时间的形状：相对论史话 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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汪洁 著

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• 理论物理
• 科普读物

店铺： 炫丽之舞图书专营店

出版社： 北京时代华文书局

ISBN：9787569914061

商品编码：29662575949

包装：平装-胶订

出版时间：2017-04-01

基本信息

书名：时间的形状：相对论史话

定价：48.00元

作者：汪洁

出版社：北京时代华文书局

出版日期：2017-04-01

ISBN：9787569914061

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装-胶订

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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1．第八届文津奖获奖图书。

2．喜马拉雅、蜻蜓、网易等电台热门主播汪洁，历经五年全新修订，彩图升级。

3．一本人人都能读懂的相对论，用*轻松幽默的语言讲解深奥的科学道理；性与趣味性兼具 与《上帝掷骰子吗？》并称科普两大经典。

4．这不单单是一部科普读物，更是一段堪比好莱坞大片的科学史话。跟随作者，你将进入浩瀚的宇宙，去体会一种由科学带来的震撼。

内容提要

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一直以来，你会有这样的疑问：

永恒流淌的时间，是真的摸不着看不见，还是有形状和终点？

我们所处的空间，是三维四维还是五维？

我们能不能踏上时光机，任意穿越时空回到过去和未来？

这些，都将在本书中找到答案。

跟随作者，你可以进入爱因斯坦的梦境，坐在牛顿老师的课堂，来到星光实验的现场……近距离接触科学的真相。你将轻松了解一个你以为深奥得无法捉摸的理论，你将进入一个你以为奇妙得永远理解不了的世界。

本书上部和大家一起回顾物理学走过的坎坷历史，这段历史的精彩程度不亚于任何一段战争史。在伽利略、牛顿等纷纷谢幕之后，超级爱因斯坦闪亮登场。他就像一位横空出世的大侠，无门无派，但出手即震惊天下，他的绝招就是“相对论”。

书的下部比上部还要精彩，结构宏大，故事神奇，真相惊人。在下部，作者细致地剖析时空真相，带你领略神奇的四维时空奇境，了解整个宇宙的图景，再回到原子的深处见识不可思议的微观世界，然后看一看当下物理学的新进展——万物理论。

一本人人都能读懂的相对论，用通俗幽默的语言讲解深奥的科学道理。这不是一本书，这是一个全新的宇宙观。

目录

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序／001

前言／003

章　不得不说的废话

关于相对论的谣言粉碎机／002

你必须了解的四个概念／003

第二章　伽利略和牛顿的世界

相对性原理／010

伽利略变换式／016

史上牛炼金术士牛顿／021

牛顿的运动观／023

牛顿水桶实验中的时空观／026

第三章　光的速度

伽利略吹响冲锋号／032

光速测量大赛／035

惊人的发现／038

科学史上成功的失败／041

第四章　爱因斯坦和狭义相对论

两朵乌云／048

登场／050

个原理：光速不变／052

第二个原理：物理规律不变／055

环球快车案／058

同时性的相对性／065

时间会膨胀／068

空间会收缩／079

速度合成／083

质速神剑／086

光速极限／089

质能奇迹／092

四个搞脑子问题／095

第五章　广义相对论的宇宙

爱因斯坦的不满／100

生死重量／103

等效原理／110

太空大圆盘／114

时空弯曲／121

引力的本质／125

水星轨道之谜／131

星光实验／133

没见过这么黑的洞／137

从黑洞到虫洞／143

压轴大戏／145

第六章　时空那点事

时空中的运动／152

四维时空／157

时间旅行／158

星际殖民／167

星际贸易／173

第七章　再谈四维时空

宇宙时空的图景／178

神奇的四维／189

第八章　上帝的判决

上帝玩不玩骰子？／200

美剧《生活大爆炸》／201

要命的双缝／202

玻尔的上帝／208

EPR实验／214

宇宙大法官／216

上帝的判决／219

万物理论／223

第九章　宇宙是一首交响乐

万物皆空唯有音乐／226

击碎原子／228

宇宙中的四种“力”／235

超弦理论／237

的设计／240

作者介绍

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汪洁，科普作家。同时兼任中科院上海天文台“天之文系列科普讲坛” 讲者，上海天文博物馆首席志愿者讲解员，浙江省科技馆“科学脱口秀”讲者，“万有青年大烩”讲者、“科学声音”组织成员，喜马拉雅、蜻蜓、网易等电台热门主播。

