本書來源于作者長期以來在北京師范大學(xué)開設(shè)的一個科普講座“從愛因斯坦到霍金的宇宙”。該講座歷時20余載，并在一些院校和單位舉辦過不同形式的講座和公開課，重點介紹物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域的科普知識、科研前沿，以及科學(xué)發(fā)現(xiàn)的曲折歷程，內(nèi)容包括愛因斯坦與相對論、彎曲的時空、黑洞、宇宙的演化、量子論的創(chuàng)建與爭論、原子彈與核能的和平利用、天文學(xué)的若干知識、對時間本質(zhì)的探索等。
作者簡介：
趙崢，北京師范大學(xué)物理系教授，博士生導(dǎo)師。1967年畢業(yè)于中國科技大學(xué)物理系，1981年于北京師范大學(xué)天文系獲碩士學(xué)位，1987年于布魯塞爾自由大學(xué)國際理論化學(xué)與理論物理研究所獲博士學(xué)位。曾任北京師范大學(xué)研究生院副院長，物理系主任，中國引力與相對論天體物理學(xué)會理事長。長期從事理論物理的教學(xué)與研究，在相對論與黑洞領(lǐng)域發(fā)表科研論文100余篇，曾講授廣義相對論、量子力學(xué)、統(tǒng)計物理、黑洞物理、量子場論等課程。同時參加教學(xué)研究、科普教學(xué)，開設(shè)“從愛因斯坦到霍金的宇宙”等公選課，并在許多院校做科普報告。主要著作有《黑洞的熱性質(zhì)與時空奇異性》（獲第十二屆中國圖書獎）、《廣義相對論》、《廣義相對論基礎(chǔ)》、《黑洞與時間的性質(zhì)》、《黑洞與彎曲的時空》，以及科普類圖書《探求上帝的秘密》（獲第十一屆中國圖書獎）、《物理學(xué)與人類文明十六講》、《相對論百問》等。
目錄：
扉頁
序言
第一講愛因斯坦與物理學(xué)的革命
第二講彎曲的時空廣義相對論
第三講白矮星、中子星與黑洞
第四講霍金與黑洞
第五講膨脹的宇宙
第六講時空隧道與時間機器
第七講激動人心的量子物理
第八講比一千個太陽還亮
第九講點燃科學(xué)的朝霞
第十講神壇上下的牛頓
第十一講漫步太陽系
第十二講時間之謎
附錄扉頁
序言
第一講愛因斯坦與物理學(xué)的革命
第二講彎曲的時空廣義相對論
第三講白矮星、中子星與黑洞
第四講霍金與黑洞
第五講膨脹的宇宙
第六講時空隧道與時間機器
第七講激動人心的量子物理
第八講比一千個太陽還亮
第九講點燃科學(xué)的朝霞
第十講神壇上下的牛頓
第十一講漫步太陽系
第十二講時間之謎
附錄
扉頁詩句的注釋與隨想
主要參考書目
后記你想了解愛因斯坦和霍金嗎？你想了解神秘的黑洞和宇宙嗎？本書用通俗易懂的語言介紹了愛因斯坦的創(chuàng)新歷程和霍金不屈不撓的科學(xué)生涯。什么是雙生子佯謬？宇航員會比留在地球上的他的雙胞胎兄弟年輕嗎？怎樣理解時空彎曲？黑洞有哪些特點？如何理解宇宙大爆炸模型？它有哪些觀測證明？有沒有時間隧道?能不能制造時間機器使人回到自己的過去？
果殼網(wǎng)網(wǎng)友Cow作者長期以來在北京師范大學(xué)開設(shè)科普講座“從愛因斯坦到霍金的宇宙”，歷時20余載，并在一些院校和單位舉辦過不同形式的講座和公開課，重點介紹物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域的科普知識、科研前沿，以及科學(xué)發(fā)現(xiàn)的曲折歷程，目的在于擴展學(xué)生的科學(xué)視野，增強學(xué)生的創(chuàng)新能力。
