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出版者:科学出版社

作者:【英】W. G. V. 罗瑟

出品人:

页数:546

译者:岳曾元

出版时间:1980-03

价格:2.15

装帧:平装

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《时空探秘：宇宙的相对性之旅》 序言 我们生活在一个充满奇妙与未知的宇宙之中。自古以来，人类便仰望星空，试图理解那些闪烁的光点，探寻宇宙运行的奥秘。从早期朴素的地球中心说，到哥白尼的日心说，再到牛顿的万有引力定律，每一次认知的飞跃都极大地拓展了我们对宇宙的认识边界。然而，随着观测手段的进步和理论的深化，一些新的现象和问题开始挑战我们习以为常的经典物理学框架。 伽利略对自由落体运动的精妙分析，爱因斯坦对于光速恒定的颠覆性假设，牛顿力学在高速和强引力场下的局限性，都预示着一个更深邃、更令人惊叹的物理图景正在缓缓展开。如果说经典力学为我们描绘了一个宏大而稳定的舞台，那么二十世纪初的物理学革命则揭示了这个舞台本身——时空——的动态与相对性。 《时空探秘：宇宙的相对性之旅》并非一本晦涩难懂的学术专著，也不是对某一套特定理论的百科全书式梳理。它是一次邀请，邀请读者一同踏上一场穿越时空、探索宇宙核心规律的智力冒险。我们将从那些看似普通却蕴含深刻哲理的日常观察出发，循序渐进地揭示那些颠覆性的物理思想，如同剥茧抽丝般，层层深入地理解我们所处宇宙的本质。 本书旨在以一种清晰、引人入胜的方式，带领读者领略物理学最伟大的思想成果之一——关于时空性质的革命性认知。我们将一同审视那些被视为绝对真理的概念，并追随物理学巨匠们如何一步步打破常规，构建起一个全新的、更加宏伟的宇宙图景。这场探索将不仅限于理论的阐述，更将触及这些理论如何与我们观测到的宇宙现象紧密相连，如何重塑我们对距离、时间、运动，乃至引力本身的理解。 无论你是一位对科学充满好奇的爱好者，还是希望深入了解现代物理学基本概念的学生，亦或是任何对宇宙奥秘感到着迷的个体，《时空探秘》都将为你提供一扇窗口，让你窥见科学探索的魅力，感受人类智力的辉煌。我们将努力让复杂的概念变得易于理解，让抽象的理论充满生动的画面，让这场旅程既富有启发性，又充满乐趣。 第一章：日常中的“相对”与“绝对”——思辨的起点 在我们的日常生活中，我们对“距离”和“时间”有着根深蒂固的直观认识。我们习惯于认为，两点之间的距离是固定的，一个小时的长度也是恒定的，无论我们在哪里，无论我们做什么。这种朴素的观念，正是基于我们生活在相对缓慢、引力微弱的环境中，并且我们的速度远远低于光速。 然而，细心的观察者会发现，即使在日常经验中，“相对”的概念也并非全无踪迹。当你在火车上行走时，你相对于火车、相对于地面，其速度是不同的。我们测量一个物体的长度，会发现它在运动和静止时，似乎并没有变化。但如果我们的测量工具极其精密，或者我们以近乎光速的速度移动，情况又会如何？ 