理解科學叢書·物含妙理總堪尋：從愛因斯坦到霍金 epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

　　

講解20世紀以來一個個激動人心的物理學發現及其基本原理，

　　勾畫現代人應該具備的科學文化視野。

　　中國大學視頻公開課Top10人氣榜中的一門自然科學課程，

　　一部深入淺齣、引人入勝的近代物理學“教科書”。

內容簡介

　　《物含妙理總堪尋：從愛因斯坦到霍金》來源於作者長期以來在北京師範大學開設的一個科普講座“從愛因斯坦到霍金的宇宙”。該講座曆時20餘載，並在一些院校和單位舉辦過不同形式的講座和公開課，重點介紹物理學和天文學領域的科普知識、科研前沿，以及科學發現的麯摺曆程，內容包括愛因斯坦與相對論、彎麯的時空、黑洞、宇宙的演化、量子論的創建與爭論、原子彈與核能的和平利用、天文學的若乾知識、對時間本質的探索等。

作者簡介

　　趙崢，北京師範大學物理係教授，博士生導師。1967年畢業於中國科技大學物理係，1981年於北京師範大學天文係獲碩士學位，1987年於布魯塞爾自由大學國際理論化學與理論物理研究所獲博士學位。曾任北京師範大學研究生院副院長，物理係主任，中國引力與相對論天體物理學會理事長。長期從事理論物理的教學與研究，在相對論與黑洞領域發錶科研論文100餘篇，曾講授廣義相對論、量子力學、統計物理、黑洞物理、量子場論等課程。同時參加教學研究、科普教學，開設“從愛因斯坦到霍金的宇宙”等公選課，並在許多院校做科普報告。主要著作有《黑洞的熱性質與時空奇異性》（獲第十二屆中國圖書奬）、《廣義相對論》、《廣義相對論基礎》、《黑洞與時間的性質》、《黑洞與彎麯的時空》，以及科普類圖書《探求上帝的秘密》（獲第十一屆中國圖書奬）、《物理學與人類文明十六講》、《相對論百問》等。

精彩書評

　　你想瞭解愛因斯坦和霍金嗎？你想瞭解神秘的黑洞和宇宙嗎？本書用通俗易懂的語言介紹瞭愛因斯坦的創新曆程和霍金不屈不撓的科學生涯。什麼是雙生子佯謬？宇航員會比留在地球上的他的雙胞胎兄弟年輕嗎？怎樣理解時空彎麯？黑洞有哪些特點？如何理解宇宙大爆炸模型？它有哪些觀測證明？有沒有時間隧道?能不能製造時間機器使人迴到自己的過去？
　　——果殼網網友Cow

目錄

扉頁
序言
第一講 愛因斯坦與物理學的革命
第二講 彎麯的時空—廣義相對論
第三講 白矮星、中子星與黑洞
第四講 霍金與黑洞
第五講 膨脹的宇宙
第六講 時空隧道與時間機器
第七講 激動人心的量子物理
第八講 比一韆個太陽還亮
第九講 點燃科學的朝霞
第十講 神壇上下的牛頓
第十一講 漫步太陽係
第十二講 時間之謎
附錄
扉頁詩句的注釋與隨想
主要參考書目
後記

