【假一罚四】宇宙相对论
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作者[英]布莱恩·克莱格著；杨桓译；唐禾译
出版社重庆出版社
ISBN9787229158699
出版时间2021-08
装帧精装
开本16开
定价56元
货号31209464
上书时间2024-11-29
商品详情
- 品相描述：全新
- 商品描述
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作者简介
布莱恩·克莱格，英国理论物理学家，量子物理学家，有名科普作家。克莱格曾在牛津大学研习物理，一生致力于将宇宙中奇特领域的研究介绍给大众读者。他是英国大众科学网站的编辑和英国皇家艺术学会会员。著有科普畅销书《量子纠缠》《量子时代》《十大物理学家》《宇宙相对论》《科学大浩劫》等。他和妻子及两个孩子现居英格兰的威尔特郡。
目录
1 入门
2 虚无
3 素材
4 时间
5 运动
6 引力
7 生命
8 创造与革新
9 基本关系
附录：简明狭义相对论
内容摘要
理解宇宙的基本组成部分如何运作，必须理解相对论，一切问题皆由“参照系”决定。事实上，人们对相对论既熟悉又陌生，从伽利略相对论到爱因斯坦相对论，鲜有人能深度理解。
欲理解电路的工作原理？不妨如物理实验课那样，自己动手搭建一个电路，从中理解电压、电阻、电流之前的关系。同理，欲理解相对论，不妨从相对论描述的宇宙着手，逐步构建一个全新的模型宇宙，从模型中窥视。
《宇宙相对论》构架了这一宇宙模型，从空间、时间、物质、运动、引力、生命等多维度诠释相对论与它们的关系，如何正确理解相对论，认识宇宙演进规律背后潜藏的根本机制。书稿由9章构成，第1章，入门；第2章，虚无；第3章，素材；第4章，时间；第5章，运动；第6章，引力；第7章，生命；第8章，创造与革新；第9章，基本关系。
作者从相对论的角度解读质能方程、引力方程、场方程组，用闵可夫斯基图探讨空间弯曲，用广义相对论推导引力波，逻辑清晰、论证明确。附录还陈列了精彩的“狭义相对论”简明公式推导，非常适合爱好科学的读者阅读。
主编推荐
科学认知相对论
参照系理解宇宙奥义
理解宇宙的基本组成部分如何运作，必须理解相对论，一切问题皆由“参照系”决定。事实上，人们对相对论既熟悉又陌生，从伽利略相对论到爱因斯坦相对论，鲜有人能深度理解。
欲理解电路的工作原理？不妨如物理实验课那样，自己动手搭建一个电路，从中理解电压、电阻、电流之前的关系。同理，要想真正理解相对论，不妨从相对论描述的宇宙着手，逐步构建一个全新的宇宙。
《宇宙相对论》构架了这一宇宙模型，从空间、时间、物质、运动、引力、生命等多维度诠释相对论与它们的关系，阐述参照系的选择对我们理解世界、宇宙、生命具有的重要意义，认识宇宙演进规律背后潜藏的根本机制。
书稿列举了许多有意思的思想实验以形象地解释时间膨胀、质量膨胀、尺缩效应等奇妙现象，如有名的雷击列车实验、车辆碰撞实验、水桶实验、光时钟实验、铆钉实验、时光机实验……作者用公式和示意图演示了实验中的数学计算与相对论效应，科学地论述了空间与时间、速度与时间的变性关系。
理解相对论的核心并不困难，重点在参照系选择，参照系的变化将带来结果的变化。理解相对论，在数学水平上只需高中文化，但在物理水平上需要你的大胆想象——站在系统之外看系统，站在宇宙之外看宇宙。
作者从相对论的角度解读质能方程、引力方程、场方程组，用闵可夫斯基图探讨空间弯曲，用广义相对论推导引力波，逻辑清晰、论证明确。作者在附录中陈列了精彩的“狭义相对论”简明公式推导，很好适合爱好科学的读者阅读。
精彩内容
1入门相对论是本书的核心。我们习惯于认为相对论即爱因斯坦（Einstein）在物理学中提出的那一系列的繁杂内容（当然，爱因斯坦的成果的确是相对论的组成部分），但相对论还有大量的其他内容。
