懂不懂相对论是物理学家的事,会不会用是自己的事,
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微小的质量蕴涵着巨大的能量,一个E=mc^2公式改变人类看待世界的方式。
★相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念
“四维时空”、“弯曲空间”、引力波、电磁理论等概念都源于相对论!
没有相对论阐述时空相对性,我们怎么探索宇宙?看大师如何阐释空间和时间观念,带你重新认识宇宙万物的运行。
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相对论是关于时空和引力的理论,主要由爱因斯坦创立,相对论的提出给物理学带来了革命性的变化,被誉为现代物理性最伟大的基础理论。本书由狭义相对论、广义相对论、关于整个宇宙的一些思考三部分构成,爱因斯坦以生动的文字和浅显的事例说明了相对论的基本原理,是科学大师写给普通读者非常具有启发性的相对论入门书。
1.几何命题的物理意义
本书大多数读者在学生时代就已经熟悉欧几里得几何学(Euclid's geometry)的宏伟大厦了,你们或许会以一种崇敬胜过喜爱的心情记起这座壮丽的建筑,而那些尽职的教师们曾花费无数时间,督促你们沿着这座建筑的高耸楼梯向上攀登。凭借过去的经验,谁要是质疑这门科学中哪怕是最冷僻的定理的真实性,你必定会投以鄙视的目光。但是假如有人问你:“那么,你凭什么认定这些命题是真的呢?”你的这种骄傲感或许马上就会消失。让我们思考一下这个问题。
几何学从平面、点和直线等概念出发,我们可以将它们与大致上确定的概念联系起来;同时,几何学还从一些简单的命题(公理)出发,由于这些概念,我们倾向于将命题视为“真理”。然后,通过一种我们认为正确的逻辑推理过程,其余的命题都可由这些公理推导出来,也就是说,这些命题已得到证明。于是,只要一个命题是以公认的方法从公理推导得出的,它就是正确的(就是“真实的”)。这样,单一命题是否“真实”的问题就归结为公理是否“真实”的问题。但人们早就知道,上文的问题(如何认定这些命题是真的呢?)不仅无法用几何学的方法来回答,而且问题本身也是完全没有意义的。我们不能问“通过两点只有一条直线是否真实”这样的问题。我们只能说:欧几里得几何学研究的是“直线”,每条直线都具有由其上两点决定的性质。“真实”这一概念与纯粹几何学的观点并不相符,因为我们总习惯将“真实”一词与一个“实在的”客体(object)相对应;可是,几何学并不涉及其中包含的观念与经验客体间的关系,只涉及这些观念本身之间的逻辑联系。
尽管如此,仍不难理解为何我们不得不将这些几何命题称为“真理”。几何概念大体上与自然界中的“精确”(exact)客体相对应,而这些客体是产生几何概念的唯一根源。几何学应避免依循这一途径,以便能使其结构获得最大限度的逻辑一致性。例如,通过查看一个实质刚体(practically rigid body)上两个带记号的位置以决定“距离”的方法,已经根深蒂固于我们的思考习惯中了。假如我们适当选择观测位置,用一只眼睛观察而能使三个点的视位置相互重合,我们也会习惯认为这三点位于一条直线上。
假如,依照我们的思考习惯,在欧几里得几何学的命题中补充一个命题,即一个实质刚体上的两点永远对应于同一距离(线段,line-interval),而与我们对刚体位置的任意改变无关,那么欧几里得几何学的命题就归结为实质刚体的所有相对位置的命题。这样补充后的几何学可被视为物理学的一个分支。现在我们就可以正常地提出通过这种方式诠释的几何命题是否为“真理”这一问题:因为我们有理由问,对那些与我们的几何观念相联系的真实物体而言,这些命题是否可以被满足?用不太精确的措辞来表达,上面这句话可以这样表述:我们将这种意义的几何命题的“真实性”理解为,此命题对于用直尺和圆规作图的有效性。
当然,用这种意义来断定几何命题的“真实性”,只是基于不太完整的经验。不过,我们先假定几何命题的“真实性”,在后文中(在论述广义相对论时)我们将会看到这种“真实性”是有限的,并且将讨论这种有限性的范围。
作者序
第十五版说明
第一部分狭义相对论
1.几何命题的物理意义
2.坐标系
3.经典力学中的空间与时间
4.伽利略坐标系
5.(狭义)相对性原理
6.经典力学中所用的速度相加定理
7.光传播定律与相对性原理表面上的抵触
8.物理学中的时间观
9.同时性的相对性
10.距离概念的相对性
11.洛伦兹变换
12.量杆与钟在运动时的行为
13. 速度相加定理——菲佐实验
14. 相对论的启发性价值
15. 此理论的普遍性结果
16. 经验与狭义相对论
17. 闵可夫斯基四维空间
第二部分广义相对论
18. 狭义与广义相对性原理
19. 重力场
20. 惯性质量和重力质量相等是广义相对性公设的—个论据
21. 经典力学和狭义相对论的基础在哪些方面无法令人满意?
22. 广义相对性原理的几个推论
23. 在转动参照系上的钟与量杆的行为
24. 欧几里得与非欧几里得连续区
25. 高斯坐标
26. 狭义相对论的时空连续体可视为欧几里得连续体
27. 广义相对论的时空连续体不是欧几里得连续体
28. 广义相对性原理的严格表述
29. 在广义相对性原理的基础上求解重力问题
第三部分 关于整个宇宙的一些思考
30.牛顿理论在宇宙学上遇到的困难
31.一个“有限”而又“无界的”宇宙的可能性
32.以广义相对论为依据的空间结构
附录一
1. 洛伦兹变换的简单推导
2. 闵可夫斯基四维空间(“世界”)
3. 广义相对论的实验证实
(1)水星近日点的运动
(2)重力场对光的偏转
(3)光谱线的红向位移
4. 以广义相对论为依据的空间结构
5. 相对论与空间问题
(1)场
(2)广义相对论的空间观念
(3)广义的重力论
附录二
诺贝尔奖委员会给爱因斯坦的颁奖词