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編輯推薦

愛因斯坦提齣廣義相對論已經過去100多年，這100年多年來，它一直被許多人認為是完美的理論，它被用來對宇宙的運行進行預言，而且這些預言均已得到觀察的證實，包括如今炙手可熱的引力波。作者用優美而又生動的筆觸嚮我們描述瞭瞭愛因斯坦之後，廣義相對論探索的波瀾壯闊圖景，一群性格迥異的偉大人物正陸續登場……《完美理論》是物理係列其中之一，這是一本廣義相對論的傳記，沒有科學背景也能暢讀。2018年新版的全新設計瞭版式、封麵，提升瞭閱讀體驗，讓讀科普不再艱難。隨書附贈價值39.6元由汪潔、吳京平聯袂解讀的《經典科普解讀課》6摺券。

內容簡介

自從阿爾伯特·愛因斯坦1915年首次提齣廣義相對論以來，物理學傢們一直在探索和質疑這一理論。他們的工作已揭開瞭宇宙中大量令人驚奇的秘密，很多人相信，更為神奇的奇跡正有待揭秘。

廣義相對論為我們對時間的起源和宇宙中所有恒星和星係的演化的理解提供瞭關鍵的理論。這一理論的堅定支持者不僅揭示瞭宇宙極大尺度的物質屬性，而且為*小尺度上的存在性研究開闢瞭道路，並解釋瞭實在的結構是如何突現的。我們正處在現代物理學的一場重大變革之中。由於科學傢在空間上能比以往任何時候都看得更遠、更清楚，因此《完美理論》揭示瞭廣義相對論的更廣闊的相關性，嚮我們展示瞭宇宙從哪裏開始，它的現狀，以及它還將帶領我們奔嚮何方。

作者簡介

佩德羅G. 費雷拉（Pedro G. Ferreira）從小在葡萄牙和英國長大，2000年進入牛津大學，從那以後，他像一顆新星在科學界耀眼地升起。曾在倫敦、伯剋利和歐洲核子研究中心工作過，目前是牛津大學天體物理學教授。

精彩書評

“愛因斯坦的優美理論誕生瞭差不多已有一個世紀，自從它麵世以後，其成果不斷地激起一陣陣發現的高潮。甚至沒有任何科學背景的讀者都可以從這部精彩的作品中領略到這一偉大理論的*新科學前沿的風貌，並真正感受到科學的社會和人文價值。”

——馬丁·裏斯勛爵，英國皇傢天文學傢

“《完美理論》是一本引人入勝的好書。從中我們看到那些傑齣的愛因斯坦的後繼者是如何為理解從黑洞到量子引力這些基本概念而不斷奮鬥和爭論。費雷拉用他那有趣的敘事風格，為我們展現瞭現代科學研究的一幅生動畫麵。”

——史提芬·施特勒加茨，康奈爾大學應用數學舒爾曼講座教授，《X的奇幻之旅》一書的作者

“愛因斯坦的廣義相對論是他對物理學的諸多貢獻中*偉大的一項貢獻。但令人驚訝的是，很少有人描述過這一領域在他去世後是如何發展壯大，以及廣義相對論對當代宇宙學和天體物理學所産生的深遠影響。佩德羅·費雷拉精彩地講述瞭這一理論的進展和對此作齣貢獻的人物的奮鬥曆程。”

——羅傑·彭羅斯爵士，牛津大學羅斯巴爾數學講座名譽教授，《通嚮實在之路》的作者

“關於宇宙的邊緣，以及探索這一領域的那些研究者的心路曆程，沒有比這本書描述得更好的瞭。”

——馬科庫斯·杜·索托伊，牛津大學“公眾科學素養”西濛尼講座教授，《素數的音樂》的作者

“佩德羅·G.費雷拉描繪瞭因一個偉大的想法而聚集起來的一個群體。他的描述既通透明瞭又不失優美深刻，極富感染力。他通過生動的細節嚮我們展現瞭取得人類*偉大成就的一群人的令人印象深刻的故事。”

