相對論時空

科學、技術和數學在我們的日常生活中起着越來越重要的作用。因此，在當代人的教育中，這些內容已經成為最重要的部分。對技術和數學的理解有助於我們更準確地瞭解科學的證據以及如何有條理地進行邏輯論證。一個受過科學基本訓練和薰陶的人更容易形成科學的世界觀——外部世界可以通過科學來闡明、用數學語言精確刻畫，並用技術手段來加以證明。

相對論代表了人類智慧最華美的結晶，也集中反映了當代人的科學精神和追求。作者希望通過本書向讀者介紹一種概括的認知，以便理解愛因斯坦的相對論，特別是愛因斯坦對自然、光的傳播、空間、時間和引力的觀點。作者希望讀者能領略到愛因斯坦相對論的內在美，從而有助於培養正確的創造性科學思維方法。作者認為，教育和科學工作者、社會政策的制定者以及工業界的管理者都應該瞭解，在對人進行教育和培養的過程中，與淺薄的科學新聞或死記硬背的數學公式相比，科學思維的訓練更為重要。

該書討論的許多問題可能會引起許多在科學上四處“覓食”的大學生和高中生的興趣，其他行業關心科學與技術的人也可能從中得到啓發，從而更堅定地努力按照科學的方法來考慮和處理各種問題。 ^[1] 

《相對論時空》是“科學咖啡館系列”之一，全書共分8個章節，對愛因斯坦相對論作了介紹，具體內容包括愛因斯坦以前的物理理論、狹義相對論中的動力學、廣義相對論中的空間和時間、廣義相對論的實驗證據、引力波的探測等。寓希望《相對論時空》能提供在各個專業學習的學生及在各個領域工作的學者、研究人員、管理人員等一些可思考、可爭異的有趣的問題，起到以上所講“種瓜得豆”的效益。 ^[1] 

陳應天，中國科技大學陳應天教授男，1944年10月生，祖籍江蘇揚州，出生在安徽省蚌埠市，教授，原華中工學院（華中科技大學）研究生院副院長。 ^[1] 

前言

1. 愛因斯坦以前的物理理論

1.1 作為思想家的愛因斯坦

1.2 牛頓定律

1.3 經典理論中的光

1.4 如果上帝曾經和我商量過

2. 狹義相對論中的空間和時間

2.1 愛因斯坦新的出發點

2.2 洛倫茲變換

2.3 對同時性概念的修改

2.4 狹義相對論中的空間

2.5 狹義相對論中的時間

3. 狹義相對論中的動力學

3.1 關於四維空間的概念

3.2 狹義相對論中的速度

3.3 相對論中的動量

3.4 宇宙中只有點和場可以存在

4. 愛因斯坦關於廣義相對論的公設

4.1 下一步是什麼？

4.2 廣義相對性原理

4.3 等效原理

5.廣義相對論中的空間和時間

5.1 彎曲的空間與時間

5.2 愛因斯坦的引力場方程

5.3 引力場中的空間和時間

6.廣義相對論的實驗證據

6.1 引力的作用力其實很弱

6.2 光線彎曲

6.3 光的紅移

6.4 雷達回聲延遲實驗

6.5 行星軌道近日點的進動

6.6 等待進一步的實驗檢驗

6.7 對非牛頓引力的探尋

7.引力波的探測

7.1 什麼是引力波

7.2 可能的引力波發生源

7.3 韋伯棒

7.4 將激光干涉儀用於引力波探測

7.5 引力波的存在是否被證實？

7.6 我們需要一個新的天才

8.強引力場

8.1 太陽並不永恆

8.2 黑洞

8.3 黑洞存在的證據

8.4 關於宇宙的兩類模型

8.5 宇宙膨脹的證據

8.6 宇宙大爆炸的證據

附錄 引力常數G的實驗數據

譯後記 ^[1] 

