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| 編輯推薦： |
◆华人世界著名科普作家张天蓉关于相对论的新作
◆这本书值得大家都读一读，尤其初高中生以及对世界充满好奇的人们
◆你的人生观和世界观可能因读本书而改变
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| 內容簡介： |
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“世界上可能只有12个人能够看懂相对论。”爱因斯坦曾说。但《时空本质：相对论的故事》这本书可让每一个人都能看懂相对论。 本书从理论物理的发展历史出发，为我们讲述爱因斯坦和他的相对论。 从牛顿力学等经典理论碰到的困难引出爱因斯坦建立相对论的思考和历史过程。并着眼于追寻自然和宇宙的本质问题，包括在科研前线的科学家正在思考、解决的问题。此外，你也可以读到相对论的应用，与相对论相关的天文学、宇宙学方面的**前沿。 第1章介绍狭义相对论的基本概念。第2章介绍广义相对论少不了的数学工具：黎曼几何。重点突出内蕴几何思想对创立相对论的重要性。作者在第3章中叙述解释几个狭义相对论引发的有趣佯谬及质能关系式。第4章介绍广义相对论的基本思想，第5章主要介绍宇宙学中的大爆炸理论、暗物质、暗能量等假设的来龙去脉、**研究状况等。 全书使读者在读懂相对论时也体会到科学家“认识自然规律、探索大自然造物秘密”的科学方法，大师留给我们的岂止是一些公式、原理？还有他们对未知世界的探索精神，这都将激发人们对理想和美的追求。
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| 關於作者： |
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张天蓉，女，四川成都人。著名科普作家，美国德州奥斯汀大学理论物理博士。研究方向黑洞辐射、费曼路径积分、毫微微秒激光、高频及微波通讯的EDA集成电路软件等。发表专业论文三十余篇。所著科普著作《永恒的诱惑：宇宙之谜》入围2016中国好书奖，并获得科技部2017全国优秀科普作品奖。
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| 目錄：
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1时间空间之谜//00
1.牛顿点亮的火把//00
2.电磁交响曲//00
3.寻找以太//0
4.相对性原理//0
5.什么是“同时”//0
6.万有引力//0
7.量子革命//0
2黎曼几何//0
1.几何几何//0
2.迷人的曲线和曲面//0
3.爬虫的几何//0
4.爱因斯坦和数学//0
5.矢量的平行移动//0
6.阿扁的世界//0
7.测地线和曲率张量//0
3相对论佯谬知多少//0
1.双生子佯谬//0
2.同时的相对性//0
3.闵可夫斯基时空中的固有时//0
4.四维时空//0
5.匀加速参考系上的爱丽丝//0
6.飞船佯谬//
7.质能关系E=mc2//
4引力和弯曲时空//
1. 等效原理//
2.圆盘佯谬和场方程//
3.实验证实//
4.时空中的奇点//
5.霍金辐射//
6.黑洞战争//
5茫茫宇宙//
1.宇宙学常数的故事//
2.大爆炸模型//
3.永不消失的电波//
4.探索引力波//
5.暗物质//
6.引力透镜//
7. 暗能量//
8. 路在何方//
参考文献//
附录//
附录A伽利略变换和洛伦兹变换//
附录B张量//
附录C度规张量//
附录D协变导数//
附录E质能关系简单推导//
附录F用飞船1号的坐标系解释双生子佯谬//
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| 內容試閱：
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造物者的奥秘
