産品特色

編輯推薦

●《自然》《科學》《泰晤士報》《衛報》《獨立報》、BBC等力薦物理科普讀物！

●《泰晤士報》2017年度科學圖書。

●一本引導讀者漫遊生命、宇宙和世間萬物的科普力作！

●繼《七堂極簡物理課》之後，值得物理愛好者和文科生期待的物理科普書！

內容簡介

當牛頓坐在他的花園裏時，他看到瞭過去任何人都沒有看到的東西：一個蘋果吸引瞭整個世界，同時地球吸引瞭這個蘋果。這是通過自然的相互作用力做到的，這種力讓一切事物得以存在，從行星直到恒星，一切都生存在統一的懷抱裏。

牛頓與愛因斯坦都曾受到瞭下落物體的啓發，創建瞭他們的引力理論。從下落的蘋果上，牛頓看到瞭月球的下落，並統一瞭地球與天空。在從屋頂下落的人的想象中，愛因斯坦看到瞭引力的虛幻。他們都知道，什麼叫做“獨自在思想的奇妙大海中揚帆遠航”。

牛頓的萬有引力定律不但能夠解釋行星的運動，也能夠解釋大洋上的海潮；不但解釋瞭我們看到的現象，而且能夠揭示我們看不到的現象，讓我們能夠畫齣我們的太陽係中不可見世界的地圖。而愛因斯坦意識到，在某個顯然更為基礎、並直接影響引力的問題上，牛頓是錯誤的：這就是空間與時間的本質。隻有愛因斯坦意識到，我們生活在扭麯的時空中，而且事實上，這個扭麯的時空就是引力。愛因斯坦的引力理論正確地預言瞭光的彎麯、水星近日點的進動、時間在強引力下的放慢。但這個理論也有缺陷：它預言瞭荒謬絕倫的奇點，並且它無法解釋黑洞的核心，也無法解釋時間的開始。

引力的量子理論比愛因斯坦的理論更為深刻，但它能讓我們翹麯航行，製造時光機，從而操縱空間，進入平行宇宙嗎？當我們終將掌握瞭這一難以捉摸的理論之後，我們將能夠迴答一切科學問題中重大的幾個：什麼是空間？什麼是時間？什麼是宇宙？它來自何方？

屏住呼吸，準備凝視即將齣現在地平綫上的魔幻視界吧。誰會知道，在這個尚待發現的國度中，我們將會找到些什麼？

作者簡介

作者：馬庫斯.喬恩（Marcus Chown）

馬庫斯是一位聲名卓著的作傢兼播音員。他曾在美國加州理工學院擔任射電天文學傢，現在是英國科學周刊《新科學傢》（New Scientist）的宇宙學顧問。他撰寫的書籍包括《何等精彩的世界》（What a Wonderful World）、《量子理論不會損傷你》（Quantum Theory Cannot Hurt You）和《我們需要談談開爾文》（We Need to Talk about Kelvin）[入圍2010年皇傢學會科學圖書奬（Royal Society Science Book Prize）]。馬庫斯也是《ipad的太陽係》（Solar System for iPad）一書的作者，該書贏得瞭售書者2011年數字創新年度大奬（Bookseller 2011 Digital Innovation of the Year award）。

馬庫斯的個人網頁為www.marcuschown.com，推特賬號為@marcuschown。

譯者：李永學

1989年前往英國從事博士後研究，生活、工作至今，現退休為自由譯者。物理專業學士，物理化學專業博士。翻譯領域涉及文學、社科、人物傳記、數學史、科普等方麵，譯著有《無言的宇宙》（Zero Word Universe, Dana Macienzie）、《滿足的限度》（The Limit of Satisfaction, William Leiss）等。

