時空本質：相對論的故事（簡體書）

造物者的奧秘

當你仰望繁星密布的夜空、環顧神秘莫測的宇宙，你可能會提出種種疑問：星星到底有多少？ 宇宙究竟有多大？ 實際上，從遠古時代起，人類就開始了對天體運行及宇宙起源的探索和思考，無論是西方舊約中的上帝創世紀，還是中國神話中的盤古開天地，都將天地宇宙描述成處於永恒的運動和變化之中。 即使後來人類掌握了科學這個銳利的武器，也仍然賦予宇宙以動態的圖像，而非靜止和一成不變的。 既然宇宙處於不停的變化之中，那麼，它變化的歷史如何？ 它是否有一個起點和終點？ 它是如何演化成我們現在所觀察到的這種形態的？ 它未來的命運如何？ 對這一大串問題，也許每種宗教，甚至每個人都有自己的說法。 但我們更感興趣的是，科學家們如何回答這些問題，更為具體地說，物理學家們是如何回答這些問題的？

科學是人類走向文明過程中創造的奇跡，是古往今來成百上千位科學家心血和智能的結晶。 科學研究探索的是萬物之本。 萬物之本是什麼？從古到今，不同學派給出了不同答案。 畢達哥拉斯認為“萬物皆數”。但萬物皆由物質構成，萬物之本應與研究物質的物理學有關。 物理學是“究物之理”的科學，探討研究從無限小的微觀世界到無限大的宏觀世界，擔當了“上窮碧落下黃泉”的艱巨任務。

在物理學中，有一個偉大的物理學家的名字，寫在了每一個現代基礎物理理論的篇章中，他就是愛因斯坦。

其實，何止是物理學。在偉大的科學巨匠中，愛因斯坦在公眾中的影響力無人能比，他的頭像連小學生都認識，他的名字家喻戶曉。如今，這位偉人離開這個世界已經超過半個世紀了，他所作出的幾項最杰出的貢獻，包括1905年提出光電效應和狹義相對論，以及1915年建立的廣義相對論，都已經是100年之前的故事了。

盡管每個人都知道愛因斯坦的名字，但卻未必了解他的工作。就此而言，愛因斯坦和牛頓在公眾心目中的印象不一樣。 經典的牛頓力學實例，在日常生活中隨處可見： 當你坐在加速運動的汽車上，能感覺到力的作用，你知道如何運用牛頓第二定律來計算加速度和力的關係；當你和對面跑過來的朋友撞在一起，大家都感覺到傷害痛楚時，你會用牛頓第三定律，即作用力等於反作用力來解釋這個現象，因為那是中學物理的內容。 但如果問你，愛因斯坦對物理學的貢獻到底是些什麼呢？那就不是人人都能說出個所以然的了。也許很多人都能用一個詞匯來回答這個問題：相對論啊。然而，相對論又是什麼呢？愛因斯坦為什麼想到了要創立兩個相對論呢？ 相對論在物理學中以及各門科學、各行各業中有哪些應用？ 這兩個理論與我們的現實生活能關聯起來嗎？ 大多數人可能就難以回答了。

1905年被稱為愛因斯坦的奇跡年，這一年內他發表了6篇有影響力的論文，分別引領了物理學3個不同領域中的研究方向。 其中的狹義相對論徹底改變了人們的經典時空觀；有關光電效應的文章揭開了量子革命的篇章；另一篇則從分子運動的理論解釋了布朗運動，對統計物理有所貢獻。

100多年前的1915年，愛因斯坦提出了他最引為得意的廣義相對論，這個理論至今仍然是天體物理及宇宙學中建立天體星系運動模型以及宇宙演化模型的理論基礎。 近年來，該領域中熱門研究的大爆炸理論、暗物質、暗能量等，也都與此有關。

愛因斯坦曾經說過一句名言：“我想知道上帝是如何設計這個世界的。”

我們不妨將上文中的“上帝”理解為“大自然”。 因此，愛因斯坦提出了物理學，也是科學研究的一個最基本問題：大自然的秘密是什麼？大自然的脈搏如何跳動？大自然在造物時遵循哪些基本原理？

中國是數學物理大國，喜歡思考物理中“大”問題的成年人和青少年都不少。中國人從古時候開始，就對造物主的秘密、宇宙的起源等問題潛心探索、追尋不止。本書的目的便是向廣大讀者介紹兩個相對論的基本概念，帶領讀者探索、了解愛因斯坦建立相對論的大概思路歷程。 此外，作為相對論的應用，也簡單介紹與這兩個理論相關的天文學、宇宙學方面的最新進展。使讀者體會到科學家“認識自然規律、探索大自然造物秘密”的科學方法，從而啟發公眾對科學的興趣和思考。

令人感到十分遺憾的是，愛因斯坦將他天才的後半生貢獻給了一項前途渺茫的研究。 他一直在理論物理中尋找一條統一之路，想要將所有的物質及各種基本的相互作用囊括在一個單一的理論框架中，那是愛因斯坦最後的夢想。盡管愛因斯坦為此奮斗了幾十年都沒有獲得成功，但這個大統一之夢已經深深扎根在理論物理學家們的心中，一直是理論物理學研究的中心問題之一。

