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十几万字的《时间简史》只提到一个公式:E=mc2。它到底是什么意思?又为何如此重要?
欧洲核子研究中心(CERN)杰出科学家BrianCox&JeffForshaw;
全新视角轻松演绎人人能懂
质量从何而来?
为什么星星会发光?
上帝粒子是什么?
答案都隐藏在爱因斯坦著名的物理方程式E=mc2里!
内容简介
爱因斯坦在1905年写下E=mc2这个公式,撼动了整个世界,彻底改变了人类的时空观,几乎宇宙所有的奥秘都隐含于相对论中,人类也因此对时间旅行的奥秘、原子裂变的巨大能量、宇宙的起源和终结、黑洞和暗能量都有了全新的认识。考克斯和福肖教授带我们从21世纪的科学角度,重新去思索这个著名的公式。不同于其他介绍相对论的书,本书成功挑战科普书的禁忌,用浪漫幽默方式轻松演绎相对论,令每个读者都能领略到这个伟大理论的迷人之处。本书入围科普书崇高荣誉英国皇家学会科学图书大奖决选名单,是近年难得一见深具启发性的科普读物。
作者简介
有“物理界摇滚星”之称的考克斯是英国的粒子物理学家、英国皇家学会研究员,并任教于曼彻斯特大学。他同时也是欧洲核子研究组织的成员,负责大型强子对撞机的超导环场探测器实验,研究前部质子探测器。除此之外,考克斯在BBC主持多档科普节目,受到观众追捧。他曾是D:Ream乐团的键盘手,每每现身讲台都引起一阵旋风,受到观众的热烈欢迎。他为科学普及做出了卓越贡献,历年来获得过许多奖项。
福肖教授是理论物理学家,毕业于牛津大学,他的主要研究领域是基本在粒子物理。1999年,他被授予物理学院麦克斯威尔奖章以表彰其在理论物理学的卓越成就。
内页插图
精彩书评
我想包括史蒂芬?霍金在内的任何人都无法超过布莱恩?考克斯的阐述中所表现出的那种智慧、激情、清晰和力量的完美结合。如果你对尖端的科学发展问题有兴趣,并且想知道这些新发现是如何影响我们每一个人,那么就让这位充满激情的教授为你解释一番吧。看到他你也许不禁会问,这俊朗的外表之下真的藏着一位教授吗?
——Stephen Fry
为了弄清楚作为爱因斯坦一生理论中经典的公式E=mc2,他们(考克斯和福肖)成功地开辟了一条通往那个神秘领域的道路。这条路从数学表达方式下的时空结构一直通向原子弹、天体物理学,并到达质量之源。
——New Scientist
如果想去除大多数人对爱因斯坦著名的公式肤浅的理解,你可以聆听作为资深的科学家以及教育家布莱恩?考克斯和杰夫?福肖的阐述。通过准确的语言和几个充分解释的公式,他们将一些物理学中不可思议的发现平易近人地带到了读者身边。”
——Seed
很多学者都尝试过解释(公式的)本质,但他们并没有都取得成功。较之布莱恩?考克斯和杰夫?福肖,没有人更加能胜任这份工作了。他们做了一项了不起的事,包括在书的标题中就回答了问题本身。
——BBC Focus magazine
(Why does E=mc2?)通篇行文清晰明确,并有不少的闪光点,然而丝毫没有让人感觉到任何骄傲自大……任何有着一颗探索之心的读者都能被这两位睿智的科学家笔下平实的语言所吸引而受到启发……这是一本读后会让人愉快的书。
——The Huffington Post
(在Why does E=mc2?)中包含了很多的知识和非常好的解释。它为那些喜欢过科学或者曾经想更多的了解科学的人们提供了一个很好的机会,免去了他们必须再次回到学校学习的麻烦。在阅读这本书的时候请保持一份开放的态度和一种好奇的心态,而当你放下它时将会发现自己获得了相当丰富的知识。
——Sacramento Book Review
目录
前言
第一章 时间和空间
第二章 光的速度
第三章 狭义相对论
第四章 时空
第五章 为什么E=mc2?
第六章 为什么原子、捕鼠器以及星星的能量都值得我们关注?
第七章 质量之源
第八章 弯曲的时空
精彩书摘
第一章 时间和空间
“时间”和“空间”对你而言,意味着什么呢?