精彩書評

期待溫暖人心的智者與科學界天纔的降臨。

——《自然》（Nature）

有關這方麵的曆史，喬恩的書為讀者與他們的內心世界做齣瞭引人入勝的介紹。

——《科學》（Science ）

引力是z ui弱的自然基本力，也是宇宙命運的控製者。這是一部有關引力的有趣指南，時常令人感到不可思議。

——《泰晤士報》（The Times）

目錄

第一部分?牛 頓

1?月球正在下落 —— 002

牛頓如何發現瞭第一個可以應用於任何地點與時間的普遍定律

2?最後一位魔法師 —— 030

牛頓如何創造瞭一個世界體係，並找到瞭理解宇宙的鑰匙

3?注意三月的潮汐 —— 039

牛頓的引力理論具有何等豐富的結果，它不但能夠解釋行星的運動，也能夠解釋大洋上的海潮

4?不可見世界的地圖 —— 077

以何種方式，牛頓引力定律不但解釋瞭我們看到的現象，而且能夠揭示我們看不到的現象

第二部分?愛因斯坦

5?有本事就追上我 —— 106

愛因斯坦如何認識到，任何物體的速度都無法超過光速，而這一點與牛頓的引力定律相悖

6?給一位下落者的頌歌 —— 133

愛因斯坦如何認識到，引“力”是一個幻覺，真實的隻有扭麯的時空

7?上帝被除以零的地方 —— 172

愛因斯坦的引力理論是怎樣預言在黑洞的“奇點”上將會齣現瘋狂現象的。需要更深刻的理論

第三部分?愛因斯坦之後

8?時空量子 —— 194

量子理論以怎樣的方式暗示，空間與時間在劫難逃，它們必定起源於某種更為基礎的東西

9?尚待發現的國度 —— 216

尋找比愛因斯坦的引力理論更為深刻的理論的鬥爭：它將告訴我們，為什麼會有一個宇宙，以及它來自何方

注 釋 —— 251

緻 謝 —— 297

精彩書摘

有本事就追上我

“追上一束光，那會怎麼樣？”正是這個問題，終將讓愛因斯坦走上不朽之路，而當他提齣時年僅16歲。但令人沮喪的是，他從來沒有告訴任何人，他到底是在什麼樣的具體情況下提齣瞭這樣一個關鍵問題的。因此我們隻得猜測。我們知道，1896年初，他是在距離蘇黎世（Zurich）以西30英裏的瑞士城鎮阿勞（Aarau）讀書的時候構想這個問題的，當時他正在溫特勒（Winteler）傢寄宿。

我想象，當時，陽光透過他租住的閣樓房間的窗戶，讓他醒瞭過來。一株菩提樹的樹枝搖曳著，將陽光切割成無數閃光的片段，它們在他床邊的牆上如同萬花筒般狂舞。他像一個孩子那樣伸齣瞭手，試圖抓住一朵抖動著的光斑。很明顯，他因為牆紙上變幻的形狀而發呆，結果他沒有掀開被子，一直到他的入定狀態被輕輕的敲門聲打破。“愛因斯坦先生！”這是瑪麗·溫特勒（Marie Winteler），房東芳齡18的漂亮女兒，她對他芳心暗許。“爸爸讓我告訴你，可以吃早飯瞭。”

在我的想象中，那天晚些時，在阿爾高州立學校（Aargau Cantonal School）裏，他坐在一間高屋頂的教室的書桌旁，無所事事地盯著阿勞河（River Aare）發呆。來得突然去得也突然，一直把窗戶敲打得劈啪作響的雨已經停瞭。當濃密的雲朵飄然離去的時刻，一道神聖之光似乎從天而降，把君臨這座瑞士小鎮的陰鬱夜色一切兩段。就在它擊中瞭黑色河流的地方，水波粼粼，波光閃爍，猶如一蓬鑽石在閃光。此情此景，讓少年愛因斯坦目眩神迷，結果，老師在講交流發電機的綫路圖，而他連一個字也沒聽到，一直到他的沉思被學校校長奧古斯特·圖持斯米德博士（Doktor August Tuchschmid）的吼聲打斷：“愛因斯坦先生！我最誠摯地為打擾您錶示道歉。或許，在我們餘下的半個小時之內，您可以有一段時間賞光注意聽講，給我們一點點尊重？”

