時(shí)空密碼：揭開相對(duì)論奧秘的科學(xué)之旅

目 錄

第一部分 狹義相對(duì)論

1 時(shí)間與空間 最熟悉的陌生人 002

1.1 什么是時(shí)間？ 002

1.2 鐘表的計(jì)時(shí)原理 004

1.3 時(shí)間的本質(zhì) 006

1.4 什么是空間？ 007

1.5 時(shí)空本性 009

2 牛頓時(shí)空觀 固定舞臺(tái)上的世界 012

2.1 牛頓與蘋果那些事兒 012

2.2 牛頓與微積分那些事兒 015

2.3 牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀 018

3 以太危機(jī)與光速之謎 020

3.1 光與以太 020

3.2 尋找以太行動(dòng) 022

3.3 邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)：最成功的失敗 024

3.4 洛倫茲的離奇假說(shuō)：長(zhǎng)度收縮 026

3.5 發(fā)射假說(shuō)：光速受光源影響嗎？ 027

4 經(jīng)典時(shí)空變換 029

4.1 運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性與慣性系 029

4.2 伽利略相對(duì)性原理 031

4.3 伽利略時(shí)空變換 032

5 狹義相對(duì)論的建立 034

5.1 巨變的前夜 034

5.2 一篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文 036

5.3 相對(duì)性原理和光速不變?cè)?038

5.4 洛倫茲變換 040

5.5 狹義相對(duì)論的發(fā)展 043

附錄 一塊石頭的成長(zhǎng)史 044

6 震驚世界的E=mc2 050

6.1 光速極限 050

6.2 時(shí)間能否倒流？ 051

6.3 三大守恒定律的秘密 054

6.4 質(zhì)能等價(jià)： E=mc2 057

6.5 光速的本質(zhì) 058

6.6 核時(shí)代的開啟 060

6.7 核裂變與原子彈 061

6.8 核聚變與氫彈 065

7 牛頓時(shí)空觀的顛覆 067

7.1 同時(shí)性的相對(duì)性 067

7.2 時(shí)間延緩效應(yīng) 069

7.3 時(shí)間延緩的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 072

7.4 雙生子佯謬解析 073

7.5 運(yùn)動(dòng)雙方都認(rèn)為對(duì)方鐘慢了嗎？ 074

7.6 長(zhǎng)度收縮及其視覺圖像 075

7.7 運(yùn)動(dòng)雙方都認(rèn)為對(duì)方尺縮了嗎？ 079

7.8 空間收縮與時(shí)間旅行 079

8 四維時(shí)空奇景 082

8.1 歐氏幾何簡(jiǎn)史 082

8.2 四維歐氏空間 084

8.3 廣義的勾股定理 087

8.4 坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)：以不變應(yīng)萬(wàn)變 089

8.5 時(shí)空本性：四維時(shí)空 090

8.6 尺縮鐘慢與四維時(shí)空投影 091

8.7 四維時(shí)空的絕對(duì)性 093

8.8 閔可夫斯基時(shí)空 094

8.9 時(shí)空?qǐng)D與世界線 096

8.10 時(shí)空?qǐng)D解析雙生子佯謬 098

8.11 光錐：光錐之內(nèi)即命運(yùn) 100

第二部分 廣義相對(duì)論

9 廣義相對(duì)論的建立 106

9.1 愛因斯坦的困惑 106

9.2 廣義相對(duì)論的構(gòu)想 107

9.3 回顧：萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn) 110

9.4 引力場(chǎng)：質(zhì)量也能產(chǎn)生場(chǎng) 112

9.5 馬赫原理對(duì)愛因斯坦的啟發(fā) 114

9.6 兩種質(zhì)量的神秘聯(lián)系 116

9.7 等效原理 118

9.8 從物理到幾何 121

附錄 走向巔峰的坎坷之路 122

10 引力場(chǎng)與時(shí)空彎曲 127

10.1 光線受引力作用嗎？ 127

10.2 引力場(chǎng)中的時(shí)間延緩與空間彎曲 128

10.3 彎曲空間的幾何 130

10.4 空間內(nèi)部看空間：內(nèi)蘊(yùn)幾何學(xué) 134

10.5 時(shí)空密碼：四維時(shí)空度規(guī) 135

10.6 解鎖時(shí)空密碼的鑰匙：引力場(chǎng)方程 138

10.7 物體在彎曲時(shí)空中的運(yùn)動(dòng) 140

10.8 堅(jiān)硬的時(shí)空 144

11 廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 146

11.1 三大驗(yàn)證之一：光線彎曲 146

11.2 三大驗(yàn)證之二：水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng) 149

11.3 三大驗(yàn)證之三：引力紅移 151

11.4 雷達(dá)回波延遲 152

11.5 引力時(shí)間延緩的應(yīng)用：GPS時(shí)間校正 153

11.6 宇宙之戒：愛因斯坦環(huán) 155

11.7 時(shí)空的顫抖：引力波 157

12 愛因斯坦的宇宙 163

12.1 愛因斯坦的大膽假設(shè)：有限無(wú)界的宇宙 163

12.2 愛因斯坦的大膽假設(shè)：宇宙學(xué)常數(shù) 165

12.3 愛因斯坦的“最大錯(cuò)誤” 166

12.4 膨脹宇宙模型 168

12.5 宇宙是如何膨脹的？ 170

12.6 宇宙大爆炸 172

12.7 宇宙學(xué)常數(shù)與暗能量之謎 176

12.8 宇宙的未來(lái) 178

13 超時(shí)空之旅 179

13.1 史瓦西黑洞的發(fā)現(xiàn) 179

13.2 進(jìn)入黑洞內(nèi)部 181

13.3 觀測(cè)黑洞 185

13.4 黑洞不黑 187

13.5 黑洞、白洞與蟲洞 188

13.6 克爾黑洞與蟲洞 190

13.7 可穿越的蟲洞 192

14 時(shí)間之箭 195

14.1 有關(guān)時(shí)間箭頭的討論 195

14.2 三種時(shí)間箭頭 196

14.3 關(guān)于時(shí)間旅行的討論 199

14.4 微觀尺度的時(shí)間逆流 200

第三部分 統(tǒng)一場(chǎng)論

15 時(shí)空與萬(wàn)物至理 204

15.1 卡魯扎的五維時(shí)空 204

15.2 愛因斯坦夢(mèng)碎統(tǒng)一場(chǎng) 207

15.3 統(tǒng)一場(chǎng)論路在何方？ 209

15.4 圈量子引力與量子化時(shí)空 212

15.5 超弦理論和M理論 213

參考文獻(xiàn) 217

后記 221