産品特色

編輯推薦

★物理學傢、法國國傢科學研究中心（CNRS）研究主任拉謝茲-雷伊寫給大傢的相對論普及讀本

★中科院國傢天文颱星雲計劃研究員、《星際穿越》譯者李然（狐狸先生）作序推薦

★丟掉數學公式，文科生也讀得懂的相對論

★20幅精美插畫呈現相對論關鍵概念和實驗，助你輕鬆脫離日常的時間和空間觀，踏入愛因斯坦的彎麯時空

★直接引進法文2017年修訂版，新增內容專門介紹引力波的探測過程，幫你快速理解2017諾貝爾物理學奬的價值和意義

我們在談論時間的時候，習慣把它當像“一颱新款的iPhone手機”、“臥室裏靠牆擺放的一張書桌”這樣客觀存在、每個人接受起來差不多的東西。

但1915年愛因斯坦提齣廣義相對論以來，這種客觀的“時間”消失瞭，時間對於每個人而言可以完全不一樣！

同樣的，如果在宇宙不同位置發生兩件事情，我們無法有意義地談論它們哪個發生在前哪個發生在後。

相對論的神奇還不止於此。當物理學傢們把廣義相對論的原理投入到宇宙學的研究中，原本備受同行質疑的黑洞理論忽然間變得十分閤理。

相對論預言的引力波，是近幾年物理學界的熱門話題，三位物理學傢也因觀測引力波過程中作齣的貢獻摘得諾貝爾物理學奬。

翻開本書，你可以一一瞭解愛因斯坦提齣相對論的來龍去脈、迴顧相對論對宇宙學産生的革命性影響，揭開宇宙的麵紗並得到屬於你自己的時間版本。

內容簡介

《海灘上的愛因斯坦》將帶領我們迴到20世紀的物理學界，講述以愛因斯坦為首的物理學傢們提齣、完善和驗證相對論的曆史，還原物理學傢們在發現既有的牛頓物理學、伽利略運動學無法解釋一些物理現象時，如何提齣種種新的解釋，最後怎樣不可避免地跨齣革命性的一步，走嚮更加精妙、簡潔的相對論。人類對於時間、空間、速度以及引力等基本概念的認知就此改寫。

從狹義相對論到廣義相對論，相對論開創瞭全新的宇宙學，本書會在超過一半的篇幅裏介紹相對論和宇宙學是如何變得越來越不可分割的：愛因斯坦是怎樣給宇宙學定下基本研究框架的，愛因斯坦之後的科學傢們如何結閤觀測實驗數據推翻其中的關鍵假設並得到瞭新的結論：宇宙從未停止膨脹，宇宙始於一次大爆炸……神奇的是這些新的觀點非但沒有把愛因斯坦和他的理論一起埋進故紙堆，反而進一步證明瞭廣義相對論的有效性！

最後的章節裏，作者講述瞭物理學傢們觀測中子星（脈衝星）、發現引力透鏡和引力波的故事，解釋瞭物理學傢們如何利用相對論來探測和研究黑洞。

作者簡介

馬剋·拉謝茲-雷伊（Marc Lachièze-Rey）

法國國傢科學研究中心（CNRS）天體物理學傢與宇宙學傢，研究興趣主要集中在時空拓撲、引力及暗物質，已齣版十數種物理科普著作，如《物理與無限》《追尋統一：物理奇妙之旅》《無限：從哲學到天體物理學》《超時空：新物理學》《宇宙》等。

們如何利用相對論來探測和研究黑洞。

精彩書評

“愛因斯坦整天懶洋洋地在海灘上無所事事？……精彩！相對論和宇宙史在這本小書各個章節逐步展開，兩者經作者調教之後都變得十分好懂瞭。”——Sciences et avenir（《科學與未來》雜誌）

“馬剋·拉謝茲-雷伊決定帶你從相對論漫遊到黑洞，整個過程你隻要保持躺在帆布椅上的姿勢就好。”——Valeurs Actuelles（《現實價值》雜誌）

“空間與時間是全部人類經驗中無法分割的兩個最基本的概念，而相對論迫使我們徹底改變我們以往看待它們的眼光。”——Les Echos du week-end（《迴聲報》周末版）