当你仰望繁星密布的夜空、环顾神秘莫测的宇宙，你可能会提出种种疑问： 星星到底有多少？宇宙究竟有多大？实际上，从远古时代起，人类就开始了对天体运行及宇宙起源的探索和思考，无论是西方旧约中的上帝创世纪，还是中国神话中的盘古开天地，都将天地宇宙描述成处于永恒的运动和变化之中。即使后来人类掌握了科学这个锐利的武器，也仍然赋予宇宙以动态的图像，而非静止和一成不变的。既然宇宙处于不停的变化之中，那么，它变化的历史如何？它是否有一个起点和终点？它是如何演化成我们现在所观察到的这种形态的？它未来的命运如何？对这一大串问题，也许每种宗教，甚至每个人都有自己的说法。但我们更感兴趣的是，科学家们如何回答这些问题，更为具体地说，物理学家们是如何回答这些问题的？
科学是人类走向文明过程中创造的奇迹，是古往今来成百上千位科学家心血和智慧的结晶。科学研究探索的是万物之本。万物之本是什么？从古到今，不同学派给出了不同答案。毕达哥拉斯认为“万物皆数”。但万物皆由物质构成，万物之本应与研究物质的物理学有关。物理学是“究物之理”的科学，探讨研究从无限小的微观世界到无限大的宏观世界，担当了“上穷碧落下黄泉”的艰巨任务。
在物理学中，有一个伟大的物理学家的名字，写在了每一个现代基础物理理论的篇章中，他就是爱因斯坦。
其实，何止是物理学。在伟大的科学巨匠中，爱因斯坦在公众中的影响力无人能比，他的头像连小学生都认识，他的名字家喻户晓。如今，这位伟人离开这个世界已经超过半个世纪了，他所作出的几项杰出的贡献，包括1905年提出光电效应和狭义相对论，以及1915年建立的广义相对论，都已经是100年之前的故事了。
尽管每个人都知道爱因斯坦的名字，但却未必了解他的工作。就此而言，爱因斯坦和牛顿在公众心目中的印象不一样。经典的牛顿力学实例，在日常生活中随处可见： 当你坐在加速运动的汽车上，能感觉到力的作用，你知道如何运用牛顿第二定律来计算加速度和力的关系；当你和对面跑过来的朋友撞在一起，大家都感觉到伤害痛楚时，你会用牛顿第三定律，即作用力等于反作用力来解释这个现象，因为那是中学物理的内容。但如果问你，爱因斯坦对物理学的贡献到底是些什么呢？那就不是人人都能说出个所以然的了。也许很多人都能用一个词汇来回答这个问题： 相对论啊。然而，相对论又是什么呢？爱因斯坦为什么想到了要创立两个相对论呢？相对论在物理学中以及各门科学、各行各业中有哪些应用？这两个理论与我们的现实生活能关联起来吗？大多数人可能就难以回答了。
1905年被称为爱因斯坦的奇迹年，这一年内他发表了6篇有影响力的论文，分别引领了物理学3个不同领域中的研究方向。其中的狭义相对论彻底改变了人们的经典时空观；有关光电效应的文章揭开了量子革命的篇章；另一篇则从分子运动的理论解释了布朗运动，对统计物理有所贡献。
100多年前的1915年，爱因斯坦提出了他引为得意的广义相对论，这个理论至今仍然是天体物理及宇宙学中建立天体星系运动模型以及宇宙演化模型的理论基础。近年来，该领域中热门研究的大爆炸理论、暗物质、暗能量等，也都与此有关。
爱因斯坦曾经说过一句名言： “我想知道上帝是如何设计这个世界的。”
我们不妨将上文中的“上帝”理解为“大自然”。因此，爱因斯坦提出了物理学，也是科学研究的一个基本问题： 大自然的秘密是什么？大自然的脉搏如何跳动？大自然在造物时遵循哪些基本原理？
中国是数学物理大国，喜欢思考物理中“大”问题的成年人和青少年都不少。中国人从古时候开始，就对造物主的秘密、宇宙的起源等问题潜心探索、追寻不止。本书的目的便是向广大读者介绍两个相对论的基本概念，带领读者探索、了解爱因斯坦建立相对论的大概思路历程。此外，作为相对论的应用，也简单介绍与这两个理论相关的天文学、宇宙学方面的进展。使读者体会到科学家“认识自然规律、探索大自然造物秘密”的科学方法，从而启发公众对科学的兴趣和思考。
令人感到十分遗憾的是，爱因斯坦将他天才的后半生贡献给了一项前途渺茫的研究。他一直在理论物理中寻找一条统一之路，想要将所有的物质及各种基本的相互作用囊括在一个单一的理论框架中，那是爱因斯坦后的梦想。尽管爱因斯坦为此奋斗了几十年都没有获得成功，但这个大统一之梦已经深深扎根在理论物理学家们的心中，一直是理论物理学研究的中心问题之一。
在这本小小的通俗读物中，作者首先用短短的篇幅，简单概括了牛顿力学及麦克斯韦电磁理论。然后，从经典理论碰到的困难引出爱因斯坦建立相对论的思考和历史过程。第1章主要介绍狭义相对论的基本概念。第2章介绍广义相对论少不了的数学工具： 黎曼几何。对此，作者尽量少用公式，而是从几何直观和物理应用的意义上来引进黎曼几何，并重点突出内蕴几何思想的重要性。作者在第3章中叙述解释几个狭义相对论引发的有趣佯谬及质能关系式。第4章介绍广义相对论的基本思想，第5章主要介绍宇宙学中的大爆炸理论、暗物质、暗能量等假设的来龙去脉、研究状况等。本书使用轻松有趣的语言，配以精美的图片，由物理专业人士写成，适合各个领域的大学本科生、研究生、对科学感兴趣的高中学生，以及所有渴求科学知识的大众阅读。
