导语

  

    马克·拉谢兹-雷伊著的《海滩上的爱因斯坦(带上相对论去度假)(精)》介绍了爱因斯坦提出和发展狭义、广义相对论理论的来龙去脉，以及其后的天体物理学家、宇宙学家如何借助相对论提供的全新视角，发展出了大爆炸、宇宙微波背景辐射、引力波等理论和概念。借助20幅漫画，作者还原了物理学家们所提出的重要实验和模型，方便普通读者领略相对论里的奇妙宇宙。

内容提要

  

    为什么说宇宙来自大爆炸？为什么黑洞看不见却存在？
    为什么引力波探测意义重大？为什么GPS能够定位准确？……
    解答这些问题，都离不开相对论。
    在帆布椅上躺平，让马克·拉谢兹-雷伊著的《海滩上的爱因斯坦(带上相对论去度假)(精)》这本书引导你回顾近一个世纪里发生在相对论和宇宙学身上的故事，见证爱因斯坦的奇迹之年，感受这些物理理论的亲近、简单与神奇。你不用担心数学公式，只需要放松心情，放飞想象。收起椅子离开海滩时，世界会以全新的面貌展现在你眼前。

前言 一位革命性的天才
1 狭义相对论挽救了危机中的物理学
延续与决裂/新的相对性原理/恼人的速度问题/概念革命/时空：物理学的新框架/世界线/没有优先的方向/“真正的时间”不存在！ /固有时间和协调时间/双生子“悖论”
2 广义相对论开创了宇宙几何学
牛顿眼中的引力/远距离运动和绝对空间的特异性/等效原理及其变形/广义相对论的框架/欧几里得几何及其他/时空的弯曲/宇宙的剖面/永别了，问题
3 验证爱因斯坦的理论
爱因斯坦理论的三个经典验证/更近期的一些验证
4 一门真正的宇宙科学
对宇宙的古老看法/牛顿及其普世框架/爱因斯坦引起的震动/难以置信的星系距离/宇宙膨胀的发现
5 宇宙的悠长历史
奠基者勒梅特/一种真正特殊的膨胀/宇宙大爆炸的基础/古老宇宙的年轻激情/暂时的矛盾/原始化学元素/当前的宇宙学及其问题
6 来自远方的光
及时到来的偶然发现/光与物质相互作用的终结/十分容易辨认的曲线/几乎是各向同性……但并不确切！
7 相对论的宇宙表现
中子星和脉冲星/黑洞，极端天体/时空中的幻影
8 寻找微妙的引力波
广义相对论惊人的预言/探测的尝试/历史性的消息/引力天文学诞生了！
后 记 非常好……但还需超越
参考书目
译名对照表

前言

  