精彩書摘

　　3、走嚮狹義相對論
　　愛因斯坦獨闢蹊徑
　　愛因斯坦沒有注意洛倫茲等人的工作，也沒有注意邁剋耳孫實驗，他主要抓住的是斐索實驗與光行差實驗的矛盾。光行差與邁剋耳孫實驗的矛盾體現在運動介質是否拖動以太上。光行差現象錶明，作為介質的地球完全沒有拖動以太；邁剋耳孫實驗則錶明，似乎地球完全拖動瞭附近的以太。斐索實驗研究瞭流水對光速的影響，其結論是作為介質的流水似乎部分地拖動瞭以太，但又沒有完全拖動。這也與光行差現象認為運動介質完全不拖動以太的結論相衝突。愛因斯坦認識到解決上述矛盾最簡單的方法就是放棄以太理論，不承認有以太存在。
　　愛因斯坦深受奧地利物理學傢兼哲學傢馬赫影響。他閱讀過馬赫的著作《力學史評》，在這本書中，馬赫勇敢地批判占統治地位的牛頓的絕對時空觀，認為根本就不存在絕對空間和絕對運動，也不存在以太，一切運動都是相對的。愛因斯坦接受馬赫相對運動的思想，認為觀測不到的東西都不應該輕易相信其存在，哪個實驗證明瞭存在絕對空間？誰看見過以太？因此以太理論和絕對空間概念都應該放棄。他認為伽利略變換不等於相對性原理。他考慮瞭①麥剋斯韋電磁理論（包括真空中的光速c是常數的結論），②相對性原理與③伽利略變換之間的矛盾，認為“麥剋斯韋電磁理論”和“相對性原理”比伽利略變換更基本。他認識到，如果既堅持“相對性原理”又堅持“麥剋斯韋電磁理論”，就必須承認真空中的光速在所有慣性係中都是同一個常數c，即必須承認“光速不變”。他把“光速不變”看作一條基本原理，稱為“光速不變原理”。注意，“光速不變原理”不是說在同一慣性係裏真空中的光速處處均勻各嚮同性，是一個常數 c，而是說在任何慣性係中測量，真空中的光速都是同一個常數 c，光速與光源相對於觀測者的運動速度無關。
　　愛因斯坦得齣光速不變原理不是偶然的，而是經曆瞭長時間的思考過程。
　　他在阿勞中學學習時就考慮過一個思想實驗： 假如一個觀測者以光速運動，追光，這個觀測者應該看到一個不依賴於時間的波場。但是誰都沒有見過這種情況。這個有趣的問題錶明，人似乎不可能追上光，光相對於觀測者似乎不會靜止，一定有運動速度，通常的速度迭加法則好像對光的傳播問題不適用。這個思想實驗不時浮現在愛因斯坦的腦海中。
　　此外，愛因斯坦知道，天文望遠鏡對雙星軌道的觀測，支持光速與光源運動無關的觀點。如果光速與光源運動速度有關，雙星中嚮著我們運動（趨近）的那顆星和背離我們運動（遠離）的那顆星發齣的光，飛嚮地球的速度將不同。這將導緻兩顆星同時發齣的光會一先一後到達我們眼中；或者說我們同時看見的這兩顆星的圖像，産生的時間不是同一時刻。如果真是這樣，我們看到的雙星軌道應該産生畸變。但天文觀測沒有發現這種畸變，雙星軌道是正常的橢圓。這支持瞭光速與光源運動速度無關的看法。
　　經過長時期的思考後，愛因斯坦終於解開瞭這個難解之謎。他認識到速度迭加法則並非物理學的根本原理，這個法則也不等價於“相對性原理”的數學錶達。“光速的絕對性”（即光在所有慣性係中的速度都是同一個常數c）纔是一條應該堅持的基本原理，他稱其為“光速不變原理”，並把“光速不變原理”和“相對性原理”一起，作為自己的新理論（相對論）的基石。
　　愛因斯坦是在長時間的反復思考之後，纔得齣這一原理的。早在他的相對論論文發錶之前一年多，他就認識到相對性原理和麥剋斯韋電磁理論都是大量實驗證實的理論，都應該堅持。但這樣導緻的“光速不變”結論似乎與建立在伽利略變換基礎上的速度迭加法則以及人們的日常觀念相矛盾，愛因斯坦覺得“這真是個難解之謎”。
　　1905年5月的一天，他帶著這一問題專門拜訪瞭他的好友貝索（“奧林匹亞”科學院的一個成員）。經過一下午的討論，愛因斯坦突然明白瞭，問題齣在“時間”上，通常的時間概念值得懷疑。“時間並不是絕對確定的，而是在時間與信號速度之間有著不可分割的聯係。有瞭這個概念，前麵的疑難也就迎刃而解瞭。”他認識到如果堅持把相對性原理和光速不變（即光速與觀測者相對於光源的運動速度無關）都看作公理，異地時鍾的“同時”將是一個相對的概念。5周之後，愛因斯坦開創相對論的論文就寄給瞭雜誌社。
　　貝索是個一事無成者的典型。他一生都在聽課、學習，課聽瞭一門又一門，書學瞭一本又一本。他還喜歡與彆人爭論，反駁彆人的意見，但從不想自己去完成一件獨立的工作。這次與愛因斯坦的討論，大大地啓發瞭愛因斯坦，但他自己並未搞清啓發瞭愛因斯坦什麼。當愛因斯坦感謝他在討論中幫助瞭自己時，他感到茫然。愛因斯坦在這篇創建相對論的劃時代論文的最後感謝瞭貝索對自己的幫助和有價值的建議。貝索十分激動，說“阿爾伯特，你把我帶進瞭曆史”。
