第一推動叢書 宇宙係列:時空的未來 epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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産品特色

編輯推薦

這是當今著名的時空理論傢告訴我們黑洞、引力波和時間旅行的科學，也是霍金本人參與編著的又一本科普佳作。這書中所涉及的知識層麵廣泛而深刻，但平實的語言使之淺顯易懂。2018年新版的《第*推動叢書》全新設計瞭版式和封麵，簡約個性，提升瞭閱讀體驗，讓科普給你更多想象。隨書附贈價值39.6元由汪潔、吳京平掰開揉碎,帶你懂科學好書的《經典科普解讀課》6摺券。

內容簡介

本書匯集瞭霍金等六位有關時空理論的物理學傢的文章，探討瞭黑洞、引力波、時空隧道等科學理論，還從時空彎麯與量子世界的角度對未來的時空做瞭深入的探討，有助於我們更加清晰地瞭解未來世界的圖景。

作者簡介

史蒂芬·霍金(Stephen W.Hawing)，英國著名理論物理學傢，是《時間簡史》《果殼中的宇宙》的作者，被尊崇為繼愛因斯坦以來傑齣的理論物理學傢。

基普·索恩（Kip S.Thorne）加州理工學院費曼理論物理學教授，LIGO引力波探測器計劃發起人之一。他寫過很多書，包括大傢歡迎的《黑洞與時間彎麯》。

諾維柯夫（Igor Novikov）哥本哈根北歐理論物理研究所理論天體物理中心主任，哥本哈根大學天文颱教授。著作包括《黑洞和宇宙》《時間的河流》。

費裏斯（Timothy Ferris）《宇宙報告》《銀河時代》和《思想天空》的作者，曾兩度獲得美國物理學會科學寫作奬。

萊特曼（Alan Lightman）著名小說傢，麻省理工學院Burchard人文科學教授兼物理學高級講師。他的小說包括《愛因斯坦之夢》和《對話》。

普萊斯（Richard Price）猶他州立大學理論物理學教授，主要研究時間物理，在黑洞物理方麵有過突齣貢獻。與他人閤作寫瞭《相對論與引力論問題集》和《黑洞：膜方法》。

譯者介紹：

李泳，中科院成都山地所研究員

目錄

引言：時空歡迎你

我們能改變過去嗎？

讓曆史學傢放心的世界

時空彎麯與量子世界：對未來的思考

科學的普及

小說傢與物理學傢

名詞

主題索引

人名索引

譯後記

精彩書摘

引言 時空歡迎你（部分）

為什麼時空有幾何

　 盡管時空圖、事件圖和2維平麵圖明顯存在著細節上的區彆，但它們也有一些迷人的相似。這裏存在兩個問題：（1）它們真的是同類事物嗎？（2）“同類事物”是什麼意思？

　 鏇轉的數學（鏇轉變換方程）說明瞭平麵存在幾何的事實。有一個不容破壞的有序的距離關係，任何描述距離的方法都必須與那個基本的幾何實在相容。鏇轉數學不過是我們必然遭遇的冰山的一角，幾何纔是那巨大而實在的冰山。

　 那麼洛倫茲變換呢？它下麵也藏著冰山嗎？洛倫茲變換也許隻是事件背後的幾何所決定的一種關係的描述？這一點還沒有答案，因為數學背後的實在性沒有明確的意義。就算我們有瞭鏇轉的數學，知道它準確描述瞭不同參照係（橋上的不同觀測者）所進行的測量之間的關係，形而上學傢也可能會闆著臉說，幾何的存在不過是幫助我們記憶鏇轉數學的一種精神構造。沒有必要把幾何當成真實的東西。

　 多數物理學傢都沒有耐心去爭論。在平麵幾何的情形，“假裝說”幾何不是真實的，就像一個毫無意義的遊戲。但是，為幾何的實在性辯護的，並不全在於像“我知道我看見的東西”那樣的說法，而更多地在於，幾何存在的觀念是非常有用的。它不但幫我們記憶鏇轉的數學，還幫我們把握那些數學，發現新的關係。如果說幾何不是真實的，那麼，它的巨大作用也使它成為真實的瞭。

　 當愛因斯坦第一次提齣洛倫茲變換描寫瞭不同參照係下事件的坐標之間的關係時，他沒有特指任何幾何。在1905年建立相對論的原始論文中，愛因斯坦是把洛倫茲變換作為惟一的實在而提齣的。後來，閔可夫斯基（ItermannMinkowski）纔嚮他指齣這些變換可以作為一個基礎的幾何的錶達形式，那就是我們現在所說的“事件時空的閔可夫斯基幾何”。閔可夫斯基的幾何基於他定義瞭一種新的分隔事件的距離，一個結閤瞭時間與空間的距離。在不同的參照係中，兩個事件可能有不同的時間間隔，也可能有不同的空間距離，但它們的閔可夫斯基距離是相同的。

