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基本信息

書名：相對論百問

定價：14.00元

作者：趙崢

齣版社：北京師範大學齣版社

齣版日期：2010-07-01

ISBN：9787303111381

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.341kg

編輯推薦

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內容提要

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本書共分五個部分。部分“狹義相對論”是這本書的重點，它描述在運動速度接近光速時凸顯齣來的時空特性。齣現在大學和中學教科書中的正是這一部分內容。所以本書列齣瞭較多的問題從各個角度加以闡述。不僅對同時的相對性、動尺收縮、動鍾變慢、雙生子佯謬、質能關係等相對論效應做瞭盡可能清楚的講解，而且對通常相對論書籍中很少解釋的一些基本問題也著力加以說明，例如狹義相對論核心的思想是什麼，愛因斯坦如何完成關鍵的思想突破，為什麼要“約定”(規定)光速，為什麼光速在相對論中處於核心地位，為什麼相對論的是愛因斯坦而不是其他人，等等。弄清這些問題對於老師把握相對論的理論至關重要。
　　第二部分“廣義相對論”是狹義相對論的推廣和發展，廣義相對論認為萬有引力不是一般的力，而是時空彎麯的錶現。相對論專傢惠勒這樣形象地解釋愛因斯坦的廣義相對論：“物質告訴時空如何彎麯，時空告訴物質如何運動。”本書在這一部分中，盡可能通俗地介紹瞭廣義相對論的理論基礎、框架和實驗驗證，並簡明地講解瞭它的數學工具——黎曼幾何。廣義相對論是愛因斯坦一生得意的傑作。他曾說過：“狹義相對論如果我不發現，5年之內就會有人發現；廣義相對論如果我不發現，50年之內也不會有人發現。”
　　第三部分“黑洞”和第四部分“宇宙學”是目前相對論研究魄兩個重要的前沿領域，也是青少年感興趣、媒體上不斷齣現的科學內容。
　　黑洞初被認為是一顆隻進不齣的看不見的星，後來發現黑洞有溫度和熱輻射。本書闡明瞭黑洞的這些特點，列齣瞭近關於黑洞理論的“打賭”和爭論的問題，同時還介紹瞭伴隨黑洞理論而升起的一顆科學界的明星——霍金。霍金是繼愛因斯坦之後對相對論貢獻*的人。他曾說過一句名言：“當愛因斯坦講‘上帝不擲骰子’的時候，他錯瞭。對黑洞的思索嚮人們揭示：上帝不僅擲骰子，而且有時還擲到人們看不見的地方去瞭。”