出版社的編輯同志們希望我在本書出版時能給讀者們建議，在閲讀本書之後，如果有興趣還可以進一步閲讀哪些書籍，能對愛因斯坦相對論有進一步的瞭解。説實話，我不是本領域的專家，沒有資格指導或介紹讀者閲讀本領域的專業書籍。但是，根據我多年從事有關物理學的研究和教學的經歷，我想説的是：物理學説到底，是一門實驗科學，相對論也不例外。愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論之所以開闢了物理學的新時代，影響了整個物理學，是因為他對經典理論的實驗基礎作了最深入的分析批評，從而提出新的公設新的理論。這一新理論，不僅為新的實驗所證實，而且將舊的經典理論也包含在內，作為它的一級近似。所以，愛因斯坦的相對論，並沒有“打倒”牛頓力學或“取代”牛頓力學。因為在低速領域，牛頓力學並沒有錯，今天我們的航天航空工程，依靠的全是牛頓力學。

我國國內有一小批人，總喜歡打倒相對論——而且主要是狹義相對論(大概因為它們對廣義相對論看也沒有看過)，他們所用的方法則是思辨式的。在他們看來，似乎整個物理學的大廈，只是幾場辯論就可以建立起來的。 ^[1] 

1.1 作為思想家的愛因斯坦

在物理學史中，還沒有什麼理論像相對論（包括狹義相對論和廣義相對論）一樣。幾乎只和一個人的名字相聯繫。儘管對相對論的建立和發展作出過貢獻的人有不少，例如洛倫茲、龐加萊、閔可夫斯基、惠勒，以及更近一點的如霍金、彭羅斯等，但沒有任何人可以和愛因斯坦的貢獻相比擬。

和別的理論有所不同.相對論最主要的基點在於它深刻的理論批判和創新。這種創造是緣由對經驗的分析和深刻的思考。歷史上，牛頓（Isaac Newton）提出了力學運動三定律，但那主要是依據實驗的事實和日常觀察的結果。牛頓後來提出的萬有引力定律，更是根據哥白尼（Coperniells）、開普勒（Kepler）及其他偉大先驅者的許多天文觀測和記錄。與前人不同，愛因斯坦則主要是通過人類鑄造的經驗和邏輯思維進行理論研究，在仔細透徹分析了以往的科學思想後，愛因斯坦提出了從形態到方法論上都是嶄新的理論。

不管是狹義相對論還是廣義相對論，其嚴格的數學推導，都是從幾個最基本的公設開始，餘下的結論皆由此推導而出。真正的科學研究，不是把問題複雜化，而是把世界化為更為簡單的元素，然後用嚴密的邏輯將這些元素編織起來以組合成五彩的現實。

從方法論上看，由於問題複雜，愛因斯坦在他的理論中運用了幾何學，特別是非歐幾何，這就使得相對論的理論推導中充滿數學符號，以致一般非專業讀者較難看懂。歷史上，在相對論剛剛提出時，幾乎沒有哪個國家願意在有影響的報紙上刊登介紹相對論的通俗文章。儘管如此，在愛因斯坦複雜的公式後面，是深邃的科學和哲學思想以及各種理想實驗。挖掘並解釋愛因斯坦的這些隱藏在理論背後深刻的思想，介紹相對論理論的出發點和創新點，是本書的目的。

愛因斯坦生於1879年3月14日。有趣的是：也許是他與生俱來的不斷思索的習慣使他差不多直到3歲才會説話。他的那種與眾不同和獨來獨往的思索習慣可能在他很小時就顯現出來，以致被看作不安分或者智力上遲鈍，因而和其他的孩子無法交流。也因為這個原因，在他15歲時，被學校開除；但通過自學物理和數學，兩年後，他考入了瑞士的蘇黎世聯邦工業大學。

愛因斯坦16歲時就表現出某些超羣的見解。他一直關心的一個問題是：如果人能夠以光速來旅行，那將會怎樣？當時，他是有理由提出這個問題的，因為經典力學沒有妨礙任何一個物體以光速來運動。他後來曾經回憶自己年輕時想的這個問題：“如果我以光速來跟蹤～束光，那我將看到照這一思路，他最終解決了20世紀初曾經困擾了許多偉大物理學家的難題。 ^[1]