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    不是走近,而是走进相对论

    “星星眨着眼,月儿画问号…… 时光在飞逝,生命知多少……” 还记得《蓝猫淘气 3000 问》吗?小时候,我们都是科学家,我的理想就是去研究 “时间”;后来不知怎么地,学问越长越多、梦想渐行渐远,一颗童心淹没在人潮人海。 然而,当你看完天台风光,会发现楼下的人群就像小蚂蚁;当你看完飞机风光,会发现窗外的江山风月俱在怀中;当你看完这本书,潮起潮落、斗转星移、宇宙在你眼中也会换一番景象! 作为 “相对论史话”,它写尽了相对论的前世今生,是一本科普界的小说、畅销界的经典:在这儿,你不会被物理发展纪年表打扰,相反会被科学的悬疑和壮阔的史实所深深吸引;在这儿,牛顿不再是产出方程的机器,而是带着 Tom Jerry 游走于大水桶的老师;在这儿,爱因斯坦则走出神坛,一会儿调查环球快车谋杀、一会儿奔赴云霄电梯拆除炸弹、一会儿又走上超级大圆盘来展示奇异的时空观…… 瞧它!第一章用 “废话” 破了两个谣言,立下四条概念;二、三章用战争史的手法写物理发展,从伽利略、牛顿的经典基石,到光速测量的隐隐不安;四、五章进入爱因斯坦主场,细说狭义、广义相对论;后四章则用更宏大的结构漫谈四维时空、终极宇宙、微观世界,以及瞭望当下物理学的最新进展 —— 万物理论。 其中 “相对论” 是研究时间、空间、运动这三者关系的理论体系的总称,它是这一百多年来人类最伟大的两个理论之一。首先要破除的误解,就是 “相对” 二字 —— 多少人望文生义,想要故弄玄虚地讲一句:“万物都是相对的”?事实上,爱因斯坦在晚年一直很不喜欢别人把他的理论叫做 “相对论”,他自己觉得他的这个理论应该叫做 “不变论”,因为他的理论中最重要的部分是那些数学方程式中的不变量,且整个相对论都是从 “在任何惯性系中,所有物理规律保持不变” 和 “在真空中光的传播速度恒定不变” 这两条原理上发展而来的。这两条定理就非常了不得:前者是在牛顿的物理根基上迈出的坚实一步,称为 “相对性原理”;而后者则源自从伽利略时代就开始的 “光速测量” 命题,光在真空中的传播速度恒为 c,即 “光速不变原理”。而真正的不可思议才刚刚开始。高速运动下,钟表慢了,却没有任何机械的或者化学的原因,就是时间本身变慢了,与时间有关的一切都变慢了!用一个很酷很形象的说法就是时间膨胀了。尺子缩短了,同样不是任何机械的、化学的、材料的原因,跟任何外力无关,而是我们这个宇宙的物理规律,看似空无一物的空间本身也必须当作一个实体来看待:高速运动下,是空间本身收缩了! 但相对论的时间膨胀和空间收缩,无法真正让你长寿或苗条:​​如果你坐上 0.99999c 的飞船飞了 1 年后回来,地球确实已经过去了 224 年之久,但是对于你自己的感受来说,你真真切切的还是只活了 1 年,仍然只能感受到你自己生命中的每天仍然是 24 小时、1 小时仍然是 60 分钟。只是在走出飞船舱门的那一刹那,你看见的地球上的景物,已经隔世。从我们地球人的眼里来看,其实你也并没有比我们潇洒多少,虽然你的 1 分钟相当于我们的 224 分钟,可是在我们眼里,你的一切动作全都变慢了,我们吃一个包子 1 分钟就完了,而在我们眼里,你吃一个包子却要 224 分钟。​类似地,飞行途中,你地面上的亲人将看到 “压缩” 了 224 倍的你和飞船,你和飞船都变成一个很扁很扁的玩具模型了;但是在飞船中的你,却不会有任何感觉。 被誉为 “无疑是人类历史上最高的智力成就” 的广义相对论对此有着新的解释:在引力越强的地方,时空被弯曲得越厉害,也就是时间变得越慢,称为 “时空弯曲效应”。什么东西产生引力?是质量。质量越大,引力越强;引力越强,空间弯曲得越厉害 —— 可想:质量越大的物体在空间上形成的洞越深,质量足够大时就能形成黑洞,这正是广义相对论的推论之一。在黑洞里面,时间停止了,准确地说,时间不存在了,时空在这个地方被打了一个死结人类对宇宙的认识止步于黑洞的 “视界”。举个例子:假设有一个倒霉的宇航员不幸掉入一个黑洞,他在掉入黑洞的一刹那,从外面的观察来看,这个倒霉宇航员的时间停止了,他的动作也停止了,他就像照片定格一样被永远定格在了黑洞的边缘;但是,对那个倒霉的宇航员来说,时间仍然是流逝的,他仍然会感到自己掉了进去。“所谓黑洞,就是一切永远无法了解的事件真相的集合。” 霍金如是说。有黑洞,也有白洞?这是广义相对论的另外一个推论。所谓白洞,就是刚好跟黑洞性质相反的一个洞,这个洞不停地把物质以辐射的方式 “吐” 出来,尽管迄今为止,尚未有任何直接或者间接的观测证据出现。但至少为 “虫洞” 奠基,为时空旅行提供了理论可能性。假设未来无限远,假设时间机器确实可以造出来,那么概率再小也应该有未来人回来了啊。但是为什么我们从来没有见到过这样的未来人呢?历史上也从未记载有未来人光临,这可真令人沮丧。问题又来了,如果你回到过去杀死以前的自己的话,又怎么能有后面的你回到过去自杀呢?“自由意志丧失说” 认为:一旦你回到过去,就会丧失自由意志而完全被历史所控制,无法改变一丁点历史;“时空交错说” 则强调:你是可以回到过去,但是你回到的那个时空和真实的历史时空是平行纠缠在一起的,但永远不可能相交,你可以看见历史,但不能影响历史;“多历史说” 则相信:你做出任何改变历史的事情时,世界就分裂成了两个世界……   时空旅行、魂牵梦萦,却只是相对论的花边;相对论高深莫测,却只是物理大一统前 “最合时宜的偏见”;我所抓取的脉络更不过是原书的冰山一角。与其说我给你答案、即解决相关问题的能力,毋宁说我给你问题、即寻找答案的意识。—— 可望而不可及,或许也是科学的魅力。