本章将从这些日常的、甚至有些“显而易见”的现象出发，引导读者开始对“绝对”的概念产生一丝怀疑。我们将探讨古希腊哲学家们关于空间和时间的早期思考，了解牛顿力学如何建立了“绝对空间”和“绝对时间”的理论框架，并简要分析这一框架在那个时代所取得的巨大成功。同时，我们会提及牛顿理论在解释某些物理现象时遇到的微小“裂痕”，为后续更深刻的理论突破埋下伏笔。 通过对这些经典概念的梳理，我们将为后续章节中关于时空相对性的深刻讨论奠定坚实的基础。我们会认识到，即使是最基本的物理量，也可能隐藏着我们尚未完全理解的奥秘，而科学的进步，往往就源于对这些“常识”的挑战与追问。 第二章：光速的边界——速度的奥秘与时间的扭曲 光，作为宇宙中最普遍、最重要的信息载体，其速度——光速——在物理学中扮演着一个特殊的角色。伽利略曾尝试测量光速，但其粗糙的实验条件使其未能成功。直到更先进的测量技术出现，我们才得以窥见光速的惊人数值，以及它在宇宙中的“独特性”。 阿尔伯特·爱因斯坦在提出狭义相对论时，大胆地将“光速不变原理”置于核心地位。这个原理意味着，无论观察者以何种速度运动，也无论光源以何种速度运动，测量到的光在真空中的速度始终是恒定的——约每秒30万公里。这与我们日常的经验截然不同，例如，一辆飞驰的汽车上的灯光，其速度与静止汽车上的灯光，在地面观察者看来，并不会叠加。 这个看似简单的原理，却带来了极其深远的推论。如果光速是恒定的，那么为了满足速度的叠加规则，我们必须重新审视我们对空间和时间的传统理解。当一个物体以接近光速的速度运动时，它在运动方向上的长度会收缩，这就是“长度收缩效应”。更令人匪夷所思的是，运动的物体所经历的时间会比静止的观察者所经历的时间流逝得更慢，这被称为“时间膨胀效应”。 本章将深入剖析光速不变原理及其带来的直接后果。我们将通过一些经典的思维实验，例如“双生子佯谬”，来形象地展示时间膨胀的奇妙之处。我们将探讨这些效应如何被实验所证实，以及它们在现代科技，如全球定位系统（GPS）中的应用，是如何体现这些看似“科幻”的物理学原理的真实性的。 第三章：质能的等价——能量的新维度与物质的本质 光速不变原理不仅改变了我们对时间和空间的认识，更揭示了质量与能量之间一种深刻而惊人的联系。著名的质能方程 E=mc²，正是这一深刻洞察的结晶。这个简洁的公式，宣告了质量和能量并非两个独立的概念，而是同一事物的不同表现形式，它们可以相互转化。 “m”代表质量，“c”代表光速，“E”代表能量。这个公式告诉我们，即使是很小的质量，也能转化为巨大的能量，因为光速的平方（c²）是一个非常庞大的数字。这不仅解释了原子核反应中巨大能量的来源，如恒星的能量辐射和核武器的威力，也让我们对物质的本质有了全新的理解。物质不再仅仅是构成世界的“砖块”，更是“储存”的能量。 本章将详细阐述质能方程的意义和影响。我们将解释质量和能量的定义，并分析它们之间转化的基本原理。我们会探讨核物理领域中质能转化是如何运作的，以及这一发现如何彻底改变了我们对能源的利用和对宇宙物质构成成分的认识。 此外，我们将触及这个公式所蕴含的哲学意义：宇宙的基石并非是固定不变的实体，而是能量在不同形态下的动态涌现。