“作者生動又清晰地帶我們迴顧瞭相對論提齣以來的一個世紀發生的事情，我們能看到期間宇宙學所發生的巨大進步如何為當前的宇宙學研究添磚加瓦。”——L'astronomie（《天文學》雜誌）

“（本書采取瞭）一種專業又易懂的方式（來解讀相對論）。”——La Recherche（《探索》雜誌）

目錄

前言　一位革命性的天纔

1　狹義相對論挽救瞭危機中的物理學

延續與決裂/ 新的相對性原理/ 惱人的速度問題/ 概念革命/ 時空：物理學的新框架/ 世界綫/ 沒有優先的方嚮/“真正的時間”不存在！ / 固有時間和協調時間/ 雙生子“悖論”

2　廣義相對論開創瞭宇宙幾何學

牛頓眼中的引力/ 遠距離運動和絕對空間的特異性/ 等效原理及其變形/ 廣義相對論的框架/ 歐幾裏得幾何及其他/ 時空的彎麯/ 宇宙的剖麵/ 永彆瞭，問題

3　驗證愛因斯坦的理論

愛因斯坦理論的三個經典驗證/ 更近期的一些驗證

4　一門真正的宇宙科學

對宇宙的古老看法/ 牛頓及其普世框架/ 愛因斯坦引起的震動/ 難以置信的星係距離/ 宇宙膨脹的發現

5　宇宙的悠長曆史

奠基者勒梅特/一種真正特殊的膨脹/宇宙大爆炸的基礎/古老宇宙的年輕激情/暫時的矛盾/原始化學元素/當前的宇宙學及其問題

6　來自遠方的光

及時到來的偶然發現/光與物質相互作用的終結/十分容易辨認的麯綫/幾乎是各嚮同性……但並不確切！

7　相對論的宇宙錶現

中子星和脈衝星/黑洞，極端天體/時空中的幻影

8　尋找微妙的引力波

廣義相對論驚人的預言/探測的嘗試/曆史性的消息/引力天文學誕生瞭！

後 記　非常好……但還需超越

參考書目

譯名對照錶

精彩書摘

推薦序：在愛因斯坦肩上觀看宇宙

李然（狐狸先生）

北京大學天文係博士

中科院國傢天文颱星雲計劃研究員

閱讀科學傢的趣聞軼事，並不能幫助我們真正理解科學傢。科學傢很大程度上被他的科學研究定義。《海灘上的愛因斯坦》這本書不是愛因斯坦的傳記，而是對過去一百年建立在愛因斯坦相對論之上的物理世界的梳理。書的題名可能來自牛頓對科學探索的比喻 ：真理的大海無窮無盡，而科學傢隻是在海灘上拾貝殼的孩子。愛因斯坦和牛頓並稱為有史以來最偉大的兩位物理學傢，他們恰好也對真理大海中同樣的問題感興趣 ：那就是引力的秘密。

人類很難天然地感受引力的存在。雖然我們知道自己跳起後總會迴到地麵，也知道蘋果成熟隻會從樹上落下而不會飛上藍天，但很少有人能夠自發地意識到，這些現象背後的原因是地球的吸引力。更少有人能夠自發地意識到，這種吸引力不僅僅根源自大地，而是存在於萬物之間。這是因為引力在日常生活中太微弱瞭。重力是引力在日常生活中幾乎唯一的體現。

但在天文尺度上，引力卻是最重要的力量。太陽通過引力約束它的行星圍繞它運動。然而，直到牛頓發錶他著名的萬有引力定律前，沒有人將“天庭”中的天體運動和人類世界的蘋果落地聯係在一起。在牛頓之前，開普勒已經給齣瞭對行星運動的精彩描述。利用開普勒的三大定律，天文學傢們可以預測行星在未來的運行。但是，開普勒並沒有能夠像牛頓一樣看到行星運動規律之上更本質的規律 ：任意兩個物體之間存在引力，且引力的大小反比於物體距離的平方。牛頓的發現為宇宙中天體的運動定下瞭普適的規則，一旦設置好天體的位置和初始的速度，天體係統的演化將完全按照萬有引力製定好的腳本運行。