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      看得懂的相对论科普

      作者特别会讲故事,这本相对论的科普,有高中物理知识背景的,应该都能看懂。这本科普书,比很多科幻好看。本书不仅讲狭义相对论和广义相对论,而且讲了整个物理史的发展过程。从经典力学的绝对时空观,引出狭义相对论,从狭义相对论的矛盾引出广义相对论,最后谈到广义相对论和量子力学的冲突,以及最新的超弦理论,试图统一四种基本力,回答物质的本质。关于时空的本质和物质的本质,最新的理论是超弦理论。物质都是由基本粒子组成的。这些基本粒子到头来都是一根根的‘橡皮筋圈’,它们就像吉他弦一样在空间中振动着。构成这些橡皮筋的材料不是别的,也正是空间本身,一段弯曲的六维空间。一个个振动着的 “橡皮筋圈” 就是构成物质的最小单位,不同的振动频率构成了不同的基本粒子,不同的基本粒子组合又构成了质子、中子和电子,质子和中子组合在一起构成了原子核,原子核和电子一起构成了原子,原子构成分子,分子构成材料,材料构成了世间万物,包括你和我。如果上帝可以听见振动着的弦发出的声音,那么每一个基本粒子就是一个音符,原子就是乐句,分子就是乐段,世间万物、你和我就是乐章,整个宇宙就是一首恢宏的交响乐。这首交响乐从宇宙诞生的那天起就开始演奏,一刻不停歇,直到宇宙消失的那天为止。

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        第一次看懂相对论

        推荐指数:(建议对这个领域感兴趣的朋友,优先阅读这本书)


        适合这些朋友阅读:
        - 想要了解相对论的朋友。
        一本绝佳的物理学科普书。
        科普其实是一件很不容易的事情,科学家们跋山涉水去探险,越是优秀的人,向前走得越远,而他们愿意不辞辛劳,折回来走到我们身边,再扶着我们重新走一遍这段旅程,让我们看到山那一边的风景。
        好的科普书,就是科学家折回来的距离长,带我们看得风景又很靠前,总之,是陪我们的路走得更长。
        汪洁先生这本《时间的形状》,就是这样,他对于读者没有过高的要求,几乎所有的解读都是建立在中学物理的基础上,让我们可以很轻松又全面地了解相对论。
        质能转换、时空弯曲、黑洞、虫洞,这些名词我们似乎了解又很不明白。读过这本书之后,会有更深一层的理解。
        书中有一点让我印象最深刻,就是这个理论与其叫「相对论」,不如叫「不变论」。爱因斯坦在提出狭义相对论时,最最基础的前提其实就是两条「不变」,而我们去了解相对论时,很容易被各种变换搞得头晕脑胀,而抓住到底还有什么是不变的,对于理解相对论至关重要。
        以往,优秀的科普书籍往往来自于国外作者,他们固然眼光独到语言明快,可是多多少少还是在表述中和我们隔了那么一层,而一位中文写作者的科普,就更容易让我们感觉到轻松幽默。
        总而言之,即使我们如今的生活,似乎和相对论还是很远,但是你还是应该去接近它,了解它,就像去高山,去大海,只是因为那本身就是无比壮丽的景象。

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          感动

          我是断断续续读完这本书的,但是昨天和今天则比较连贯,几乎是一口气读完了本书剩下的二分之一。汪洁老师向我展示了一个迷人的世界 —— 相对论。虽然以前也接触过这个理论,可是都是碎片化的,一知半解,并且多有误会。而这次不一样,我有了一些新的收获,正确的收获。而且,汪老师不仅展示了相对论,还提到量子力学,万物理论,我真的对这些东西发生了兴趣。感谢!