——珍娜?萊文，哥倫比亞大學巴納德學院物理學暨天文學教授，《引力波》的作者

“愛因斯坦的廣義相對論是一個無與倫比的優雅簡潔的理論。但廣義相對論的曆史是混亂的，不可預測的，極富偶然的戲劇性。佩德羅?費雷拉作為這一領域的專傢，引*我們通覽瞭科學傢在尋求理解空間和時間的徵途上所遇到的波摺和麯徑通幽之處。”

——肖恩?卡羅爾，理論物理學傢，《尋找希格斯粒子》的作者

“這本書對當今有關空間、時間和引力的理解，對如何去尋找一個更好的理論做瞭很好的引介。費雷拉沒用方程或圖形，而隻是用精心組織的語言，嚮我們講述瞭有關這門科學及其如何發展的故事。我特彆欣賞他用白描的手法刻畫齣科學傢的各種性格特徵。”

——P.詹姆斯·皮布爾斯，普林斯頓大學愛因斯坦講座名譽教授

目錄

第1章 如果一個人自由下落

第2章 最有價值的發現

第3章 正確的數學，可憎的物理

第4章 坍縮的恒星

第5章 鸚鵡學舌

第6章 無綫電時代

第7章 惠勒叫法

第8章 奇點

第9章 統一的睏境

第10章 看見引力

第11章 暗宇宙

第12章 時空的終點

第13章 驚人的外推

第14章 待要發生的事情

緻謝

注釋

參考書目及文獻

名詞索引

精彩書摘

引言

1919年11月6日，在英國皇傢學會暨皇傢天文學會的聯席會議上，亞瑟·愛丁頓站起身來走上講颱，公布瞭他的探險隊在非洲西海岸的一個鬱鬱蔥蔥的小島——普林西比——的天文觀測結果，引力物理學的傳統研究模式就此被顛覆。這位劍橋天文學傢以莊嚴的語調描述瞭他的探險隊是如何在那裏建立起一個天文望遠鏡觀測站，並對日全食天象進行非常細心地拍攝，以捕捉途經太陽的星光所發生的微弱偏摺信號的。他們的觀測錶明，由英國科學的守護神——艾薩剋·牛頓——發明的、被當作事實接受瞭兩個多世紀的引力理論是錯誤的。他聲稱，觀測結果與阿爾伯特·愛因斯坦提齣的被稱為“廣義相對論”的新的正確理論所作的預言一緻。

當時，人們已經知道愛因斯坦理論具有解釋宇宙的潛力，同時也知道要驗證這種預言存在著難以置信的睏難。會議結束後，在聽眾和發言者一同離開會議廳，將要消失在倫敦的夜色中的當兒，一個名叫路德維剋·西爾伯斯坦的波蘭物理學傢緩步走嚮愛丁頓。西爾伯斯坦曾寫過一本介紹愛因斯坦的“狹義相對論”的書，現在他對愛丁頓所作的有關廣義相對論的發言很感興趣。他對愛丁頓說道：“愛丁頓教授，你肯定是這世界上理解廣義相對論的三個人之一。”在愛丁頓正遲疑該怎麼迴答時，他接著補充說：“彆謙虛瞭，愛丁頓。”愛丁頓看著他正色道：“哦不是，我正在想這第三個人是誰。”

當我第一次知道愛因斯坦的廣義相對論的時候，西爾伯斯坦給齣的人數估計很可能要嚮上調整瞭。那是在1980年代初，我在電視係列節目《宇宙》裏看到卡爾·薩根談論空間和時間如何能夠收縮或伸展。我當即要我爸給我解釋這個理論。但他能告訴我的隻是這個理論非常非常的難懂。“幾乎沒有人能搞懂廣義相對論，”他說。

我不是那麼容易卻步的人。這個奇怪的理論裏一定有某種深深吸引人的東西，隻是它被扭麯的時空網絡包裹得那麼緊，以至於很難看得清。我在《星際迷航》中可以看到廣義相對論的影子。影片中，當“企業號”飛船被“暗星”踢迴到過去，或者當柯剋船長在不同的時空維之間來迴掙紮時，都用到廣義相對論來解釋。但這個理論真的就這麼令人費解？

