時空密碼：揭開相對論奧秘的科學之旅（簡體書）

《時空密碼》以愛因斯坦建立狹義和廣義相對論的思想歷程為主線，以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，厘清了一些容易產生誤解問題，另外還簡單介紹了統一場論。作為一本科普讀物，《時空密碼》涵蓋了光速本質、尺縮鐘慢、質能等價、閔氏四維時空、時空旋轉、時空圖、光錐、引力場、時空度規、時空彎曲、引力透鏡、引力波、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、宇宙的過去未來、暗能量、黑洞、白洞、蟲洞、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。

高鵬，山西五寨人，工學博士，畢業于哈爾濱工業大學，現在哈爾濱工業大學（威海）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。首部科普作品《從量子到宇宙――顛覆人類認知的科學之旅》被中國圖書評論學會評為2017年月度“中國好書”。《時空密碼》秉承了《從量子到宇宙》的作品風格，希望本書能帶領讀者朋友們走進相對論，探索時空的奧秘，領略宇宙的奇妙。

目 錄




第一部分 狹義相對論




1 時間與空間 最熟悉的陌生人 002




1.1 什麼是時間？ 002




1.2 鐘錶的計時原理 004




1.3 時間的本質 006




1.4 什麼是空間？ 007




1.5 時空本性 009




2 牛頓時空觀 固定舞臺上的世界 012




2.1 牛頓與蘋果那些事兒 012




2.2 牛頓與微積分那些事兒 015




2.3 牛頓的絕對時空觀 018




3 以太危機與光速之謎 020




3.1 光與以太 020




3.2 尋找以太行動 022




3.3 邁克爾遜―莫雷實驗：最成功的失敗 024




3.4 洛倫茲的離奇假說：長度收縮 026




3.5 發射假說：光速受光源影響嗎？ 027




4 經典時空變換 029




4.1 運動的相對性與慣性系 029




4.2 伽利略相對性原理 031




4.3 伽利略時空變換 032




5 狹義相對論的建立 034




5.1 巨變的前夜 034




5.2 一篇劃時代的論文 036




5.3 相對性原理和光速不變原理 038




5.4 洛倫茲變換 040




5.5 狹義相對論的發展 043




附錄 一塊石頭的成長史 044




6 震驚世界的E=mc2 050




6.1 光速極限 050




6.2 時間能否倒流？ 051




6.3 三大守恆定律的秘密 054




6.4 質能等價： E=mc2 057




6.5 光速的本質 058




6.6 核時代的開啟 060




6.7 核裂變與原子彈 061




6.8 核聚變與氫彈 065




7 牛頓時空觀的顛覆 067




7.1 同時性的相對性 067




7.2 時間延緩效應 069




7.3 時間延緩的實驗驗證 072




7.4 雙生子佯謬解析 073




7.5 運動雙方都認為對方鐘慢了嗎？ 074




7.6 長度收縮及其視覺圖像 075




7.7 運動雙方都認為對方尺縮了嗎？ 079




7.8 空間收縮與時間旅行 079




8 四維時空奇景 082




8.1 歐氏幾何簡史 082




8.2 四維歐氏空間 084




8.3 廣義的勾股定理 087




8.4 坐標系旋轉：以不變應萬變 089




8.5 時空本性：四維時空 090




8.6 尺縮鐘慢與四維時空投影 091




8.7 四維時空的絕對性 093




8.8 閔可夫斯基時空 094




8.9 時空圖與世界線 096




8.10 時空圖解析雙生子佯謬 098




8.11 光錐：光錐之內即命運 100




第二部分 廣義相對論




9 廣義相對論的建立 106




9.1 愛因斯坦的困惑 106




9.2 廣義相對論的構想 107




9.3 回顧：萬有引力定律的發現 110




9.4 引力場：質量也能產生場 112




9.5 馬赫原理對愛因斯坦的啟發 114




9.6 兩種質量的神秘聯繫 116




9.7 等效原理 118




9.8 從物理到幾何 121




附錄 走向巔峰的坎坷之路 122




10 引力場與時空彎曲 127




10.1 光線受引力作用嗎？ 127




10.2 引力場中的時間延緩與空間彎曲 128




10.3 彎曲空間的幾何 130




10.4 空間內部看空間：內蘊幾何學 134




10.5 時空密碼：四維時空度規 135




10.6 解鎖時空密碼的鑰匙：引力場方程 138




10.7 物體在彎曲時空中的運動 140




10.8 堅硬的時空 144




11 廣義相對論的實驗驗證 146




11.1 三大驗證之一：光線彎曲 146




11.2 三大驗證之二：水星近日點進動 149




11.3 三大驗證之三：引力紅移 151




11.4 雷達回波延遲 152




11.5 引力時間延緩的應用：GPS時間校正 153




11.6 宇宙之戒：愛因斯坦環 155




11.7 時空的顫抖：引力波 157




12 愛因斯坦的宇宙 163




12.1 愛因斯坦的大膽假設：有限無界的宇宙 163




12.2 愛因斯坦的大膽假設：宇宙學常數 165




12.3 愛因斯坦的“最大錯誤” 166




12.4 膨脹宇宙模型 168




12.5 宇宙是如何膨脹的？ 170




12.6 宇宙大爆炸 172




12.7 宇宙學常數與暗能量之謎 176




12.8 宇宙的未來 178




13 超時空之旅 179




13.1 史瓦西黑洞的發現 179




13.2 進入黑洞內部 181




13.3 觀測黑洞 185




13.4 黑洞不黑 187




13.5 黑洞、白洞與蟲洞 188




13.6 克爾黑洞與蟲洞 190




13.7 可穿越的蟲洞 192




14 時間之箭 195




14.1 有關時間箭頭的討論 195




14.2 三種時間箭頭 196




14.3 關於時間旅行的討論 199




14.4 微觀尺度的時間逆流 200




第三部分 統一場論




15 時空與萬物至理 204




15.1 卡魯紮的五維時空 204




15.2 愛因斯坦夢碎統一場 207




15.3 統一場論路在何方？ 209




15.4 圈量子引力與量子化時空 212




15.5 超弦理論和M理論 213




參考文獻 217




後記 221