起初，閔可夫斯基幾何似乎不過是一個有趣的結構，但那結構很快就發揮瞭作用，“不過是一個結構”的觀點也煙消雲散瞭。今天，我們普遍認為愛因斯坦的相對論是關於具有閔可夫斯基幾何的事件時空的描述，而洛倫茲變換隻是那個時空幾何裏的一種鏇轉。

為什麼時空幾何“彎麯”瞭

　 閔可夫斯基引進時空幾何的思想，是一件重要的事情，原因之一是，它讓愛因斯坦用彎麯的時空幾何來描述引力。“彎麯時空”這個詞令人感覺神秘，人們常常躲它遠遠的。然而，至少從某種意義說，引力彎麯瞭時空的說法，不但能夠理解，而且非常迷人。真正令我們“絕望”的，隻是不能像畫2維空間麯麵那樣把彎麯的時空形象而清晰地畫齣來。不要指望時空理論傢中能産生什麼真能畫4維彎麯時空的大師。我們畫不瞭。（我想我在這兒說的不僅是我自己。）說到底，那可是時空啊！而且還是4維的！我們是要畫圖的，不過隻是示意性的，通常是一些比喻，有時還可能引起誤會。畫不齣彎麯的時空，耽誤瞭我們對它的理解，但不會限製我們的認識。我們還有數學，而且還有語言。

時空思想首先考慮的是世界綫，即代錶物體在時間中嚮前運動的事件的麯綫。圖6和圖7是不同參照係的兩列火車的世界綫。兩條世界綫的傾角（偏離垂直方嚮的角度）相同。這意味著它們在單位時間裏改變的距離總是相同的：它們是常速度的世界綫。如果在力的作用下，物體就不會以常速度運動。假定在圖1l的時空區域裏存在著強大的電力的作用，為明確起見，我們可以說那電力是隱藏在圖右邊的某個地方的大量正電荷引起的。

帶電體在圖11的區域裏會因為電力的影響而加速（即改變速度）。速度的改變（加速）在這個時空圖裏錶現為世界綫的傾嚮的改變。圖中世界綫1是直綫，說明物體沒有變化，從而也沒有加速。（它不僅是直綫，還是垂直的，意味著物體不僅沒有加速，而且還一直停留在參照係的同一個地方。）世界綫2的形態告訴我們，它代錶的粒子一定帶著正電荷，因為它在加速離開隱藏在右邊發生作用的正電荷。同樣，世界綫3一定說明瞭一個負電荷粒子的事件。仔細看看，我們可以發現世界綫3比世界綫2偏轉更大，它的粒子經曆著更大的加速。世界綫2和世界綫3可能分彆代錶質子和電子。它們有大小相同、符號相反的電荷；電子質量比質子小得多，因而它的世界綫3的偏轉也嚴重得多。

　 圖11說明的關鍵一點是，每一條世界綫都能告訴我們一些它所代錶的粒子的物理性質。現在我們拿它來跟引力作用下的世界綫做比較。假定圖12的時空區域存在某個隱藏在圖右邊的巨大物體的引力作用。世界綫1，2和3分彆代錶一隻保齡球、一張薄紗和一個“魔子”。沒有空氣阻力的時候，保齡球和薄紗在重力作用下的加速度是完全相同的；它們以相同的速度落下來。這裏所謂的“魔子”，我指的是“絕對的任何東西”，不管它是什麼，也會以跟球和紗相同的速度下落。

　 圖12的意義在於，偏轉的世界綫說明瞭引力在這個時空區域發生影響的一切事情；同樣的世界綫也描寫瞭引力對任何物體的影響。愛因斯坦的那個閤理觀點是，世界綫形態本身--而不是什麼“力”--纔是引力的恰當描述。在愛因斯坦的圖景裏，僅受引力作用的物體隻沿著特殊的世界綫運動。這些世界綫的細節包含著引力作用的細節。

　 時空裏的那些特殊世界綫是什麼呢？在沒有引力的時空區域（即閔可夫斯基的時空區域），不受其他作用的物體總是以不變的速度在固定方嚮上運動。它們的世界綫是直綫。這樣，我們有瞭特殊世界綫的一個例子，它也啓發我們猜想我們需要明白的一般情形。結果證明，直綫並不是任何一個幾何都存在的。假如我們想構造具有一切直綫性質的麯綫，通常是要失敗的。考慮一個尋常的例子（也是一個很好的例子）：理想球形的地球錶麵。我們能畫齣兩條像平行直綫那樣處處等距離間隔的麯綫嗎？假如我們在任何方嚮通過任何一點都能畫齣一條直綫，我們就說自己處在“平直”的空間（或時空）。除此而外的任何情形，都定義為彎麯的。

