時空密碼——揭開相對論奧秘的科學之旅 (電子書)

自序
第一部分　狹義相對論
1　時間與空間　最熟悉的陌生人
1.1　什麼是時間？
1.2　鐘錶的計時原理
1.3　時間的本質
1.4　什麼是空間？
1.5　時空本性
2　牛頓時空觀　固定舞臺上的世界
2.1　牛頓與蘋果那些事兒
2.2　牛頓與微積分那些事兒
2.3　牛頓的絕對時空觀
3　乙太危機與光速之謎
3.1　光與乙太
3.2　尋找乙太行動
3.3　邁克爾遜—莫雷實驗：最成功的失敗
3.4　洛倫茲的離奇假說：長度收縮
3.5　發射假說：光速受光源影響嗎？
4　經典時空變換
4.1　運動的相對性與慣性系
4.2　伽利略相對性原理
4.3　伽利略時空變換
5　狹義相對論的建立
5.1　巨變的前夜
5.2　一篇劃時代的論文
5.3　相對性原理和光速不變原理
5.4　洛倫茲變換
5.5　狹義相對論的發展
附錄　一塊石頭的成長史
6　震驚世界的E=mc
6.1　光速極限
6.2　時間能否倒流？
6.3　三大守恆定律的秘密
6.4　質能等價：E=mc
6.5　光速的本質
6.6　核時代的開啟
6.7　核裂變與原子彈
6.8　核聚變與氫彈
7　牛頓時空觀的顛覆
7.1　同時性的相對性
7.2　時間延緩效應
7.3　時間延緩的實驗驗證
7.4　雙生子佯謬解析
7.5　運動雙方都認為對方鐘慢了嗎？
7.6　長度收縮及其視覺圖像
7.7　運動雙方都認為對方尺縮了嗎？
7.8　空間收縮與時間旅行
8　四維時空奇景
8.1　歐氏幾何簡史
8.2　四維歐氏空間
8.3　廣義的畢氏定理
8.4　坐標系旋轉：以不變應萬變
8.5　時空本性：四維時空
8.6　尺縮鐘慢與四維時空投影
8.7　四維時空的絕對性
8.8　閔可夫斯基時空
8.9　時空圖與世界線
8.10　時空圖解析雙生子佯謬
8.11　光錐：光錐之內即命運
第二部分　廣義相對論
9　廣義相對論的建立
9.1　愛因斯坦的困惑
9.2　廣義相對論的構想
9.3　回顧：萬有引力定律的發現
9.4　引力場：品質也能產生場
9.5　馬赫原理對愛因斯坦的啟發
9.6　兩種品質的神秘聯繫
9.7　等效原理
9.8　從物理到幾何
附錄　走向巔峰的坎坷之路
10　引力場與時空彎曲
10.1　光線受引力作用嗎？
10.2　引力場中的時間延緩與空間彎曲
10.3　彎曲空間的幾何
10.4　空間內部看空間：內蘊幾何學
10.5　時空密碼：四維時空度規
10.6　解鎖時空密碼的鑰匙：引力場方程
10.7　物體在彎曲時空中的運動
10.8　堅硬的時空
11　廣義相對論的實驗驗證
11.1　三大驗證之一：光線彎曲
11.2　三大驗證之二：水星近日點進動
11.3　三大驗證之三：引力紅移
11.4　雷達回波延遲
11.5　引力時間延緩的應用：GPS時間校正
11.6　宇宙之戒：愛因斯坦環
11.7　時空的顫抖：引力波
12　愛因斯坦的宇宙
12.1　愛因斯坦的大膽假設：有限無界的宇宙
12.2　愛因斯坦的大膽假設：宇宙學常數
12.3　愛因斯坦的“最大錯誤”
12.4　膨脹宇宙模型
12.5　宇宙是如何膨脹的？
12.6　宇宙大爆炸
12.7　宇宙學常數與暗能量之謎
12.8　宇宙的未來
13　超時空之旅
13.1　史瓦西黑洞的發現
13.2　進入黑洞內部
13.3　觀測黑洞
13.4　黑洞不黑
13.5　黑洞、白洞與蟲洞
13.6　克爾黑洞與蟲洞
13.7　可穿越的蟲洞
14　時間之箭
14.1　有關時間箭頭的討論
14.2　三種時間箭頭
14.3　關於時間旅行的討論
14.4　微觀尺度的時間逆流
第三部分　統一場論
15　時空與萬物至理
15.1　卡魯紮的五維時空
15.2　愛因斯坦夢碎統一場
15.3　統一場論路在何方？
15.4　圈量子引力與量子化時空
15.5　超弦理論和M理論
參考文獻
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秘，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公眾中引起持久而強烈的反響，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秘……誰要是對神秘失去了興趣，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秘體驗中。

按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窮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，廣義相對論則找到瞭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，厘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、宇宙的過去和未來、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類比等相關技術，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？尺縮鐘慢的本質原因是什麼？如何理解運動雙方都覺得對方的尺子縮短了？為什麼時間和空間可以組合在一起，其科學道理何在？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極力避免的，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，相對論的神秘面紗會被撕下，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，會與介質中的微觀粒子發生相互作用，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。

在本書的寫作過程中參考了大量相關文獻，將主要參考文獻列於書後，這些文獻使我受益匪淺，在此向其作者表示衷心的感謝。另外，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

2019年1月于山東威海