也许,“空间”是寒冷冬夜里繁星点点的浩瀚苍穹,又或许是裹着星条旗、拖着金色尾巴的火箭将神采奕奕的宇航员送入孤独的卫星轨道时,身后留下的一片空虚。而“时间”也许就是手表上滴滴答答的时针,抑或是随着太阳第五十亿次向北倾斜中,慢慢变黄的叶子。古往今来,我们都在这个蓝色的星球上生活着,直观地感受着时间和空间。
十九世纪末,人类在看似没有任何关联的几个领域内相继取得了重大的科研突破,这些科学成就促使物理学家们重新审视我们眼中的时间和空间,以及那些停留在直观层面上的认识。不久之后的二十世纪初,赫尔曼?闵可夫斯基——阿尔伯特?爱因斯坦的导师以及同事,这样写道:“从现在开始,时间与空间已不再各自独立存在,取而代之的是两者混合体的诞生。”这条著名的“讣告”,直接宣判了古代关于天体运行等天文理论的死刑。
那么,闵可夫斯基所说的“时间和空间的混合体”到底是什么呢?要了解这个带有浓重神秘色彩的新名词,我们就必须了解爱因斯坦的狭义相对论。在狭义相对论里,世界第一次看到了E=mc2这个著名的公式;由此,在继续探索宇宙奥秘的旅程中,光速c进入了我们的视野,并牢牢地站在了科技大舞台的正中心。
爱因斯坦狭义相对论的核心内容是对时间以及空间的描述。其中,最重要的一个概念是一种速度,一个宇宙中任何事物都不可能超越的极限速度——光速。在真空中,光速达到每秒299,792,458米。光以这个速度,从地球出发,经过8分多钟可以到达太阳,10万年后能穿越我们所在的银河系,超过200万年后可到达仙女座星系——我们在宇宙中最近的邻居。每当夜幕降临,地球上最大的天文望远镜就会将目光投向宇宙的深处,尽全力地去捕捉最深处的点点光芒,而发出这些光芒的恒星可能此刻早已消亡。比地球从一团星云中诞生还要早几十亿年,也就是在大约100亿年前的时候,这些星光便开始了自己的旅程。光速极快,但面对星际间的遥远距离,也显得那么微不足道了。我们能通过类似于欧洲核子研究中心(CERN)在瑞士日内瓦的大型强子对撞机这样的设备把一些非常小的物体加速至接近光速的百分之一。
这个特殊速度的存在,或者说是宇宙速度上限的存在,本身就是一个奇怪的概念。如同我们接下来会在本书中揭示的那样,将这个速度和光速联系起来其实是一个障眼法。而在爱因斯坦的理论中,它将扮演更重要的角色,同时光为什么以光速(299,792,458米/秒)前进也自有其原因。当然,这些都是后面的内容。现在,我们仅仅需要知道当物体以接近光速的速度移动时,意想不到的事情便会接踵而来。有没有任何其他的原因在阻止物体以超越光速的速度运行呢?因为给我们的感觉是,“没有任何物体的速度能快得超过光速”,就好像在说“不论发动机的马力有多大,自然法则导致我们的车速无法超过每小时70英里”一样让人费解。显而易见,自然法则不像一条限速交规那样需要交通管理部门来贯彻执行,因为整个时间和空间都是依照自然法则形成的,这些自然法则是无法在这样的世界里被打破的。如果它们被打破,这个世界便会产生很多无法预料的结果,这不能不说是我们的幸运。在本书靠后的章节里,我们将发现,如果我们能超光速地移动,那么人造时间机器就能回到历史上的任意时刻。可以想象,出于某种目的或是不小心,我们回到了自己出生之前的某个时刻,并阻止了自己父母的相知相识。这类情节经常出现在精彩的科幻小说里,但是真实的世界却无法如此编排,爱因斯坦的研究也表明我们的世界不是那样形成的。时间和空间以一种精妙的方式交织在一起,避免了这些似是而非的观点产生。但是,为了究其原理,我们需要付出代价——必须舍弃一些根深蒂固的关于时空的观念。在爱因斯坦所描述的宇宙中,移动的钟表会变慢、运动的物体会缩小、人们可以到几十亿年之后的未来世界旅行。同样在这个宇宙中,人们的生命可以被无限延长,长到人们可以看到太阳燃尽、海水蒸干,目睹整个太阳系陷入永恒的黑暗。人们还能见证新的恒星以及行星从星尘中诞生的过程,甚至可以看到新的生命萌发在宇宙的某个角落,即使作为他们家园的那颗星球目前还不存在。爱因斯坦的宇宙能开启人们通往遥远未来的高速通道,同时也能将回到过去的大门死死关闭。
看完整本书后,读者们将明白爱因斯坦如何“被迫”得出这如梦似幻的宇宙观,而他的观点又是如何被许多科学实验以及实际科技运用证明是正确的。以车载卫星导航系统为例,它的设计中就考虑到了地球卫星轨道中时钟的走动和地面上时钟的走动快慢不一的问题。爱因斯坦的想法是大胆的:时间和空间的真面目并不是它们表面看上去的那样!
