層次:狹義相對論和廣義相對論。廣義相對論是狹義相對論的延續,狹義相對論則是廣義相對論的一種極限情況。我們都知道狹義相對論很精彩,但是,廣義相對論更精彩!狹義相對論建立了四維時空的概念,廣義相對論則找到了解鎖時空密碼的鑰匙!
 
  本書以愛因斯坦建立狹義和廣義相對論的思想歷程,以及物理學家們對時空和宇宙的探索為主線,循序漸進地介紹了相對論的產生、發展、驗證與應用,介紹了各種神奇的相對論效應和宇宙學奇觀,深入剖析了時空的本性,釐清了一些容易產生誤解的問題,另外還簡單介紹了統一場論。作為一本科普讀物,本書涵蓋了光速現象、鐘慢尺縮、質能互換、閔氏時空、時空旋轉、時空圖、光錐(Light cone)、重力場(Gravitational field)、時空度規、時空彎曲、重力透鏡(Gravitational lensing)、重力波(Gravitational wave)、時間箭頭、時空量子化、多維時空等相對論中,引人入勝的大部分內容,也涵蓋了宇宙的基本圖景、宇宙的過去和未來、暗能量(Dark energy)、黑洞(Black hole)、白洞(White hole)、蟲洞(Wormhole)、時空旅行等相關的宇宙學方面的內容,還涉及了原子彈、氫彈、衛星導航、相對論效應的視覺圖像模擬等相關技術,同時還把歷史趣事穿插其中,以使讀者在輕鬆的氣氛中完成對奇妙的相對論世界的探索。
 
  相對論與量子力學並稱為現代物理的雙璧,想寫好它絕非易事。我最早接觸相對論時,就曾陷入過這樣的困境:為什麼光速是速度的極限?尺縮鐘慢的根本原因是什麼?如何理解運動雙方都覺得對方的量尺縮短了?為什麼時間和空間可以組合在一起,其科學道理為何?等等。如果這些問題不說清楚,就會使讀者覺得相對論很難理解。這種情況我在本書中是盡力避免的,我力求達到讓讀者知其然而更知其所以然的目的,相信讀者朋友們讀完本書後,相對論的神祕面紗會被摘下,如果你能有豁然開朗的感覺,對我來說就是最大的成功。
 
  本書中出現了少量的公式,這些公式都是相對論中最精華的公式以及理解相對論所必需的,而且只要具備初等數學知識就能看懂,並不會給讀者帶來額外的負擔。另外,在本書中,如無特別說明,「光速」均指真空光速。提醒讀者注意的是:當光射入介質中(如空氣、水等)時,會與介質中的微小粒子發生相互作用,從而導致光在介質中的表觀傳播速度減小。空氣中的光速比真空光速小萬分之幾,可近似認為二者相等。
 
  由於本人能力所限,疏漏和不足之處在所難免,敬請讀者朋友們批評指正。
 
高鵬
 

詳細資料

  • ISBN:9786263576704
  • 規格:平裝 / 234頁 / 17 x 23 x 1.17 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
 

書籍延伸內容

影片介紹

 

內容連載

1 時間與空間 最熟悉的陌生人
 
相對論是關於時間、空間、物質及運動的理論,所以就讓我們從時間和空間說起吧。
 
古羅馬有一句流傳很廣的名言:「何為時間?無人問我,我自知曉;一旦問起,我便茫然!」這句話之所以成為名言,是因為它說出了每個人的心裡話。時間和空間,看似熟悉得不能再熟悉,細想卻陌生得不能再陌生,也許,它們是宇宙中最深奧的概念。
 
多少世紀以來,無數哲人在到底什麼是時間、什麼是空間的問題上用盡了腦筋,可還是無法總結出明確的概念。最後,愛因斯坦用最簡潔的語言回答了這個問題:可以用時鐘來測量的就是時間,可以用尺來測量的就是空間。那麼問題又來了,什麼是時鐘,什麼又是尺呢?
 
1.1 什麼是時間?
 
「看時光飛逝,我祈禱明天,每個小小夢想能夠慢慢地被實現……」
 
「我的時間滴答滴答滴答滴答不停地轉動,我的心在撲通撲通撲通撲通不停地跳動……」
 
每當這些美妙的歌聲響起,空氣中就會飄蕩出時間的音符,其中的意境你自然不難體會。可是如果有人問你什麼是時間,你能答上來嗎?你的頭腦中也許已經出現了答案的影子,但卻無法用合適的語言描述出來,正所謂「只可意會,不可言傳」。為什麼呢?因為我們對時間太熟悉了,熟悉到就像呼吸一樣自然,因而從來沒有去認真思考過什麼是時間。
 
那麼現在就請你閉上眼睛思考一下,如果你從來沒見過鐘錶,你將如何判斷時間的流逝呢?
 
我們的祖先就沒有鐘錶,他們的時間概念主要來自於對自然的觀察。混沌初開的遠古人類日出而作,日落而息,他們發現太陽每天都會東昇西落,周而復始,於是就出現了「日」這樣的時間單位。再透過對月亮的觀察,他們發現雖然有月圓月缺,但它也是周而復始變化的,於是就按月亮的週期性變化規律發明了另一個時間單位「月」。然後又發現春夏秋冬也是交替循環的,於是就出現了「四季」,四季合為一年,日復一日、年復一年,時間就這樣開始流逝了。

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