本書總結(jié)歷次講座和公開課的核心，以演講集的方式呈現(xiàn)給讀者，內(nèi)容主要包含：愛因斯坦與相對論、彎曲的時空、黑洞、宇宙的演化、量子論的創(chuàng)建與爭論、原子彈與核能的和平利用、天文學(xué)的若干知識、對時間本質(zhì)的探索等等。內(nèi)中涉及一般讀者感興趣的雙生子佯謬、宇宙創(chuàng)生、時空隧道、時間機器、薛定諤貓、量子力學(xué)的多次論戰(zhàn)、黑洞的神奇性質(zhì)等問題。
在演講集中作者力圖把科學(xué)家們作為有血有肉的人展現(xiàn)在大家面前，通過科學(xué)家千姿百態(tài)的人生經(jīng)歷和科學(xué)發(fā)現(xiàn)“山重水復(fù)”、“柳暗花明”的歷程，盡可能使讀者看到歷史的真實和鮮活的人物形象。從而了解到科學(xué)家不一定是完人，但都是創(chuàng)造歷史的偉人。
當(dāng)前中國正處在大發(fā)展、大變革的時代，年青人面前有著施展才華的無限機遇，也存在著各種無法預(yù)料的風(fēng)險和挑戰(zhàn)。曾子勉勵過年青人：士不可以不弘毅，任重而道遠(yuǎn)。清代詩人趙翼也說：江山代有才人出，各領(lǐng)風(fēng)騷數(shù)百年。
本書書名源于乾隆的一幅對聯(lián)：境自遠(yuǎn)塵皆入詠，物含妙理總堪尋。這幅對聯(lián)位于頤和園萬壽山，銅亭附近的一座石牌坊上。
趙崢2013年初秋于北京
3、走向狹義相對論
愛因斯坦獨辟蹊徑
愛因斯坦沒有注意洛倫茲等人的工作，也沒有注意邁克耳孫實驗，他主要抓住的是斐索實驗與光行差實驗的矛盾。光行差與邁克耳孫實驗的矛盾體現(xiàn)在運動介質(zhì)是否拖動以太上。光行差現(xiàn)象表明，作為介質(zhì)的地球完全沒有拖動以太；邁克耳孫實驗則表明，似乎地球完全拖動了附近的以太。斐索實驗研究了流水對光速的影響，其結(jié)論是作為介質(zhì)的流水似乎部分地拖動了以太，但又沒有完全拖動。這也與光行差現(xiàn)象認(rèn)為運動介質(zhì)完全不拖動以太的結(jié)論相沖突。愛因斯坦認(rèn)識到解決上述矛盾最簡單的方法就是放棄以太理論，不承認(rèn)有以太存在。
愛因斯坦深受奧地利物理學(xué)家兼哲學(xué)家馬赫影響。他閱讀過馬赫的著作《力學(xué)史評》，在這本書中，馬赫勇敢地批判占統(tǒng)治地位的牛頓的絕對時空觀，認(rèn)為根本就不存在絕對空間和絕對運動，也不存在以太，一切運動都是相對的。愛因斯坦接受馬赫相對運動的思想，認(rèn)為觀測不到的東西都不應(yīng)該輕易相信其存在，哪個實驗證明了存在絕對空間？誰看見過以太？因此以太理論和絕對空間概念都應(yīng)該放棄。他認(rèn)為伽利略變換不等于相對性原理。他考慮了①麥克斯韋電磁理論（包括真空中的光速c是常數(shù)的結(jié)論），②相對性原理與③伽利略變換之間的矛盾，認(rèn)為“麥克斯韋電磁理論”和“相對性原理”比伽利略變換更基本。他認(rèn)識到，如果既堅持“相對性原理”又堅持“麥克斯韋電磁理論”，就必須承認(rèn)真空中的光速在所有慣性系中都是同一個常數(shù)c，即必須承認(rèn)“光速不變”。他把“光速不變”看作一條基本原理，稱為“光速不變原理”。注意，“光速不變原理”不是說在同一慣性系里真空中的光速處處均勻各向同性，是一個常數(shù)c，而是說在任何慣性系中測量，真空中的光速都是同一個常數(shù)c，光速與光源相對于觀測者的運動速度無關(guān)。
愛因斯坦得出光速不變原理不是偶然的，而是經(jīng)歷了長時間的思考過程。