现在,我们有点超前了。在能够充分理解和体会爱因斯坦的非凡发现之前,两个在相对论中占有核心地位的概念值得我们仔细思考,那便是时间和空间。
……
前言/序言
本书的目的是想用最简单的语言阐述爱因斯坦在时空方面的理论,同时也想向广大读者展示其蕴涵的科学美感。最终我们将能通过和勾股定理难度相当的数学运算来得出著名的质能公式E=mc2。如果你不记得什么是勾股定理没关系,我们到时候也会介绍它。我们另外一个重要目的是希望任何看完本书的读者都能够了解现代物理学家们是如何思考大自然,并且建立起那些能够对人类生活产生巨大作用和改变的理论的。爱因斯坦通过建立一个关于时间和空间的模型,为以后人们最终理解为什么恒星会发光、为什么电动机和发动机能够工作做了铺垫,最终他的理论也为所有现代物理理论提供了坚实的基础。我们也希望这本书能够对大家有一些启发,引起大家的思考。物理本身并不存在任何问题:我们在本书中将会逐步看到爱因斯坦的理论已经发展得相当完善了,而且他的理论得到了很多实验数据的支持。然而我们必须强调的是,总有一天爱因斯坦的理论必然会让位于一个比它能更准确解释大自然的理论。在科学世界里,并没有什么永恒的真理,有的只是那些现在还没有被证明是错误的观点。我们最多只能说,爱因斯坦的理论到目前为止还是正确的。相反我们所说的不断思考是科学迫使我们去考量大自然的方式。不管是科学家还是一般人,每个人都有自己的直觉和感受,我们都从每天的生活当中推断出各种各样的结论。如果将我们日常生活中观察的结果放在科学的精准而不带感情的目光下检验,我们常常会发现大自然在我们的直观感受中制造了一些混沌。随着本书中讨论的不断深入,我们会发现当所有的事物都以高速运行时,我们关于时间和空间的常识将被抛弃,并且被一些意想不到而又十分优雅的全新理论所取代。从中我们得到一个非常朴实而诚恳的教训:宇宙远比我们的日常生活中能接触到的现象丰富许多。这也常常使科学家们对宇宙发出阵阵赞叹。也许最让人感觉奇妙的是,新的物理理论充满了数学上的和谐与优雅。虽然科学有时候看上去十分困难,但从其核心意义来说科学并不是一门复杂的学问。甚至有人大胆地说,科学就是人们试图移除自己本身的偏见从而能更加客观地看待整个世界的过程。也许他说的对又或不对,但不可否认的是科学对于我们了解宇宙是如何运转的做出了极大的贡献。真正的难点在于我们是否能克服相信常识的惯性。运用科学方法我们才能了解并接受大自然本来的模样,而不会受到我们固有的偏见的影响。也正因为如此,我们才有了当今科技社会中所取得的种种成就。简而言之,科学方法的确是行之有效的。
本书的前半部分,我们将致力于推导E=mc2这个著名的公式。这里“推导”的意思是,我们将展示爱因斯坦是如何得到“能量等于质量乘以光速的平方”这样一个结论的,正如公式本身所说的那样。如果我们稍稍对它做一番思考,可能会觉得这是个非常奇怪的结论。也许人们最常见的能量是在运动中产生的,比如有人扔出的一个板球恰巧飞向你的脸,当它打到你时你会觉得疼。这时一个物理学家会说这是因为投手赋予了板球能量,而这种能量又在当你的脸阻挡住板球继续运动的同时转化到你的脸上。质量则是衡量一个物体中所含物质的多少。一个板球比一个乒乓球的质量大,但它又比一个行星的质量小。E=mc2这个公式要告诉我们的是,就如同美元和欧元能互相兑换一样,质量和能量可以互相转换,它们之间的兑换率则是光速的平方。那么当时爱因斯坦脑子里到底是有了怎样的奇思妙想才能得出这样一个结论呢?而光速又是怎么把自己塞进这个关于质量和能量的关系中的呢?本书中我们并不要求读者有任何专业科学知识,我们也尽可能地回避数学。尽管这样,我们依然努力为所有的读者提供一个真正的科学解释(而不仅仅是一种描述)。从这一点上来说,我们希望提供些新鲜的知识。