這天晚上，我看到愛因斯坦和瑪麗·溫特勒手拉著手在阿勞狹窄的街道上跑過，他們的腳在水窪上濺起水花，兩個天真無邪的少男少女一路歡笑。盡管全身都濕透瞭，但他們卻渾不在意，而且突然停下瞭腳步。他把她拉進懷中親吻。越過她的肩膀，他看到沿街排布的煤氣街燈那些怪異的綠色光暈。它們一直延伸到遠處，慢慢匯聚在一起，閃光也變得越來越小，越來越暗。在如同油一樣的黑水窪上，他看到瞭這些燈光的倒影，同樣也看到瞭滿月的倒影，就像一盞淘氣的燈，它掙脫瞭地球，扶搖飄蕩，飛到九天之上。他沒有繼續吻下去，而是抬頭望去。

“阿爾伯特？”

他整天都因為光而神不守捨。他整天想著的都是光。他整天都在問自己同一個逼人的問題：我們對光的理解錯在哪裏？答案就在問題當中，但他的問題實在太模糊、太不嚴密，叫人無法考慮。

他的女朋友和他說話，但他頭腦中的思緒已經到瞭韆萬裏外。月光跨越瞭漫長的空間，進入瞭他的眼簾。他想象著它的這段旅程：跨越冰冷的真空，以每小時10億韆米的速度疾馳，這時他的心髒漏跳瞭一拍。突然，他知道瞭他應該問什麼問題；就是這個問題，讓他有瞭打開大門、步入新世界的潛力。事情如此明顯，他簡直無法相信，他過去從來沒有想到這一點。

“阿爾伯特，你在想些什麼？”

即使他還沒有迴答，她也知道，這將是一件她永遠永遠也猜不到的事情。盡管他纔隻有16歲，但他對這個世界的看法與其他人十分不同，他的想法與每個人都不一樣。她在他的房間裏看到過他一直鑽研到淩晨的那些課本，它們好像也是用難以索解的文字書寫的。她知道她無法和他一起一路走去，無法進入他的世界。她突然有瞭一種預感，似乎她很快就會讓他感到厭煩，然後他就會離開她，這讓她的眼睛中泛起瞭淚花。

“我在想些什麼？”他說，好像從夢中驚醒。

“是的。”她用外衣的袖子抹去瞭淚珠，但他沒有注意到這一點。

“我在想，追上一束光，那會怎麼樣？”

眼珠轉瞭轉，她抓住他的手，拉著他迴傢。

“阿爾伯特，你多麼奇怪啊。”

當然，這段文字不過是幻想而已，但想象是很有趣的！當16歲的愛因斯坦構思他的關鍵問題時，人們認為光是一種波動，就像在池塘錶麵泛起漣漪的水波一樣。這並不是一項明顯的事實，因為光波的兩個連續波峰之間的距離非常小，比人的一根頭發的直徑還要小得多。但在1801年，一位名叫托馬斯·楊（Thomas Young）的英格蘭物理學傢做瞭一個天纔的實驗，這個實驗證實瞭光的波動本質。4盡管如此，對於光究竟是什麼，任何人都沒有絲毫的認識。

1863年，一切都變瞭。在一份理論性的驚世傑作中，蘇格蘭物理學傢詹姆斯·剋拉剋·麥剋斯韋（James Clerk Maxwel）成功地把所有電現象與磁現象總結在一套工整的公式裏。“麥剋斯韋方程”描述瞭一個變化中的電“場”是如何創造一個磁場的，而一個變化中的磁場又是如何創造一個電場的。把電與磁編織到一起，使之成為一件天衣無縫的衣服，這是繼牛頓統一瞭天空與大地、查爾斯·達爾文統一瞭人類與動物界之後，科學的第三次偉大的統一。

在檢查自己的優雅方程時，麥剋斯韋注意到瞭一件令他非常意外的事情。這些方程允許波在彌漫在空曠的空間中的電場與磁場中傳播。而這還沒有完。波動具有一個值得注意的性質：它以光在真空中的速度傳播。對於麥剋斯韋來說，這一點不但令他吃驚，而且具有明顯的含義。光必定是一種“電磁波”。麥剋斯韋不但發現瞭電與磁之間的聯係，而且發現瞭電、磁和光之間的聯係。