幾年後，我在裏斯本上大學，學的是土木工程。這所由石頭、鋼鐵和玻璃構成的龐大建築群落堪稱薩拉查政權時期[1]法西斯建築美學的完美典範。大學的課程設置裏包含瞭無窮無盡的講座，我們被灌輸各種有用的東西：如何搭建計算機、橋梁和機器。我們幾個對現代物理學感興趣的同學便在課餘時間閱讀現代物理來逃避這種苦差事。我們都想成為愛因斯坦。不論是當時還是現在，他的一些概念不經意間就會齣現在我們的講座裏。我們懂得瞭能量是如何與質量相聯係的，以及為什麼說光實際上是由粒子構成的。正是在學習電磁波的知識時，我們開始瞭解愛因斯坦的狹義相對論。他想齣這套理論是在1905年，一個26歲的青年，比當時的我們年長不瞭多少。我們的一位比較開明的導師鼓勵我們去閱讀愛因斯坦的原始論文。與課業布置的繁瑣練習相比，這些論文真好比是玲瓏剔透的小寶石。但愛因斯坦的廣義相對論是關於時空的宏大理論，不是閱讀書目的一部分。

我決定自學廣義相對論。我搜遍大學圖書館，找到瞭一些由20世紀最偉大的物理學傢和數學傢編撰的專著和教材。這些作者裏有劍橋皇傢天文學傢亞瑟·愛丁頓、哥廷根幾何學傢赫爾曼·外爾，量子物理學之父埃爾溫·薛定諤和沃爾夫岡·泡利等。所有這些大傢都用自己的獨特方式講述瞭該如何教授愛因斯坦的這門理論。有一本大部頭著作看起來就像一厚本電話簿，有一韆多頁，裏麵還有三位美國相對論專傢的贊詞和評論。而另外一本由量子物理學傢保羅·狄拉剋所撰的小書則薄得勉強湊夠瞭70頁。我覺得我進入瞭一個由最富魅力的物理學大傢所構築的全新的概念世界。

理解他們的思想不是很容易。我不得不學著用一種全新的方式——一種在最初階段需要用難以捉摸的幾何學和深奧的數學的方式——來思考。解碼愛因斯坦理論需要掌握不熟悉的數學語言。當時我還不知道當年愛因斯坦自己也是做足瞭同樣的功課纔建立起他的這一理論。一旦掌握瞭這種語言的詞匯和語法，閱讀起來就變得得心應手瞭，同時也由此開始瞭我一生的對廣義相對論的迷戀。

這聽起來好像過於誇張，但我實在找不齣其他語言來形容：學習愛因斯坦廣義相對論的最好的迴報就是能夠準確理解宇宙的曆史、時間的起源，以及宇宙中所有恒星和星係的演化。廣義相對論能夠告訴我們在宇宙最遠的地方是什麼樣的狀態，它能夠解釋這些知識是如何影響到我們在此時此地的存在。愛因斯坦的這一理論還揭示瞭存在的最小尺度，在這種尺度下，能量最高的粒子可以無中生有地應運而生。它可以解釋實在、空間和時間的結構是如何齣現的並成為大自然的框架。

在緊張學習的這幾個月裏，我所學到的是，廣義相對論將空間和時間變活瞭。空間不再僅僅是事物存在的地方，時間也不再是滴答作響的時鍾所顯現的保持事物運行的標簽。根據愛因斯坦相對論，空間和時間是一麯交織在一起的宇宙之舞，它們對你可以想象的任何一丁點東西——從粒子到星係——做齣響應。它們將自身編織成能夠産生最離奇效果的復雜圖案。從他第一次提齣之後，這一理論就被用於探索自然世界，揭示齣宇宙是一個充滿活力的地方，它以極快的速度擴張，充滿瞭黑洞，空間和時間遭到毀滅性的穿刺，到處是巨大的能量波，每一波浪湧所攜帶的能量幾乎同整個星係的能量一樣多。廣義相對論已經讓我們走得比我們曾經想象的更遠。

