海滩上的爱因斯坦：带上相对论去度假 epub pdf mobi txt 电子书 下载 2024

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产品特色

编辑推荐

★物理学家、法国国家科学研究中心（CNRS）研究主任拉谢兹-雷伊写给大家的相对论普及读本

★中科院国家天文台星云计划研究员、《星际穿越》译者李然（狐狸先生）作序推荐

★丢掉数学公式，文科生也读得懂的相对论

★20幅精美插画呈现相对论关键概念和实验，助你轻松脱离日常的时间和空间观，踏入爱因斯坦的弯曲时空

★直接引进法文2017年修订版，新增内容专门介绍引力波的探测过程，帮你快速理解2017诺贝尔物理学奖的价值和意义

我们在谈论时间的时候，习惯把它当像“一台新款的iPhone手机”、“卧室里靠墙摆放的一张书桌”这样客观存在、每个人接受起来差不多的东西。

但1915年爱因斯坦提出广义相对论以来，这种客观的“时间”消失了，时间对于每个人而言可以完全不一样！

同样的，如果在宇宙不同位置发生两件事情，我们无法有意义地谈论它们哪个发生在前哪个发生在后。

相对论的神奇还不止于此。当物理学家们把广义相对论的原理投入到宇宙学的研究中，原本备受同行质疑的黑洞理论忽然间变得十分合理。

相对论预言的引力波，是近几年物理学界的热门话题，三位物理学家也因观测引力波过程中作出的贡献摘得诺贝尔物理学奖。

翻开本书，你可以一一了解爱因斯坦提出相对论的来龙去脉、回顾相对论对宇宙学产生的革命性影响，揭开宇宙的面纱并得到属于你自己的时间版本。

内容简介

《海滩上的爱因斯坦》将带领我们回到20世纪的物理学界，讲述以爱因斯坦为首的物理学家们提出、完善和验证相对论的历史，还原物理学家们在发现既有的牛顿物理学、伽利略运动学无法解释一些物理现象时，如何提出种种新的解释，最后怎样不可避免地跨出革命性的一步，走向更加精妙、简洁的相对论。人类对于时间、空间、速度以及引力等基本概念的认知就此改写。

从狭义相对论到广义相对论，相对论开创了全新的宇宙学，本书会在超过一半的篇幅里介绍相对论和宇宙学是如何变得越来越不可分割的：爱因斯坦是怎样给宇宙学定下基本研究框架的，爱因斯坦之后的科学家们如何结合观测实验数据推翻其中的关键假设并得到了新的结论：宇宙从未停止膨胀，宇宙始于一次大爆炸……神奇的是这些新的观点非但没有把爱因斯坦和他的理论一起埋进故纸堆，反而进一步证明了广义相对论的有效性！

最后的章节里，作者讲述了物理学家们观测中子星（脉冲星）、发现引力透镜和引力波的故事，解释了物理学家们如何利用相对论来探测和研究黑洞。

作者简介

马克·拉谢兹-雷伊（Marc Lachièze-Rey）

法国国家科学研究中心（CNRS）天体物理学家与宇宙学家，研究兴趣主要集中在时空拓扑、引力及暗物质，已出版十数种物理科普著作，如《物理与无限》《追寻统一：物理奇妙之旅》《无限：从哲学到天体物理学》《超时空：新物理学》《宇宙》等。

们如何利用相对论来探测和研究黑洞。

精彩书评

“爱因斯坦整天懒洋洋地在海滩上无所事事？……精彩！相对论和宇宙史在这本小书各个章节逐步展开，两者经作者调教之后都变得十分好懂了。”——Sciences et avenir（《科学与未来》杂志）

“马克·拉谢兹-雷伊决定带你从相对论漫游到黑洞，整个过程你只要保持躺在帆布椅上的姿势就好。”——Valeurs Actuelles（《现实价值》杂志）

“空间与时间是全部人类经验中无法分割的两个最基本的概念，而相对论迫使我们彻底改变我们以往看待它们的眼光。”——Les Echos du week-end（《回声报》周末版）