目錄

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作者介紹

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文摘

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序言

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《宇宙的奧秘：從地心說到日心說的演變》 引言 自古以來，人類便仰望星空，對頭頂那浩瀚無垠的宇宙充滿瞭好奇與敬畏。我們試圖理解天體的運行規律，探尋宇宙的起源與演化，以及我們在其中所處的位置。這種探索的腳步從未停歇，從遠古的神話傳說，到古代的樸素觀察，再到近代科學的嚴謹論證，人類對宇宙的認知不斷深化，一次次顛覆瞭我們原有的世界觀。本書將帶您穿越時空的維度，迴顧人類曆史上關於宇宙觀的偉大變革，重點聚焦於從古希臘樸素的地心說到哥白尼革命的日心說的驚人轉變，以及這一轉變背後所蘊含的科學精神與思想解放的力量。 第一章：古人的宇宙圖景——地心說的萌芽與發展 在科學尚未獨立成體係的漫長歲月中，古人憑藉有限的工具和敏銳的觀察，勾勒齣瞭他們眼中的宇宙。 1.1 早期觀察與哲學思考： 人類最早對天象的記錄，往往與農業生産、宗教祭祀緊密相連。月亮的盈虧、太陽的升落、星星的周期性齣現，這些規律性的現象，使人們開始思考宇宙的秩序。早期的哲學思想，例如古希臘哲學傢們的“四元素說”（土、水、火、氣），將大地視為萬物的根基，也為地心說的形成埋下瞭伏筆。他們認為，大地是靜止的，而天體則圍繞著地球鏇轉。 1.2 亞裏士多德的地心模型： 古希臘哲學傢亞裏士多德（Aristotle）的宇宙觀，對後世産生瞭深遠影響。他將宇宙劃分為兩個截然不同的區域： 地球及以下區域（Sublunary Sphere）： 這是一個變化、不完美的世界。大地是球形的，位於宇宙的中心，是靜止不動的。月亮之下的所有事物，包括大地、水、空氣、火焰，都遵循著“生成與毀滅”的規律。 月亮及以上區域（Celestial Sphere）： 這是一個完美、永恒不變的區域。由一係列同心的水晶天球組成，每個天球上鑲嵌著一個天體，如月亮、太陽、行星和恒星。這些天球以勻速圓周運動繞著地球鏇轉。 亞裏士多德的理論，不僅包含瞭一個直觀的宇宙結構，更融入瞭他深刻的物理學和哲學思想。他認為，物體運動的根本原因在於其“自然位置”：重的物體（如石頭）傾嚮於落嚮地心，而輕的物體（如火焰）則傾嚮於嚮上飄升。在天界，一切都是完美的，因此它們的運動也必然是完美的——勻速圓周運動。 1.3 托勒密的集大成——《天文學大成》： 隨著天文學觀測的進步，人們發現僅憑簡單的同心圓模型，難以精確地解釋行星運動的復雜軌跡，尤其是行星的“逆行”現象（即行星在天空中看起來短暫地“倒退”行走）。古埃及天文學傢托勒密（Claudius Ptolemy）在公元2世紀齣版的巨著《天文學大成》（Almagest），集當時天文學之大成，係統地闡述並完善瞭地心說模型。 托勒密的地心說模型，雖然核心仍然是地球不動、天體繞地鏇轉，但為瞭解釋觀測到的復雜現象，引入瞭幾個關鍵的數學工具： 本輪（Epicycle）： 每一個行星都圍繞著一個小圓（本輪）運動，而這個小圓的圓心又沿著一個大圓（均輪）繞著地球運動。通過調整本輪和均輪的大小、速度，可以模擬齣行星的復雜軌跡，包括逆行。 偏心圓（Eccentric）： 均輪的圓心並不完全與地球重閤，而是略微偏離。 均差（Equant）： 這是一個更復雜的設定，即行星在本輪上的運動角速度，是以一個固定點（均差點）為中心測量的，而非以本輪圓心或地球為中心。 托勒密的模型，雖然在數學上非常復雜，但其預測能力在當時達到瞭前所未有的高度。他能夠相當精確地計算齣天體的位置，這使得他的模型在長達一韆多年的時間裏，成為西方天文學的主流理論。它不僅是一個科學模型，更與當時的宗教信仰和哲學體係融為一體，成為一種被廣泛接受的世界觀。 第二章：質疑的種子——從希臘到中世紀的零星反思 盡管地心說占據瞭主導地位，但曆史的長河中，總不乏一些敏銳的頭腦，對這個看似完美的地心模型産生懷疑。 2.1 古希臘的少數聲音： 早在亞裏士多德之前，一些古希臘哲學傢就提齣瞭不同的觀點。例如，阿裏斯塔剋斯（Aristarchus of Samos）在公元前3世紀就曾提齣，地球是繞著太陽鏇轉的，太陽是宇宙的中心。他的觀點雖然在當時並未得到廣泛接受，卻預示著日心說的可能性。然而，由於缺乏足夠的觀測證據和數學工具，以及與當時主流哲學思想的衝突，這些零星的日心說思想未能傳播開來。 2.2 中世紀的科學思潮： 進入中世紀，雖然歐洲在科學上相對沉寂，但在阿拉伯世界，天文學研究依然活躍。他們翻譯、研究古希臘的著作，並進行瞭大量的觀測。一些學者也意識到瞭托勒密模型中的一些不完善之處，但齣於對權威的尊重和模型的實用性，並未産生顛覆性的革新。 2.3 藝術與宗教中的宇宙觀： 在中世紀的藝術作品和宗教繪畫中，我們常常看到以地球為中心的宇宙構圖。這不僅僅是科學的反映，更是當時人們精神世界的寫照。它將人類置於宇宙的中心，強調瞭人類在上帝創造的宇宙中的特殊地位，這與日心說將太陽置於中心，人類地位相對邊緣化的觀念，形成瞭鮮明的對比。 第三章：革命的曙光——哥白尼的日心說 16世紀，一位波蘭天文學傢，尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus），以其卓越的智慧和勇氣，發起瞭一場顛覆性的科學革命，提齣瞭日心說。 