紀念愛因斯坦廣義相對論發(fā)表100周年
美國加州理工學院理論物理研究所所長，日本東京大學Kavli數(shù)學物理學聯(lián)合宇宙研究機構研究主任大栗博司教授科普力作
從牛頓、愛因斯坦到量子力學、超弦理論
一場解謎宇宙的冒險
一段永不停息的追尋
本書簡介：
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，迷影重重的引力也是解開宇宙謎題的關鍵鑰匙。經過牛頓、愛因斯坦，引力研究正迎來第三個黃金時期。
本書以新穎有趣的形式講解了從牛頓、愛因斯坦到前沿物理的研究內容，用全新的方式解讀相對論、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，也能讓你體驗到追尋宇宙深層謎題的冒險快感。
作者簡介：
大栗博司
美國加州理工學院理論物理講席教授，理論物理研究所（burkeinstitute.caltech.edu）所長，日本東京大學Kavli數(shù)學物理學聯(lián)合宇宙研究機構（KavliIPMU）研究主任。東京大學理學博士，發(fā)現(xiàn)了量子場論與超弦理論的深層數(shù)學構造，其研究曾獲得美國數(shù)學學會大獎（2008年）、德國洪堡研究獎（2009年）、日本仁科紀念獎(2009年)、日本數(shù)學學會詹姆斯?西蒙斯獎（2012年），《超弦理論：探究時間、空間及宇宙的本原》獲得2014年日本第30屆日本講談社科學出版獎。著有前沿物理科普三部曲《引力是什么》《強力與弱力》《超弦理論》，數(shù)學入門科普《用數(shù)學的語言看世界》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：引力的強度非常弱
3.不可思議之三：引力即使分開也能起作用
4.不可思議之四：引力對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的時空--狹義相對論
1.物理學家是激進的保守主義者
2.物理學的理論是以"10億"米的步伐發(fā)展而來的
3.納米世界的納米技術
4.電波、光和放射線都是電磁波的一種
5.無論怎么疊加，光速都不變
6.驗證光速不變的"邁克爾遜－莫雷實驗"
7.明明是同時出的"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：引力的強度非常弱
3.不可思議之三：引力即使分開也能起作用
4.不可思議之四：引力對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的時空--狹義相對論
1.物理學家是激進的保守主義者
2.物理學的理論是以"10億"米的步伐發(fā)展而來的
3.納米世界的納米技術
4.電波、光和放射線都是電磁波的一種
5.無論怎么疊加，光速都不變
6.驗證光速不變的"邁克爾遜－莫雷實驗"
7.明明是同時出的"石頭剪子布"，為什么變成慢出犯規(guī)呢？
8.列車內的1秒與外面的1秒長短不同！
9.發(fā)生變化的不僅僅是時間，距離也會伸縮！
10.E＝mc是固定匯率制中的匯率
11.為什么能量可以轉換成質量？12.如果存在比光還快的粒子會怎樣？
第三章為什么會產生引力--廣義相對論
1.先來談談"低維度"的話題
2.如果"球"出現(xiàn)在二維空間內，看起來將是什么樣子？
3.在圓的中心放置物體后，圓心角將會比360度��？！
4.引力的真面目為時空的扭曲
5.愛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法消失的引力
7.在旋轉的宇宙空間站中發(fā)生了什么？
8.圓周率＝3.14…不成立的世界
9.數(shù)學家希爾伯特與愛因斯坦的激戰(zhàn)
10.愛因斯坦理論的驗證之一--能夠解釋水星的軌道
11.愛因斯坦理論的驗證之二--能夠觀測引力透鏡效應
12.愛因斯坦理論的驗證之三--捕捉引力波13.愛因斯坦理論的驗證之四--可靠的汽車導航
第四章黑洞和宇宙的誕生--愛因斯坦理論的界限
1.如果把地球的半徑壓縮到9毫米也會變成黑洞
2.一旦跨過就無法返回的"視界"
3.超級黑洞--類星體
4.暴露愛因斯坦理論破綻的"奇點"
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)時的"余燼"
8.強烈反對大爆炸理論的科學家們9.霍金初出茅廬，證明了愛因斯坦理論的破綻
第五章貓是活著還是死了--量子力學
1.應該以"光的真面目是波"的結論而完結
2."光是波"的結論所無法解釋的光電效應
3.愛因斯坦的"光量子假說"認為"光是粒子"
4.具有放射線危害的裝置也能說明"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
7.認為"可能存在的情況其實全部存在"？！
8."活著的貓"和"死了的貓"一比一地重疊？！
9.不確定性原理--確定了位置就無法測量速度？！
10.融合量子力學和狹義相對論，預言"反粒子"
11.為什么必須是從未來回到過去的粒子？
12.粒子和反粒子反復湮滅和產生13.憑空無限產生粒子的"量子場論"