文摘

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序言

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时间的形状：相对论史话 引言：追寻流逝的奥秘 自古以来，人类便对时间充满了好奇与敬畏。它是我们赖以生存的维度，是我们丈量生命、规划未来的尺度。然而，时间的本质究竟是什么？它是如河流般永恒向前，还是有着更为复杂、更为奇妙的形态？《时间的形状：相对论史话》将带领我们踏上一段波澜壮阔的思想旅程，深入探索人类对时间理解的革命性飞跃——相对论的诞生与演进。这本书并非枯燥的科学论文堆砌，而是以引人入胜的叙事方式，勾勒出那些伟大的思想家们如何在智慧的星空中碰撞、思索，最终拨开笼罩在时间之上的迷雾，揭示其令人惊叹的“形状”。 第一章：拨开牛顿的迷雾——绝对时间的牢笼 在谈论相对论之前，我们必须回顾那个曾经统治了物理学长达两个多世纪的巨人——艾萨克·牛顿。在牛顿的经典力学体系中，时间被视为一个绝对、均匀、独立于一切物质运动而存在。它就像一个看不见的、永不停止的钟摆，在宇宙的每个角落都以相同的速率滴答作响。无论你身处何方，无论你如何运动，时间的流逝都应是相同的。这种“绝对时间”的观念，深深地根植于人们的直觉之中，也为理解我们周围的世界提供了坚实的基础。然而，随着科学的不断发展，一些无法用牛顿力学解释的现象开始显现，预示着一场深刻的变革即将来临。本章将详细梳理牛顿力学中的时间观，剖析其简洁而强大的力量，并埋下对未来质疑的种子。我们将看到，尽管牛顿为我们描绘了一幅清晰的时间图景，但这幅图景并非事物的全貌。 第二章：电磁风暴与光速之谜——麦克斯韦方程组的挑战 十九世纪末，物理学界因电磁学的蓬勃发展而激动不已。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的伟大工作，将电和磁这两种看似独立的现象统一起来，提出了著名的麦克斯韦方程组。这些方程不仅成功地描述了电磁场的行为，更预言了电磁波的存在，而光，正是其中一种形式。然而，麦克斯韦方程组所揭示的，却给牛顿的绝对时间带来了前所未有的挑战。方程组表明，电磁波的传播速度，即光速，是一个恒定的值，不受光源运动的影响。这与牛顿力学中速度叠加的原理似乎是矛盾的。如果一个物体在匀速运动，那么相对地面静止的观察者和相对运动的观察者，测量到的速度应该不同。但光速似乎不遵循这个规律。这种“光速不变”的现象，让物理学家们陷入了困惑，他们开始重新审视时间和空间的概念，试图找到一个能够调和所有观测结果的理论框架。本章将详细介绍麦克斯韦的理论及其对当时物理学界产生的深远影响，重点阐述光速不变这一核心悖论，以及它如何成为相对论诞生的关键催化剂。 第三章：以太的幽灵与迈克尔逊-莫雷实验——求索中的迷失 为了解释光速不变的异常，科学家们提出了“以太”的概念。他们设想，存在一种遍布整个宇宙的、无所不在的介质，称为“以太”，光波就像声音在空气中传播一样，在以太中传播。如果以太是存在的，那么地球在围绕太阳运动时，应该相对于以太有一个“以太风”，就像人在静止的水中行走与在河流中行走速度不同的道理一样。因此，人们可以通过测量不同方向上光速的微小差异，来探测地球相对于以太的运动速度。 阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷进行了著名的迈克尔逊-莫雷实验，旨在探测这种“以太风”。他们设计了精巧的光学干涉仪，期望能测量到地球在一年中不同时间、不同方向上的光速差异。然而，令人震惊的是，实验结果始终显示，无论在任何方向、任何时间，光速的测量结果都几乎相同，不存在任何可观测的“以太风”。这个看似微小的实验结果，却如同一记重锤，击碎了以太存在的希望，将物理学界推入了一个更深的迷茫。本章将详细描述迈克尔逊-莫雷实验的设计思路、实验过程以及令人费解的实验结果，并探讨当时科学家们试图通过各种假说来解释这一悖论的努力。 第四章：寂静的革命者——爱因斯坦的狭义相对论 就在物理学界为光速不变的谜团所困扰时，一位年轻的专利局职员——阿尔伯特·爱因斯坦，在1905年发表了他的“奇迹年”论文，其中一篇便是关于狭义相对论的。爱因斯坦并没有试图去寻找以太，而是大胆地接受了光速不变这一实验事实，并在此基础上，提出了两个基本公设： 1. 相对性原理： 物理定律在所有惯性参考系中都具有相同的形式。 2. 光速不变原理： 在所有惯性参考系中，真空中的光速都是一个常数，与光源的运动状态无关。 基于这两个看似简单却颠覆性的公设，爱因斯坦推导出了令人目眩的结论：时间不再是绝对的、独立于观察者的。时间会因为观察者的运动状态而发生变化，即“时间膨胀”。运动的物体，其时间流逝会比静止的物体慢。同时，物体的长度也会在其运动方向上发生“长度收缩”。更令人震撼的是，爱因斯坦揭示了质量与能量之间的深刻联系，提出了著名的质能方程 E=mc²。