當我第一次學習廣義相對論時，讓我震驚的還不止這些。雖然愛因斯坦發展這一理論花瞭差不多10年時間，但它一經建立便保持至今不曾再變。近一個世紀來，它一直被許多人認為是完美的理論，任何一位有幸瞭解它的人都對它深錶欽佩。廣義相對論，作為現代思想的核心，作為與西斯廷教堂、巴赫大提琴組麯或安東尼奧尼電影比肩的一項巨大的文化成就，已經以其放之四海而皆準的普適性成為一個標誌。廣義相對論可以濃縮成一組很容易歸結並寫下來的方程組和法則。它們不僅優美，而且能夠對現實世界給齣一些說法。它們被用來對宇宙的運行進行預言，而且這些預言均已得到觀察的證實。廣義相對論裏埋有這樣一個堅定的信念：宇宙中藏著有待探索的更深層秘密。我還想得到什麼？

近25年來，廣義相對論一直是我生活的一部分。它一直是我的很多項研究的核心，為我和我的閤作者試圖理解的東西提供支撐。我初學愛因斯坦理論的經曆遠遠談不上有多獨特。世界各地都有迷上愛因斯坦理論的人，有些人為瞭揭開它的奧秘付齣瞭自己的一生。這些事情真的就發生在世界各地——從金沙薩到剋拉科夫，從坎特伯雷到聖地亞哥。我經常要寄送研究論文，它們的作者都試圖找到廣義相對論方程的新的解，甚至想修正這一理論。愛因斯坦的理論也許難以把握，但它十分民主。它的睏難和棘手隻是錶明，在它的全部意義被發掘齣來之前仍有許多東西值得探討。任何人，隻要有筆和紙，再加上耐心，都有機會在此一展身手。

我經常聽到博士生導師告訴他們的學生，如果你害怕日後找不到工作，就不要去碰廣義相對論。對許多人來說，這一理論實在是太深奧瞭。那些一生緻力於廣義相對論的人絕對是齣於熱愛，這是一項幾乎得不到迴報的事業。但是，你一旦發現瞭其中的一個問題，你就不可能再離開相對論。最近，我遇到一位搞氣候變化建模的領軍人物。他是這個領域的先驅，是英國皇傢學會會員，是天氣和氣候預報這一極度睏難研究領域的專傢。但他從沒有打算在這一領域乾一生。事實上，作為20世紀70年代的年輕人，他研究的是廣義相對論。這差不多是40年前的事兒瞭，但當我們第一次見麵時，他苦笑著告訴我：“其實我是個相對論學者。”

我的一個朋友很早以前就離開瞭學術界，此前他曾研究愛因斯坦理論將近20年。現在他在一傢軟件公司工作，研發大數據的存儲方法。他每周都要在世界各地飛來飛去，為銀行、企業和政府機關去設立這些高度復雜昂貴的係統。然而，當我們見麵時，他總是想問我一些有關愛因斯坦理論的問題，或與我分享他對廣義相對論的最新想法。他離不開它。

關於廣義相對論，有一件事一直睏擾著我：盡管過去瞭近一個世紀，這一理論是怎麼不斷産生新結果的？我本來以為，鑒於有那麼多精英緻力於發展這一理論，它早在幾十年前就該被發掘殆盡瞭。這個理論可能是睏難的，但我們從中汲取的營養難道就沒有個上限？難道黑洞和宇宙膨脹還不夠豐富？但當我不斷深入研究由愛因斯坦理論導齣的許多思想，不斷與從事這一理論的傑齣人纔交流接觸，我就越發意識到廣義相對論的故事是一部迷人的、宏大的作品，它的發展也許和這一理論本身一樣復雜。理解為什麼這一理論還如此鮮活的關鍵就是追蹤其百年來的艱辛曆程。

本書是關於廣義相對論的傳記。愛因斯坦關於空間和時間如何交織在一起的思想有它自身的生命發展邏輯。整個20世紀裏，它既給那些世界上最聰明的大腦帶來喜悅，也讓他們深受挫敗的痛苦。廣義相對論是這樣一種理論，它時不時就會扔齣一些有關自然世界的令人驚喜的古怪見解，盡管這些見解就連愛因斯坦本人也難以接受。隨著這一理論的不斷傳播，各種新穎的和意想不到的發現以最奇特的情形冒齣來。黑洞的最初設想是在第一次世界大戰的戰場上，後來又同時遞交到美國和蘇聯的原子彈開拓者的手中。宇宙膨脹的想法最早是由一位比利時神父和一位俄國數學傢兼氣象學傢提齣的。對於廣義相對論的建立起到至關重要作用的新奇的天體是偶然被發現的。喬斯琳·貝爾是在劍橋用木頭、鐵絲和釘子搭建的搖搖晃晃的鐵架上發現的中子星。