作者在书中尽量避免使用技术术语和令人心烦的数学公式，而代之以优美流畅、引人入胜的文笔，并用图解的方法，介绍看起来深奥的物理理论。因为公式都可以在相关的教科书里找到，而科普书不同于教科书，它的目的是激发读者对该学科的兴趣，进而也带领读者轻松入门。实际上，很多学生所缺少的不是公式和运用公式进行计算的技巧，而是建立公式和理论时科学家们的思路历程。科学家们是如何发现问题的？他们历经了一些什么样的困难？他们又是如何想到了解决问题的方法的？因此，本书将少量的公式和推导放到了附录中。并且，写出这些公式的重点也不是公式本身，而是通过叙述公式背后的故事，探讨发现自然规律的历史，使读者从看起来枯燥无味的数学中发现其背后隐藏着的生动灵感和科学精神。
此外，本书虽然是一本科普书，却着眼于追寻自然和宇宙的本质问题，因而也包含一些具有真正学术价值的材料，涉及许多奋战在科研前线的科学家正在思考、解决的问题。而且处处以物理学理论为根基，令一般读者感到别开生面、值得一读，也会令专业人士感到分外亲切，轻松了解或重温黎曼几何、相对论这些听起来神秘高深的理论。
本书也将介绍与爱因斯坦相对论思想有关的几个基本物理学原理： 小作用量原理、对称性原理、相对性原理、等效原理等。广义而言，这几个基本原理已经超越了物理原理的范围，可以说成是大自然的基本原理，也许这就是爱因斯坦所追求的“上帝造物” 的部分秘密？当读完本书之后，可能对爱因斯坦的疑问，你能得出一些自己的新理解和新结论。
100多年过去了，伟人是否后继有人？理论物理、天文及宇宙学路向何方？这些不是容易回答的问题。然而，广义相对论建立后的这段历史时期中，为了继承这位先辈的衣钵，众多科学家们始终在努力奋斗。
况且，谁能说本书的读者中，就没有将来的第二个爱因斯坦呢？
什么是“同时”
同时，是我们在日常生活中常用的词汇。“他们两人同时到达山顶”“电视新闻同时在全国各地播出”……好像每个人都非常理解这个词表达的意思，不就是说两件事在同一时刻发生吗?
不过，什么叫“同一时刻”呢? 这样说的意思首先是认为时间是一个的概念，上帝在某处设立了一个大大的、精确无比的标准钟。然而，如果你深入考察下时间的概念，可能会使你越想越糊涂。时间是什么? 正如公元4 世纪哲学家圣·奥古斯丁对“时间”概念的名言:
“Ifnooneasksme，Iknow whatitis.IfIwishtoexplainittohim whoasks，
Idonotknow.”
我把它翻译成如下两句:“无人问时我知晓，欲求答案却茫然。”
时间是的，还是相对的? 如果说它是的，显然不符合相对性原理。上帝准确的钟该放在哪里呢? 地球上? 太阳上? 或是别的什么地方? 这好像是又回到了地心说、日心说之争的年代。现代社会几乎每一个人都知道，无论是地球还是太阳，都只是茫茫浩瀚宇宙中一个小小的天体。所以，从一般现代人的常识来看，也似乎不应该存在一个的时间。而爱因斯坦也正是深刻理解了时间的“相对性”的意义，才在创立狭义相对论的过程中，迈出了关键的一步。
爱因斯坦有一个广为人知的比喻:“和一位漂亮女孩在一起待上一小时，你会感觉像一秒钟;但如果让你在火炉子上待上一秒钟，你会感觉像一小时。这就是相对论。”尽管这的确是爱因斯坦所言，但在比喻中他指的是时间在心理上的相对性，而我们想要探究的，却是爱因斯坦探讨的时间在物理意义上的相对性。
狭义相对论中同时的相对性，是来自相对论的两个基本假设:相对性原理和光速不变。
如果两个事件对某一个观察系来说是同时的，对另一个观察系来说就不一定是同时的。我们用图1-5-1中所示的例子来说明这个问题。如下的解释中，以承认相对性原理和光速不变为前提。
一列火车以速度v 运动，站在车厢正中间的爱丽丝，当经过地面上的鲍勃时点亮了车厢正中位置的一盏灯，向左和向右的两束灯光将以真空中的光速c 分别传播到车尾A 和车头B。在爱丽丝看起来，灯到 A 和B 的距离是相等的，所以两束光将同时到达 A 和B。但是，站在地面上静止的鲍勃怎么看待这个问题呢?
