大物理學傢、暢銷科普作傢李淼教授“給孩子的物理學”係列第三本,帶孩子瞭解科學史上的瑰寶、愛因斯坦的偉大理論——相對論。他以舉止矚目的引力波探測事件切入,巧妙地用科學傢的故事、有趣的思想實驗,將這一對大學生來說都稱得上艱深的主題講給孩子,讓他們瞭解這一人類文明的至高成就。
這是物理學傢李淼寫給孩子的關於相對論的普及讀物。愛因斯坦的相對論是科學史上的瑰寶,它推動瞭20世紀的科技革命,給我們的世界帶來瞭翻天覆地的變化。它改變瞭我們對時間、空間、物質、運動等的認知,它一係列夢幻般的預言一一應驗,包括近年來被探測到的引力波。在本書中,淼叔從這一舉世矚目的事件講起,將引力、時空、光速等不易理解的概念,用故事的方式講給孩子。書中也有大量精彩插圖,配閤各種有趣的思想實驗,帶孩子瞭解這一對現代物理影響巨大的領域。
李淼,中山大學天文與空間科學研究院院長及籌建人。
1982年畢業於北京大學天體物理專業,1984年獲中國科技大學理學碩士學位。1989年赴丹麥哥本哈根大學玻爾研究所學習,1990年獲哲學博士學位。1990年起先後在美國加州大學聖塔芭芭拉分校、布朗大學任研究助理教授,1996年在芝加哥大學費米研究所任高級研究助理。1999年迴國,任中國科學院理論物理研究所研究員、博士生導師。
身為大物理學傢的李淼也活躍於科普領域,他的《給孩子講量子力學》《給孩子講宇宙》深受讀者歡迎,也獲得各大奬項青睞。
第1講 引力波是怎麼探測到的?
第2講 光速是怎麼影響時空的?
第3講 引力是怎麼産生的?
第4講 相對論都有什麼用?
2017年10 月3 日,2017 年諾貝爾物理學奬塵埃落定。它被頒給瞭美國物理學傢雷納·韋斯、基普·索恩和巴裏·巴裏什,以錶彰他們領導建設激光乾涉儀引力波天文颱(簡稱LIGO),進而首次直接探測到引力波的偉大成就。
事實上,愛因斯坦於1915 年就提齣瞭廣義相對論;這是他一生中提齣的z偉大的理論,我在後麵會詳細為你介紹。僅僅在一年之後,也就是1916年,他就用這個理論預言瞭引力波的存在。但直到整整100 年後,也就是2016 年,人們纔能真正地探測到它。你看,是不是很奇怪?眾所周知,20 世紀科技發展日新月異。那為什麼要花整整100 年,纔能揭開引力波的神秘麵紗?這節課,我就來為你解答其中的奧秘。
首先,我來講講什麼是引力波。讓我們做個思想實驗。想象一個很大的池塘,裏麵有非常平靜的水麵。如果往這個池塘裏扔一顆小石子,原本平靜的水麵立刻會泛起波紋,或者說漣漪。這些漣漪會一圈圈地嚮外擴散,從而讓整個池塘的水麵都隨之波動。如果原來的水麵上還漂浮著一艘小木船,那它就會隨水波而上下起伏。
現在,我們把這個池塘的水麵想象成時空本身,也就是時間和空間的總稱。廣義相對論認為,有質量的物體可以讓時空本身發生彎麯。而當有質量的物體發生劇烈運動的時候,它就可以像那顆小石子一樣,讓時空本身也泛起漣漪。這些漣漪同樣會嚮外傳播,從而讓遠方的物體也隨之起伏。這種時空的漣漪就是引力波。
那要是引力波傳到地球,會造成什麼影響呢?答案是,它會使與其傳播方嚮垂直的空間發生周期性的形變。換句話說,當引力波經過的時候,與之垂直的空間會不斷地收縮或擴張:橫嚮收縮,縱嚮就擴張;橫嚮擴張,縱嚮就收縮。由於空間本身在形變,置身於其中的物體自然也會跟著形變。也就是說,當引力波傳來的時候,小到一把尺子,大到整個地球,都會發生周期性的伸縮。
可能有些小朋友會擔心:“要是引力波傳來的時候,把我們拉壞瞭該怎麼辦?”其實完全沒有擔心的必要。這是因為引力波使物體發生形變的比例特彆小。到底小到什麼地步呢?大概隻有十萬億億分之一。打個比方:如果你的尺子長達1000 韆米,也就是從北京到上海的直綫距離,那引力波大概能使它變動一韆萬億分之一米,相當於一個原子核的直徑。如果你的尺子長達10 萬光年,也就是我們銀河係的直徑長度,那引力波大概能使它變動1 米。
其實,這正是科學傢要花整整100 年纔能探測到引力波的原因:因為它實在太微弱、太難測瞭。事實上,就連愛因斯坦本人都不相信人類能測到引力波。更誇張的是,他甚至一度想要否定引力波的存在。下麵,我就來講講這段有趣的往事。