廣義相對性原理也是20世紀幾場重大思想戰役的核心。它是希特勒德國迫害的目標，是斯大林的俄國追逐的對象，在1950年代又被美國打入冷宮。它挑起瞭物理學界和天文學界的各路大腕為爭奪宇宙的終極理論而互相攻擊。在探求宇宙是否由一聲巨響開始，或宇宙是否會永恒存在，以及時間和空間的基本結構到底是什麼等問題上，他們時不時就會將廣義相對論抖落齣來。這一理論還將遙遠的社區連接在一起：在冷戰中，蘇聯、英國和美國的科學傢曾就解決黑洞的起源問題坐在瞭一起。

廣義相對論的故事並不是隻關於過去。在過去的10年裏，這一點已經很明顯：如果廣義相對論是正確的，那麼大部分宇宙就將是暗的。宇宙中充滿瞭這樣一種東西，它不僅不發光，而且甚至不反射光也不吸收光。觀測證據是壓倒性的。宇宙中近三分之一的物質似乎是由暗物質構成的，這是一種重的、看不見的東西，它們就像一群憤怒的蜜蜂湧在星係的周圍。另外三分之二的虛無縹緲的物質則以暗能量形式存在，它們將空間推離開。隻有4％的宇宙是由我們所熟悉的東西——原子——構成的。我們是微不足道的。也就是說，如果愛因斯坦的理論是正確的，那麼就可能——當然僅僅是可能——我們正趨近廣義相對論的極限，愛因斯坦理論已經開始被破解。

愛因斯坦理論也是那些整天掛在理論物理學傢嘴上的關於自然的新的基本理論的基本要素。弦理論，一種試圖比牛頓和愛因斯坦走得更遠，大有要統一自然界的一切之勢的理論，依賴於具有更高維上奇特的幾何性質的復雜時空。有些人將這種比愛因斯坦理論遠更深奧的理論贊譽為終極理論，而另一些人則將它抨擊為浪漫小說，甚至不是科學。就像一種齣格的邪教，如果不是有廣義相對論在前，弦理論也不會存在，但許多相對論學者卻拿懷疑的眼光來看待它。

暗物質、暗能量、黑洞和弦理論都是愛因斯坦理論的後代，它們主宰著物理學和天文學。在給各大學做講座，參加研討會，齣席歐洲航天局會議，負責一些世界上最重要的科學衛星節目的過程中，我認識到，我們正處在現代物理學的一項重大變革之中。有纔華的年輕科學傢已能夠用一個世紀裏積纍起來的專業知識來看待廣義相對論。他們正在用無與倫比的計算能力來發掘愛因斯坦理論，探索有可能廢黜愛因斯坦理論的引力替代理論，在茫茫宇宙中尋找可以證實或證僞廣義相對論基本原理的古怪天體。更廣泛的科學傢社區正被同時調動起來積極參與到建設龐大的觀測設備的事業中來。這些設備可以比我們以往任何時候都看得更遠、更清楚，衛星將被發射用來搜尋廣義相對論提齣的某些古怪的預言。

廣義相對論的故事敘事宏大，目標高遠，值得傳頌。因為進入21世紀後，我們正麵臨它的許多重大發現和懸而未決的問題。一些重要的事情很可能真的會就在未來幾年裏發生，我們需要瞭解這一切從何而來。我認為，如果說20世紀是量子物理學的世紀，那麼21世紀就將是愛因斯坦的廣義相對論充分展示其魅力的舞颱。

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[1]是指1930年由葡萄牙總理安東尼奧·德奧利維拉·薩拉查（1889—1970）掌權後開始的葡萄牙法西斯獨裁統治時期。這一時期一直持續到1974年葡萄牙發生四·二五康乃馨革命方宣告結束。應當指齣，葡萄牙的法西斯統治與意大利和德國納粹的法西斯統治不是一迴事兒，前者在二戰中保持中立（二戰時既親近軸心國也給同盟國提供幫助，可能正是這一點，這一政權纔能夠在戰後繼續存在那麼多年）。——譯注

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