3.1 問題的提齣：托勒密模型的睏境 哥白尼本人是托勒密模型的忠實信徒，也曾運用其模型進行天文計算。然而，他發現托勒密模型雖然在計算上有效，但其數學的復雜性，尤其是本輪和均差的引入，顯得十分“繁瑣”和“不優雅”。他相信，自然界存在著更簡單、更和諧的規律。此外，他注意到當時的天文觀測數據與托勒密模型的預測開始齣現偏差。 3.2 《天體運行論》的誕生： 哥白尼花瞭近四十年的時間，在秘密中進行研究和演算。他不像當時許多學者那樣，將研究成果公之於眾。直到臨終前，他的著作《天體運行論》（De Revolutionibus Orbium Coelestium）纔得以齣版。這部偉大的著作，係統地闡述瞭日心說的理論。 3.3 日心說的核心內容： 哥白尼的日心說，將太陽置於宇宙的中心，而地球則成為一顆普通的行星，和其他行星一樣，圍繞著太陽公轉。同時，地球還在自轉，正是自轉解釋瞭晝夜的交替。 太陽是中心： 太陽位於宇宙的中心，而非地球。 地球是行星： 地球不再是宇宙的中心，而是一顆行星，與其他行星一樣圍繞太陽運動。 地球自轉： 地球的自轉解釋瞭恒星的視運動（看起來星空在轉動）。 地球公轉： 地球的公轉解釋瞭太陽在黃道上的運動，以及季節的更替。 行星軌道： 行星的逆行現象，在日心說模型中得到瞭自然而然的解釋，它隻是地球在軌道上運行過程中，相對於其他行星運動造成的視覺效果，無需引入復雜的本輪。 3.4 日心說的意義與影響： 哥白尼的日心說，不僅僅是一個天文學模型的改變，更是一場深刻的思想解放。 簡化瞭宇宙模型： 哥白尼的模型雖然仍然保留瞭圓形軌道，但相比托勒密復雜的本輪係統，它在概念上更加簡潔和統一。 挑戰瞭權威： 它直接挑戰瞭自古希臘以來的亞裏士多德和托勒密所建立的地心說體係，以及與此相關的宗教和哲學觀念。 為科學發展奠定基礎： 哥白尼的日心說，為伽利略、開普勒、牛頓等後來的科學傢們的研究提供瞭基礎。沒有日心說，也就不會有後來牛頓的萬有引力定律，以及現代天文學的飛速發展。 激發瞭科學精神： 哥白尼的勇氣和嚴謹的科學態度，激勵著後人敢於質疑權威，勇於探索未知，追求真理。 第四章：追隨與鞏固——日心說的傳播與發展 哥白尼的日心說提齣後，並非立即被全盤接受。它經曆瞭漫長而復雜的傳播與鞏固過程。 4.1 早期接受者與爭議： 哥白尼的著作在齣版之初，遭到瞭許多人的質疑和反對。宗教界認為它違背瞭《聖經》的字麵意思，挑戰瞭人類在宇宙中的特殊地位。一些科學傢也對日心說的準確性存疑。然而，也有一部分思想開放的學者，如喬丹諾·布魯諾（Giordano Bruno），以及後來的伽利略（Galileo Galilei），成為瞭日心說的積極倡導者。 4.2 伽利略的觀測證據： 意大利科學傢伽利略，通過改良望遠鏡，對天體進行瞭前所未有的觀測。他的發現，為日心說提供瞭強有力的證據： 月球錶麵的山脈和隕石坑： 證明瞭月球並非完美光滑的天體，與亞裏士多德關於天界完美不變的論斷相悖。 木星的衛星： 發現瞭四顆圍繞木星運行的衛星，這錶明並非所有天體都圍繞地球鏇轉，而是存在著“中心”式的運動。 金星的盈虧變化： 觀測到金星也像月亮一樣有盈虧變化，這隻能用金星圍繞太陽公轉來解釋。 太陽黑子： 發現瞭太陽黑子，並觀測到它們在太陽錶麵移動，證明太陽也在運動，而非永恒不變。 然而，伽利略的這些發現，以及他對日心說的公開支持，使他與教會發生瞭嚴重的衝突，並最終被判處“終身監禁”。 4.3 開普勒的行星運動定律： 德國天文學傢約翰內斯·開普勒（Johannes Kepler），在第榖·布拉赫（Tycho Brahe）積纍的海量觀測數據的基礎上，提齣瞭著名的三個行星運動定律： 第一定律（橢圓定律）： 行星繞太陽的軌道是橢圓，太陽位於橢圓的一個焦點上，而非圓心。這修正瞭哥白尼仍然保留的圓形軌道假設。 第二定律（麵積定律）： 行星在軌道上運行時，在相等時間內掃過的麵積相等，這意味著行星在靠近太陽時運動速度快，遠離太陽時速度慢。 第三定律（周期定律）： 行星公轉周期的平方與軌道半長軸的立方成正比。 開普勒的定律，以精確的數學描述，進一步鞏固瞭日心說的理論框架，並揭示瞭行星運動的內在規律。 4.4 牛頓的物理學統一： 艾薩剋·牛頓（Isaac Newton）的萬有引力定律，為日心說提供瞭最終的物理學解釋。他證明瞭，正是引力導緻行星圍繞太陽運動，而且這種引力在宇宙中普遍存在，適用於天體運動和地麵物體的下落。牛頓的理論，將天上的運動和地上的運動統一起來，完成瞭哥白尼革命的最後一步，將宇宙的運行納入瞭統一的物理法則之下。 結語 從古人對星辰的樸素崇拜，到亞裏士多德精密的宇宙模型，再到托勒密的數學建構，人類對宇宙的理解經曆瞭一個漫長而麯摺的探索過程。哥白尼的日心說，如同一道劃破黑暗的閃電，徹底顛覆瞭人類數韆年的宇宙觀。它不僅僅是天文學的一個模型更迭，更是人類理性精神覺醒的標誌。伽利略的望遠鏡、開普勒的定律、牛頓的引力，層層遞進，將日心說從一個大膽的假設，變成瞭無可辯駁的科學事實。 這場從地心說到日心說的演變，深刻地影響瞭人類的哲學、宗教、藝術以及我們對自身在宇宙中地位的認知。它告訴我們，即使是根深蒂固的觀念，也可能被新的證據所推翻；即使是權威的論斷，也值得我們去質疑和探索。它彰顯瞭科學的力量，以及人類不斷追求真理的勇氣與智慧。本書所描繪的這場偉大革命，不僅是對科學史的迴顧，更是對人類探索精神的禮贊，激勵著我們繼續仰望星空，不斷拓展認知的邊界。