“作者生动又清晰地带我们回顾了相对论提出以来的一个世纪发生的事情，我们能看到期间宇宙学所发生的巨大进步如何为当前的宇宙学研究添砖加瓦。”——L'astronomie（《天文学》杂志）

“（本书采取了）一种专业又易懂的方式（来解读相对论）。”——La Recherche（《探索》杂志）

目录

前言　一位革命性的天才

1　狭义相对论挽救了危机中的物理学

延续与决裂/ 新的相对性原理/ 恼人的速度问题/ 概念革命/ 时空：物理学的新框架/ 世界线/ 没有优先的方向/“真正的时间”不存在！ / 固有时间和协调时间/ 双生子“悖论”

2　广义相对论开创了宇宙几何学

牛顿眼中的引力/ 远距离运动和绝对空间的特异性/ 等效原理及其变形/ 广义相对论的框架/ 欧几里得几何及其他/ 时空的弯曲/ 宇宙的剖面/ 永别了，问题

3　验证爱因斯坦的理论

爱因斯坦理论的三个经典验证/ 更近期的一些验证

4　一门真正的宇宙科学

对宇宙的古老看法/ 牛顿及其普世框架/ 爱因斯坦引起的震动/ 难以置信的星系距离/ 宇宙膨胀的发现

5　宇宙的悠长历史

奠基者勒梅特/一种真正特殊的膨胀/宇宙大爆炸的基础/古老宇宙的年轻激情/暂时的矛盾/原始化学元素/当前的宇宙学及其问题

6　来自远方的光

及时到来的偶然发现/光与物质相互作用的终结/十分容易辨认的曲线/几乎是各向同性……但并不确切！

7　相对论的宇宙表现

中子星和脉冲星/黑洞，极端天体/时空中的幻影

8　寻找微妙的引力波

广义相对论惊人的预言/探测的尝试/历史性的消息/引力天文学诞生了！

后 记　非常好……但还需超越

参考书目

译名对照表

精彩书摘

推荐序：在爱因斯坦肩上观看宇宙

李然（狐狸先生）

北京大学天文系博士

中科院国家天文台星云计划研究员

阅读科学家的趣闻轶事，并不能帮助我们真正理解科学家。科学家很大程度上被他的科学研究定义。《海滩上的爱因斯坦》这本书不是爱因斯坦的传记，而是对过去一百年建立在爱因斯坦相对论之上的物理世界的梳理。书的题名可能来自牛顿对科学探索的比喻 ：真理的大海无穷无尽，而科学家只是在海滩上拾贝壳的孩子。爱因斯坦和牛顿并称为有史以来最伟大的两位物理学家，他们恰好也对真理大海中同样的问题感兴趣 ：那就是引力的秘密。

人类很难天然地感受引力的存在。虽然我们知道自己跳起后总会回到地面，也知道苹果成熟只会从树上落下而不会飞上蓝天，但很少有人能够自发地意识到，这些现象背后的原因是地球的吸引力。更少有人能够自发地意识到，这种吸引力不仅仅根源自大地，而是存在于万物之间。这是因为引力在日常生活中太微弱了。重力是引力在日常生活中几乎唯一的体现。

但在天文尺度上，引力却是最重要的力量。太阳通过引力约束它的行星围绕它运动。然而，直到牛顿发表他著名的万有引力定律前，没有人将“天庭”中的天体运动和人类世界的苹果落地联系在一起。在牛顿之前，开普勒已经给出了对行星运动的精彩描述。利用开普勒的三大定律，天文学家们可以预测行星在未来的运行。但是，开普勒并没有能够像牛顿一样看到行星运动规律之上更本质的规律 ：任意两个物体之间存在引力，且引力的大小反比于物体距离的平方。牛顿的发现为宇宙中天体的运动定下了普适的规则，一旦设置好天体的位置和初始的速度，天体系统的演化将完全按照万有引力制定好的脚本运行。