他在阿勞中學(xué)學(xué)習(xí)時就考慮過一個思想實驗：假如一個觀測者以光速運動，追光，這個觀測者應(yīng)該看到一個不依賴于時間的波場。但是誰都沒有見過這種情況。這個有趣的問題表明，人似乎不可能追上光，光相對于觀測者似乎不會靜止，一定有運動速度，通常的速度迭加法則好像對光的傳播問題不適用。這個思想實驗不時浮現(xiàn)在愛因斯坦的腦海中。
此外，愛因斯坦知道，天文望遠(yuǎn)鏡對雙星軌道的觀測，支持光速與光源運動無關(guān)的觀點。如果光速與光源運動速度有關(guān)，雙星中向著我們運動（趨近）的那顆星和背離我們運動（遠(yuǎn)離）的那顆星發(fā)出的光，飛向地球的速度將不同。這將導(dǎo)致兩顆星同時發(fā)出的光會一先一后到達我們眼中；或者說我們同時看見的這兩顆星的圖像，產(chǎn)生的時間不是同一時刻。如果真是這樣，我們看到的雙星軌道應(yīng)該產(chǎn)生畸變。但天文觀測沒有發(fā)現(xiàn)這種畸變，雙星軌道是正常的橢圓。這支持了光速與光源運動速度無關(guān)的看法。
經(jīng)過長時期的思考后，愛因斯坦終于解開了這個難解之謎。他認(rèn)識到速度迭加法則并非物理學(xué)的根本原理，這個法則也不等價于“相對性原理”的數(shù)學(xué)表達�！肮馑俚慕^對性”（即光在所有慣性系中的速度都是同一個常數(shù)c）才是一條應(yīng)該堅持的基本原理，他稱其為“光速不變原理”，并把“光速不變原理”和“相對性原理”一起，作為自己的新理論（相對論）的基石。
愛因斯坦是在長時間的反復(fù)思考之后，才得出這一原理的。早在他的相對論論文發(fā)表之前一年多，他就認(rèn)識到相對性原理和麥克斯韋電磁理論都是大量實驗證實的理論，都應(yīng)該堅持。但這樣導(dǎo)致的“光速不變”結(jié)論似乎與建立在伽利略變換基礎(chǔ)上的速度迭加法則以及人們的日常觀念相矛盾，愛因斯坦覺得“這真是個難解之謎”。
1905年5月的一天，他帶著這一問題專門拜訪了他的好友貝索（“奧林匹亞”科學(xué)院的一個成員）。經(jīng)過一下午的討論，愛因斯坦突然明白了，問題出在“時間”上，通常的時間概念值得懷疑�！皶r間并不是絕對確定的，而是在時間與信號速度之間有著不可分割的聯(lián)系。有了這個概念，前面的疑難也就迎刃而解了�！彼J(rèn)識到如果堅持把相對性原理和光速不變（即光速與觀測者相對于光源的運動速度無關(guān)）都看作公理，異地時鐘的“同時”將是一個相對的概念。5周之后，愛因斯坦開創(chuàng)相對論的論文就寄給了雜志社。
貝索是個一事無成者的典型。他一生都在聽課、學(xué)習(xí)，課聽了一門又一門，書學(xué)了一本又一本。他還喜歡與別人爭論，反駁別人的意見，但從不想自己去完成一件獨立的工作。這次與愛因斯坦的討論，大大地啟發(fā)了愛因斯坦，但他自己并未搞清啟發(fā)了愛因斯坦什么。當(dāng)愛因斯坦感謝他在討論中幫助了自己時，他感到茫然。愛因斯坦在這篇創(chuàng)建相對論的劃時代論文的最后感謝了貝索對自己的幫助和有價值的建議。貝索十分激動，說“阿爾伯特，你把我?guī)нM了歷史”。