这个方程彻底改变了我们对物质和能量的认识，预示着能量的巨大潜力。 本章将深入浅出地解析狭义相对论的两个基本公设，并详细阐述其核心推论，如时间膨胀、长度收缩、质能方程等。我们将通过生动的例子和类比，帮助读者理解这些看似反直觉的概念，感受爱因斯坦思想的革命性力量。 第五章：弯曲的时空——广义相对论的宏图 狭义相对论虽然取得了巨大的成功，但它仅限于描述惯性参考系中的物理现象，对于非惯性参考系（例如加速运动的参考系）和引力现象，仍然束手无策。爱因斯坦深知，一个更完善的理论必须能够解释引力。经过十年的艰苦探索，爱因斯坦在1915年提出了广义相对论。 广义相对论的核心思想是：引力并非一种力的作用，而是由质量和能量引起的时空弯曲的表现。就像将一个保龄球放在一块弹性织物上，织物会向下凹陷，周围的小球在经过时会沿着凹陷的曲线运动一样。质量越大的物体，对时空的弯曲程度也越大，从而产生的“引力”效果也越强。在广义相对论中，时间与空间被统一起来，形成了一个四维的“时空”整体。质量和能量决定了时空的几何形状，而物体则在弯曲的时空中沿着“测地线”（最短路径）运动。 本章将重点介绍广义相对论的诞生过程，解析其核心概念，如等效原理、时空弯曲、测地线等。我们将探讨广义相对论如何成功地解释了牛顿万有引力定律无法解释的现象，例如水星近日点的进动。同时，本章还将介绍广义相对论预言的一些重要现象，如光线在引力场中的弯曲，以及它们如何被后来的天文观测所证实。 第六章：验证与回响——相对论的时代证明 一个伟大的理论，不仅在于其逻辑的自洽性，更在于其能够被实验和观测所验证。《时间的形状：相对论史话》的这一部分，将聚焦于相对论提出后，科学家们如何设计巧妙的实验和观测，来验证这些革命性的思想。 爱因斯坦的广义相对论预言了光线在经过大质量天体（如太阳）附近时会发生弯曲。1919年，亚瑟·爱丁顿爵士领导的观测团队，在日全食期间，通过拍摄星光经过太阳附近的轨迹，成功地测量到了星光的偏折角度，这与爱因斯坦的预言惊人地吻合。这一发现轰动了世界，爱因斯坦一夜之间成为全球瞩目的科学巨星。 此外，相对论还预言了引力红移、引力波的存在等。引力红移是指光在引力场中传播时，其频率会发生变化。引力波则是时空中涟漪，由大质量天体的剧烈运动产生。本章将详细介绍这些关键的验证性实验和观测，包括但不限于： 水星近日点进动： 解释广义相对论如何精确地解释了牛顿引力无法解释的水星轨道异常。 光线在引力场中的弯曲： 详细描述爱丁顿的日食观测，以及它如何成为广义相对论的首个重要证据。 引力红移的实验验证： 介绍Pound-Rebka实验等，说明引力如何影响时间的流逝。 引力波的探测： 追溯引力波探测的漫长历史，从早期理论预感到LIGO等探测器的突破性发现，展现相对论在现代物理学中的持续影响力。 这些验证不仅是对相对论的肯定，也深刻地影响了我们对宇宙的认知，开启了天文学和宇宙学的新纪元。 第七章：时间的礼物——相对论的现代应用与深远影响 相对论的意义，早已超越了纯粹的理论物理学范畴，深刻地渗透到了我们现代生活的方方面面。本章将探讨相对论的实际应用，以及它对我们理解宇宙、科技发展所产生的深远影响。 全球定位系统（GPS）： GPS卫星运行在高速运动且处于较弱引力场（相对于地面）的环境中。如果不考虑狭义相对论和广义相对论效应，GPS系统的定位误差会在短时间内累积到灾难性的程度。狭义相对论效应导致卫星上的时钟比地面上的时钟走得慢，而广义相对论效应则导致卫星上的时钟比地面上的时钟走得快。为了保证GPS的精确运行，必须同时校正这两种相对论效应。这一项看似寻常的科技，正是相对论影响我们日常生活的生动体现。 粒子加速器与核物理： 在粒子加速器中，粒子被加速到接近光速，其运动必须严格遵循狭义相对论的描述。粒子质量的增加，能量的转换，都与相对论的预言一致。核能的利用，也直接得益于爱因斯坦的质能方程E=mc²。 宇宙学与天体物理： 广义相对论是理解宇宙大尺度结构、黑洞、中子星、引力波天文学等现代天体物理学研究的基石。它帮助我们描绘宇宙的演化历程，探索宇宙的起源和未来。 哲学与思想的变革： 相对论彻底颠覆了牛顿力学所建立的绝对时空观，深刻地影响了人类的哲学思想。它挑战了我们对实在、因果关系、测量等基本概念的理解，激发了对时间和空间本质的更深层次的思考。 本章将用生动易懂的语言，介绍这些实际应用，并展望相对论在未来可能带来的进一步突破。我们将看到，爱因斯坦的理论不仅仅是物理学的伟大成就，更是人类智慧的结晶，它以一种我们可能未曾察觉的方式，塑造着我们所处的现代世界。 结语：永恒的探索 《时间的形状：相对论史话》的旅程即将结束，但对时间与空间的探索却永无止境。从牛顿的绝对时间，到爱因斯坦的时空弯曲，人类对宇宙的理解正在不断深化。相对论不仅改变了我们对物理世界的看法，更以其优雅的数学语言和深刻的哲学内涵，激励着一代又一代的科学家和思想家，去追寻更深层的真理。这本书希望能够点燃读者对科学的好奇心，理解科学进步的艰难与辉煌，并认识到，在那流逝的时间背后，隐藏着宇宙最令人着迷的奥秘。

