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編輯推薦

　　

　　仰望天空，宇宙有多大？時空是什麼形狀？萬物之本是什麼？這是我們每個人的睏惑。本書你將看到科學傢是如何思考和迴答這些問題：作用原理、對稱、相對性、等效原理、光速不變原理等“上帝”設計世界時的基本原理；量子力學、相對論、大爆炸、黑洞、彎麯時空、蟲洞、暗物質、暗能量等令人腦洞大開的理論。以及這些偉大發現背後的故事和科學傢的思路曆程，感受隱藏著的生動靈感和科學精神。
　　《上帝如何設計世界：愛因斯坦的睏惑》由原點閱讀齣品。
　　原點閱讀（The Origin），清華大學齣版社旗下的圖書品牌，秉承“科學，讓個人更智慧，讓社會更理性”的理念，緻力於科學普及和科技文化類圖書的齣版，傳播科學知識、科學精神、科學方法，展現科學的真實、獨立、智慧、多變、寬容、動人及迷人。
　　

內容簡介

　　科學研究探索的是萬物之本。萬物之本是什麼？上帝是如何設計這個世界的？這是愛因斯坦的睏惑。
　　首先簡單概括瞭牛頓力學及麥剋斯韋電磁理論。從經典理論碰到的睏難，引齣愛因斯坦建立相對論的思考和曆史過程。第一章主要介紹狹義相對論的基本概念。第二章介紹廣義相對論少不瞭的數學工具：黎曼幾何。從幾何直觀和物理應用的意義上來引進黎曼幾何，並重點突齣內蘊幾何思想的重要性。第三章中解釋瞭狹義相對論引發的有趣佯謬及質能關係式。第四章介紹廣義相對論的基本思想，第五章則是主要介紹瞭宇宙學中的大爆炸理論、暗物質、暗能量等假設的來龍去脈、全新研究狀況等等。
　　從《上帝如何設計世界：愛因斯坦的睏惑》中也可看到這些偉大發現背後的故事和科學傢的思路曆程。科學傢們是如何發現問題的？他們曆經瞭一些什麼樣的睏難？他們又是如何想到瞭解決問題的方法的？探討發現自然規律的曆史，領略其背後隱藏著的生動靈感和科學精神。

作者簡介

　　張天蓉，女，科普作傢，美國得州奧斯汀大學理論物理博士，現住美國芝加哥。研究課題包括廣義相對論、黑洞輻射、費曼路徑積分、毫微微秒激光、集成電路EDA軟件等。發錶專業論文三十餘篇。2008年齣版科普小說《新東方夜譚》；2010年11月齣版懸疑小說《美國房客》。2012年開始，在科學網發錶一係列科普博文，其文風深入淺齣，趣味盎然，亦保持科學的嚴謹性，深得讀者喜愛。是第六版《十萬個為什麼》物理捲參編者之一。已齣版多部暢銷科普讀物：《蝴蝶效應之謎：走近分形與混沌》《世紀幽靈：走近量子糾纏》《電子，電子？誰來拯救摩爾定律？》《數學物理趣談：從無窮小開始》《噴頭下的世界：漫談3d打印》。

精彩書評

　　★玻爾，親愛的上帝不擲骰子！
　　　　——愛因斯坦
　　
　　★愛因斯坦，彆去指揮上帝該怎麼做！
　　　　——玻爾
　　
　　★上帝不但擲骰子，他還把骰子擲到我們看不見的地方去！
　　　　——霍金
　　
　　★物質告訴時空如何彎麯，時空告訴物體如何運動。
　　　　——約翰·惠勒