在這本小小的通俗讀物中，作者首先用短短的篇幅，簡單概括了牛頓力學及麥克斯韋電磁理論。 然後，從經典理論碰到的困難引出愛因斯坦建立相對論的思考和歷史過程。 第1章主要介紹狹義相對論的基本概念。 第2章介紹廣義相對論少不了的數學工具：黎曼幾何。 對此，作者盡量少用公式，而是從幾何直觀和物理應用的意義上來引進黎曼幾何，並重點突 出內蘊幾何思想的重要性。作者在第3章中敘述解釋幾個狹義相對論引發的有趣佯謬及質能 關係式。 第4章介紹廣義相對論的基本思想，第5章主要介紹宇宙學中的大爆炸理論、暗物質、暗能量等假設的來龍去脈、最新研究狀況等。本書使用輕松有趣的語言，配以精美的圖片，由物理專業人士寫成，適合各個領域的大學本科生、研究生、對科學感興趣的高中學生，以及所有渴求科學知識的大眾閱讀。

作者在書中盡量避免使用技術術語和令人心煩的數學公式，而代之以優美流暢、引人入勝的文筆，並用圖解的方法，介紹看起來深奧的物理理論。因為公式都可以在相關的教科書裡找到，而科普書不同於教科書，它的目的是激發讀者對該學科的興趣，進而也帶領讀者輕松入門。 實際上，很多學生所缺少的不是公式和運用公式進行計算的技巧，而是建立公式和理論時科學家們的思路歷程。科學家們是如何發現問題的？他們歷經了一些什麼樣的困難？他們又是如何想到了解決問題的方法的？因此，本書將少量的公式和推導放到了附錄中。並且，寫出這些公式的重點也不是公式本身，而是通過敘述公式背後的故事，探討發現自然規律的歷史，使讀者從看起來枯燥無味的數學中發現其背後隱藏著的生動靈感和科學精神。

此外，本書雖然是一本科普書，卻著眼於追尋自然和宇宙的本質問題，因而也包含一些具有真正學術價值的材料，涉及許多奮戰在科研前線的科學家正在思考、解決的問題。而且處處以物理學理論為根基，令一般讀者感到別開生面、值得一讀，也會令專業人士感到分外親切，輕松了解或重溫黎曼幾何、相對論這些聽起來神秘高深的理論。

本書也將介紹與愛因斯坦相對論思想有關的幾個基本物理學原理：最小作用量原理、對稱性原理、相對性原理、等效原理等。廣義而言，這幾個基本原理已經超越了物理原理的範圍，可以說成是大自然的基本原理，也許這就是愛因斯坦所追求的“上帝造物”的部分秘密？ 當讀完本書之後，可能對愛因斯坦的疑問，你能得出一些自己的新理解和新結論。

100多年過去了，偉人是否後繼有人？理論物理、天文及宇宙學路向何方？這些不是容易回答的問題。然而，廣義相對論建立後的這段歷史時期中，為了繼承這位先輩的衣缽，眾多科學家們始終在努力奮斗。

況且，誰能說本書的讀者中，就沒有將來的第二個愛因斯坦呢？

目錄

1　時間空間之謎 //001

1.牛頓點亮的火把 //002

2.電磁交響曲 //008

3.尋找以太 //014

4.相對性原理 //023

5.什麼是“同時” //026

6.萬有引力 //029

7.量子革命 //035

2　黎曼幾何 //041

1.幾何幾何 //042

2.迷人的曲線和曲面 //047

3.爬蟲的幾何 //053

4.愛因斯坦和數學 //057

5.矢量的平行移動 //064

6.阿扁的世界 //068

7.測地線和曲率張量 //073

3　相對論佯謬知多少 //079

1.雙生子佯謬 //080

2.同時的相對性 //084

3.閔可夫斯基時空中的固有時 //088

4.四維時空 //091

5.勻加速參考系上的愛麗絲 //097

6.飛船佯謬 //102

7.質能關係 E=mc2 //105

4　引力和彎曲時空 //107

1.等效原理 //108

2.圓盤佯謬和場方程 //114

3.實驗證實 //119

4.時空中的奇點 //122

5.霍金輻射 //126

6.黑洞戰爭 //129

5　茫茫宇宙 //133

1.宇宙學常數的故事 //134

2.大爆炸模型 //141

3.永不消失的電波 //148

4.探索引力波 //151

5.暗物質 //156

6.引力透鏡 //160

7.暗能量 //164

8.路在何方 //169

附錄 //171

附錄 A 伽利略變換和洛倫茲變換 //172

附錄 B 張量 //173

附錄 C 度規張量 //176

附錄 D 協變導數 //178

附錄 E 質能關係簡單推導 //180

附錄 F 用飛船1號的坐標系解釋雙生子佯謬 //181

參考文獻 //183