本书的后半段中,我们将去看看E=mc2是如何指引人类在理解大自然的道路上前行。为什么星星会发光?为什么原子能比煤炭和石油更高效?“质量是什么?”这个问题将带领我们走入现代粒子物理世界,让我们见识位于日内瓦的大型强子对撞机,并寻找希格斯粒子,因为它或许能帮助我们揭开质量之源之谜。在本书的结尾处,读者会看到爱因斯坦另一个惊人的发现,那便是万有引力其实是由于时间和空间的结构本身特点而产生的,以至于得出“地球的公转是围绕着太阳做的‘直线运动’”这种神奇的结论。
《宇宙的时空奏鸣曲:探索相对论的奇妙世界》 本书将带领读者踏上一场跨越光年的非凡旅程,一同揭开宇宙最深邃的奥秘之一——爱因斯坦的相对论。这不是一本枯燥乏味的教科书,而是以充满想象力和生动比喻的方式,将抽象的物理概念转化为触手可及的画面。我们将一起质疑日常生活中看似牢不可破的常识,如同穿越古老迷雾的探险家,去发现隐藏在现象背后的宇宙真理。 第一部分:时间不再是河流,空间不再是画布 你是否曾想过,时间真的是一条匀速流淌的河流?或者,空间真的只是一个任由物体随意摆放的静态画布?相对论将颠覆你的固有认知。我们将从一个简单却深刻的问题开始:“如果我们能够以接近光速的速度旅行,会发生什么?” 时间膨胀的奇妙景象: 想象一下,你乘坐一艘宇宙飞船,以光速的99.99%向遥远的星系进发。当你抵达目的地,你会惊奇地发现,在你眼中可能只过了几年,而地球上却已经过去了数百年甚至数千年。这并非科幻小说的情节,而是狭义相对论中最令人着迷的效应之一——时间膨胀。本书将详细阐述时间膨胀是如何产生的,它与速度之间微妙而必然的联系,并通过各种生动的类比,比如“钟摆的舞蹈”或“宇宙时钟的差异”,让你深刻理解时间并非绝对,而是相对的。我们将探讨时间膨胀在理论和实际应用上的意义,从粒子的衰变到GPS卫星的校准,让你看到相对论如何影响着我们的现实生活。 长度收缩的视觉错觉: 随着速度的增加,物体在运动方向上的长度会发生收缩。这意味着,在你看来,那艘高速飞行的宇宙飞船会比它静止时显得更短。我们将用“拉伸的橡皮筋”或“被压扁的盒子”来比喻长度收缩,并解释它为何是高速运动的必然结果。你将理解,这种收缩并非感官的欺骗,而是宇宙时空结构本身的特性。我们将深入探讨长度收缩与时间膨胀如何协同作用,共同描绘出高速运动下的宇宙图景。 相对性的革命: 狭义相对论的核心在于“相对性原理”——物理定律在所有惯性参考系中都是相同的。这意味着,无论你是在静止的地球上,还是在匀速直线运动的宇宙飞船上,你所经历的物理现象都应该遵循同样的规律。本书将通过一系列思维实验,比如“火车上的灯光”或“电梯里的自由落体”,来阐释这一看似简单却无比强大的原理。你将理解,没有绝对的静止,也没有绝对的运动,一切都取决于观察者的视角。 光速的永恒不变: 无论观测者以何种速度运动,光在真空中的速度永远是恒定的。这是狭义相对论的另一个基石。我们将探讨这一“宇宙速度极限”是如何深刻地影响着我们对宇宙的理解,它为何是信息传播的上限,以及它如何导致了时间膨胀和长度收缩的发生。你将明白,光速并非只是一个数值,而是连接空间和时间的神秘纽带。 第二部分:引力不再是神秘力量,空间弯曲的几何学 如果说狭义相对论改变了我们对时间与空间的认知,那么广义相对论则彻底重塑了我们对引力的理解。我们一直认为引力是一种看不见的“拉力”,将物体束缚在一起。