紀(jì)念?lèi)?ài)因斯坦廣義相對(duì)論發(fā)表100周年
美國(guó)加州理工學(xué)院理論物理研究所所長(zhǎng)，日本東京大學(xué)Kavli數(shù)學(xué)物理學(xué)聯(lián)合宇宙研究機(jī)構(gòu)研究主任大栗博司教授科普力作
從牛頓、愛(ài)因斯坦到量子力學(xué)、超弦理論
一場(chǎng)解謎宇宙的冒險(xiǎn)
一段永不停息的追尋
本書(shū)簡(jiǎn)介：
引力是宇宙中處于支配地位的力，與天體、生命的誕生息息相關(guān)，迷影重重的引力也是解開(kāi)宇宙謎題的關(guān)鍵鑰匙。經(jīng)過(guò)牛頓、愛(ài)因斯坦，引力研究正迎來(lái)第三個(gè)黃金時(shí)期。
本書(shū)以新穎有趣的形式講解了從牛頓、愛(ài)因斯坦到前沿物理的研究?jī)?nèi)容，用全新的方式解讀相對(duì)論、量子理論、超弦理論。真正讓你理解引力、引力波、E=mc2、黑洞等概念的含義與意義，也能讓你體驗(yàn)到追尋宇宙深層謎題的冒險(xiǎn)快感。
作者簡(jiǎn)介：
大栗博司
美國(guó)加州理工學(xué)院理論物理講席教授，理論物理研究所（burkeinstitute.caltech.edu）所長(zhǎng)，日本東京大學(xué)Kavli數(shù)學(xué)物理學(xué)聯(lián)合宇宙研究機(jī)構(gòu)（KavliIPMU）研究主任。東京大學(xué)理學(xué)博士，發(fā)現(xiàn)了量子場(chǎng)論與超弦理論的深層數(shù)學(xué)構(gòu)造，其研究曾獲得美國(guó)數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)大獎(jiǎng)（2008年）、德國(guó)洪堡研究獎(jiǎng)（2009年）、日本仁科紀(jì)念獎(jiǎng)(2009年)、日本數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)詹姆斯?西蒙斯獎(jiǎng)（2012年），《超弦理論：探究時(shí)間、空間及宇宙的本原》獲得2014年日本第30屆日本講談社科學(xué)出版獎(jiǎng)。著有前沿物理科普三部曲《引力是什么》《強(qiáng)力與弱力》《超弦理論》，數(shù)學(xué)入門(mén)科普《用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言看世界》等。
目錄：
第一章引力的七大不可思議
1.不可思議之一：引力是"力"
2.不可思議之二：引力的強(qiáng)度非常弱
3.不可思議之三：引力即使分開(kāi)也能起作用
4.不可思議之四：引力對(duì)一切物體的作用都是一樣的
5.不可思議之五：引力是"幻想"
6.不可思議之六：引力的大小"恰到好處"
第二章具有伸縮效應(yīng)的時(shí)空--狹義相對(duì)論
1.物理學(xué)家是激進(jìn)的保守主義者
2.物理學(xué)的理論是以"10億"米的步伐發(fā)展而來(lái)的
3.納米世界的納米技術(shù)
4.電波、光和放射線(xiàn)都是電磁波的一種
5.無(wú)論怎么疊加，光速都不變
6.驗(yàn)證光速不變的"邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)"
7.明明是同時(shí)出的"石頭剪子布"，為什么變成慢出犯規(guī)呢？第一章引力的七大不可思議
1.不可思議之一：引力是"力"
2.不可思議之二：引力的強(qiáng)度非常弱
3.不可思議之三：引力即使分開(kāi)也能起作用
4.不可思議之四：引力對(duì)一切物體的作用都是一樣的
5.不可思議之五：引力是"幻想"
6.不可思議之六：引力的大小"恰到好處"7.不可思議之七：引力的理論還不完善
第二章具有伸縮效應(yīng)的時(shí)空--狹義相對(duì)論
1.物理學(xué)家是激進(jìn)的保守主義者
2.物理學(xué)的理論是以"10億"米的步伐發(fā)展而來(lái)的