兩年之內，麥剋斯韋的理論便獲得瞭非凡的科技上的成功。按照蘇格蘭物理學傢的“配方抓藥”，德國物理學傢海因裏希·赫茲（Heinrich Hertz）實際上創造瞭人工電磁波。1886年11月，通過使用電火花為“發射器”，他播齣瞭看不見的“無綫電波”。7這些電波在他的實驗室另一端的一個作為“接收器”的綫圈中感應瞭電流。

在我們這個全球超級互聯的世界裏，10億種聲音在我們周圍的空氣當中進行著看不見的持續交談，而這個世界就誕生在1886年的那一天裏。20世紀美國物理學傢理查德·費曼（Richard Feynman）說：“如果有人對人類的曆史進行一次長程迴顧，例如說，由今後1萬年的人做這樣的迴顧，我們幾乎用不著懷疑，在他們眼中，19世紀最重大的事件，將是麥剋斯韋發現電動力學定律。”

但是，盡管取得瞭如此之多的成功，麥剋斯韋的理論還是給物理學造成瞭一個非常嚴重的問題。這就是，它與伽利略與牛頓的運動定律不匹配。

所有的波動都需要通過某種媒介傳播漣漪——水波通過水，聲波通過空氣。人們把光在其中傳播的媒介命名為“以太”。9由於以太的存在，一個不可避免的後果就是，任何人對一束光綫的速度所做的測量，必定取決於他以多快的速度在這種媒介中運動。比如說，你正站在一條航行中的小船上。風吹在你臉上的速度，取決於這條小船是逆著風運動，還是順著風前進。但麥剋斯韋方程的古怪之處就在於，它們完全沒有提及任何攜帶光的媒介。反之，它們包括而且隻包括瞭一個光在真空中的速度。它是一個不變的常數，完全不受它存身於其中的世界的任何影響。

由此得到的明顯結論就是，麥剋斯韋的方程有錯，需要加以修正。不管怎麼說，它們是科學大廈的後進晚輩。而另一方麵，牛頓的運動定律是在差不多兩百年前建立的，而且，從建立之日起，沒有任何人發現過一個單一的例子，說明實際情況偏離瞭預言。現在考慮愛因斯坦，他不僅因為赫茲對麥剋斯韋方程的戲劇性確證而神迷，而且因為這些方程的美感而心醉，因為在他的眼中，這種品質是其正確性的有力說明。

牛頓曾在他的筆記本中寫道：“柏拉圖為吾友也，亞裏士多德亦為吾友也，然真理為吾唯一摯友。”具有諷刺意味的是，正是因為愛因斯坦百分之百地贊同他的先行者的這種感情，這纔讓他有瞭這樣的魯莽精神去懷疑牛頓。而正是因為這個原因，他纔會以16歲的少年之身，對自己提齣這樣的關鍵問題：追上一束光，那會怎麼樣？

前言/序言

前?言

有關引力，你可能不知道的六件事：

1 在你和你口袋中的硬幣之間，在你和街道上與你擦肩而過的行人之間，引力創造瞭一種吸引力。

2 這種吸引力非常弱。如果你伸齣手來，整個地球的引力都不足以戰勝你的肌肉的力量。

3 盡管很弱，但引力在宏觀範圍內是不可抗拒的，它控製著整個宇宙的進化和命運。

4 人人都認為它在吸引，但在宇宙的大部分地方它在排斥。

5 如果在宇宙大爆炸之後它沒有“啓動”，時間將在此後失去方嚮。

6 隻有在理解瞭它之後，我們纔能迴答一切問題中最重要的那個：宇宙來自何方？

在路易斯安那州的利文斯頓（Livingston in Louisiana）和華盛頓州的漢福德（Hanford in Washington State），兩地各有一把激光形成的4韆米長的尺子。2015年9月14日，美國東部夏令時5時51分，位於利文斯頓的尺子首先發生瞭振動，而在6.9毫秒之後，位於漢福德的尺子也發生瞭振動。毋庸置疑,這是恰好經過的引力波的標誌，是在時空本身的經緯上的一道漣漪。差不多剛好100年前，愛因斯坦預言瞭這一現象的存在。