    在爱因斯坦肩上观看宇宙
    阅读科学家的趣闻轶事，并不能帮助我们真正理解科学家。科学家很大程度上被他的科学研究定义。《海滩上的爱因斯坦》这本书不是爱因斯坦的传记，而是对过去一百年建立在爱因斯坦相对论之上的物理世界的梳理。书的题名可能来自牛顿对科学探索的比喻：真理的大海无穷无尽，而科学家只是在海滩上拾贝壳的孩子。爱因斯坦和牛顿并称为有史以来最伟大的两位物理学家，他们恰好也对真理大海中同样的问题感兴趣：那就是引力的秘密。
    人类很难天然地感受引力的存在。虽然我们知道自己跳起后总会回到地面，也知道苹果成熟只会从树上落下而不会飞上蓝天，但很少有人能够自发地意识到，这些现象背后的原因是地球的吸引力。更少有人能够自发地意识到，这种吸引力不仅仅根源自大地，而是存在于万物之间。这是因为引力在日常生活中太微弱了。重力是引力在日常生活中几乎唯一的体现。
    但在天文尺度上，引力却是最重要的力量。太阳通过引力约束它的行星围绕它运动。然而，直到牛顿发表他著名的万有引力定律前，没有人将“天庭”中的天体运动和人类世界的苹果落地联系在一起。在牛顿之前，开普勒已经给出了对行星运动的精彩描述。利用开普勒的三大定律，天文学家们可以预测行星在未来的运行。但是，开普勒并没有能够像牛顿一样看到行星运动规律之上更本质的规律：任意两个物体之间存在引力，且引力的大小反比于物体距离的平方。牛顿的发现为宇宙中天体的运动定下了普适的规则，一旦设置好天体的位置和初始的速度，天体系统的演化将完全按照万有引力制定好的脚本运行。
    牛顿的万有引力定律在太阳系内取得了巨大的成功。然而在整个宇宙尺度上，牛顿的规则却会引入悖论。在牛顿的世界里，宇宙时空是绝对的，万物在宇宙空间中来来去去，犹如旅店的过客。同时，牛顿相信在宇宙尺度上，天体的分布是均匀的。宇宙没有中心。这在今天被称作“宇宙学原理”。然而，牛顿自己的引力定律却无法给出这样的宇宙一个稳定的解。牛顿的宇宙会因为引力而失去平衡。
    爱因斯坦的广义相对论优雅地解决了这个问题。在爱因斯坦的理论中，引力本质上是时空的弯曲。爱因斯坦的宇宙空间不是恒常不变的，引力的存在可以弯曲时空。在弯曲时空中的物体会感受到这种扭曲，运动行为因时空扭曲的不同而不同。空间和时间在这个理论中总是联系在一起。一个地方如果引力越强大，时间的膨胀也越厉害。
    约翰·惠勒曾经这样描述爱因斯坦的理论：物质告诉时空如何弯曲，而时空告诉物体如何运动。从二十世纪二十年代末开始，物理学家们开始试图站在爱因斯坦的广义相对论之上，建立新的宇宙理论。人们发现爱因斯坦的宇宙可以在保持宇宙学原理的情况下展现不同的形态。根据宇宙中物质组成的不同，宇宙空间可以处处弯曲，像是三维球面，有限而无边，也可能是平直的，无边又无限。宇宙空间有可能像面包一样膨胀，使得其中的星系相互远离对方，也有可能收缩，最终回到极高温度、海滩上的爱因斯坦推荐序　在爱因斯坦肩上观看宇宙极高密度的状态。
    天文观测的进步使理论家们的预言有机会得到验证。利用当时最好的望远镜，埃德温·哈勃发现几乎所有的星系都在退行，远离银河系，而它们的退行速度正比于它们到银河系的距离。这个规律今天被称作哈勃定律，是广义相对论宇宙学的第一个观测基石。哈勃的发现表明如果爱因斯坦的广义相对论成立，那么我们所在的宇宙空间很可能是处处均匀膨胀的。这种膨胀方式会使得宇宙好像一块被烘焙的葡萄干面包。随着面包的膨胀，葡萄干彼此渐渐远离，开始相距越远的葡萄干，彼此远离的速度也就越快。
    宇宙的膨胀同时意味着我们的宇宙可能有一个开端，因为逆着时间的箭头回溯，宇宙的早期必将是高温高密度的状态。今天人们观察到的广袤宇宙空间，完全来自于早期一小块区域的膨胀。宇宙早期一切物质结构都不存在，宇宙中的化学元素，恒星和行星等天体，星系和星系团等结构，都是随着宇宙的膨胀演化而来的。二十世纪四十年代末到五十年代初，俄裔物理学家伽莫夫和他的学生用物理的语言第一次描述了这样的宇宙演化。今天，这一理论被冠以我们熟知的“大爆炸宇宙学”的名称。
    今天不同的宇宙观测都支持大爆炸宇宙学理论。其中，1965年，彭齐亚斯和威尔森发现的“微波背景辐射”是这个理论最坚实的支持。这一辐射处在微波波段。利用射电望远镜，这一辐射在天空各个方向都可以观察到。它的性质完全符合宇宙大爆炸理论对大爆炸的描述，几乎确定无疑就是宇宙大爆炸的余辉。
    爱因斯坦是现代宇宙学的第一个推动者。他为今日的宇宙学奠基。但在宇宙学的具体构建过程中，爱因斯坦参与甚少。一个变化的宇宙对爱因斯坦本人来说有点不符合直觉。早期的爱因斯坦甚至曾试图通过在广义相对论方程中加入著名的“宇宙学常数”构造出一个稳定的宇宙模型。
    另一方面，爱因斯坦也许从未对宇宙具体的命运着迷，他的后半生研究奉献给了“统一场论”，他试图创立统一的理论框架来描述引力和电磁力。爱因斯坦没能在这方面再次做出突破，但他致力的方向仍然是今天物理学家认为最重要的方面。当然，不同于爱因斯坦，今天的理论家意识到更重要的问题不在于广义相对论和电磁学，而是是广义相对论和量子力学之间的结合。
    体会宇宙学的研究如何一步步建立在爱因斯坦简洁优雅的理论之上是阅读本书的最大乐趣。全书文理清晰，行文轻盈，以简洁的步调将这一过程展现给读者。我将此书推荐给对宇宙感兴趣的读者。