　　愛因斯坦1922年在日本京都的一次演講中曾提到他與貝索的這次討論。討論使他認識到兩個地點的鍾“同時”，並不像人們通常想象的那樣，是一個“絕對”的概念。物理學中的概念都必須在實驗中可測量，“同時”這個概念也不例外。而要使“同時”的定義是可測量的，就必須對信號傳播速度事先要有一個約定。由於真空中的光速在電磁學中處於核心地位，愛因斯坦猜測應該約定（或者說“規定”）真空中的光速各嚮同性而且是一個常數，在此基礎上來校準兩個異地的時鍾，即定義異地時間的同時。研究錶明，在約定光速並承認光速的絕對性（光速不變原理）的基礎上定義的“同時”將是一個相對的概念。我們看到，定義兩個地點的鍾同時，必須首先約定光速各嚮同性而且是一個常數。要在作相對運動的所有慣性係中，都用對光速的同一個約定來定義異地時鍾的“同時”，則必須假定光速是絕對的。愛因斯坦曾經與貝索等人一起閱讀過龐加萊的《科學與假設》，該書就議論過時間測量與光速的內在聯係。龐加萊猜測，要測量時間，要校準不同地點的鍾，可能首先要對光速有一個約定。與貝索的討論可能使愛因斯坦想起瞭龐加萊的觀點，不過愛因斯坦未明確指齣這一點。此外，與貝索的討論還可能再次使愛因斯坦想到瞭他在阿勞中學讀書時考慮過的那個思想試驗： 以光速運動的觀測者將看到光是不依賴於時間的波場，但從未有人見過這種情況，所以比較自然的想法是，光不可能相對任何觀測者靜止，對任何觀測者都一定作相對運動。
　　愛因斯坦能夠從紛亂的理論探討和實驗資料中，認識到應該把光速看作絕對的，並毅然提齣這一全新的觀念，是極其難能可貴的。在光速不變原理和相對性原理的基礎上,他推齣瞭兩個慣性係之間的坐標變換關係,這個關係就是洛倫茲等人早已得齣的變換公式（1.14）。 不過，愛因斯坦是在不知道洛倫茲等人的工作的情況下，獨立推齣這一公式的。更重要的是，愛因斯坦對公式（1.14）的解釋與洛倫茲完全不同。洛倫茲認為相對性原理不正確，認為存在絕對空間（以太），變換式（1.14）中的速度v是相對於絕對空間的，因而，變換式（1.14）描述的是相對於絕對空間運動的慣性係與絕對空間靜止係之間的關係。愛因斯坦則認為，相對性原理成立，不存在絕對空間，不存在以太，式（1.14）描述的是任意兩個慣性係之間的變換，v是這兩個慣性係之間的相對速度，根本與絕對空間的概念沒有關係，所以他贊同把自己的理論叫作相對論。
　　我們看到非常有趣的情況,相對論的最主要的公式洛倫茲變換,是洛倫茲最先給齣的,但相對論的創始人卻不是洛倫茲而是愛因斯坦。應該說明,這裏不存在篡奪科研成果的問題。洛倫茲本人也認為,相對論是愛因斯坦提齣的。在一次洛倫茲主持的討論會上,他對聽眾宣布,“現在,請愛因斯坦先生介紹他的相對論。”之所以如此,是因為洛倫茲一度反對相對論,他還曾與愛因斯坦爭論過相對論的正確性。特彆有趣的是，“相對論”這個名字不是愛因斯坦起的，而是洛倫茲起的。在爭論中，為瞭區分自己的理論和愛因斯坦的理論，洛倫茲給愛因斯坦的理論起瞭個名字——相對論。愛因斯坦覺得這個名字與自己的理論還比較相稱，於是接受瞭這一命名。
　　建立狹義相對論最睏難的思想突破
　　一般介紹相對論的文章都非常強調愛因斯坦之所以能建立相對論，關鍵是他堅持瞭“相對性原理”。在當時的情況下，愛因斯坦正確地認識到“相對性原理”是應該堅持的一條根本性原理，並認識到伽利略變換並不等價於“相對性原理”，然後放棄後者而堅持前者，的確是十分不容易的。洛倫茲和大多數物理學傢都沒有認識到“相對性原理”是最應該堅持的根本性原理。
　　但是，應該注意到，關於運動相對性的觀念自古以來各國都有。到瞭17世紀，伽利略已經通過對話的形式正確地給齣相對性原理的基本內容。牛頓雖然認為存在絕對空間，同時認為轉動是絕對運動，但他還是認為各個慣性係是等價的。應該說，牛頓在他的理論中應用瞭相對性原理。
　　到瞭1900年前後，雖然洛倫茲等人考慮放棄相對性原理，但由於馬赫對牛頓絕對時空觀的勇敢批判，深受馬赫影響的愛因斯坦還是比較容易認識到應該堅持“相對性原理”的。
　　然而，僅僅認識到堅持 “相對性原理”，還不足以建立相對論。龐加萊已經正確地闡述瞭“相對性原理”，並認識到瞭真空中的光速可能是一個常數，甚至認識到光速可能是極限速度，但是他仍未能建立相對論。這是因為建立相對論還必須實現觀念上的另一個更為重要的突破： 認識到光速的絕對性，即“光速不變原理”。
　　愛因斯坦曾明確指齣，狹義相對論與（伽利略和牛頓建立的）經典力學都滿足相對性原理，“因此，使狹義相對論脫離經典力學的並非相對性原理這一假設，而是光在真空中速度不變的假設。它與狹義相對性原理相結閤，用眾所周知的方法推齣瞭同時的相對性，洛倫茲變換及有關運動物體與運動時鍾行為的規律。”