3.納米世界的納米技術(shù)
4.電波、光和放射線(xiàn)都是電磁波的一種
5.無(wú)論怎么疊加，光速都不變
6.驗(yàn)證光速不變的"邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)"
7.明明是同時(shí)出的"石頭剪子布"，為什么變成慢出犯規(guī)呢？
8.列車(chē)內(nèi)的1秒與外面的1秒長(zhǎng)短不同！
9.發(fā)生變化的不僅僅是時(shí)間，距離也會(huì)伸縮！
10.E＝mc是固定匯率制中的匯率
11.為什么能量可以轉(zhuǎn)換成質(zhì)量？12.如果存在比光還快的粒子會(huì)怎樣？
第三章為什么會(huì)產(chǎn)生引力--廣義相對(duì)論
1.先來(lái)談?wù)?低維度"的話(huà)題
2.如果"球"出現(xiàn)在二維空間內(nèi)，看起來(lái)將是什么樣子？
3.在圓的中心放置物體后，圓心角將會(huì)比360度��？！
4.引力的真面目為時(shí)空的扭曲
5.愛(ài)因斯坦人生中最棒的一次靈感閃現(xiàn)
6.可以消失的引力與無(wú)法消失的引力
7.在旋轉(zhuǎn)的宇宙空間站中發(fā)生了什么？
8.圓周率＝3.14…不成立的世界
9.數(shù)學(xué)家希爾伯特與愛(ài)因斯坦的激戰(zhàn)
10.愛(ài)因斯坦理論的驗(yàn)證之一--能夠解釋水星的軌道
11.愛(ài)因斯坦理論的驗(yàn)證之二--能夠觀(guān)測(cè)引力透鏡效應(yīng)
12.愛(ài)因斯坦理論的驗(yàn)證之三--捕捉引力波13.愛(ài)因斯坦理論的驗(yàn)證之四--可靠的汽車(chē)導(dǎo)航
第四章黑洞和宇宙的誕生--愛(ài)因斯坦理論的界限
1.如果把地球的半徑壓縮到9毫米也會(huì)變成黑洞
2.一旦跨過(guò)就無(wú)法返回的"視界"
3.超級(jí)黑洞--類(lèi)星體
4.暴露愛(ài)因斯坦理論破綻的"奇點(diǎn)"
5.哈勃的發(fā)現(xiàn)闡明了宇宙的膨脹
6.加速宇宙膨脹的"暗能量"是什么？
7.137億年前宇宙呈火球狀態(tài)時(shí)的"余燼"
8.強(qiáng)烈反對(duì)大爆炸理論的科學(xué)家們9.霍金初出茅廬，證明了愛(ài)因斯坦理論的破綻
第五章貓是活著還是死了--量子力學(xué)
1.應(yīng)該以"光的真面目是波"的結(jié)論而完結(jié)
2."光是波"的結(jié)論所無(wú)法解釋的光電效應(yīng)
3.愛(ài)因斯坦的"光量子假說(shuō)"認(rèn)為"光是粒子"
4.具有放射線(xiàn)危害的裝置也能說(shuō)明"光是粒子"
5.所有粒子既是"粒子"又是"波"
6.令人難以接受的量子力學(xué)
7.認(rèn)為"可能存在的情況其實(shí)全部存在"？！
8."活著的貓"和"死了的貓"一比一地重疊？！
9.不確定性原理--確定了位置就無(wú)法測(cè)量速度？！
10.融合量子力學(xué)和狹義相對(duì)論，預(yù)言"反粒子"
11.為什么必須是從未來(lái)回到過(guò)去的粒子？
12.粒子和反粒子反復(fù)湮滅和產(chǎn)生13.憑空無(wú)限產(chǎn)生粒子的"量子場(chǎng)論"
第六章迫近宇宙這頭洋蔥的芯--超弦理論
1."宇宙這頭洋蔥"的皮要?jiǎng)兊绞裁闯潭?br/> 2.只要增大加速器的規(guī)模，就能看到無(wú)限小的東西嗎？
3.宇宙這頭洋蔥的"芯"為"普朗克長(zhǎng)度"
4.解釋宇宙根源的終極統(tǒng)一理論是什么？
5.朝永振一郎、費(fèi)曼、施溫格的"重整化理論"
6.基本粒子為像小提琴的"弦"那樣的東西？！
7.從弦理論到超弦理論
8.揮之不去的六個(gè)額外維度和神秘粒子
9.施瓦茨用10年的堅(jiān)守?fù)Q來(lái)了革命性的發(fā)現(xiàn)
10.六個(gè)額外維度曲卷于狹小空間？！
11.已經(jīng)備齊解釋標(biāo)準(zhǔn)模型需要的所有工具12.能夠在六維空間的計(jì)算中使用的"拓?fù)湎依碚?