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            时间

            《时间的形状》        2021-47 这是是目前为止我读到的有关时间科普书中最通俗易懂的一本了(纯属主观,也有可能是由于之前的积累,很多难懂的概念都已经被前面的书啃明白了)。        时间是一个既烧脑却又迷人的概念,我们无法直接地感觉它的存在却又无法忽视它的存在,它的法则凌驾于万物之上主宰着宇宙的变迁。或许人类从开始有思想的时候就已经在思考时间是什么了,古人受限于技术更多的只能从哲学的层面去思考,而今天的我们非常有幸可以借助物理学的发展隐隐约约地触摸到了一些时空的本质,即便这只是冰山的一角也使我们对当下存在的时空有了那么一点点的了解,我们就应该很知足了,不是吗?

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              《时间的形状》——最为简洁的解释

              我读的那个专业,大学物理中自然会讲到相对论,而碰巧量子力学又是我们专业的必修课,而讲这两门课的老师都是同一人,讲课风格也非常生动。所以我个人对这两门课的印象还算深。相比之下,我觉得相对论比量子力学更好理解,公式也更好推 —— 尤其是狭义相对论。当时上大学物理的时候,老师让我们关上书,对我们从:你们就从光速不变这个设定出发,把相对论推出来,马上推!当时试了一下,我没推出来,然后翻开书看公式,老师一边讲我一边在下面看,觉得其实狭义相对论并不难理解,公式也非常有亲和力。


              也许这就是这本书中讲狭义相对论的时候,会大量引入公式来讲解的原因。因为这些公式真的不难,只要有高中物理的知识,基本都能看懂这些公式。虽然霍金说《时间简史》里的每一个物理公式都使书的销量减少一半,但个人觉得公式的好处是简洁直观,具有美感,而且从公式入手理解理论会比纯描述性的文字更能让人理解深刻。这是我喜欢这本书的地方,很多东西一看公式就一目了然。
              此外,作者讲解相对论,没有一上来就从爱因斯坦出发,而是把关于参考系的来龙去脉从伽利略开始一一道来。大学所用的教材和科普书籍差不多是两个风格。教材用语相对简练,公式多,但对物理学发展的整个流程可能会涉及不深,因为教材的着重点是知识和试题而不是物理学史和各种八卦。相比之下,科普书籍就比较侧重八卦和物理学史的来龙去脉,如果是真要深入研究物理学的人,我想两者都是必须要看的。
              通过这本《时间的形状》,差不多可以完全了解狭义相对论的理论知识。提供光速不变的设定,然后进行推导,大多数人都可以理解。相比之下广义相对论就要难理解一点,可能是公式更加复杂的原因,书中讲广义相对论的时候,基本上没有罗列公式,而是采用文字和图像说明的方法。到了讲量子力学的部分,除了一个贝尔不等式,也都是采用文字和图像来描述。
              书中最后讲到的超弦理论倒是特别有意思,如果把基本粒子看成高维空间在三维空间中的蜷缩,用来解释基本粒子的话,那么量子力学比相对论更难理解的原因也就可以找到了。相对论让我们认识了宏观高速的三维空间(当然那也可以扩展到多维空间),但量子力学相当于直接涉及到多维空间,所以我个人觉得量子力学更加难以理解。但我个人并不认为短时间内就能发现 T.O.E。一般来说,理论的发展和实验是密切相关的,实验要么是用来验证理论,要么是用来挑战理论。理论的突破很可能就是为了解释意料之外的实验结果,所以如果理论物理没有特别大的突破,那多半是因为没有离经叛道的实验结果。越往宏观,越往微观,对实验的要求就越来越高。想要有更多的理论突破,就去做实验吧。从实验中得出意外的结果,然后根据这些结果构造新的理论,是前人一直在做、而后人也按部就班的事情。
              所以这个世界不是很奇妙么?量子力学可以运用在制造 CPU 中,而制造出性能更好的 CPU,我们就可以创造出更好的实验条件,然后可以越来越往微观的方向做更精确的实验,做更精确的实验又能得到更多意料之外的结果,然后这些意料之外的结果又推动了物理理论的发展。你看,就是这种相互推动的过程让我们对世界的认识越来越深刻。
              当然,也许艰深的公式不好理解,但科学家在研究科学中所表现出来的世界观,在研究实验的时候想到的奇妙法子,我相信无论是文科生还是理科生,都应该是通用的。科学是解释我们所处世界的唯一手段吗?不是。解释世界并不一定要用科学的方法,就如你可以认为地球绕着太阳转,也可以认为是太阳绕着地球转,这样的运动是相对的。同样,如果你想用另外的方式来解释这个世界,也丝毫没有问题,当然要能自圆其说。科学不是解释世界的唯一途径,但科学多半是解释世界、可以自圆其说的理论中,最为简洁的那种。

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                看过最有意思的书之一,弄明白了发现光有速度的过程。

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                  一本好书,浅显易懂的科普书,让我对宇宙,相对论有了一个更深刻的了解,感谢作者。

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