什么是相对论(狭义篇)9787302625940
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作者长尾君|责编:胡洪涛//王华
出版社清华大学
ISBN9787302625940
出版时间2023-03
装帧平装
开本其他
定价59元
货号31699243
上书时间2024-12-13
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作者简介
长尾君，原名张文，2018年5月开始以“长尾科技”之名在公众号上发表相对论的科普文章。此后，秉着“想学什么就尝试去科普什么，只有给人讲清楚了，才算学明白了”的费曼式学习态度，在“以科普促学习”的道路上越走越远。长尾君重点关注物理、数学、哲学以及中小学生的科学教育，坚持以极为通俗的语言和缜密的逻辑把复杂的科学问题说清楚，希望更多人能感受到科学的美丽。已出版畅销书《什么是高中物理》。
目录
第1篇 相对论前夜
01 日心说的困境
02 相对性原理
03 惯性系
04 从实验到定律
05 伽利略变换
06 牛顿力学与伽利略变换
07 牛顿第二定律
08 绝对时空观
09 电磁理论的挑战
10 第一种可能性
11 第二种可能性
12 新的时空观
13 电磁波的疑难
14 光速不变原理
15 结语
第2篇 相对论诞生
16 电磁疑难
17 以太
18 光行差实验
19 阿拉果的实验
20 部分曳引假说
21 斐索流水实验
22 一阶光学实验
23 一阶相对性原理
24 迈克尔逊-莫雷实验
25 为什么是二阶？
26 实验的结论
27 洛伦兹和电子论
28 长度收缩假说
29 牛顿与水桶实验
30 马赫与水桶实验
31 不存在绝对运动
32 电磁感应之思
33 相对性原理
34 真正的困难
35 对应态定理
36 时间
37 最后的沉思
38 狭义相对论
39 升级牛顿力学
40 暂时的收尾
41 从归纳到演绎
42 结语
第3篇 质能方程
43 从狭义相对论出发
44 动量守恒定律
45 伽利略变换
46 牛顿力学的定律
47 洛伦兹变换
48 狭义相对论的定律
49 新的动量
50 新的动能
51 质能方程
52 回到牛顿力学
53 质量与能量
54 牛顿的质量
55 电磁场的挑战
56 质量亏损
57 核反应特殊吗？
58 质量是能量的量度
59 新的图景
60 不动的质量
61 结语
第4篇 闵氏几何及常见的相对论效应
62 为什么很多人觉得几何语言难？
63 两个基本假设
64 光速不变的秘密
65 欧氏几何不变量
66 线元决定几何
67 闵氏几何与狭义相对论
68 时空图
69 同时的相对性
70 两个坐标系
71 尺缩效应
72 闵氏几何的线长
73 校准曲线
74 双生子佯谬
75 双生子佯谬的几何解释
76 世界线和固有时
77 双生子佯谬之完结篇
78 结语
拓展阅读
01 斐索流水实验，以太理论和相对论的交锋
02 当相对论说动尺收缩时，它是如何测量的？
03 从雷击火车实验看同时的相对性
04 相对论里时间是相对的，会破坏因果律吗？
05 听说一切物体在时空中的速度都是光速c？
06 光子没有质量为什么有能量？
参考文献
内容摘要
爱因斯坦到底是如何创立相对论的？以太跟相对论到底有什么关系？迈克尔逊-莫雷实验在相对论的创立过程中到底扮演了什么角色？光速不变和相对性原理为什么难以协调？尺缩、钟慢只是我们的视觉效应吗？质能方程E=mc2只在核反应里才有效吗？我们又该如何正确地理解质能方程？
作者会站在初学者的角度，用平实的语言和缜密的逻辑带领大家进入爱因斯坦的精神世界，让中学生也能在相对论的世界里尽情地遨游。
精彩内容
为了给狭义相对论作铺垫，我先给大家介绍了麦克斯韦方程组。为了让中小学生能更好理解麦克斯韦方程组，我又写了微积分，现在终于可以正式谈一谈狭义相对论了。
为什么讲狭义相对论要
先讲电磁理论呢？