对鲍勃来说，左右两束光的速度仍然都是c，这是相对论的假设，无论光源是在运动与否都没有关系。但是，火车却是运动的。因而，A 点是对着光线迎过去，B点则是背着光线逃走。所以光线到达 A 的事件应该先发生，到达 B 的事件应该后发生。也就是说，爱丽丝认为是同时发生的两个事件，鲍勃却认为不同时。
刚才所述的相对论中对同时性的检验，是用光信号的传递进行的。这是因为光在狭义相对论中具有独特的地位。根据狭义相对论的假设，真空中的光速对任何参考系，在任何方向测量都是一样的数值。在由此而建立的狭义相对论中，任何物体的速度都不可能超过光速，光是能够完整传递信息和能量的速度。换言之，如果火车上的爱丽丝不是点亮了一盏灯，而是向左右射出子弹的话，两颗子弹相对于鲍勃的速度便不是一样的。事实上，光可以说是一种很神秘的物质形态，它不仅在狭义相对论中具有特殊地位，在整个物理学及其他学科中的地位也是独一无二的。迄今为止，没有发现任何超光速的、能够携带能量或信息的现象。也就是说，尚未有与相对论这条假设相违背的情形。如果将来的实验证实这条假设不对的话，爱因斯坦的理论就需要加以修改了。
质能关系E=mc2
理论物理学家马克斯·玻恩(MaxBorn，1882—1970)在回忆爱因斯坦时说道:“他之所以如此与众不同，不是因为他的数学能力，而是因为他具有一种不可思议的洞悉自然奥秘的本领。”
爱因斯坦的物理嗅觉异常灵敏，他能从大家熟视无睹的现象中闻出异味。他所建立的两个相对论的思想来源，其实可以追溯到他16岁时突然产生的一个灵感。当时的爱因斯坦知道了光是以很快速度前进的电磁波，于是他想:如果他骑在一束光上能看到些什么呢? 看到的情况是否与静止时有所不同呢?
尽管我们不知道当时爱因斯坦所得“灵感”的具体细节，但不妨猜想一下。也许他会进一步想，如果这束光就是从一个时钟上反射过来的，情况又会怎么样呢?本来，我们能够看见时钟指示的数目也正是因为这个反射光传播到了我们眼睛里的缘故，而现在，我骑着这束光，和它一起前进的话，时钟指示的数目对我来说不是就应该不会变化了吗? 这就是与在静止坐标系中看到的不同景象了，静止坐标系中的时钟，显然是在不停滴答作响往前走的。
不难看出，上面的想法中已经有了“同时”的相对性的影子。正是这种儿时特有的好奇心和物理直觉，使爱因斯坦不同于洛伦兹、庞加莱等人。后两人擅长数学运算，把很多东西作为数学技巧玩转起来游刃有余，但却闻不出尝不到其中的物理滋味。只有爱因斯坦，正是在深入研究了这个一般人不会去深究的“同时性”概念后，确定了“光速不变”和“相对性”两个简单原理的基础之上，建立了狭义相对论。
下一章中将要介绍的广义相对论，也是基于两个简单的原理。一是“广义相对性”原理，不过是原来相对性原理的推广而已。另外一个“等效原理”的灵感，与爱因斯坦16岁时的想法也有些类似，不过，有趣的是，这次灵感的思想不是“骑着光走”，而是想象自己与自由落体一起下落。对此，我们将在下一章中详细讨论。
狭义相对论不仅仅通过四维时空将时间和空间这两个概念统一在一起，而且很多物理量在四维时空中也被统一起来了。比如说，能量和动量成为一个四维动量，麦克斯韦方程可以用四维矢量势写成一个四维协变的形式。
爱因斯坦善于“从一团乱麻中寻找出重要核心的东西”，他天才地在狭义相对论中导出了描述能量、质量关系的质能公式:E=mc2 (具体推导过程请见附录E)。据说这个公式已经深入人心，是人类历有名的公式之一，已成为人类文化的一部分。我们有时会在一些与物理完全无关的场合看到这个式子，可能是对上述说法的一个佐证。
在牛顿理论中，质量和能量是两个完全不同的概念。静止物体有质量没有能量，物体运动时能量增加质量不会增加。经典物理中的物质守恒和能量守恒，是两个互相独立的定律。这也就是为什么将质量称为“静止质量”的原因。
狭义相对论中，三维空间被四维时空所代替，质能关系表明了静止质量 m 和其内禀能量的关系。它表明物体相对于一个参照系静止时仍然有能量mc2。反之，在真空中传播的一束光，其静止质量是0，但由于它们有运动能量，因此它们也有所谓因运动而具有的“相对论质量”。不过，基于历史的原因，在大多数情况下，人们仍然只用 m 表示静止质量，不常使用“相对论质量”这个术语。
这个等式所描述的不是质量和能量的互相转化，而是表明了质量、能量是同一个东西，物体的质量实际上就是它自身能量的量度。
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