评分☆☆☆☆☆

阅读《时间的形状：相对论史话》的过程，与其说是在读书，不如说是在经历一场思想的洗礼。这本书成功地将一项极具挑战性的物理学理论，转化为一段充满人文关怀的历史叙事。我从未想过，关于时空弯曲和引力场的讨论，可以如此引人入胜。作者并没有直接抛出抽象的公式，而是通过讲述科学家们的生活经历、学术争论，以及那个时代社会背景下的思想潮流，来铺垫相对论的诞生。我印象最深刻的是，书中对爱因斯坦如何从狭义相对论过渡到广义相对论的描写，那种思维的跳跃和对数学工具的运用，简直是鬼斧神工。作者深入浅出地解释了等效原理，并将其与引力场的概念联系起来，让我这个对物理学知之甚少的读者，也能感受到其中的精妙之处。书中关于光线在引力场中弯曲的预言，以及后续的实验验证，更是将整个科学发现的过程推向了高潮，充满了戏剧性和史诗感。我感觉自己不再是被动地阅读文字，而是跟随作者的脚步，一起见证了人类认知边界是如何被一次次突破的。这本书让我对科学的敬畏之心油然而生，也让我看到了人类理性探索的无限可能。

评分☆☆☆☆☆

我必须说，《时间的形状：相对论史话》为我打开了一个全新的世界。作为一名对历史和哲学略有涉猎的普通读者，我一直认为科学理论的诞生是枯燥乏味的，是少数天才的私有财产。然而，这本书彻底改变了我的看法。作者以一种非常人性化的笔触，描绘了相对论诞生过程中，那些科学家们所经历的困惑、挣扎、灵感迸发，甚至还有一些生活中的趣事。我看到了一个年轻的爱因斯坦，他不是高高在上的神，而是有血有肉、会犯错、会坚持的人。他如何从对日常现象的观察中，提炼出革命性的思想，如何一步步将这些想法转化为能够被检验的理论。书中对光速不变原理的引入，以及它如何挑战我们直观的时空观念，写得非常到位。读到这里，我才真正理解了为什么相对论会如此颠覆，为什么它会引起那么大的争议。作者并没有回避那些复杂的概念，而是巧妙地运用类比和生动的语言，将它们解释得通俗易懂，让我这个非专业人士也能跟上思路。这本书的魅力在于，它让你在了解科学知识的同时，也对科学家的精神和那个时代背景下的思想解放有了更深刻的体悟。我感觉我不再是被动地接受知识，而是参与了一场跨越时空的智力对话。