第七章被扔進(jìn)黑洞的書(shū)的命運(yùn)--引力全息原理
1.粒子的能量變?yōu)?負(fù)"值所引起的麻煩
2.在黑洞中能量將變?yōu)?負(fù)"值
3.導(dǎo)致黑洞蒸發(fā)的"霍金輻射"
4.宇宙背景輻射的"漲落"證明了霍金理論
5.把書(shū)投入黑洞之后，其內(nèi)容還能再現(xiàn)嗎？
6.到底能否出現(xiàn)1010^78個(gè)狀態(tài)數(shù)
7.假想"二維的膜""三維的立體"，打開(kāi)突破口
8.貼在黑洞表面的"開(kāi)弦"
9.根據(jù)通常的物理法則可以計(jì)算出巨大的黑洞
10.利用"拓?fù)湎依碚?計(jì)算微小的黑洞！
11.熵與表面積成正比，而不是與體積成正比的奇妙現(xiàn)象
12.一切現(xiàn)象都被映到了二維的銀幕上
13.黑洞信息丟失問(wèn)題變成了量子力學(xué)的單獨(dú)問(wèn)題14.霍金向賭局的勝者贈(zèng)送百科全書(shū)
第八章世界最為深?yuàn)W的真相--超弦理論的可能性
1.全息原理的意外應(yīng)用
2.宇宙不止一個(gè)，存在無(wú)數(shù)個(gè)宇宙？
3.這個(gè)宇宙碰巧適合人類(lèi)？4.融合相對(duì)論和量子力學(xué)的唯一候選
后記 前言無(wú)法停止的“好奇心”
我每天都在思考引力。沒(méi)錯(cuò)，就是那個(gè)將我們自身以及我們周?chē)囊磺形镔|(zhì)——桌子、桌子上的杯子、汽車(chē)、海水和空氣等，維持在地球上，不至于使其飛入宇宙空間的引力。
我已經(jīng)持續(xù)研究了幾十年引力。在世人眼里，我可能會(huì)被視為一個(gè)怪人。地球上沒(méi)有人不受引力的影響，認(rèn)真思考自己體重的人成千上萬(wàn)，而重新思考引力的人卻寥寥無(wú)幾。
因此，有時(shí)孤獨(dú)感便由心而生。例如去孩子學(xué)校出席家長(zhǎng)會(huì)的時(shí)候，如果自己被初次見(jiàn)面的家長(zhǎng)詢(xún)問(wèn)“您從事哪方面工作”，只要我回答“我在研究引力”，對(duì)話(huà)基本就進(jìn)行不下去了。哪怕對(duì)方只說(shuō)上一句“很久以前我就覺(jué)得引力不可思議”，我也會(huì)滔滔不絕地談下去，然而大部分對(duì)話(huà)都會(huì)就此終止。即使偶爾對(duì)方給予回應(yīng)，也基本上是消極地說(shuō)：“哦，在上高中的時(shí)候，我最頭疼的就是物理。”如果遇到的是醫(yī)生或律師，任何人都有想咨詢(xún)的事情吧。但遇到引力研究者的時(shí)候，幾乎沒(méi)有人會(huì)想到“機(jī)會(huì)難得，這次要問(wèn)個(gè)究竟”。
實(shí)際上，即使我介紹了專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)內(nèi)容，也不會(huì)對(duì)人們的日常生活有什么幫助。假如了解引力可以幫助減肥的話(huà)，那么我想在開(kāi)家長(zhǎng)會(huì)的時(shí)候，我會(huì)成為眾人的焦點(diǎn)。無(wú)法停止的“好奇心”
我每天都在思考引力。沒(méi)錯(cuò)，就是那個(gè)將我們自身以及我們周?chē)囊磺形镔|(zhì)——桌子、桌子上的杯子、汽車(chē)、海水和空氣等，維持在地球上，不至于使其飛入宇宙空間的引力。
我已經(jīng)持續(xù)研究了幾十年引力。在世人眼里，我可能會(huì)被視為一個(gè)怪人。地球上沒(méi)有人不受引力的影響，認(rèn)真思考自己體重的人成千上萬(wàn)，而重新思考引力的人卻寥寥無(wú)幾。