牛顿的万有引力定律在太阳系内取得了巨大的成功。然而在整个宇宙尺度上，牛顿的规则却会引入悖论。在牛顿的世界里，宇宙时空是绝对的，万物在宇宙空间中来来去去，犹如旅店的过客。同时，牛顿相信在宇宙尺度上，天体的分布是均匀的。宇宙没有中心。这在今天被称作“宇宙学原理”。然而，牛顿自己的引力定律却无法给出这样的宇宙一个稳定的解。牛顿的宇宙会因为引力而失去平衡。

爱因斯坦的广义相对论优雅地解决了这个问题。在爱因斯坦的理论中，引力本质上是时空的弯曲。爱因斯坦的宇宙空间不是恒常不变的，引力的存在可以弯曲时空。在弯曲时空中的物体会感受到这种扭曲，运动行为因时空扭曲的不同而不同。空间和时间在这个理论中总是联系在一起。一个地方如果引力越强大，时间的膨胀也越厉害。

约翰·惠勒曾经这样描述爱因斯坦的理论 ：物质告诉时空如何弯曲，而时空告诉物体如何运动。从二十世纪二十年代末开始，物理学家们开始试图站在爱因斯坦的广义相对论之上，建立新的宇宙理论。人们发现爱因斯坦的宇宙可以在保持宇宙学原理的情况下展现不同的形态。根据宇宙中物质组成的不同，宇宙空间可以处处弯曲，像是三维球面，有限而无边，也可能是平直的，无边又无限。宇宙空间有可能像面包一样膨胀，使得其中的星系相互远离对方，也有可能收缩，最终回到极高温度、海滩上的爱因斯坦 推荐序　在爱因斯坦肩上观看宇宙极高密度的状态。

天文观测的进步使理论家们的预言有机会得到验证。利用当时最好的望远镜，埃德温·哈勃发现几乎所有的星系都在退行，远离银河系，而它们的退行速度正比于它们到银河系的距离。这个规律今天被称作哈勃定律，是广义相对论宇宙学的第一个观测基石。哈勃的发现表明如果爱因斯坦的广义相对论成立，那么我们所在的宇宙空间很可能是处处均匀膨胀的。这种膨胀方式会使得宇宙好像一块被烘焙的葡萄干面包。随着面包的膨胀，葡萄干彼此渐渐远离，开始相距越远的葡萄干，彼此远离的速度也就越快。

宇宙的膨胀同时意味着我们的宇宙可能有一个开端，因为逆着时间的箭头回溯，宇宙的早期必将是高温高密度的状态。今天人们观察到的广袤宇宙空间，完全来自于早期一小块区域的膨胀。宇宙早期一切物质结构都不存在，宇宙中的化学元素，恒星和行星等天体，星系和星系团等结构，都是随着宇宙的膨胀演化而来的。二十世纪四十年代末到五十年代初，俄裔物理学家伽莫夫和他的学生用物理的语言第一次描述了这样的宇宙演化。今天，这一理论被冠以我们熟知的“大爆炸宇宙学” 的名称。

今天不同的宇宙观测都支持大爆炸宇宙学理论。其中，1965 年，彭齐亚斯和威尔森发现的“微波背景辐射” 是这个理论最坚实的支持。这一辐射处在微波波段。利用射电望远镜，这一辐射在天空各个方向都可以观察到。它的性质完全符合宇宙大爆炸理论对大爆炸的描述，几乎确定无疑就是宇宙大爆炸的余辉。

爱因斯坦是现代宇宙学的第一个推动者。他为今日的宇宙学奠基。但在宇宙学的具体构建过程中，爱因斯坦参与甚少。一个变化的宇宙对爱因斯坦本人来说有点不符合直觉。早期的爱因斯坦甚至曾试图通过在广义相对论方程中加入著名的“宇宙学常数”构造出一个稳定的宇宙模型。

另一方面，爱因斯坦也许从未对宇宙具体的命运着迷，他的后半生研究奉献给了“统一场论”，他试图创立统一的理论框架来描述引力和电磁力。爱因斯坦没能在这方面再次做出突破， 但他致力的方向仍然是今天物理学家认为最重要的方面。当然，不同于爱因斯坦，今天的理论家意识到更重要的问题不在于广义相对论和电磁学，而是是广义相对论和量子力学之间的结合。