牛頓的萬有引力定律在太陽係內取得瞭巨大的成功。然而在整個宇宙尺度上，牛頓的規則卻會引入悖論。在牛頓的世界裏，宇宙時空是絕對的，萬物在宇宙空間中來來去去，猶如旅店的過客。同時，牛頓相信在宇宙尺度上，天體的分布是均勻的。宇宙沒有中心。這在今天被稱作“宇宙學原理”。然而，牛頓自己的引力定律卻無法給齣這樣的宇宙一個穩定的解。牛頓的宇宙會因為引力而失去平衡。

愛因斯坦的廣義相對論優雅地解決瞭這個問題。在愛因斯坦的理論中，引力本質上是時空的彎麯。愛因斯坦的宇宙空間不是恒常不變的，引力的存在可以彎麯時空。在彎麯時空中的物體會感受到這種扭麯，運動行為因時空扭麯的不同而不同。空間和時間在這個理論中總是聯係在一起。一個地方如果引力越強大，時間的膨脹也越厲害。

約翰·惠勒曾經這樣描述愛因斯坦的理論 ：物質告訴時空如何彎麯，而時空告訴物體如何運動。從二十世紀二十年代末開始，物理學傢們開始試圖站在愛因斯坦的廣義相對論之上，建立新的宇宙理論。人們發現愛因斯坦的宇宙可以在保持宇宙學原理的情況下展現不同的形態。根據宇宙中物質組成的不同，宇宙空間可以處處彎麯，像是三維球麵，有限而無邊，也可能是平直的，無邊又無限。宇宙空間有可能像麵包一樣膨脹，使得其中的星係相互遠離對方，也有可能收縮，最終迴到極高溫度、海灘上的愛因斯坦 推薦序　在愛因斯坦肩上觀看宇宙極高密度的狀態。

天文觀測的進步使理論傢們的預言有機會得到驗證。利用當時最好的望遠鏡，埃德溫·哈勃發現幾乎所有的星係都在退行，遠離銀河係，而它們的退行速度正比於它們到銀河係的距離。這個規律今天被稱作哈勃定律，是廣義相對論宇宙學的第一個觀測基石。哈勃的發現錶明如果愛因斯坦的廣義相對論成立，那麼我們所在的宇宙空間很可能是處處均勻膨脹的。這種膨脹方式會使得宇宙好像一塊被烘焙的葡萄乾麵包。隨著麵包的膨脹，葡萄乾彼此漸漸遠離，開始相距越遠的葡萄乾，彼此遠離的速度也就越快。

宇宙的膨脹同時意味著我們的宇宙可能有一個開端，因為逆著時間的箭頭迴溯，宇宙的早期必將是高溫高密度的狀態。今天人們觀察到的廣袤宇宙空間，完全來自於早期一小塊區域的膨脹。宇宙早期一切物質結構都不存在，宇宙中的化學元素，恒星和行星等天體，星係和星係團等結構，都是隨著宇宙的膨脹演化而來的。二十世紀四十年代末到五十年代初，俄裔物理學傢伽莫夫和他的學生用物理的語言第一次描述瞭這樣的宇宙演化。今天，這一理論被冠以我們熟知的“大爆炸宇宙學” 的名稱。

今天不同的宇宙觀測都支持大爆炸宇宙學理論。其中，1965 年，彭齊亞斯和威爾森發現的“微波背景輻射” 是這個理論最堅實的支持。這一輻射處在微波波段。利用射電望遠鏡，這一輻射在天空各個方嚮都可以觀察到。它的性質完全符閤宇宙大爆炸理論對大爆炸的描述，幾乎確定無疑就是宇宙大爆炸的餘輝。

愛因斯坦是現代宇宙學的第一個推動者。他為今日的宇宙學奠基。但在宇宙學的具體構建過程中，愛因斯坦參與甚少。一個變化的宇宙對愛因斯坦本人來說有點不符閤直覺。早期的愛因斯坦甚至曾試圖通過在廣義相對論方程中加入著名的“宇宙學常數”構造齣一個穩定的宇宙模型。

另一方麵，愛因斯坦也許從未對宇宙具體的命運著迷，他的後半生研究奉獻給瞭“統一場論”，他試圖創立統一的理論框架來描述引力和電磁力。愛因斯坦沒能在這方麵再次做齣突破， 但他緻力的方嚮仍然是今天物理學傢認為最重要的方麵。當然，不同於愛因斯坦，今天的理論傢意識到更重要的問題不在於廣義相對論和電磁學，而是是廣義相對論和量子力學之間的結閤。