后记

  

    通过狭义和广义相对论，爱因斯坦完全颠覆了物理学，同时也颠覆了我们对时间、空间和物质的概念——自牛顿以来这些概念就一直占据优势地位，以至于爱因斯坦的革命还没有进入人们的生活习惯中：我们仍然总是需要付出更多的努力来描述恒定的光速、弯曲的时空、时间不存在的世界……
    这些理论被验证了许多次，近期更是通过第一次直接探测引力波这种令人震惊的方式，它们出色地走过了二十世纪，使爱因斯坦成为了科学史上最伟大的天才之一。一切似乎都越来越好，然而物理学家们自不久以前开始坚信，这还并不是故事的结尾。许多人认为广义相对论也许并不是“终极理论”，它可能会被超越。另外，爱因斯坦本人寻找了很长时间一个能够将引力和电磁力结合的理论，他认为：“对于一个物理理论来说，没有比将之引向一个更完整的、能够将之包含其中的理论更正确的命运。”
    首先，正如所有的理论一样，相对论也有局限性：它们在某些极端情况下也不再适用，例如宇宙的最初时期或黑洞。的确，在这些情况下同时需要具备非常强烈的引力和量子效应的条件。然而想要统一量子力学和广义相对论，让它们在这样的背景下同时运行却并不可能。它们的描述似乎需要一个将广义相对论和量子力学统一的理论，而目前来说两者是完全不可并存的。(见本书作者著《超越时间与空间：新物理学》
    其实引力提出了一个将之与其他相互作用力——如电磁力和核力——区别开来的特殊问题。后两者的确在今天以量子方式描述，即根据量子力学的特殊定律描述。而引力并不服从于这些量子定律。它仍然是以一种不同的方式(被称为传统方式)来描述的，将它通过时空弯曲的几何构造，或更确切地说“时间几何的”构造来鉴别。相反，描述其他相互作用力的定律都是被放在平坦时空中表述的，没有特殊的几何形状。另外，有些物理学家认为引力的强度相比于其他相互作用力来说是出奇地“微弱”。总之，引力似乎与众不同，而物理学家也乐于去为之寻找原因……
    因此，即便没有任何“具体”事例驳斥爱因斯坦的理论，这一情况仍然被物理学家们认为是不令人满意的。他们的愿望——已经被爱因斯坦确切地提出——是将所有的相互作用力统一，以便用统一而和谐的方式描述世界！毕竟，历史经常展示出物理学的进步是将一些貌似不可并存的元素联系起来。但是要如何联系量子领域和相对论领域呢？理论家们探索了多条线索，却并不确定其中的哪一个会将他们带到正确的路上……
    其中一条线索被称为弦理论(或超弦理论)，它在前几年曾经是大热门。其目的是进一步推广广义相对论，将所有的相互作用力都当作几何效应，但这需要一个适用于物理学的超过普通四维时空的几何学框架：一个拥有10至26维时空的数学实体，来扩展时空的概念！物质在这里不以粒子形态描述，而是以微小的“弦”的形态存在，它在这个扩大了的框架内可以通过各种方式振动或缠绕。相互作用力则来自切割或弦之间的联系…… 其他研究方法，量子引力(或量子几何)尝试将引力“量子化”。这就是说让它遵循量子力学的数学(大部分是代数的)形式，就如今日其他相互作用力一样。时空弯曲的几何应该被量子几何取代。但是物理学家们还没有真正成功地描述这一几何的特性，它的量子特性应该令它“有波动”。尽管在计算和解释上有巨大的困难，这一研究方法——特别是被称为圈量子引力的版本——正以令人振奋的方式进行着。 其他道路当然也被提出和研究。由法国数学家阿兰’孔涅及其合作者提出的非交换几伺，同样扩展了普通几何，同时取消了点的概念。根据该理论，我们无法准确定义“位置”，这似乎非常荒诞。但这一几何的“模糊”与量子力学的声明完美统一：一个粒子的位置我们不能准确地确定，总会有某种“不确定性”！非交换几何于是与量子几何相似。这非常有趣：使引力量子化，就是使几何量子化…… 无论如何，可能下一个统一的理论就会使用新的且难以想象的几何，正如广义相对论使用了发现于十九世纪的、比牛顿晚很久的“新”几何。毫无疑问爱因斯坦会喜欢这一想法，他那时就已经开始梦想一个完全几何的“统一的理论”。