第六章迫近宇宙這頭洋蔥的芯--超弦理論
1."宇宙這頭洋蔥"的皮要剝到什么程度
2.只要增大加速器的規(guī)模，就能看到無限小的東西嗎？
3.宇宙這頭洋蔥的"芯"為"普朗克長度"
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.揮之不去的六個額外維度和神秘粒子
9.施瓦茨用10年的堅守換來了革命性的發(fā)現(xiàn)
10.六個額外維度曲卷于狹小空間？！
11.已經備齊解釋標準模型需要的所有工具12.能夠在六維空間的計算中使用的"拓撲弦理論"
第七章被扔進黑洞的書的命運--引力全息原理
1.粒子的能量變?yōu)?負"值所引起的麻煩
2.在黑洞中能量將變?yōu)?負"值
3.導致黑洞蒸發(fā)的"霍金輻射"
4.宇宙背景輻射的"漲落"證明了霍金理論
5.把書投入黑洞之后，其內容還能再現(xiàn)嗎？
6.到底能否出現(xiàn)1010^78個狀態(tài)數(shù)
7.假想"二維的膜""三維的立體"，打開突破口
8.貼在黑洞表面的"開弦"
9.根據(jù)通常的物理法則可以計算出巨大的黑洞
10.利用"拓撲弦理論"計算微小的黑洞！
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.黑洞信息丟失問題變成了量子力學的單獨問題14.霍金向賭局的勝者贈送百科全書
第八章世界最為深奧的真相--超弦理論的可能性
1.全息原理的意外應用
2.宇宙不止一個，存在無數(shù)個宇宙？
3.這個宇宙碰巧適合人類？4.融合相對論和量子力學的唯一候選
后記 前言無法停止的“好奇心”
我每天都在思考引力。沒錯，就是那個將我們自身以及我們周圍的一切物質——桌子、桌子上的杯子、汽車、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。
我已經持續(xù)研究了幾十年引力。在世人眼里，我可能會被視為一個怪人。地球上沒有人不受引力的影響，認真思考自己體重的人成千上萬，而重新思考引力的人卻寥寥無幾。
因此，有時孤獨感便由心而生。例如去孩子學校出席家長會的時候，如果自己被初次見面的家長詢問“您從事哪方面工作”，只要我回答“我在研究引力”，對話基本就進行不下去了。哪怕對方只說上一句“很久以前我就覺得引力不可思議”，我也會滔滔不絕地談下去，然而大部分對話都會就此終止。即使偶爾對方給予回應，也基本上是消極地說：“哦，在上高中的時候，我最頭疼的就是物理�！比绻龅降氖轻t(yī)生或律師，任何人都有想咨詢的事情吧。但遇到引力研究者的時候，幾乎沒有人會想到“機會難得，這次要問個究竟”。
實際上，即使我介紹了專業(yè)領域的相關內容，也不會對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，那么我想在開家長會的時候，我會成為眾人的焦點。無法停止的“好奇心”
我每天都在思考引力。沒錯，就是那個將我們自身以及我們周圍的一切物質——桌子、桌子上的杯子、汽車、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。
我已經持續(xù)研究了幾十年引力。在世人眼里，我可能會被視為一個怪人。地球上沒有人不受引力的影響，認真思考自己體重的人成千上萬，而重新思考引力的人卻寥寥無幾。
因此，有時孤獨感便由心而生。例如去孩子學校出席家長會的時候，如果自己被初次見面的家長詢問“您從事哪方面工作”，只要我回答“我在研究引力”，對話基本就進行不下去了。哪怕對方只說上一句“很久以前我就覺得引力不可思議”，我也會滔滔不絕地談下去，然而大部分對話都會就此終止。即使偶爾對方給予回應，也基本上是消極地說：“哦，在上高中的時候，我最頭疼的就是物理。”如果遇到的是醫(yī)生或律師，任何人都有想咨詢的事情吧。但遇到引力研究者的時候，幾乎沒有人會想到“機會難得，這次要問個究竟”。
實際上，即使我介紹了專業(yè)領域的相關內容，也不會對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，那么我想在開家長會的時候，我會成為眾人的焦點。
但是，我想通過自身的努力讓更多的人了解我所從事的研究。理由很簡單，就是因為它非常有趣。
在幾千年的歷史長河中，我們人類通過反復嘗試不斷摸索，解開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世界，如今我們都可以對其進行觀測和理解。
當然，還有很多沒有解決的問題。人類能夠深入理解“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，最近經常聽聞的“納米”則為10億分之一米。從進化論的角度來講，人類即使不理解那些上億級的世界，也不會被淘汰。我們完全沒有必要掌握那些知識。
但是，人類已經獲得了知曉與生活基本無關的事物的能力。即便明知沒什么用，也會敗給好奇心。而且我認為人類的這種行為是非常有價值的。
在僅此一次的人生中，我希望盡量深入地了解這個世界，因此我從未間斷過我所從事的研究。引力是主導我們生活的力，它就在我們的身邊。但是，我們還沒有完全看清它的真面目，如果不能理解引力，就無從知曉自然界中最深層的真相。因此，我認為引力研究很有意思，我也想讓更多的人了解該研究領域的意義。