欲从基础层面体悟相对论，我们需要来一趟时光之旅，回到1624年，去意大利（Italy）中部翁布里亚（Umbria）的皮耶迪卢科湖（LakePiediluco）见见伽利略（Galileo）。据说，当年，伽利略正和一群朋友远足，他们乘坐在一艘由数人划动的船上，欣赏着漂亮的湖景。当时，他们正以很快的速度在水面上划行。有传闻称，伽利略当时问自己的朋友斯泰卢蒂（Stelluti），能否从他那借到一个有份量的物品。斯泰卢蒂勉强地将自己家的钥匙递了过去。那是一把400年前的钥匙，可不是今天我们熟悉的精致小巧的月牙钥匙，那时的钥匙多为大大的铁家伙且极难匹配替换。
让斯泰卢蒂惊恐的是，伽利略从自己手里拿过钥匙后用尽全力地扔了出去——他将钥匙垂直地扔上了天空。你可别忘了，船仍在以不低的速度向前运动。故而，斯泰卢蒂已做好了随时跳进湖里的准备，他担心自己的钥匙掉下来时船已划走了，这枚珍贵的钥匙会在船的后方掉入水中。同时，他的朋友们必须得拽住他，避免他在抓钥匙的过程中完全落水。结果是，钥匙掉回了伽利略的腿上。
这个故事的真实性尚待商榷——许多有关伽利略的故事都缺少事实证据的支持。不过，可以肯定的是，在做某些事情的时候伽利略充满了自信，他做的这些事在后来被称为相对论。依照自然假想，斯泰卢蒂认为，当沉重的金属钥匙还处于空中时，快速运动的船会从其下方划走。然而，他并未透彻地理解“运动”的真实含义，伽利略却有过认真思考。
体系之内无论何时，只要某事件涉及到“参照系”（对某事件进行观察时，其所处的特定环境及状态），就涉及了相对论，这恰好是发生在伽利略的小船上的事件。相对论既是看待事物的方式，也是理解事物如何发生交互作用的必然要求。在物理学中，某些客观事实一旦被孤立，就失去了意义。对这类现象，我们必须使用相对性去理解。引用相对性，就必须选择一个参照系，以作为客观事实的背景。在相对论中，相对性涵盖很广，小至能测量运动的全部参数，大至能探索我们宇宙所处位置的参数。相对论可以预测一场车祸会造成多大伤害，也可以预测时间中的旅行，还可以解释引力发挥作用的机制。感受相对论的作用、理解它为何总是违背我们的直觉，的确有些困难——要对这一理论有坚实的理解，我们必须从头开始，重新塑造我们的宇宙观。
重塑宇宙观显然是个大型任务。现实一点来讲，对于宇宙的复杂性，我们只能来一次惊鸿之瞥。即便这样，也足够我们探索相对论那包罗万象的本质。
在揭示相对论用途的过程中，参照系的概念非常重要。参照系是事件运行时的背景，它可以是纯粹物理性质的体系。对此，我用一句戏剧脚本中经常见到的描述举例，“艾玛（Emma）从左边走到了右边。”如果没有参照系，我们不可能知道左右，应按谁的视角来看待这一行动。显然，坐在观众席往舞台上看与坐在后台看向观众席，左右不同！没有清晰的参照系，我们不知道扮演艾玛的演员该往哪个方向行走。因此，戏剧脚本通常会用“舞台左侧”或“舞台右侧”作表述，以使背景清晰。
“左”与“右”这样的术语本身就是相对的。先有一个参照系存在，这两个术语才能真正具有意义。这样的物理学系统给我们带来了相对论的最基本形式。回到伽利略游湖的例子，以湖岸或水作参照时，船在运动，这显然是真实情况，是不证自明的事实。但那样的运动不能被认作具有绝对性——比如，以船上乘客作为参照系，船仍然在运动，乘客将会很快落在船的后方，变成落汤鸡。真实情况是，从乘客的角度看，船并未运动，是水和湖岸（事实上是整个地球）向他们的后方运动。
如果乘客中的某个人将自己的手指放入湖中，上述现象会变得明显——他能在皮肤上感觉到水流正向后方运动。发生于钥匙上的事件与此相同。在以船为参照系的系统中，钥匙并未向前或向后运动，只是发生了向上以及向下的运动。所以，钥匙最终无处可逃地掉进了伽利略的腿上，并未留在船的后方并没入湖水。
斯泰卢蒂对钥匙掉入水中的推理，提供了一个线索，使这一误解变得没那么令人难堪——钥匙离开了船，作用在船和钥匙上的力不再相同。二者都会受到向下的重力作用，二者都会受到空气阻力作用使其减速。不过，船还会受到另外两种力的作用——来自水体的更强大的减速阻力，以及划桨人使船向前运动的力。试想，如果钥匙在空气中停留足够长的时间，且不能受到任何向前的推力，它会在空气阻力的作用下减速。数学上，如果钥匙在空气中停留的时间达到某个值，船终究会越过钥匙落下的位置。实际上，案例中的物体太重，空气阻力的影响几乎可以忽略，不会出现极端结果。换个角度，如果伽利略向空中抛起的是一张纸片，结果或许完全不同。