评分☆☆☆☆☆

如果要用一句话来形容《时间的形状：相对论史话》，那一定是“一次关于宇宙奥秘的史诗级旅程”。这本书不是一本枯燥的教科书，也不是一本晦涩的学术专著，而是一部精彩绝伦的人物传记与思想史诗的结合体。作者以极其高超的叙事技巧，将相对论这一人类科学史上的里程碑式理论，置于一个宏大而生动的故事背景中。我跟随作者的笔触，穿越了19世纪末20世纪初的欧洲，感受着那个时代科学思想的碰撞与变革。书中对爱因斯坦早期生活、学习经历的刻画，以及他如何从对日常现象的思考中，萌生出颠覆性的想法，都写得极为传神。尤其是对狭义相对论诞生前夜的描写，那种思想的酝酿和酝酿过程中的艰难，都让我仿佛身临其境。作者并没有简单地罗列事实，而是通过对人物心理、情感以及他们所处环境的细致描绘，让我们看到了科学发现背后的人性光辉。我感觉自己不仅仅是在学习物理学知识，更是在与那些伟大的科学家们进行一场跨越时空的对话，体验他们探索未知世界的勇气与智慧。

评分☆☆☆☆☆

《时间的形状：相对论史话》这本书，彻底颠覆了我对科学史的刻板印象。一直以来，我总觉得科学理论的演进是线性的、有序的，而这本书却向我展现了一个充满偶然、矛盾和伟大灵感的真实图景。作者以一种极其细腻的笔触，描绘了相对论出现之前，物理学界所面临的困境，以及爱因斯坦如何在这种困境中，看到了通往新世界的大门。书中对“同时性的相对性”这一概念的阐述，让我第一次真正理解了为什么时间并非绝对，而是与观察者的运动状态息息相关。我仿佛能看到爱因斯坦在脑海中想象着高速运动的火车和闪电，是如何一步步构建起他那颠覆性的时空观。作者并没有停留在理论的介绍，而是深入挖掘了支持或反对相对论的各种实验和观察，以及这些证据对科学界产生的巨大影响。读到这里，我才明白，科学的进步并非一帆风顺，而是充满了曲折和反复的验证。这本书最大的成功之处在于，它用一种极为生动的故事性，将最抽象的物理概念，与最伟大的科学发现过程融为一体，让我深深地被吸引，欲罢不能。

评分☆☆☆☆☆

这本《时间的形状：相对论史话》简直是一次惊心动魄的思想探险！我一直对宇宙和物理学充满好奇，但又常常被那些深奥的公式和理论弄得晕头转向。这本书却用一种极其引人入胜的方式，将相对论这个一度让我望而却步的概念，一点点地剥开，展现出其背后跌宕起伏的科学史和那些充满智慧与激情的科学家们。读这本书，我仿佛穿越了时空，亲眼见证了爱因斯坦如何从一个普通的专利局职员，一步步成长为撼动世界的思想巨人；如何在咖啡馆的低语和黑板的演算中，构建起全新的时空观。书中对牛顿经典物理学的挑战，以及由此引发的科学界的轩然大波，都写得栩栩如生。尤其是那些关于思想碰撞的细节，比如爱因斯坦与他的前辈、同行之间的争论，以及那些关键实验的艰难与曲折，都让我在阅读过程中时而紧张，时而振奋。我特别喜欢作者对于“相对性原理”的解释，它不再是冰冷的概念，而是充满了哲学意味，让我们得以窥探人类认识宇宙的边界是如何被不断拓宽的。这本书不仅仅是关于科学理论的介绍，更是一部关于人类智慧、勇气和对未知不懈探索的赞歌，它让我对“时间”这个我们习以为常的概念，有了颠覆性的认识，也激发了我对科学更深层次的兴趣。