爱因斯坦发表狭义相对论的论文叫《论动体的电动力学》，一般电动力学教材的最后一章也会讲狭义相对论。这一来一去，你就知道它们的关系不一般了。
那这跟牛顿又有什么关系呢？
牛顿建立了上知天文下知地理的力学体系，日月星
辰、潮起潮落都遵循他的定律，这是第一次工业革命的基石；麦克斯韦方程组则包含了一切经典电磁学的东西，他还发现了电磁波，这是第二次工业革命的基础。
牛顿和麦克斯韦的理论在各自领域都获得了巨大的成功，是经典物理学的两座丰碑。但是，如果你试图把它们融合在一起，用统一的目光看待它们，立即就会出现不可调和的矛盾。
为了解决这些矛盾，爱因斯坦进行了艰苦卓绝的探索，并最终创立了狭义相对论。
这种情境，很像现在的广义相对论和量子力学。
当我们使用广义相对论处理引力问题，处理恒星和宇宙的演化时非常好用（可以忽略量子效应），当我们使用量子力学处理电磁力、
强力、弱力的问题时也非常好用（引力太弱，可以忽略）。
但是，当我们碰到那些又重又小的东西（比如黑洞和宇宙初期），无法忽略引力和量子效应中的任何一个的时候，就必须结合广义相对论和量子力学，这一结合就出大问题了。
广义相对论和量子力学的不兼容是当今物理学一等一的大事，这种情况跟百年前牛顿力学与麦克斯韦电磁
学的不兼容很相似。两种理论能够在各自领域工作良好，就证明它们至少包含了某种正确性，而一结合就出问题，说明我们还是忽略了某些关键的东西。
那么，牛顿力学和麦克斯韦电磁学之间的矛盾是什
么？为什么它们无法兼容？
有什么关键的东西被忽略了，爱因斯坦又是如何发现的？为什么是年轻的爱因斯坦先发现了这个，其他物理学家却总是差那么一点？
类似地，广义相对论和量子力学之间的矛盾是什么？它们之间被忽略的关键东西又是什么？爱因斯坦统一
牛顿力学和麦克斯韦电磁学的工作对我们统一广义相对论和量子力学又有什么启发？
学习历史是为了更好把握未来，科学也一样。在这本书里，我会尽力把历史说清楚，现在和未来的问题，就交给你来慢慢琢磨了。
好，下面进入正题。
01日心说的困境为了让大家更清楚地了解牛顿和麦克斯韦这两位泰斗的战争，我们先把时间往
前推2000年。没错，又来到了古希腊时期。
提到日心说，绝大部分人立即就会想到哥白尼，甚至直接把日心说和哥白尼画上等号。但是，如果你去翻翻历史，就会发现早在公元前3世纪，一个叫阿利斯塔克的人就提出了日心说，这比哥白尼早了足足1800年。
阿利斯塔克是古希腊著名的天文学家，他用数学计算出太阳的半径比地球的大很多（虽然不够精确），所
以，他认为是太阳在宇宙中心，地球围绕着太阳转，地球自转一圈为一天，地球围绕着太阳公转一圈为一年。
这是一个很强的论证，如果太阳真的比地球大很多，我们当然更倾向于认为是“小地球”围绕着“大太阳”转。此外，他还发明了一些方法去测量太阳、月亮和地球之间距离的比值。
虽然受限于条件，他当时没法测得很准，但是随着
时间的推移，这些数据肯定是会越来越精确的，那得到的结果也应该越来越支持阿利斯塔克的日心说。
但是，后面的结果我们都知道了。400多年后，伟
大的天文学家托勒密在构建他的天文体系时采用的是地心说，而不是日心说，为什
么？
先不谈宗教的事，托勒密作为一位杰出的科学家，他为什么最终选择了地心说，而不是看起来很合理的日心说呢？
具体的原因有很多，但其中有一个影响非常大，绝对不能忽视，甚至可以说是击中了当时日心说死穴的原
因：如果地球真的在高速转动，那为什么我们跳起来后会落回原地，而没有被甩出去？
为什么天上的云不会被吹向一边？
这个问题放到现在当然很简单，一个初中生都可以自豪地甩出“惯性”送给你。
但是在当时，或者说在伽利略以前，这的确是巨大的科学难题。
当我们在说惯性的时候，我们其实已经默认了伽利略一牛顿的运动观，认为“力是改变物体运动的原因，而不是维持运动的原因”。
但伽利略之前的人并不知道这些，他们认为运动是需要
力来维持的。你跳起来之后没有力了，但是依然能落回原地，那就只能认为地球是静止的。
于是，托勒密就理所当然地拒绝了日心说。
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