因此，有時(shí)孤獨(dú)感便由心而生。例如去孩子學(xué)校出席家長(zhǎng)會(huì)的時(shí)候，如果自己被初次見(jiàn)面的家長(zhǎng)詢(xún)問(wèn)“您從事哪方面工作”，只要我回答“我在研究引力”，對(duì)話(huà)基本就進(jìn)行不下去了。哪怕對(duì)方只說(shuō)上一句“很久以前我就覺(jué)得引力不可思議”，我也會(huì)滔滔不絕地談下去，然而大部分對(duì)話(huà)都會(huì)就此終止。即使偶爾對(duì)方給予回應(yīng)，也基本上是消極地說(shuō)：“哦，在上高中的時(shí)候，我最頭疼的就是物理�！比绻龅降氖轻t(yī)生或律師，任何人都有想咨詢(xún)的事情吧。但遇到引力研究者的時(shí)候，幾乎沒(méi)有人會(huì)想到“機(jī)會(huì)難得，這次要問(wèn)個(gè)究竟”。
實(shí)際上，即使我介紹了專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)內(nèi)容，也不會(huì)對(duì)人們的日常生活有什么幫助。假如了解引力可以幫助減肥的話(huà)，那么我想在開(kāi)家長(zhǎng)會(huì)的時(shí)候，我會(huì)成為眾人的焦點(diǎn)。
但是，我想通過(guò)自身的努力讓更多的人了解我所從事的研究。理由很簡(jiǎn)單，就是因?yàn)樗浅Ｓ腥ぁ?br/> 在幾千年的歷史長(zhǎng)河中，我們?nèi)祟?lèi)通過(guò)反復(fù)嘗試不斷摸索，解開(kāi)了很多自然界中的謎題。雖然我們是身高僅為1～2米的生物，但是從大小相當(dāng)于我們身體10億×10億×10億倍的宇宙，到只有10億×10億分之一米的微觀(guān)世界，如今我們都可以對(duì)其進(jìn)行觀(guān)測(cè)和理解。
當(dāng)然，還有很多沒(méi)有解決的問(wèn)題。人類(lèi)能夠深入理解“與自己身高（尺寸）不符的”世界，真是一件不可思議的事。如果只是為了生存，那么只要掌握從我們身高的1000倍（大約1～2千米）到1000分之一（大約1～2毫米）左右的世界就足夠了吧。與之相比，地球到月球的距離約為4億米，最近經(jīng)常聽(tīng)聞的“納米”則為10億分之一米。從進(jìn)化論的角度來(lái)講，人類(lèi)即使不理解那些上億級(jí)的世界，也不會(huì)被淘汰。我們完全沒(méi)有必要掌握那些知識(shí)。
但是，人類(lèi)已經(jīng)獲得了知曉與生活基本無(wú)關(guān)的事物的能力。即便明知沒(méi)什么用，也會(huì)敗給好奇心。而且我認(rèn)為人類(lèi)的這種行為是非常有價(jià)值的。
在僅此一次的人生中，我希望盡量深入地了解這個(gè)世界，因此我從未間斷過(guò)我所從事的研究。引力是主導(dǎo)我們生活的力，它就在我們的身邊。但是，我們還沒(méi)有完全看清它的真面目，如果不能理解引力，就無(wú)從知曉自然界中最深層的真相。因此，我認(rèn)為引力研究很有意思，我也想讓更多的人了解該研究領(lǐng)域的意義。
如果沒(méi)有引力研究，就不會(huì)誕生GPS
另外，這些研究也會(huì)在我們生活中發(fā)揮出意想不到的作用。
1969年，費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的第一任主任羅伯特威爾遜（RobertWilson）曾作為證人在美國(guó)議會(huì)上被問(wèn)道：“建造粒子加速器對(duì)我國(guó)的國(guó)防有什么幫助？”這里提到的“加速器”是指基本粒子研究中不可或缺的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。具體情況我會(huì)在后面解釋?zhuān)@里只要把它理解成觀(guān)察微觀(guān)世界的巨型顯微鏡就可以了。