但爱因斯坦告诉我们,引力并非如此简单。 引力的几何化: 广义相对论将引力描述为时空本身的弯曲。质量和能量会使周围的时空发生扭曲,而物体则沿着这种弯曲的时空路径运动,我们将其感知为“引力”。本书将用“弹簧床上的重球”或“流水中的船只”等生动形象的比喻,来解释质量如何“压迫”时空,使其产生凹陷。你将不再将引力视为一种抽象的力量,而是理解它为时空几何结构的内在表现。 物质与时空的互动: 我们将深入探讨物质与时空之间不可分割的联系。质量越大,时空弯曲得越厉害,也就产生了更强的“引力”。本书将以太阳系为例,解释行星为何会围绕太阳运动——并非太阳在“拉扯”它们,而是太阳巨大的质量弯曲了周围的时空,行星只是沿着这条弯曲的路径在“滑行”。 时空弯曲的可见证据: 广义相对论并非空中楼阁,它拥有强有力的实验证据。我们将回顾爱因斯坦的预言,如光线在引力场中的弯曲,以及这些预言如何被后来的天文观测所证实。你将了解,光线经过太阳附近时会发生偏折,这正是时空弯曲最直接的体现。我们还将探讨引力红移、水星近日点进动等现象,它们都为广义相对论提供了坚实的支撑。 黑洞:时空的终极扭曲: 当一个天体的质量足够大,其引力也会变得极端,甚至能将时空弯曲到无法想象的程度,形成黑洞。本书将带领你“深入”黑洞的边界——视界,理解那里的时空是如此扭曲,以至于连光也无法逃脱。我们将探讨黑洞的形成、性质以及它们在宇宙演化中的作用,让你领略宇宙中最神秘、最极致的时空现象。 引力波:时空涟漪的传递: 爱因斯坦预言了引力波的存在,即时空受到剧烈扰动时产生的涟漪。近年来,引力波的直接探测更是为广义相对论带来了新的证据。本书将解释引力波的产生机制,以及它们如何携带着宇宙最古老、最剧烈事件的信息。你将理解,通过探测引力波,我们正在开启观察宇宙的新窗口。 第三部分:相对论在宇宙学中的宏伟画卷 相对论不仅改变了我们对微观世界的理解,更是构建了我们对整个宇宙的宏大图景。 宇宙膨胀的证据与解释: 现代宇宙学最伟大的发现之一就是宇宙正在膨胀。本书将追溯这一发现的历程,并解释相对论如何为理解宇宙膨胀提供了理论框架。你将理解,宇宙的膨胀并非物体在空间中的移动,而是空间本身的拉伸。 大爆炸理论与宇宙的起源: 相对论是理解大爆炸理论的基石。我们将探讨宇宙如何从一个极度致密、炙热的状态演化而来,以及相对论如何预测了宇宙的早期历史。你将了解,我们对宇宙起源的认知,很大程度上建立在相对论的数学框架之上。 暗物质与暗能量的谜团: 尽管相对论取得了巨大的成功,但它也面临着一些挑战,比如暗物质和暗能量的存在。本书将介绍这些“看不见的”宇宙成分,以及它们如何影响着宇宙的演化。你将思考,在相对论的光芒之下,宇宙仍然隐藏着多少未知的奥秘。 本书特色: 通俗易懂的语言: 摆脱专业术语的束缚,用最直观、最形象的语言解释复杂的物理概念。 丰富的类比和插图: 大量运用生活中的类比和精美的插图,帮助读者建立空间想象,将抽象的理论具象化。 循序渐进的逻辑: 从狭义相对论的基础出发,逐步深入到广义相对论的精髓,层层递进,让读者逐步掌握相对论的逻辑。 激发好奇心: 通过提出引人入胜的问题,引导读者独立思考,激发对宇宙奥秘的无尽好奇。 超越知识的体验: 这不仅仅是一次知识的学习,更是一次思维的革命,一次对宇宙认知的重塑。 这本书将是你踏入相对论世界的最佳向导,让你在轻松愉快的阅读中,与伟大的爱因斯坦一同探索宇宙的奥秘,感受时空的神奇变换。无论你是否拥有物理学背景,都能在这趟旅程中收获满满的惊喜与启发。让我们一同开启这场关于宇宙、时间和空间的奇幻探索之旅吧!