目錄

造物者的奧秘：寫在廣義相對論誕生100周年
第一章 時間空間之謎
1. 牛頓點亮的火把
2. 電磁交響麯
3. 尋找以太
4. 相對性原理
5. 什麼是“同時”？
6. 萬有引力
7. 量子革命
第二章 黎曼幾何
1. 幾何幾何
2. 迷人的麯綫和麯麵
3. 爬蟲的幾何
4. 愛因斯坦和數學
5. 矢量的平行移動
6. 阿扁的世界
7. 測地綫和麯率張量
第三章 相對論佯謬知多少
1. 雙生子佯謬
2. 同時的相對性
3. 閔可夫斯基時空中的固有時
4. 四維時空
5. 勻加速參考係上的Alice
6. 飛船佯謬
7. 質能關係E=mc2
第四章 引力和彎麯時空
1. 等效原理
2. 圓盤佯謬和場方程
3. 實驗證實
4. 時空中的奇點
5. 霍金輻射
6. 黑洞的戰爭
第五章 茫茫宇宙
1. 宇宙常數的故事
2. 大爆炸模型
3. 永不消失的電波
4. 探索引力波
5. 暗物質
6. 引力透鏡
7. 暗能量
8. 路在何方？

精彩書摘

　　霍金輻射
　　物理學的專業詞匯中，恐怕很難找齣彆的術語，能比“黑洞”一詞更深入公眾之心，黑洞又和那個輪椅上歪歪倒倒的傳奇人物霍金的名字連在一起。因此，兩者都廣為人知。40年之前，英國物理學傢史蒂文?霍金將量子論引入黑洞的經典理論【30】，提齣hawking radiation的觀點。而2014年1月，據說這位著名科學傢在一篇文章中否定瞭自己對黑洞的看法，認為黑洞不存在。但是仔細研究瞭一下霍金的文章之後【31】，感覺霍金的原意與媒體渲染下造成的公眾影響大相徑庭。
　　量子力學和相對論是上世紀物理學的兩項重大成果。100年左右的曆史中，大量實驗事實和天文觀測資料分彆在微觀和宏觀世界驗證瞭這兩個理論的正確性。然而，當這兩個理論碰到一起的場閤，卻總是水火不相容，這其中的根本原因，都得歸罪於“引力”（gravitation）這個桀驁不馴的傢夥。從1687年牛頓發錶萬有引力定律，到愛因斯坦1915年的廣義相對論，直到現在……。幾十上百年來，一代又一代的理論物理學傢們，傾注瞭無數心血，花費瞭寶貴光陰，至今仍然對它的本質知之甚少，難以駕馭。所幸的是，需要同時用到兩個理論來解決引力問題的場閤不多，可以說是非常之少。在研究宇宙和天體運動的大尺度範圍內，廣義相對論可用於解決引力問題，而在量子理論大顯神通的微觀世界中，引力非常微弱，大多數情況都可以對其效應不予考慮。然而，有兩個例外的情況，必須既要用到量子力學，又要應用引力理論。它們之中的一個是宇宙的開始時刻，即大爆炸的起點；另一個就是黑洞。在這兩種情況下，尚未被物理學傢統一在一起的引力和量子，便打起架來瞭。霍金對黑洞問題發錶的最新說法，便是為瞭解決理論上的矛盾而提齣的一種方案。
　　廣義相對論的核心是引力場方程。方程的一邊是物質的能量動量張量，另一邊則是由四維空間的麯率及其導數組成的愛因斯坦張量。著名美國物理學傢約翰?惠勒曾經用一句話來概括廣義相對論：“物質告訴時空如何彎麯，時空告訴物質如何運動”【32】。這句話的意思就是說，時空和物質通過引力場方程聯係到瞭一起。這種聯係可以利用圖1來說明。左圖中，極重的天體使得周圍空間彎麯而下凹，這種下凹的空間形狀又影響瞭這個天體以及周圍其它物體的運動軌跡。
　　還可以進一步用一個日常生活中容易理解的現象來作比喻：一個重重的鉛球放在橡皮筋繃成的彈性網格上，使橡皮筋網下陷。然後，另外一些小球掉到網上，它們將自然地滾嚮鉛球所在的位置。如何解釋小球的這種運動？牛頓引力理論說：小球被鉛球的引力所吸引。而廣義相對論說，是因為鉛球造成瞭它周圍空間的彎麯，小球不過是按照時空的彎麯情形運動而已。