當(dāng)時(shí)已經(jīng)提出了在芝加哥郊外建造加速器的計(jì)劃。該項(xiàng)計(jì)劃是美國(guó)原子能委員會(huì)事業(yè)的一環(huán)，因?yàn)樵撐瘑T會(huì)曾主持研制原子彈“曼哈頓計(jì)劃”，所以即使在基本粒子物理學(xué)研究的建設(shè)上，也試圖先賦予其國(guó)防使命。而且當(dāng)時(shí)這項(xiàng)計(jì)劃需要幾億美元的預(yù)算，毫無(wú)用處的建設(shè)是不會(huì)得到國(guó)民同意的。
就在這預(yù)算是否能得到認(rèn)可的關(guān)鍵時(shí)刻，威爾遜給出了這樣的回答：“加速器對(duì)于國(guó)防不會(huì)有直接的作用。但是，它對(duì)于保護(hù)我們國(guó)家是有益處的�！�
威爾遜的回答很偉大，接受并通過(guò)計(jì)劃的議會(huì)也偉大。雖然費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的加速器現(xiàn)在被日內(nèi)瓦的LHC（大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）取代了，但在很長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，它作為世界上最強(qiáng)大的加速器，對(duì)物理世界貢獻(xiàn)巨大，很多令全世界感到自豪的重大發(fā)現(xiàn)都源于它。
進(jìn)一步講，科學(xué)的發(fā)展并非只是為了提高一個(gè)國(guó)家的知名度�？茖W(xué)通過(guò)推廣合理的思考方式，讓人類(lèi)從迷信和偏見(jiàn)中解放出來(lái)，通過(guò)探究宇宙和生命的奧秘，讓我們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)與體驗(yàn)變得更加豐富。有句話(huà)這樣說(shuō)：“科學(xué)的目的是人類(lèi)精神的榮光�！闭绱嗽�(huà)所講，科學(xué)具有其自身的價(jià)值，創(chuàng)造出這種價(jià)值的意義重大。
而且，雖然科學(xué)發(fā)現(xiàn)最初是源于研究者的好奇心，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，也有不少成果最終在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮出了作用。獲得“菲爾茲獎(jiǎng)”（也被稱(chēng)為“數(shù)學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)”）的森重文對(duì)于自己研究的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)這樣評(píng)價(jià)：“雖然現(xiàn)在不能馬上體現(xiàn)其作用，但是50年或100年以后它會(huì)發(fā)揮出未知的作用。因此一顆探究之心是最好的指南針。”一提到算術(shù)或數(shù)學(xué)，厭學(xué)的孩子就會(huì)提出這樣的疑問(wèn)：“學(xué)它有什么用？”但是，這些脫離日常生活的抽象研究往往會(huì)在未來(lái)起到意想不到的作用。