如果沒有引力研究，就不會誕生GPS
另外，這些研究也會在我們生活中發(fā)揮出意想不到的作用。
1969年，費米國家加速器實驗室的第一任主任羅伯特威爾遜（RobertWilson）曾作為證人在美國議會上被問道：“建造粒子加速器對我國的國防有什么幫助？”這里提到的“加速器”是指基本粒子研究中不可或缺的實驗設備。具體情況我會在后面解釋，這里只要把它理解成觀察微觀世界的巨型顯微鏡就可以了。
當時已經提出了在芝加哥郊外建造加速器的計劃。該項計劃是美國原子能委員會事業(yè)的一環(huán)，因為該委員會曾主持研制原子彈“曼哈頓計劃”，所以即使在基本粒子物理學研究的建設上，也試圖先賦予其國防使命。而且當時這項計劃需要幾億美元的預算，毫無用處的建設是不會得到國民同意的。
就在這預算是否能得到認可的關鍵時刻，威爾遜給出了這樣的回答：“加速器對于國防不會有直接的作用。但是，它對于保護我們國家是有益處的�！�
威爾遜的回答很偉大，接受并通過計劃的議會也偉大。雖然費米實驗室的加速器現(xiàn)在被日內瓦的LHC（大型強子對撞機）取代了，但在很長的一段時期內，它作為世界上最強大的加速器，對物理世界貢獻巨大，很多令全世界感到自豪的重大發(fā)現(xiàn)都源于它。
進一步講，科學的發(fā)展并非只是為了提高一個國家的知名度�？茖W通過推廣合理的思考方式，讓人類從迷信和偏見中解放出來，通過探究宇宙和生命的奧秘，讓我們對世界的認識與體驗變得更加豐富。有句話這樣說：“科學的目的是人類精神的榮光�！闭绱嗽捤v，科學具有其自身的價值，創(chuàng)造出這種價值的意義重大。
而且，雖然科學發(fā)現(xiàn)最初是源于研究者的好奇心，但是從長遠看，也有不少成果最終在實際應用中發(fā)揮出了作用。獲得“菲爾茲獎”（也被稱為“數(shù)學諾貝爾獎”）的森重文對于自己研究的基礎數(shù)學這樣評價：“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。”一提到算術或數(shù)學，厭學的孩子就會提出這樣的疑問：“學它有什么用？”但是，這些脫離日常生活的抽象研究往往會在未來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“擺的等時性”。當時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，對頭上吊燈的搖擺產生了興趣。他用自己的脈搏計算時間，觀察一會兒后發(fā)現(xiàn)，擺動的周期與擺錘的重量以及振幅無關，只取決于擺線的長度。至于這個故事是否屬實，科學史家們也持有不同的意見。雖然關于在何種情況下發(fā)現(xiàn)擺的等時性并沒有定論，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“諧運動”被廣泛應用于解釋聲波和電波等諸多物理現(xiàn)象的理論中。當然，它也被用于實用的技術之中，在我們日常生活中發(fā)揮著重要的作用。
另外，科學家在研究中使用的工具，有的經過改良也會被推廣到整個社會中�；ヂ�(lián)網上的網頁瀏覽器就是其中之一。它是由在CERN（歐洲核子研究組織）工作的技術人員開發(fā)出來的，剛才提到的加速器LHC就在CERN。因為有幾千名研究者在CERN共同工作，所以必須高效地實現(xiàn)信息共享。于是，那里的技術人員開發(fā)了可以通過各自的電腦閱覽放置于服務器的信息的方法，并將那些信息免費公開。這一技術給我們每天的生活帶來了巨大的轉變。
引力的研究也以各種各樣的形式衍生出了“有用的技術”。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有引力定律，就無法發(fā)射人造衛(wèi)星。其實如果沒有愛因斯坦的相對論，也無法使用GPS準確地測定距離。關于這一點，我會在后面的章節(jié)中做詳細說明。
引力研究與理解宇宙息息相關
萬有引力定律和相對論都是關于引力機理的劃時代的重大發(fā)現(xiàn)。而且現(xiàn)在的引力研究繼牛頓和愛因斯坦的時代之后，迎來了“第三個黃金時代”。關于引力的大型觀測和實驗項目相繼啟動，支撐它的理論也取得了巨大的進步。另外，根據(jù)這些理論我們也逐漸看清了宇宙的面目。本書的內容是追溯愛因斯坦的相對論及其之后100年間的研究發(fā)展，以及最新的引力理論所描述的宇宙。
“僅僅讀這本書并不能推導出E=mc2，但是卻能讓你徹底明白愛因斯坦在想些什么，更能讓你從意義的層面上理解，為什么物理學家會如此費心研究引力？引力對于宇宙的意義是什么？我也認為這是一本科普書真正該寫的東西�！薄★晱棧ㄈ毡静┛妥骷遥┛汀�404BlogNotFound”）“這本書精妙結構讓我沉醉不已，大栗先生是現(xiàn)代的愛因斯坦�！薄迳烬R（東京大學Kavli數(shù)學物理學聯(lián)合宇宙研究機構研所長）
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