　　兩個圖則錶明：天體質量越大，空間彎麯將會越厲害。大到一定的程度，蹦蹦網被撐破而形成瞭一個東西全往下掉再也撿不起來的“洞”，即黑洞。
　　在上世紀70年代以前，物理學傢一直沿用黑洞的上述廣義相對論模型。但是，黑洞的引力是如此之巨大，尺寸又是如此之小，對引力的量子理論躍躍欲試的理論物理學傢們，自然而然地將手伸進瞭這個迷宮。70年代初，理論物理學傢Jacob Bekenstein研究瞭黑洞的熵及其熱力學性質；史蒂芬?霍金則提齣黑洞也有輻射，即霍金輻射。
　　霍金認為，在黑洞的事件視界邊緣，由於真空漲落，將不斷發生粒子反粒子對的産生和湮滅。因為處於視界邊緣，很大的可能性，這兩個粒子中的一個將掉入黑洞，另一個則錶現為像是黑洞的輻射。由於這種被稱之為霍金輻射的現象，黑洞將不斷地緩慢地損失能量。最終的結果會導緻所謂的“黑洞蒸發”而消失不見。
　　真空漲落産生的粒子反粒子對，有點像上一節所舉例子中的艾麗絲和鮑勃。隻不過正反粒子對是憑空隨機産生的，不像兩個活人，是父母生齣來的。但它（他）們符閤的經典運動圖像可以類比。
　　既然霍金開瞭一個頭，將量子論引入瞭黑洞研究中，人們便蜂擁而至。然而，至今40年過去瞭，除瞭遭遇到許多睏難，提齣瞭幾個悖論之外，可以說成果甚少。
　　首先，黑洞由星體塌縮而形成，形成後能將周圍的一切物體全部吸引進去，因而黑洞中包括瞭大量的信息。而根據“霍金輻射”的形成機製，輻射是由於真空漲落而隨機産生的，所以並不包含黑洞中任何原有的信息。但是，這種沒有任何信息的輻射最後卻導緻瞭黑洞的蒸發消失，那麼，黑洞原來的信息也都全部丟失瞭。可是量子力學認為信息不會莫名其妙地消失。這就是黑洞的信息悖論。
　　此外，形成“霍金輻射”産生的一對粒子是互相糾纏的。量子糾纏態是量子理論最基礎的概念之一，已經被各種實驗所證實。處於量子糾纏態的兩個粒子，無論相隔多遠，都會相互糾纏，即使現在一個粒子穿過瞭黑洞的事件視界，也沒有理由改變它們的糾纏狀態，這點顯然與相對論預言的結果相矛盾。
　　黑洞戰爭
　　理論物理學傢們一直為解決信息悖論及與黑洞相關的其它問題而努力，提齣瞭各種方案和理論。
　　美國斯坦福大學教授倫納德?薩斯坎德（Leonard Susskind，1940年－）是一個幽默風趣的美國理論物理學傢，頗有理查德?費曼的風格。據薩斯坎德自己迴憶，因為高中時候是一個“壞小子”而大學階段學瞭工程，後來纔立誌成為一個理論物理學傢。薩斯坎德是弦論的創始人之一，他著有一本《黑洞戰爭》【48】，精彩地描述瞭物理學界30年來有關黑洞本質特性的一場論戰。論戰中的一方是薩斯坎德和1999年諾貝爾物理奬得主，荷蘭物理學傢赫拉德?特霍夫特，另一方則是公眾熟悉的霍金。
　　如上一節中介紹的，霍金提齣瞭霍金輻射以及黑洞蒸發的理論，造成信息悖論。然而，薩斯坎德等意識到，這種觀點不符閤量子力學，將使物理學陷入危機。而薩斯坎德等認為，並非理論本身有問題，而是由於霍金對量子論的概念有錯而造成的危機。
　　黑洞的確是一個令物理學傢們著迷而又睏惑的研究對象。物理學傢霍金似乎已經成瞭大眾心目中“黑洞”一詞的代錶，將他視為研究黑洞的最高權威。然而，你可能沒有聽說過，霍金因為對黑洞問題的理解上3次與物理學界的同行們打賭，但有趣的是，每次都以霍金輸掉賭局而告終。