体会宇宙学的研究如何一步步建立在爱因斯坦简洁优雅的理论之上是阅读本书的最大乐趣。全书文理清晰，行文轻盈，以简洁的步调将这一过程展现给读者。我将此书推荐给对宇宙感兴趣的读者。

……

概念革命

爱因斯坦很明确地感受到，必须放弃牛顿定义的绝对空间和绝对时间的概念。这种在我们的认知中为所有人清楚定义的唯一时间和唯一空间，其实只是骗人的表象：这些概念没有绝对的物理现实。我们之前认为的“时间的流逝”，其实应该由我们每个人自己来看作“固有时间”（temps propre）的流逝，这只对自己一人有效而对任何其他人都无效，它没有绝对性，没有通用性。但是，在地球上，我们每个人的固有时间差别非常小；这就使我们所有地球人可以在我们地球人的层面将它们表述为唯一的时间，这就是我们一般习惯所称的“世界时间”。

这一概念革命是如何与我们的日常视角相统一的呢？一切都只是一个精确性的问题。与时空概念的微妙影响相比，我们“日常”的度量概念是非常有局限性的。经过这一非常细致的界定，由所有人类及其所处环境（地球或太阳系）组成的“系统”，可以被认为是唯一的“物理物体”，它相对于宇宙来说是极其微小的。在这一粗略计算中，共同的固有时间与组成全人类的物体相关联。正是这一物体的固有时间被我们称为“世界时间”。

在日常生活中世界时间运行得非常好，甚至对许多只需要一定精确度的物理测量也是一样。但一旦有更精确的必要，就不能“混合”人类和地球上的物体，当这些是统一且唯一的物理物体；也无法接受有一个共同的时间（无论是不是世界时）对所有人同样流逝。而无论何种精确，当研究的对象是运动极快的物体时，这一假设无论如何都会变得行不通，例如在加速器中的粒子或宇宙辐射（它也是粒子，但由自然的宇宙进程加速）。

地球上流逝的时间，没有什么是“共同时间”，我们日常度量的精确度让我们看不到这一点。但理解以下一点是很重要的：在基础层面，在概念层面，调和自然现象与对所有物体都同样流逝的整体时间概念是不可能的。今天看来整体时间的概念过时了。在关于世界本质的理论或哲学思考范围内，已经没有了它的位置。剩下的只有每个人的固有时间这个概念，但它反映的只是我们感知世界的方式，而非世界自身运行的方式。

但是（幸好），一个绝对框架是存在的，它被完美地定义，其中发生着各种现象：那就是时空。它的几何特性被毫无争议地定义。它构成了所有物理物体、所有观察者，以及所有物理现象的共同框架：我们都（无一例外地）生活在时空里，而不是“空间和时间里”。

爱因斯坦的新理论—狭义相对论—就是在时空里被刻画出来。它的优点就此展现：只要规律是在这一框架中被刻画，它们便“魔法般地”有了更优雅更简单的表述！例如，根据洛伦兹方程式—它完全误导了二十世纪初的物理学家—速度的叠加被简单地诠释为时空中的旋转（就是把在三维空间内的惯常旋转扩展到四维空间）。（通常意义上的）速度变化在时空中仅仅是一个角度而已。运动学—直到那时还被看作时间轴上的变化—成为时空中的几何，即“时间几何”（chronogéométrie）。

让我们想想牛顿的惯性原理吧：“自由物体（不受任何外力作用的物体）在空间中保持静止或匀速直线运动的状态。”在狭义相对论中，这一原理变为：“自由物体在时空中进行直线运动。”陈述和概念都变得更简单。

可以看到爱因斯坦的理论在表达物理定律时总体来说比较简单。当然，单这一点并不说明它就是正确的。但许多物理学家（包括爱因斯坦）一直认为理论的简单性、浓缩性及统一性，可能是有利的信号。但是人们知道—爱因斯坦也一直重复这一点—最终的标准仍然是实验的检验：一个理论仅仅是优雅或简单并不足以正确地应用于真实的世界。物理学的规则是严格的！从这点看来，狭义相对论完美地通过了所有的检测。

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