我们将看到，物理学的进步是如何一步步将我们带向对宇宙更深层、更统一的理解。 第四章：时空交织的织锦——引力的相对性革命 狭义相对论为我们描绘了一个在没有引力影响下的相对时空图景。然而，当引力这个至关重要的宇宙力量被纳入考量时，我们又将迎来一次更加宏大的理论飞跃——广义相对论。爱因斯坦意识到，牛顿的万有引力定律虽然在许多情况下非常准确，但它未能解释引力如何“传递”，也无法解释引力与时空的本质关系。 广义相对论的核心思想是：引力并非一种“力”，而是由物质和能量的存在所导致的时空弯曲。质量和能量就像在平静的水面上投下的重物，会在其周围产生涟漪，弯曲了时空的“表面”。而物体之所以沿着我们所观察到的“引力轨道”运动，并非是因为受到了某种看不见的“拉力”，而是它们在遵循时空中弯曲的“测地线”。 这个革命性的观念，将空间和时间从一个被动的“舞台”，转变为一个能够响应物质存在而发生变化的、动态的实体。行星围绕太阳的运动，光线经过大质量天体时的弯曲，都成了时空几何性质的直接体现。 本章将详细介绍广义相对论的基本概念。我们将通过类比，例如一张拉紧的橡胶膜，来形象地展示质量如何弯曲时空。我们将讨论广义相对论在解释一些经典物理学无法解释的现象上的成功，例如水星近日点的进动。 更重要的是，我们将探讨广义相对论的预测，例如引力波的存在，以及这些预测如何被现代天文观测所证实。我们将深入理解，引力并非一个独立于物质之外的抽象概念，而是时空几何本身的体现，是宇宙结构与物质相互作用的深刻结果。 第五章：宇宙的尺度与命运——时空观的宇宙学意义 从对光速和引力效应的理解，我们得以将目光投向更广阔的宇宙。广义相对论的框架，为现代宇宙学奠定了理论基础。它使我们能够构建描述整个宇宙结构、演化和命运的数学模型。 本章将探讨时空相对性观念在宇宙学中的重要意义。我们将简要介绍宇宙膨胀的观测证据，并解释它是如何与广义相对论的方程相吻合的。我们将触及黑洞的概念，理解它们是时空极端弯曲的产物，是宇宙中最神秘、最令人着迷的天体之一。 此外，我们将展望时空观对宇宙起源、演化以及未来命运的深刻启示。我们将认识到，我们对宇宙的理解，从根本上取决于我们对时空本质的认识。物理学在不断挑战我们的直观，并为我们揭示一个比我们想象中更加奇妙、更加动态的宇宙。 结语 《时空探秘：宇宙的相对性之旅》的终点，并非知识的尽头，而是对更深层宇宙奥秘的探索的起点。我们从日常的直观出发，穿越了光速的边界，揭示了质能的统一，并最终领略了引力如何编织了时空的织锦。这场旅程，让我们认识到，我们所居住的宇宙，并非一个静止不变的背景，而是一个充满活力、相互关联的动态整体。 本书的编写，旨在以一种 accessible 的方式，将物理学中最深刻、最富有想象力的思想成果呈现给读者。我们希望通过这种方式，激发读者对科学的求知欲，培养对宇宙的好奇心，并传递科学探索所带来的无限乐趣与启迪。理解相对性，不仅仅是掌握一套理论，更是打开一扇窗，让我们得以用全新的视角去审视我们自身，审视我们所处的浩瀚时空。