　　在當今世界上研究引力理論的眾多物理學傢當中，美國理論物理學傢基普?索恩（Kip Stephen Thorne，1940- ）（《星際穿越》電影的科學顧問）被認為是權威之一。索恩是加州理工學院教授，和費曼一樣，他也是當年約翰?惠勒在普林斯頓大學的博士學生之一。索恩喜歡以黑洞問題為目標與人打賭，而且每次都贏。除瞭其中的三次贏瞭霍金之外，還有最早一次是贏瞭印度裔美國物理學傢、諾貝爾物理奬得主錢德拉塞卡，那次，他們是就黑洞穩定性的問題打賭。
　　由此可知索恩對黑洞概念功底之深。1997年，索恩與霍金就以上所述的黑洞信息丟失問題打賭。霍金認為黑洞蒸發後信息沒有瞭，而索恩和普雷斯基爾認為黑洞可以隱藏它內部的信息。三人打賭的賭注是一本百科全書。
　　黑洞信息悖論實質上也是因為廣義相對論與量子理論的衝突而産生的，霍金站在廣義相對論一邊，薩斯坎德等則站在量子論一邊，索恩和普雷斯基爾其實都算是引力方麵專傢，不過，他們獨具慧眼，將賭注下到瞭薩斯坎德一邊。
　　薩斯坎德和特霍夫特從計算黑洞熵而悟齣瞭一個全息原理，從而解釋瞭信息悖論。全息原理認為，信息不會丟失，黑洞的邊界儲存瞭進到黑洞中的包括物質組成和相互作用的所有信息。
　　另外，薩斯坎德熱衷於互補原理。類似於量子力學中認為光“既是波又是粒子”互補的觀點，薩斯坎德認為黑洞內外的兩個觀測者觀察到的現象也是互補的。比如說，故事中的Alice可以既在黑洞內，又在黑洞外。不要非得取其一，完全可以同時“既是此又是彼”，是互補的兩者。換言之，物質落入黑洞的過程，完全可以用邊界上的量子理論來理解和描述。物理學傢們使用全息原理直接計算齣瞭多種黑洞的熵，計算錶明霍金蒸發並非隨機的，其中包含瞭進入黑洞的物質的所有信息。全息原理的成功，使得霍金本人也認輸瞭。
　　2004年一次廣義相對論和引力國際會議上，霍金宣布，黑洞的演化是符閤因果律的，並沒有丟失信息，他承認輸掉瞭這場賭賽。
　　2013年，美國加州大學聖芭芭拉分校四位理論物理學傢（AMPS）發錶瞭一篇論文：《BlackHoles：Complementarityor Firewalls？》【33】。文章的四個作者，以理論物理學傢約瑟夫?玻爾欽斯基（Joseph Polchinski）為首。他們提齣“黑洞火牆”悖論。（作者注：Firewall可以翻譯成防火牆，但在這兒的意思不是“防火”的牆，而是“著火”的牆，故翻為“火牆”）。他們認為，在黑洞的視界周圍，存在著一個因為霍金輻射而形成的能量巨大的火牆。當量子糾纏態的粒子之一，或者說愛麗絲，穿過視界掉到這個火牆上的時候，並不是像廣義相對論所預言的，悠悠然什麼也不知道，毫無知覺地穿過視界被拉嚮奇點，而是立即就被火牆燒成瞭灰燼。原來的量子糾纏態也在穿過視界的瞬間便會立即被破壞掉。
　　這篇論文把矛盾集中到瞭黑洞的邊界—事件視界（Event Horizon）上。就此爭論錶態，霍金於2013年8月份在加州聖巴巴拉卡維利理論物理研究所召開的一次會議上發錶瞭講話。而霍金2014年1月22日發錶的文章便是基於這個會議發言。
　　為瞭解決這個矛盾，霍金提齣瞭一個新的說法，認為事件視界不存在，而代之以一個替代視界叫做apparent horizon（錶觀視界），認為這個所謂的錶觀視界纔是黑洞真正的邊界。並且，這一邊界隻會暫時性地睏住物質和能量，但最終會釋放它們。因此，霍金沒有否定黑洞的存在，隻是重新定義瞭黑洞的邊界。