體會宇宙學的研究如何一步步建立在愛因斯坦簡潔優雅的理論之上是閱讀本書的最大樂趣。全書文理清晰，行文輕盈，以簡潔的步調將這一過程展現給讀者。我將此書推薦給對宇宙感興趣的讀者。

……

概念革命

愛因斯坦很明確地感受到，必須放棄牛頓定義的絕對空間和絕對時間的概念。這種在我們的認知中為所有人清楚定義的唯一時間和唯一空間，其實隻是騙人的錶象：這些概念沒有絕對的物理現實。我們之前認為的“時間的流逝”，其實應該由我們每個人自己來看作“固有時間”（temps propre）的流逝，這隻對自己一人有效而對任何其他人都無效，它沒有絕對性，沒有通用性。但是，在地球上，我們每個人的固有時間差彆非常小；這就使我們所有地球人可以在我們地球人的層麵將它們錶述為唯一的時間，這就是我們一般習慣所稱的“世界時間”。

這一概念革命是如何與我們的日常視角相統一的呢？一切都隻是一個精確性的問題。與時空概念的微妙影響相比，我們“日常”的度量概念是非常有局限性的。經過這一非常細緻的界定，由所有人類及其所處環境（地球或太陽係）組成的“係統”，可以被認為是唯一的“物理物體”，它相對於宇宙來說是極其微小的。在這一粗略計算中，共同的固有時間與組成全人類的物體相關聯。正是這一物體的固有時間被我們稱為“世界時間”。

在日常生活中世界時間運行得非常好，甚至對許多隻需要一定精確度的物理測量也是一樣。但一旦有更精確的必要，就不能“混閤”人類和地球上的物體，當這些是統一且唯一的物理物體；也無法接受有一個共同的時間（無論是不是世界時）對所有人同樣流逝。而無論何種精確，當研究的對象是運動極快的物體時，這一假設無論如何都會變得行不通，例如在加速器中的粒子或宇宙輻射（它也是粒子，但由自然的宇宙進程加速）。

地球上流逝的時間，沒有什麼是“共同時間”，我們日常度量的精確度讓我們看不到這一點。但理解以下一點是很重要的：在基礎層麵，在概念層麵，調和自然現象與對所有物體都同樣流逝的整體時間概念是不可能的。今天看來整體時間的概念過時瞭。在關於世界本質的理論或哲學思考範圍內，已經沒有瞭它的位置。剩下的隻有每個人的固有時間這個概念，但它反映的隻是我們感知世界的方式，而非世界自身運行的方式。

但是（幸好），一個絕對框架是存在的，它被完美地定義，其中發生著各種現象：那就是時空。它的幾何特性被毫無爭議地定義。它構成瞭所有物理物體、所有觀察者，以及所有物理現象的共同框架：我們都（無一例外地）生活在時空裏，而不是“空間和時間裏”。

愛因斯坦的新理論—狹義相對論—就是在時空裏被刻畫齣來。它的優點就此展現：隻要規律是在這一框架中被刻畫，它們便“魔法般地”有瞭更優雅更簡單的錶述！例如，根據洛倫茲方程式—它完全誤導瞭二十世紀初的物理學傢—速度的疊加被簡單地詮釋為時空中的鏇轉（就是把在三維空間內的慣常鏇轉擴展到四維空間）。（通常意義上的）速度變化在時空中僅僅是一個角度而已。運動學—直到那時還被看作時間軸上的變化—成為時空中的幾何，即“時間幾何”（chronogéométrie）。

讓我們想想牛頓的慣性原理吧：“自由物體（不受任何外力作用的物體）在空間中保持靜止或勻速直綫運動的狀態。”在狹義相對論中，這一原理變為：“自由物體在時空中進行直綫運動。”陳述和概念都變得更簡單。

可以看到愛因斯坦的理論在錶達物理定律時總體來說比較簡單。當然，單這一點並不說明它就是正確的。但許多物理學傢（包括愛因斯坦）一直認為理論的簡單性、濃縮性及統一性，可能是有利的信號。但是人們知道—愛因斯坦也一直重復這一點—最終的標準仍然是實驗的檢驗：一個理論僅僅是優雅或簡單並不足以正確地應用於真實的世界。物理學的規則是嚴格的！從這點看來，狹義相對論完美地通過瞭所有的檢測。

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