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我借阅这本书纯粹是因为听说它在“时空分离性”的讨论上独树一帜，但实际阅读体验却充满了矛盾。从技术层面上看，它对狭义相对论中时间膨胀和长度收缩的数学推导是清晰且毫无瑕疵的，即便是那些最反直觉的结论，作者也通过一系列精心设计的思想实验进行了充分的佐证，这些实验设计本身就是一本优秀的教材。然而，书中对“以太”概念的批判，虽然在逻辑上无懈可击，但所用的语言却带有明显的贬义和嘲讽，使得叙述的客观性打了折扣。作者似乎在极力塑造一个“旧时代观念被新思想无情碾压”的叙事框架，这在一定程度上削弱了对早期科学家探索精神的尊重。此外，本书的索引做得非常糟糕，很多重要的术语只在附录中简单提过一次，却在正文中反复出现，但索引里却找不到它们，这极大地增加了查找特定信息的难度。总而言之，它在理论证明上是一流的，但在兼顾不同知识背景读者的友好性和信息检索的便利性上，则表现得相当业余。

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这本厚重的书摆在书架上，占据了不少空间，光是看着封面上的那些复杂的公式和年代久远的插图，就让人感到一股扑面而来的学术气息。我花了整整一个周末的时间试图啃完它，但坦白说，进度缓慢得令人沮丧。书中对于宏观宇宙的描绘，那些星系团的碰撞、黑洞的奇景，本应是激动人心的，但作者似乎更热衷于用极其晦涩的数学语言来构建这些图景。举例来说，书中有一章专门讨论了时空弯曲的几何特性，其中穿插了大量的微分几何术语，比如黎曼曲率张量，每次看到这个名词，我就得停下来，翻阅后面的附录，试图理解它在物理意义上到底代表着什么。说实话，如果没有扎实的数学基础，很多论述只能停留在“我知道它很重要，但我完全不明白它在说什么”的阶段。作者的叙述逻辑非常严谨，一步扣一步，像是搭建一座精密的钟表，每一个齿轮都必须精准到位。然而，对于我这样只是想对宇宙奥秘一窥究竟的普通爱好者来说，这种极致的严谨反而构筑了一道高高的知识壁垒，让人望而却步。我更期待的是能有更生动的比喻，或者更贴近日常经验的类比来解释这些反直觉的概念，而不是直接跳入高维空间的抽象讨论。

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这本书最大的特点，在我看来，是它对哲学思辨的深度挖掘，这部分内容与纯粹的物理计算形成了鲜明的对比。它不像其他流行的科普读物那样急于展示光怪陆离的现象，而是花费了大量篇幅去探讨时间和空间本质的哲学含义，以及这些物理理论对人类世界观构成的颠覆性冲击。书中对“实在性”的讨论，特别是关于观测者在量子层面上对既有现实结构的影响，引发了我深刻的思考。作者的文笔在此处变得非常富有诗意，语句间充满了对宇宙终极奥秘的敬畏与探寻，那种沉静而富有穿透力的笔触，让人仿佛置身于一个宁静的书房，与最伟大的思想家进行着跨越时空的对话。然而，这种深度的哲学探讨也带来了一个问题：理论的物理基础在后半部分显得相对薄弱。当论述从狭义相对论转向更具争议性的多世界诠释或时空连续性的本质时，作者似乎更多地依赖于哲学论证而非最新的实验数据或公认的物理模型，这使得一部分观点显得过于个人化和推测性，缺少了坚实的科学锚点。

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当我合上这本书，深深地叹了口气，感觉像刚完成了一场艰苦的马拉松。这本书的排版，嗯，怎么说呢，就像是上个世纪的教科书直接印刷出来的，字号偏小，行间距也比较紧凑，阅读体验实在算不上友好。尤其是在涉及实验验证的部分，插图简直是灾难性的模糊，那些关于光速测量的图示，细小的线条和标注在低质量的印刷下几乎融为一团，我不得不借助放大镜才能勉强分辨出仪器的大致结构。更让我感到困惑的是，全书对理论的推导过程进行了极度的简化和省略，很多关键的数学步骤直接“跳跃”了，美其名曰“留给读者作为练习”，但这对于非专业人士来说无疑是雪上加霜。我尝试着跟着作者的思路去重构那些缺失的推导，结果往往陷入更深的泥潭，因为书中对符号和约定俗成的物理量定义也缺乏明确的初始说明，读者需要自行去“猜”作者默认了哪一套标准体系。这本书更像是写给已经掌握了特定领域知识的研究生看的参考手册，而不是一本面向更广泛群体的“导论”。如果目的是引导新人入门，那么在基础概念的铺陈和逻辑过渡上，它显得过于吝啬和自信了。

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这本书的组织结构非常古典，它严格遵循了历史发展的脉络来展开内容，从伽利略的变换一直讲到爱因斯坦的场方程，这种按时间顺序的编排方式，使得读者能够清晰地看到科学是如何一步步地、充满曲折地走向成熟的。我尤其欣赏作者在描述关键历史人物的思想转变时所下的功夫，比如对洛伦兹变换被接受过程的细致描摹，以及当时科学界内部存在的巨大争议和阻力。这些“人情味”的叙述，让冰冷的物理定律有了生动的背景。但正是这种对历史的忠诚，使得这本书在介绍现代物理学的最新进展方面显得力不从心。例如，对于引力波的直接探测、对暗物质和暗能量的最新研究成果，书中只有非常简略的提及，仿佛它们是附加在主干之上的细枝末节，而不是当代物理研究的前沿阵地。对于一个希望了解“现在”物理学界在研究什么的人来说，这本书更像是一份保存完好的历史文献，而不是一份实时的研究报告，其时效性是一个明显的短板。

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