　　黑洞問題爭論的實質，是廣義相對論和量子理論産生的矛盾。隻有當有瞭一個能將兩者統一起來的理論，纔能真正解決黑洞的問題。
　　統一路在何方？
　　談到物理學史的時候，我們常常說到20世紀初物理學天空中的兩朵烏雲，一朵發展為量子力學，一朵發展成瞭相對論。一百多年來，這兩個理論分彆在理論物理學中的兩個極端：微觀世界和宇觀世界中叱吒風雲。然而，當它們碰到一起的時候，卻顯得水火不相容，似乎弄得物理學傢們啞口無言，手腳無措。
　　曆史總是呈現某種螺鏇式的循環。有時候，事情轉來轉去又迴到看起來是非常古老的問題。如今我們碰到的問題是：世界是由什麼構成的？100多年前，人們就相信所有的物質都是由原子組成的，但那時候對原子結構的細節卻還知道很少，直到1911年盧瑟福提齣原子的行星模型，纔使得人們能夠在腦海中對原子勾畫齣一個具體直觀的圖像。而這五、六十年來粒子物理的發展，使我們瞭解到更深層的物質結構。粒子物理的標準模型告訴我們，我們能觀察到的所有一切物質，包括地球、太陽、星星，都是由12種基本粒子組成的，其中包括6種誇剋和6種輕子，可以將它們分成4個傢族。
　　然而，近年來宇宙學的長足進展，給理論物理學提齣瞭許多新問題。特彆是宇宙學傢們對宇宙物質成分絕大部分是暗物質和暗能量的新看法，完全是標準模型未曾預料到的。物理學傢們好像又迴到瞭100多年之前的睏惑，不過這次麵對的不是原子，而是暗物質和暗能量。這些奇怪的“暗貨”，構成宇宙96%的成分，主宰瞭宇宙的動力學，關係著宇宙的過去和未來。物理學傢接受它們的存在，卻不知道它們到底是什麼。
　　科學的規律永遠如此，任何時候都有數不清的疑問和睏惑。正如人們所說的：疑問和睏惑纔能啓發靈感，危機就是轉機和生機。或許，暗物質和暗能量就是新時代天空中的兩片烏雲，它們有可能引發物理理論新的革命。當感覺“山窮水盡疑無路”時，纔有可能迎來“柳暗花明又一村”的景象。
　　也有學者認為，相對論和量子理論本來就隻是20世紀尚未完成的物理學革命的第一步。從這兩個理論的研究繼而提齣的“引力量子”統一理論纔是21世紀物理學中真正的難題。隻有徹底解決這個問題，纔能解決宇宙學中的暗物質和暗能量等等問題。這似乎又有些類似於愛因斯坦後半生所追求的統一之夢，當然，此夢非彼夢，時間已經過去瞭大半個世紀，無論是在基礎物理學的理論方麵，還是在宇宙學天文學的實驗觀測方麵，都有瞭許多愛因斯坦無從預料的進展和結果。不過，追求統一理論的願望是一緻的。也許這是一個隻能無限逼近，但卻永不可及的遙遠目標，是上帝精心策劃的造物秘密之一，它讓物理學傢們前僕後繼，孜孜以求，永不放棄，追尋那個渺茫又美麗的夢。不過，物理學傢們心甘情願，義不容辭，因為他們從尋夢中滿足瞭自我，得到瞭無窮的樂趣。
　　物理學傢們企圖從不同的途徑來邁嚮大統一之路，有的人從量子理論開始，想將相對論包括進來，這條路發展齣瞭弦論；有的從廣義相對論齣發，企圖將經典引力理論量子化，然後再修正量子理論；有的人則傾嚮於乾脆放棄原來的兩個理論，另闢捷徑。這多條道路有時分道揚鑣，有時又會聚在一起。無論走哪一條路，起碼的要求是既要考慮愛因斯坦理論中 “新穎的時空觀”，也得兼顧量子論中的“奇談怪論”，需要既是物質的理論，又是時空的理論；既能詮釋微觀粒子的運動，又能解釋宇宙演化的曆史；能夠包羅各種理論，解釋所有實驗結果，這是一個艱巨的任務。
　　前進的方嚮很多，曙光也許就在前方。何時纔能到達勝利的彼岸呢，取決於年輕一代科學傢的加入和努力。
　　……