愛因斯坦1922年在日本京都的一次演講中曾提到他與貝索的這次討論。討論使他認(rèn)識到兩個地點的鐘“同時”，并不像人們通常想象的那樣，是一個“絕對”的概念。物理學(xué)中的概念都必須在實驗中可測量，“同時”這個概念也不例外。而要使“同時”的定義是可測量的，就必須對信號傳播速度事先要有一個約定。由于真空中的光速在電磁學(xué)中處于核心地位，愛因斯坦猜測應(yīng)該約定（或者說“規(guī)定”）真空中的光速各向同性而且是一個常數(shù)，在此基礎(chǔ)上來校準(zhǔn)兩個異地的時鐘，即定義異地時間的同時。研究表明，在約定光速并承認(rèn)光速的絕對性（光速不變原理）的基礎(chǔ)上定義的“同時”將是一個相對的概念。我們看到，定義兩個地點的鐘同時，必須首先約定光速各向同性而且是一個常數(shù)。要在作相對運動的所有慣性系中，都用對光速的同一個約定來定義異地時鐘的“同時”，則必須假定光速是絕對的。愛因斯坦曾經(jīng)與貝索等人一起閱讀過龐加萊的《科學(xué)與假設(shè)》，該書就議論過時間測量與光速的內(nèi)在聯(lián)系。龐加萊猜測，要測量時間，要校準(zhǔn)不同地點的鐘，可能首先要對光速有一個約定。與貝索的討論可能使愛因斯坦想起了龐加萊的觀點，不過愛因斯坦未明確指出這一點。此外，與貝索的討論還可能再次使愛因斯坦想到了他在阿勞中學(xué)讀書時考慮過的那個思想試驗：以光速運動的觀測者將看到光是不依賴于時間的波場，但從未有人見過這種情況，所以比較自然的想法是，光不可能相對任何觀測者靜止，對任何觀測者都一定作相對運動。
愛因斯坦能夠從紛亂的理論探討和實驗資料中，認(rèn)識到應(yīng)該把光速看作絕對的，并毅然提出這一全新的觀念，是極其難能可貴的。在光速不變原理和相對性原理的基礎(chǔ)上,他推出了兩個慣性系之間的坐標(biāo)變換關(guān)系,這個關(guān)系就是洛倫茲等人早已得出的變換公式（1.14）。不過，愛因斯坦是在不知道洛倫茲等人的工作的情況下，獨立推出這一公式的。更重要的是，愛因斯坦對公式（1.14）的解釋與洛倫茲完全不同。洛倫茲認(rèn)為相對性原理不正確，認(rèn)為存在絕對空間（以太），變換式（1.14）中的速度v是相對于絕對空間的，因而，變換式（1.14）描述的是相對于絕對空間運動的慣性系與絕對空間靜止系之間的關(guān)系。愛因斯坦則認(rèn)為，相對性原理成立，不存在絕對空間，不存在以太，式（1.14）描述的是任意兩個慣性系之間的變換，v是這兩個慣性系之間的相對速度，根本與絕對空間的概念沒有關(guān)系，所以他贊同把自己的理論叫作相對論。
我們看到非常有趣的情況,相對論的最主要的公式洛倫茲變換,是洛倫茲最先給出的,但相對論的創(chuàng)始人卻不是洛倫茲而是愛因斯坦。應(yīng)該說明,這里不存在篡奪科研成果的問題。洛倫茲本人也認(rèn)為,相對論是愛因斯坦提出的。在一次洛倫茲主持的討論會上,他對聽眾宣布,“現(xiàn)在,請愛因斯坦先生介紹他的相對論�！敝匀绱�,是因為洛倫茲一度反對相對論,他還曾與愛因斯坦?fàn)幷撨^相對論的正確性。特別有趣的是，“相對論”這個名字不是愛因斯坦起的，而是洛倫茲起的。在爭論中，為了區(qū)分自己的理論和愛因斯坦的理論，洛倫茲給愛因斯坦的理論起了個名字相對論。愛因斯坦覺得這個名字與自己的理論還比較相稱，于是接受了這一命名。
建立狹義相對論最困難的思想突破
一般介紹相對論的文章都非常強調(diào)愛因斯坦之所以能建立相對論，關(guān)鍵是他堅持了“相對性原理”。在當(dāng)時的情況下，愛因斯坦正確地認(rèn)識到“相對性原理”是應(yīng)該堅持的一條根本性原理，并認(rèn)識到伽利略變換并不等價于“相對性原理”，然后放棄后者而堅持前者，的確是十分不容易的。洛倫茲和大多數(shù)物理學(xué)家都沒有認(rèn)識到“相對性原理”是最應(yīng)該堅持的根本性原理。