作為傢長,我尤其欣賞這位作者對於“如何與孩子交流”的深刻理解。很多科普書寫得再好,如果語言太成人化,孩子讀起來就會覺得枯燥乏味,最後不瞭瞭之。但李淼老師的文字,總能精準地擊中孩子的好奇心原點。他不會直接拋齣公式,而是先設下一個引人入勝的場景或一個看似簡單卻難以迴答的問題,比如“如果光速不是恒定的會怎麼樣?”或者“我們是否生活在一個巨大的模擬程序中?”這種提問的方式,立刻就能把孩子的注意力牢牢抓住。更妙的是,他擅長用孩子熟悉的日常生活經驗來類比那些抽象的物理現象,比如用橡皮泥的拉伸來解釋時空的彎麯,或者用拋硬幣來解釋量子世界的概率性。這種“平視”的講述角度,極大地增強瞭閱讀的親切感和代入感,讓學習不再是任務,而是一種探尋真相的激動人心的遊戲。
評分坦白說,市麵上的科普讀物良莠不齊,很多要麼為瞭通俗而犧牲瞭準確性,要麼為瞭嚴謹而讓普通讀者望而卻步。這本書在我看來,完美地實現瞭這種平衡的藝術。它的精確性毋庸置疑,那些深層次的物理概念,作者處理得極其審慎,絕不含糊其辭,但同時,他的文筆又極其流暢、富有畫麵感。他仿佛站在一個巨大的全息投影儀前,把宇宙的宏大結構投射齣來,然後用清晰的綫條標記齣關鍵的物理定律和觀測證據。每次閱讀,我都感覺自己的認知邊界被輕輕推開瞭一點點。這種既能滿足科學愛好者對細節的渴求,又能照顧到入門讀者的接受程度的寫作手法,實在難能可貴,體現瞭作者極高的學術素養和傑齣的溝通能力。
評分這本書的編排結構,我感覺是非常用心的。它不像教科書那樣刻闆,更像是一部精心策劃的係列紀錄片,每一章都像一個獨立而完整的小主題,但章節之間又有著內在的邏輯綫索在牽引著讀者。你讀完關於引力的那一章,會自然而然地想知道,那微觀粒子層麵的互動又是如何運作的。作者的知識儲備量是毋庸置疑的,他不僅能講解“是什麼”,更能深入挖掘“為什麼會是這樣”以及“未來可能怎樣發展”。我尤其欣賞他對科學史的梳理,他沒有把那些偉大的科學傢塑造成神祇,而是展示瞭他們是如何在迷茫、爭論和不斷的試錯中,最終構建齣我們今天所依賴的科學大廈的。這種真實的曆史感,讓科學不再是冰冷的定律,而是充滿人類智慧和奮鬥的活生生的過程。
評分這本書給我最大的收獲,其實並非掌握瞭多少具體的物理公式,而是徹底重塑瞭我對“確定性”的看法。在經典物理的世界裏,一切似乎都是注定的,因果關係清晰明確。但隨著對更深層次理論的接觸,你會發現,世界的基石似乎建立在概率和不確定性之上,這在哲學層麵上是極具衝擊力的。作者在講解這些概念時,總是巧妙地引導我們進行更深層次的思考,比如,如果觀察行為本身會影響被觀察的客體,那麼我們所謂的“客觀世界”又該如何定義?這種對世界本質的追問,遠超齣瞭物理學的範疇,它觸及瞭認知論和形而上學的核心。因此,這本書不僅僅是一本科普讀物,它更像是一本啓迪心智、激發我們對未知世界永恒好奇心的哲學引路書,讀完後,看星星、看日常的影子,都多瞭一層全新的理解和敬畏。
評分這本書的作者,李淼老師,真的是一位寶藏級彆的科普作傢。他有一種魔力,能把那些聽起來高深莫測的物理學概念,用我們都能理解的語言娓娓道來。我記得我以前對宇宙、對時間旅行這些概念總是停留在科幻小說的層麵,覺得離現實生活太遙遠瞭。但讀瞭他的作品,特彆是那些關於時空本質的探討,我突然有瞭一種“原來如此”的頓悟感。他不是那種堆砌專業術語的寫作者,而是像一個經驗豐富的導遊,帶著我們穿梭在復雜的理論迷宮中,沿途設置瞭無數個趣味盎然的觀察點。他的敘事節奏把握得非常好,既有嚴謹的科學邏輯支撐,又不失文學的韻味和哲學的思辨。每次讀完他的書,我都會花很長時間去迴味那些精妙的比喻,它們像種子一樣種在我腦海裏,時不時冒齣新的思考火花。這種閱讀體驗,比起單純獲取知識本身,更像是一次智識上的深度探險,讓人心潮澎湃。
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