　　這就是說，承認相對性原理，又承認光速絕對性，必將導緻時間觀念發生根本變化： “同時”這個概念不再是“絕對”的，而是“相對”的瞭。同時的相對性與人們的日常觀念嚴重衝突，非常不易被接受。所以認識到“光速的絕對性”，進而認識到“同時的相對性”，是建立相對論過程中最睏難也最重要的物理思想突破。
　　愛因斯坦是相對論的唯一締造者
　　1905年前後，許多人都已接近相對論（狹義相對論）的發現，在愛因斯坦的論文發錶之前，斐茲傑惹和洛倫茲早已提齣洛倫茲收縮，佛格特、拉摩、斐茲傑惹、洛倫茲早已給齣洛倫茲變換，拉摩已經給齣瞭運動時鍾變慢的公式，洛倫茲已經給齣瞭質量公式（1.6），龐加萊已經正確地闡述瞭相對性原理，並推測真空中的光速可能是常數，而且可能是極限速度。此外，在一些特殊的情況下，質能關係式也已有人探討。
　　但是，提齣“光速不變原理”的人是愛因斯坦，而不是其他人。正是“光速不變原理”，而不是“相對性原理”，形成瞭相對論與經典力學的分水嶺。另一方麵，隻有愛因斯坦拋棄瞭以太理論，從而徹底拋棄瞭“絕對空間”，因而最徹底地堅持瞭“相對性原理”。而且首先正確闡述相對論，認識到它是一個時空理論，並給齣完整理論體係和幾乎全部結論的也是愛因斯坦，而不是彆人。所以說，愛因斯坦是相對論的唯一發現者。
　　事實上，在相對論發錶之後，洛倫茲和龐加萊都曾反對它。洛倫茲後來接受瞭相對論，龐加萊則至死都未發錶過贊同相對論的言論。
　　洛倫茲抱住絕對空間和以太概念不放，甚至主張放棄相對性原理。龐加萊雖然堅持相對性原理，主張放棄絕對空間，但他沒有放棄“以太”。而承認“以太”實質上還是承認絕對空間的存在。
　　有一點需要解釋一下。在相對論誕生之前，龐加萊於1900年在《時間的度量》一文中曾經談到： “光具有不變的速度，尤其是，光速在所有方嚮都是相同的。這是一個公設，沒有這個公設，便不能試圖度量光速。”這句話中“光具有不變的速度”，似乎是指“光速不變原理”。但從上下文看，龐加萊這句話是針對測量光速說的。眾所周知，測量光速並不需要“光速不變原理”，但需要用“光速各嚮同性而且是一個常數”這一約定。他在這裏強調的是同一個參考係中光速是點點均勻且各嚮同性的，即光速是一個常數c。而“光速不變原理”指的不是這一點，而是指光速在不同慣性係中相同。龐加萊從來沒有在任何一個地方明確指齣過“不同慣性係中的光速相同”。而且，承認“光速不變原理”就將直接導緻“同時相對性”的概念，龐加萊也沒有在任何地方談到過“同時的相對性”。因此不能依據這句話，認為龐加萊在相對論發錶之前就已認識到瞭“光速不變原理”。
　　1900年前後，龐加萊已是一位舉世聞名的數學大師，愛因斯坦不過是一名初齣茅廬的青年學者。龐加萊為相對論的誕生做瞭許多重要的基礎性工作。他正確指齣時間的測量依賴於對信號傳播速度的約定。具體來說就是他認為“測量時間”需要首先“約定”（或者說“規定”）光速，他建議約定真空中的光速各嚮同性而且是一個常數。龐加萊正確地闡述瞭相對性原理，指齣瞭洛倫茲理論的不足。一些學者認為相對論應是龐加萊與愛因斯坦共同創建的。
　　愛因斯坦與龐加萊隻在學術會議上見過一次麵。青年愛因斯坦當時非常渴望龐加萊支持相對論。那次會麵迴來後，愛因斯坦很沮喪，告訴他的朋友： “龐加萊根本不懂相對論。”事實上，龐加萊直到去世也未發錶過贊同“相對論”的意見。
　　龐加萊對愛因斯坦的評價不十分高。他去世前不久，應蘇黎世工業大學的邀請，對愛因斯坦申請教授位置發錶瞭以下意見： “愛因斯坦先生是我所知道的最有創造思想的人物之一，盡管他還很年輕，但已經在當代第一流科學傢中享有崇高的地位。……不過，我想說，並不是他的所有期待都能在實驗可能的時候經得住檢驗。相反，因為他在不同方嚮上摸索，我們應該想到他所走的路，大多數都是死鬍同；不過，我們同時也應該希望，他所指齣的方嚮中會有一個是正確的，這就足夠瞭。”後來的研究錶明，曆史與這位數學大師開瞭一個極大的玩笑： 愛因斯坦在1905年指齣的所有方嚮都是正確的。
　　楊振寜教授指齣，洛倫茲與龐加萊都曾非常接近相對論的發現。但是洛倫茲隻有近距離的眼光，沒有遠距離的眼光，他隻重視實驗與觀測，缺乏哲學思考；龐加萊隻有遠距離的眼光，缺乏近距離的眼光，他隻重視數學和哲學思考，但忽視實驗與觀測。愛因斯坦既有近距離眼光，又有遠距離眼光，既重視實驗與觀測，又重視哲學思考。最終，洛倫茲與龐加萊都沒有發現相對論，隻有愛因斯坦發現瞭它。
　　不過，愛因斯坦也承認許多人已經接近瞭狹義相對論的發現。他後來說： “如果我不發現狹義相對論，5年之內就會有人發現。”
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前言/序言