但是，應(yīng)該注意到，關(guān)于運動相對性的觀念自古以來各國都有。到了17世紀(jì)，伽利略已經(jīng)通過對話的形式正確地給出相對性原理的基本內(nèi)容。牛頓雖然認(rèn)為存在絕對空間，同時認(rèn)為轉(zhuǎn)動是絕對運動，但他還是認(rèn)為各個慣性系是等價的。應(yīng)該說，牛頓在他的理論中應(yīng)用了相對性原理。
到了1900年前后，雖然洛倫茲等人考慮放棄相對性原理，但由于馬赫對牛頓絕對時空觀的勇敢批判，深受馬赫影響的愛因斯坦還是比較容易認(rèn)識到應(yīng)該堅持“相對性原理”的。
然而，僅僅認(rèn)識到堅持“相對性原理”，還不足以建立相對論。龐加萊已經(jīng)正確地闡述了“相對性原理”，并認(rèn)識到了真空中的光速可能是一個常數(shù)，甚至認(rèn)識到光速可能是極限速度，但是他仍未能建立相對論。這是因為建立相對論還必須實現(xiàn)觀念上的另一個更為重要的突破：認(rèn)識到光速的絕對性，即“光速不變原理”。
愛因斯坦曾明確指出，狹義相對論與（伽利略和牛頓建立的）經(jīng)典力學(xué)都滿足相對性原理，“因此，使狹義相對論脫離經(jīng)典力學(xué)的并非相對性原理這一假設(shè)，而是光在真空中速度不變的假設(shè)。它與狹義相對性原理相結(jié)合，用眾所周知的方法推出了同時的相對性，洛倫茲變換及有關(guān)運動物體與運動時鐘行為的規(guī)律�！�
這就是說，承認(rèn)相對性原理，又承認(rèn)光速絕對性，必將導(dǎo)致時間觀念發(fā)生根本變化：“同時”這個概念不再是“絕對”的，而是“相對”的了。同時的相對性與人們的日常觀念嚴(yán)重沖突，非常不易被接受。所以認(rèn)識到“光速的絕對性”，進而認(rèn)識到“同時的相對性”，是建立相對論過程中最困難也最重要的物理思想突破。
愛因斯坦是相對論的唯一締造者
1905年前后，許多人都已接近相對論（狹義相對論）的發(fā)現(xiàn)，在愛因斯坦的論文發(fā)表之前，斐茲杰惹和洛倫茲早已提出洛倫茲收縮，佛格特、拉摩、斐茲杰惹、洛倫茲早已給出洛倫茲變換，拉摩已經(jīng)給出了運動時鐘變慢的公式，洛倫茲已經(jīng)給出了質(zhì)量公式（1.6），龐加萊已經(jīng)正確地闡述了相對性原理，并推測真空中的光速可能是常數(shù)，而且可能是極限速度。此外，在一些特殊的情況下，質(zhì)能關(guān)系式也已有人探討。
但是，提出“光速不變原理”的人是愛因斯坦，而不是其他人。正是“光速不變原理”，而不是“相對性原理”，形成了相對論與經(jīng)典力學(xué)的分水嶺。另一方面，只有愛因斯坦拋棄了以太理論，從而徹底拋棄了“絕對空間”，因而最徹底地堅持了“相對性原理”。而且首先正確闡述相對論，認(rèn)識到它是一個時空理論，并給出完整理論體系和幾乎全部結(jié)論的也是愛因斯坦，而不是別人。所以說，愛因斯坦是相對論的唯一發(fā)現(xiàn)者。
事實上，在相對論發(fā)表之后，洛倫茲和龐加萊都曾反對它。洛倫茲后來接受了相對論，龐加萊則至死都未發(fā)表過贊同相對論的言論。
洛倫茲抱住絕對空間和以太概念不放，甚至主張放棄相對性原理。龐加萊雖然堅持相對性原理，主張放棄絕對空間，但他沒有放棄“以太”。而承認(rèn)“以太”實質(zhì)上還是承認(rèn)絕對空間的存在。