在一個異常遙遠的星係，當地球的尺寸不超過一個單一細菌那麼大的時刻，兩個超級黑洞互相糾纏著相互鏇轉，開始瞭它們一生中最後一次死亡盤鏇。就在它們擁抱接吻成為一體的瞬間，相當於整整三個太陽係的質量消失瞭，但同時，又像扭麯時空的海嘯一般重新齣現，以光速嚮外噴射而齣。在這一刹那間，它的功率達到瞭宇宙中所有恒星加在一起的功率的五十倍。

2015年9月14日，激光乾涉引力波天文站（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，LIGO）的雙子探測器探測到瞭引力波，這是科學史上一個劃時代的時刻。這就如同你從齣生的那一刻起一直失聰，然後，突然有一天，一夜之間，你能夠聽到聲音瞭。對於物理學傢與天文學傢來說，情況正是如此。有史以來，我們能夠“看到”宇宙。而現在，我們終於能夠“聽到”它瞭。引力波就是太空的聲音。如果說，引力波的檢測是自1608年望遠鏡的發明以來天文學最重要的發展 ，這話並沒有多少誇張的成分。

引力波證實，時空本身確實是一種“物質”，它能夠振動與顫抖，嚮外傳遞波紋，形如池塘中擴散的漣漪。愛因斯坦認為，引力是扭麯的時空，這一實驗最後證實瞭他的論點。盡管在牛頓的想象中，吸引之“力”來自太陽，如同看不見的橡皮筋那樣網住瞭地球，但愛因斯坦認識到，在它自己的鄰近區域內，太陽創造瞭一個時空的低榖，而地球則永無止歇地圍繞這個低榖鏇轉，就好像一個行星大小的輪盤球在超大型的輪盤上運行一樣。

盡管牛頓的引力理論取得瞭絕大的成功，解釋瞭行星與大洋潮汐的運動，甚至預言瞭海王星這一未知世界的存在，但愛因斯坦的引力理論也同樣成功。它解釋瞭水星的反常運動，預言瞭黑洞的存在和宇宙從中誕生的大爆炸。但如同在它之前的牛頓引力理論一樣，愛因斯坦的引力理論包含著讓它自己毀滅的種子。它預言，在宇宙誕生的時刻和在黑洞的中心，都存在著無可索解的“奇點”，物理參數在那裏飆升，直至無窮大。

這其中的諷刺意味是，引力是科學第一個描述的力，也是大傢認為早被理解瞭的力，但實際上，它卻是人們對之認識最淺薄的力。藉用溫斯頓·丘吉爾（Winston Churchill）的話來說：引力是“一個謎，存在於不可思議的事物之中，外麵裹著層層神秘”。

現在，正當21世紀剛剛開始之際，我們麵臨著一場新的革命。人們正在尋找一個比愛因斯坦的理論更為深刻的理論：引力的量子理論。這是物理界有史以來展開的最大努力。人們已經遙望新世界，瞥見瞭幾抹令人心癢難撓的風景。或許，另一個牛頓或者愛因斯坦正在一邊躍躍欲試，正在用謎團一樣的那些一塊塊互相勾連的積木搭成具有內在聯係的整體。或者，另外一種更為可能的情況是，這份工作將需要數十成百人齊心協力。許多物理學傢相信，有關真實的看法，我們現在正處於一場翻天覆地的變遷的前夜，這次變遷的後果的意義將遠比以往任何一次都更深遠。

這種理論比愛因斯坦的理論更為深刻，但它能讓我們翹麯航行，製造時光機，從而操縱空間，進入平行宇宙嗎？就像前電子時代的人們無法預言電視機、移動電話和萬維網一樣，沒有任何人能夠預言這一點。但我們能夠確知的是，當我們最終掌握瞭這一難以捉摸的理論之後，我們將能夠迴答一切科學問題中最重大的幾個：什麼是空間？什麼是時間？什麼是宇宙？它來自何方？

但我不想一下子往前講得太遠。我們是如何走到瞭今天這一步，站到瞭物理學無垠處女地的邊界綫之前的呢？這個故事的第一個主角是時年23歲的艾薩剋·牛頓（Isaac Newton）。當時正是1 扔一個蘋果到宇宙邊緣 下載 mobi epub pdf txt 電子書

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適閤青少年的科普讀物

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