前言/序言

　　當你仰望繁星密布的夜空，環顧神秘莫測的宇宙，你可能會提齣種種疑問：星星到底有多少？宇宙究竟有多大？實際上，從遠古時代起，人類就開始瞭對天體運行及宇宙起源的探索和思考，無論是西方舊約中的上帝創世紀，還是中國神話中的盤古開天地，都將天地宇宙描述成是處於永恒的運動和變化之中。即使後來人類掌握瞭科學這個銳利的武器，也仍然賦予宇宙以動態的圖像，而非靜止和一成不變的。既然宇宙處於不停的變化之中，那麼，它變化的曆史如何？它是否有一個起點和終點？它是如何演化成我們現在所觀察到的這種形態的？它未來的命運如何？對這一大串問題，也許每種宗教、甚至每個人，都有自己的說法，但我們這兒感興趣的，是科學傢們如何迴答這些問題，更為具體地說，物理學傢們是如何迴答這些問題的？

　　科學是人類走嚮文明過程中創造的奇跡，是古往今來成百上韆個科學傢心血和智慧的結晶。科學研究探索的是萬物之本。萬物之本是什麼？從古到今，不同學派給齣不同答案。畢達哥拉斯認為“萬物皆數”。但萬物皆由物質構成，萬物之本應與研究物質的物理學有關。物理學是“究物之理”的科學，探討研究從無限小的微觀世界到無限大的宏觀世界，擔當瞭“上窮碧落下黃泉”的艱巨任務。

　　在物理學中，有一個偉大的物理學傢的名字，印在瞭每一個現代基礎物理理論的篇章中，他就是：愛因斯坦。

　　其實，何止是物理學。在偉大的科學巨匠中，愛因斯坦在公眾中的影響力無人能比，他的頭像連小學生都認識，他的名字傢喻戶曉。如今，這位偉人離開這個世界已經超過瞭半個世紀，他所作齣的幾項最傑齣的貢獻，包括1905年提齣光電效應和狹義相對論，以及1915年建立的廣義相對論，也都已經是100年之前的故事瞭。

　　盡管每個人都知道愛因斯坦的名字，但卻未必瞭解他的工作。就此而言，愛因斯坦和牛頓在公眾心目中的印象不一樣。經典的牛頓力學實例，在日常生活中隨處可見：當你坐在加速運動的汽車上，能感覺到力的作用，你知道如何運用牛頓第二定律來計算加速度和力的關係；當你和對麵跑過來的朋友撞在一起，大傢都感覺傷害痛楚時，你會用牛頓第三定律，即作用力等於反作用力來解釋這個現象，因為那是中學物理的內容。但如果問你，愛因斯坦對物理學的貢獻到底是些什麼呢？那就不是人人都能說齣一個所以然的瞭。也許很多人都能用一個詞匯來迴答這個問題：相對論啊。然而，相對論又是什麼呢？愛因斯坦為什麼想到瞭要創立兩個相對論呢？相對論在物理學中以及各門科學、各行各業中有哪些應用？這兩個理論與我們的現實生活能關聯起來嗎？大多數人可能就難以迴答瞭。

　　1905年，被稱為愛因斯坦的奇跡年，這一年內他發錶瞭6篇有影響力的論文，分彆引領瞭物理學三個不同領域中的研究方嚮。其中的狹義相對論徹底改變瞭人們的經典時空觀；有關光電效應的文章揭開瞭量子革命的篇章；另一篇則從分子運動的理論解釋瞭布朗運動，對統計物理有所貢獻。

　　100年前，1915年，愛因斯坦提齣瞭他最引為得意的廣義相對論，這個理論至今仍然是天體物理及宇宙學中建立天體星係運動模型以及宇宙演化模型的理論基礎。近年來該領域中熱門研究的大爆炸理論、暗物質、暗能量等等，也都是與此有關。

　　愛因斯坦曾經說過一句名言：“我想知道上帝是如何設計 上帝如何設計世界：愛因斯坦的睏惑 下載 mobi epub pdf txt 電子書

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書很不錯，我很喜歡看這類

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質量好，物美價廉，當然好評！！希望服務上能再接再厲，也希望這個網絡平颱越辦越好！！

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局部想瞭解總部是很難的，上帝如何設計世界，連外星人都在研究的事地球人再過N年吧。

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學習，真的有上帝麼？

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