物理的世界亦是如此。例如17歲的伽利略伽利雷在比薩的教堂發(fā)現(xiàn)了“擺的等時(shí)性”。當(dāng)時(shí)伽利略或許是厭倦了比薩，心不在焉地盯著教堂的天花板看，對(duì)頭上吊燈的搖擺產(chǎn)生了興趣。他用自己的脈搏計(jì)算時(shí)間，觀(guān)察一會(huì)兒后發(fā)現(xiàn)，擺動(dòng)的周期與擺錘的重量以及振幅無(wú)關(guān)，只取決于擺線(xiàn)的長(zhǎng)度。至于這個(gè)故事是否屬實(shí)，科學(xué)史家們也持有不同的意見(jiàn)。雖然關(guān)于在何種情況下發(fā)現(xiàn)擺的等時(shí)性并沒(méi)有定論，但至少有記錄顯示在1602年之前伽利略已理解了這一原理。
這一發(fā)現(xiàn)衍生出的“諧運(yùn)動(dòng)”被廣泛應(yīng)用于解釋聲波和電波等諸多物理現(xiàn)象的理論中。當(dāng)然，它也被用于實(shí)用的技術(shù)之中，在我們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮著重要的作用。
另外，科學(xué)家在研究中使用的工具，有的經(jīng)過(guò)改良也會(huì)被推廣到整個(gè)社會(huì)中�；ヂ�(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器就是其中之一。它是由在CERN（歐洲核子研究組織）工作的技術(shù)人員開(kāi)發(fā)出來(lái)的，剛才提到的加速器LHC就在CERN。因?yàn)橛袔浊芯空咴贑ERN共同工作，所以必須高效地實(shí)現(xiàn)信息共享。于是，那里的技術(shù)人員開(kāi)發(fā)了可以通過(guò)各自的電腦閱覽放置于服務(wù)器的信息的方法，并將那些信息免費(fèi)公開(kāi)。這一技術(shù)給我們每天的生活帶來(lái)了巨大的轉(zhuǎn)變。
引力的研究也以各種各樣的形式衍生出了“有用的技術(shù)”。例如人造衛(wèi)星中的GPS（全球定位系統(tǒng)）。如果不了解牛頓的萬(wàn)有引力定律，就無(wú)法發(fā)射人造衛(wèi)星。其實(shí)如果沒(méi)有愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，也無(wú)法使用GPS準(zhǔn)確地測(cè)定距離。關(guān)于這一點(diǎn)，我會(huì)在后面的章節(jié)中做詳細(xì)說(shuō)明。
引力研究與理解宇宙息息相關(guān)
萬(wàn)有引力定律和相對(duì)論都是關(guān)于引力機(jī)理的劃時(shí)代的重大發(fā)現(xiàn)。而且現(xiàn)在的引力研究繼牛頓和愛(ài)因斯坦的時(shí)代之后，迎來(lái)了“第三個(gè)黃金時(shí)代”。關(guān)于引力的大型觀(guān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相繼啟動(dòng)，支撐它的理論也取得了巨大的進(jìn)步。另外，根據(jù)這些理論我們也逐漸看清了宇宙的面目。本書(shū)的內(nèi)容是追溯愛(ài)因斯坦的相對(duì)論及其之后100年間的研究發(fā)展，以及最新的引力理論所描述的宇宙。
“僅僅讀這本書(shū)并不能推導(dǎo)出E=mc2，但是卻能讓你徹底明白愛(ài)因斯坦在想些什么，更能讓你從意義的層面上理解，為什么物理學(xué)家會(huì)如此費(fèi)心研究引力？引力對(duì)于宇宙的意義是什么？我也認(rèn)為這是一本科普書(shū)真正該寫(xiě)的東西�！薄★晱棧ㄈ毡静┛妥骷�，博客“404BlogNotFound”）“這本書(shū)精妙結(jié)構(gòu)讓我沉醉不已，大栗先生是現(xiàn)代的愛(ài)因斯坦�！薄迳烬R（東京大學(xué)Kavli數(shù)學(xué)物理學(xué)聯(lián)合宇宙研究機(jī)構(gòu)研所長(zhǎng)）
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