如果不考虑上述陈述的不同力的情况，以船作参照系，扔钥匙这一动作实际上仅使钥匙发生了向上及向下的运动。在以船为参照系的系统中，是地球、湖水在运动。伽利略将这一概念作了外延——假设船匀速运动，且船体完全封闭（没有窗户，乘客看不见船外发生的事；同时，封闭的船还能隔绝乘客对空气流动的感知），那么，在船体内部进行的任何物理试验，均无法说明船是否处于运动状态。
简明狭义相对论阅读本书，并不意味着必须阅读以下附录。相对论涉及的数学问题令爱因斯坦头疼，但实际上，高中水平的数学就能理解狭义相对论知识。如果你对此充满好奇，我将给你一个机会，去看看恒定光速如何带来了时间扭曲效应，这是爱因斯坦在狭义相对论中提出的不同寻常的现象。
以下内容会涉及一些方程式。你也许还残存着学生时代对方程式的困惑和恐惧，我想告诉你，方程式仅是一种便利手段，让数学更易于理解并易于操作——具体到我们的实际情况，更易于对物体的行为建模。方程式中的字母，只代表一些简单的东西。在这些字母中，一些代表常数（有用的数字），如我们用c表示光速，不用写成“真空中的光速”或“299792458”。
一些字母代表变量。相比常数，变量更难理解，但却很有用。变量就像一个筐，你可以向筐内装入任何与你的目的接近的东西。举例，我们经常会遇到变量v，它代表速度。变量v的好处在于我们能代入与研究相关的任意值——当研究一艘航行速度为“100000千米/小时”的宇宙飞船时，只需将“100000”代入v即可。
变量唯一的限制性条件是单位，如“千米/秒”，用以描述所使用数字的尺度。当然，你可以选择自己喜欢的或者符合自己需求的单位。在速度这一例子中，这一单位表示单位时间内移动的单位距离。因此，我同样也能使用“英尺/年”或者其他单位。唯一需要注意的是，一旦你决定了距离的单位，必须在全方程中使用相同的单位，以避免不必要的麻烦。
我们用限速的例子帮助理解为何要对方程中的单位作统一。如，某条道路限速标识为60，它表示限速“60英里/小时”。此时，假设你汽车仪表盘速度显示为120，你给交警辩解，“我的速度为2（2英里/分钟），非60”。这样的辩解是无力的，“2英里/分钟”等于“120英里/小时”，已严重超速。
为避免多样性的单位，科学体系定义了一套标准单位，称为MKS，代表米（metres）、千克（kilograms）、秒（seconds）。因此，我们通常认为，科学家均采用“米/秒”衡量速度。如此，光的速度表达为略低于“300000000米/秒”。
希望大家不再对方程式感到畏惧，现在来看看全世界最著名的方程式：E=mc2此方程式具备了方程式的所有基本要素，以一种简单易懂的形式呈现。方程式之所以成为方程，是因为它的等号。等号告诉我们，方程式的左侧（E）与右侧（mc2）具有相同的值——它们是相等的。因此，方程式是等式的一种。在这个方程式中，c是常数（光的速度），此处它进行了一次平方，自己与自己相乘；能量（E）与质量（m）是两个变量。我们可以对两个变量中的任意一个赋值，就能得出另一个变量的值——知道能量，就能计算出等效的质量；知道质量，就能计算出等效的能量。
在使用狭义相对论的各个方程式时，我们需要学会区分不同的变量，如地球上的时间与宇宙飞船上的时间。在传统的相对论书籍中，表述两个不同“参照系”时会用一组普通变量（v与t）及一组加了一撇的变量（v’与t’）。我认为，用明确的标记更清楚，例如t地与t船。也许，学术界不这样做的原因，部分源于他们需要面对的方程更复杂，部分源于黑板上的书写更简单。但在图书中，有了恰当的排版，我们可以奢侈一下。