有一點需要解釋一下。在相對論誕生之前，龐加萊于1900年在《時間的度量》一文中曾經(jīng)談到：“光具有不變的速度，尤其是，光速在所有方向都是相同的。這是一個公設(shè)，沒有這個公設(shè)，便不能試圖度量光速。”這句話中“光具有不變的速度”，似乎是指“光速不變原理”。但從上下文看，龐加萊這句話是針對測量光速說的。眾所周知，測量光速并不需要“光速不變原理”，但需要用“光速各向同性而且是一個常數(shù)”這一約定。他在這里強調(diào)的是同一個參考系中光速是點點均勻且各向同性的，即光速是一個常數(shù)c。而“光速不變原理”指的不是這一點，而是指光速在不同慣性系中相同。龐加萊從來沒有在任何一個地方明確指出過“不同慣性系中的光速相同”。而且，承認(rèn)“光速不變原理”就將直接導(dǎo)致“同時相對性”的概念，龐加萊也沒有在任何地方談到過“同時的相對性”。因此不能依據(jù)這句話，認(rèn)為龐加萊在相對論發(fā)表之前就已認(rèn)識到了“光速不變原理”。
1900年前后，龐加萊已是一位舉世聞名的數(shù)學(xué)大師，愛因斯坦不過是一名初出茅廬的青年學(xué)者。龐加萊為相對論的誕生做了許多重要的基礎(chǔ)性工作。他正確指出時間的測量依賴于對信號傳播速度的約定。具體來說就是他認(rèn)為“測量時間”需要首先“約定”（或者說“規(guī)定”）光速，他建議約定真空中的光速各向同性而且是一個常數(shù)。龐加萊正確地闡述了相對性原理，指出了洛倫茲理論的不足。一些學(xué)者認(rèn)為相對論應(yīng)是龐加萊與愛因斯坦共同創(chuàng)建的。
愛因斯坦與龐加萊只在學(xué)術(shù)會議上見過一次面。青年愛因斯坦當(dāng)時非�？释嫾尤R支持相對論。那次會面回來后，愛因斯坦很沮喪，告訴他的朋友：“龐加萊根本不懂相對論�！笔聦嵣�，龐加萊直到去世也未發(fā)表過贊同“相對論”的意見。
龐加萊對愛因斯坦的評價不十分高。他去世前不久，應(yīng)蘇黎世工業(yè)大學(xué)的邀請，對愛因斯坦申請教授位置發(fā)表了以下意見：“愛因斯坦先生是我所知道的最有創(chuàng)造思想的人物之一，盡管他還很年輕，但已經(jīng)在當(dāng)代第一流科學(xué)家中享有崇高的地位�！贿^，我想說，并不是他的所有期待都能在實驗可能的時候經(jīng)得住檢驗。相反，因為他在不同方向上摸索，我們應(yīng)該想到他所走的路，大多數(shù)都是死胡同；不過，我們同時也應(yīng)該希望，他所指出的方向中會有一個是正確的，這就足夠了�！焙髞淼难芯勘砻鳎瑲v史與這位數(shù)學(xué)大師開了一個極大的玩笑：愛因斯坦在1905年指出的所有方向都是正確的。
楊振寧教授指出，洛倫茲與龐加萊都曾非常接近相對論的發(fā)現(xiàn)。但是洛倫茲只有近距離的眼光，沒有遠(yuǎn)距離的眼光，他只重視實驗與觀測，缺乏哲學(xué)思考；龐加萊只有遠(yuǎn)距離的眼光，缺乏近距離的眼光，他只重視數(shù)學(xué)和哲學(xué)思考，但忽視實驗與觀測。愛因斯坦既有近距離眼光，又有遠(yuǎn)距離眼光，既重視實驗與觀測，又重視哲學(xué)思考。最終，洛倫茲與龐加萊都沒有發(fā)現(xiàn)相對論，只有愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了它。
不過，愛因斯坦也承認(rèn)許多人已經(jīng)接近了狹義相對論的發(fā)現(xiàn)。他后來說：“如果我不發(fā)現(xiàn)狹義相對論，5年之內(nèi)就會有人發(fā)現(xiàn)�！�
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