　 在彎麯的空間或時空，直綫的概念有瞭簡單的推廣：它是我們能畫齣的最可能直的麯綫。這樣的麯綫有一個奇特的名字：“測地綫”。如果我們看彎麯幾何的一個微小局部，會發現它幾乎是平直的。如果經過那個小區域畫一條測地綫，測地綫幾乎是直綫。

前言/序言

這不是一本內容單一的書，它匯集瞭趣味不同的文章，還殘留著拼接的痕跡。我們的編輯、W. W. Norton齣版公司的Ed Barber自始至終支持著這件事情，盡管我們好象有幾迴聽他不無憂慮地說起“大雜燴”，他還是支持的。其實，這本書本來就該是這個樣子，一本中庸的不同品味的文章的集閤。科學和科學傢也正是這樣的——不同的人物和事件混閤在一起，沒有緊張的約束，也沒有十分明顯的組織。

不過，書的背後還是有著組織的原則：作品是優秀的，也是可讀的——幾乎沒有一個方程。它們都在談現代的時空物理學。最重要的是，這些文章，原來都是2000年6月3日為祝賀加州理工學院的基普·索恩60大壽而做的普及演講。當然我們也承認，內容編排有點兒奇怪。三篇文章談科學，一篇談科學的普及，還有一篇談科學與科學普及之間的差彆。

這本不純的書卻是精心策劃的産物。為重要的科學傢做60大壽是傳統。索恩不但是一個重要的科學傢，對我們個人也是重要的。我們想利用這個機會做一件不同尋常的事情。但是他的謙遜卻成瞭我們的障礙。於是，為瞭能讓基普答應並參加做壽，我們故意散布謠言，等他聽到呷呷叫時，鴨子已經烤熟瞭。5個名人答應來講話；學院的活動中心Beckman禮堂也預備好瞭。基普發現這一切的時候，已經無法退縮瞭。

呈現在這裏的文章是根據那天在學院的幾篇講話改編的。請來的講話者都是鼎鼎有名、碩果纍纍的，更能引來一大群人。我們沒有彆的選擇，這也說明瞭基普在學術圈裏的地位。所有接到邀請的人都答應瞭，他們無償來做演講，又無償同意講稿編進這本書。2000年6月3日星期六，那天的演講也是免費的。本書的版稅將捐給加州理工學院的一個以基普名字命名的奬學基金。

那麼多被吸引到禮堂來的人感興趣的東西，對那些不能在那個時候到場的人來說，同樣是有趣的。這本書也許缺少演講者的音容，但是讀者能更從容地咀嚼那些本來就不能狼吞虎咽美味的大餐。

在開頭的一篇文章裏，丹麥Nordic理論物理研究所（NORDITA）天體物理中心主任諾維柯夫給我們講的是時間旅行——即使對那些看好黑洞的科學傢來說，這個題目也是陌生而奇妙的。作者帶我們走進那個題目，通過簡單的解釋和簡單的力學模型，教我們如何避免迴到過去所産生的怪圈。即使沒有怪圈，時間旅行也是不可能的——這是霍金的結論，他是劍橋大學盧卡西數學教授，也是世界上最有名的科學傢，他為我們講瞭“怎麼不可能”。我們知道，這個問題要把我們帶近物理學認識的邊緣，而它的答案還在更遠的地方。基普在文章裏想通過時間旅行走嚮未來。（其實我們都在做這樣的旅行，不過基普肩負探索的使命走到瞭前頭。）引力波天文學可能在不遠的將來成為現實，基普和我們分享瞭他對那些即將産生的激動人心的發現的熱情和憧憬。

最後兩篇文章跟其他幾篇科學描寫多少有些不同。一篇來自著名科普作傢和記者費裏斯，他通過《紅限》、《宇宙報告》和《銀河時代》等書，為解釋宇宙學和天文學確立並提高瞭標準。他嚮我們講瞭解釋科學的需要和睏難，還展示瞭一個融閤瞭科學和藝術的劇本片段。阿蘭·萊特曼當然生活在科學和藝術這兩個天地間。他從洋溢著創作激情的一流物理學傢，成為充滿瞭物理學熱愛的一流作傢。對那些不懂物理或者MIT寫作計劃的人來說，阿蘭最為人所知的也許是他1993年的暢銷書《愛因斯坦的夢》。經曆過那麼多科學和藝術的不同的創造，他當然最有資格來把科學與藝術進行比較。

除瞭改編五篇講話，猶他州立大學物理係的理論物理學傢普萊斯還寫瞭一個引言，簡單介紹瞭有關時空物理學的思想和那些思想的曆史。這個引言為費裏斯、霍金、萊特曼、諾維柯夫和索恩錶現他們的科學提供瞭舞颱。

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非常不錯的書，非常有價值

新版的這套書印刷非常精美，紙張質量非常好，就是覺得紙張太厚瞭，翻起來不是很方便。字體很少見，稍微有點不適應。

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第一推動叢書就是盜火者，本本精華心裏長草很久瞭，這次，618先搞兩組，下次再搞一組。