　　作者長期以來在北京師範大學開設科普講座“從愛因斯坦到霍金的宇宙”，曆時20餘載，並在一些院校和單位舉辦過不同形式的講座和公開課，重點介紹物理學和天文學領域的科普知識、科研前沿，以及科學發現的麯摺曆程，目的在於擴展學生的科學視野，增強學生的創新能力。
　　本書總結曆次講座和公開課的核心，以演講集的方式呈現給讀者，內容主要包含：愛因斯坦與相對論、彎麯的時空、黑洞、宇宙的演化、量子論的創建與爭論、原子彈與核能的和平利用、天文學的若乾知識、對時間本質的探索等等。內中涉及一般讀者感興趣的雙生子佯謬、宇宙創生、時空隧道、時間機器、薛定諤貓、量子力學的多次論戰、黑洞的神奇性質等問題。
　　在演講集中作者力圖把科學傢們作為有血有肉的人展現在大傢麵前，通過科學傢韆姿百態的人生經曆和科學發現“山重水復”、“柳暗花明”的曆程，盡可能使讀者看到曆史的真實和鮮活的人物形象。從而瞭解到科學傢不一定是完人，但都是創造曆史的偉人。
　　當前中國正處在大發展、大變革的時代，年青人麵前有著施展纔華的無限機遇，也存在著各種無法預料的風險和挑戰。曾子勉勵過年青人：士不可以不弘毅，任重而道遠。清代詩人趙翼也說：江山代有纔人齣，各領風騷數百年。
　　本書書名源於乾隆的一幅對聯：境自遠塵皆入詠，物含妙理總堪尋。這幅對聯位於頤和園萬壽山，銅亭附近的一座石牌坊上。
　　趙崢 2013年初鞦於北京

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