我之前介绍过狭义相对论的起点，光时钟——在一艘处于航行状态的宇宙飞船中，一束光以垂直于航行方向的角度在镜子间上下反射。在飞船上的宇航员看来，光在垂直地作上下运动；在地球上的观察者看来，光以一定的角度呈斜向运动，因为光束从光时钟顶部运动到底部的过程中飞船发生了位移。
为解释时间膨胀带来的非凡效应，我们为光时钟绘制了一幅思想图像，只涉及了基础几何。需要强调的是，无论以何种方式运动，光的运动速度恒定不变。
图11：光时钟示意图我们以飞船上的宇航员的观察角度展开阐述。设光时钟的高度为h。通常以c（常数）代表光速。因此，光运动的距离h等于t船×c，其中t船是观察者在飞船上的观察时长。
现在，我们离开飞船，以地球的观察角度回看这一事件。我们发现，光在斜向上进行运动。根据毕达哥拉斯定理（Pythagoras’theorem），我们能计算出光运动经过的距离，设其为d。三角形的另一边（图11中三角形的底边），就是观察时间内飞船向前移动的距离。这一距离等于飞船的运动速度v乘以地球观察者的观察时长t地。为了保持等式简洁，我们按惯例省略乘号，因此v乘以t地写作vt地。
根据毕达哥拉斯定理（勾股定律），d2=h2+(vt地)2。由于光速恒定，我们得出距离d为ct地（光速乘以观察时间）。因此，方程式可写作：(ct地)2=h2+(vt地)2等式两边同时减去(vt地)2：(ct地)2－(vt地)2=h2……提取公因数：方程式两边同时除以括号内的算式：之前，我们提到过，h等于t船c，将其代入上面的方程式：即：最后，我们将方程式两边同时开平方：其中，1/2是指对括号内的部分整体开平方。现在，方程式完成了。我们通过一个简单假设得出：在光速恒定且与运动状态无关的情形下如何出现了时间膨胀。上面公式真实存在，即狭义相对论推导出的时间膨胀公式。
也许，你的代数水平一般，阅读此段讲述或许感到困难。然而，对16岁的高中生而言，这些内容皆应掌握且不会令他挠头——推导这些内容用不了一页纸的篇幅。
现在，通过在方程式中代入飞船的速度，我们可以立即见证运动如何实现时间旅行。假设飞船运动速度为1/2光速，时间膨胀公式会告诉我们：t地=t船/[1－(c/2)2/c2]1/2……即：t地=t船/(1－c2/4c2)1/2约去c2：t地=t船/(1－1/4)1/2或t地=t船/(3/4)1/23/4的平方根约等于0.866，因此：t地=t船/0.866……这一方程式等于：t地=1.155t船这就是我们计算的时间旅行。如果飞船以1/2光速航行10年，当它回到地球时，地球上的时间已过去了11.55年。飞船的航行速度越接近于光速，v2/c2越接近于1，时间膨胀公式底部的数值会越来越小，系数会越来越大。飞船的速度越接近于光速，地球观察者看到飞船上的时间流逝就越慢——飞船会在时间长河中，航向地球上那更为遥远的未来。
类似地，将光时钟从垂直于运动方向更改为平行于运动方向，我们能推导出运动物体的长度发生缩短。狭义相对论还能解释质量膨胀，通过引入动量守恒定律可以办到。
最初推导狭义相对论的上述效应时使用的方法并不是光时钟。基于1887年迈克尔逊-莫雷实验（Michelson-MorleyExperiment）的结果，爱因斯坦和同时代的科学家认为光速恒定不变。迈克尔逊-莫雷实验中有一个运动的惯性系，惯性系中有两束彼此呈直角方向的光束，实验发现呈直角的两束光在运动中的光速一致，且两束光旋转时光速不变。由此结合一些数学知识可推导出狭义相对论效应。我认为，相较于光时钟，它不够直观，故选择了光时钟的例子。
媒体评论
Advance Praise for THE REALITY FRAME
《宇宙相对论》一书的发行评语
《宇宙相对论》记录了科学目前的精彩片段，同时陈述了大量的现代物理学知识。
——《独立报》（The Independent）
作者将科学的伟大思想编织起来，带我们踏上了一段从空白到人类心灵的惊险旅程。
——《科克斯书评》（Kirkus Reviews）
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