狹義與廣義相對論淺說 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[美] 愛因斯坦 著，楊潤殷 譯，鬍剛復 校

圖書標籤:

• 相對論
• 廣義相對論
• 狹義相對論
• 物理學
• 科普
• 科學
• 時空
• 引力
• 愛因斯坦
• 宇宙學

齣版社： 北京大學齣版社

ISBN：9787301095621

版次：1

商品編碼：11691375

包裝：精裝

叢書名： 科學素養文庫.科學元典叢書

開本：16開

齣版時間：2005-12-01

用紙：膠版紙

頁數：292

字數：233000

編輯推薦

　　相對論作為物理學的重要組成部分，是近代物理學的兩大支柱這一。它的創立者愛因斯坦是一位享有盛譽的科學傢。那麼，相對論是一種什麼樣的理論？愛因基坦又是怎樣的人呢？
　　本書是愛因斯坦豐富博大的科學成果中一部比較淺顯的著述。通過此書，可使讀者對相以論有初步的接觸，從而打下一定烙印，受到一些啓迪。這是一種對神秘宮殿的初步探求，也是一種對製高點的初步領略。相信，走近愛因斯坦，瞭解相對論，對於知識結構的調整，思維方法的啓迪，科學精神的激發，都會大有裨益。
　　彩色插圖·超值珍藏。
　　“你和一個漂亮姑娘在公園長椅上坐一小時，覺得隻過瞭一分鍾；你緊挨著一個火爐坐一分鍾，卻覺得過瞭一小時。這就是相對論。”
　　愛因斯坦常常這樣嚮媒體和公眾開玩笑。相對論為什麼會受到如此狂熱追捧？連愛因斯坦本人也覺得不可思議！
　　科學元典是科學史和人類文明史上劃時代的豐碑，是人類文化的優秀遺産，是曆經時間考驗的不朽之作，它們不僅是科學創造的結晶，而且是科學精神、科學思想和科學方法的載體，具有永恒的意義和價值。讓我們一起仰望先賢，迴眸曆史，體悟原汁原味的科學發現。

內容簡介

　　《狹義與廣義相對論淺說》是科學素養文庫科學元典叢書之一。
　　這套叢書中收入的著作，是自文藝復興時期現代科學誕生以來，經過足夠長的曆史檢驗的科學經典。為瞭區彆於時下被廣泛使用的“經典”一詞，我們稱之為“科學元典”。
　　我們這裏所說的“經典”，不同於歌迷們所說的“經典”，也不同於錶演藝術傢們朗誦的“科學經典名篇”。受歌迷歡迎的流行歌麯屬於“當代經典”，實際上是時尚的東西，其含義與我們所說的代錶傳統的經典恰恰相反。錶演藝術傢們朗誦的“科學經典名篇”多是錶現科學傢們的情感和生活態度的散文，甚至反映科學傢生活的話劇颱詞，它們可能膾炙人口，是否屬於人文領域裏的經典姑且不論，但基本上沒有科學內容。並非知名科學大師的一切言論或者是廣為流傳的作品都是科學經典。
　　這裏所謂的科學元典，是指科學經典中基本、重要的著作，是在人類智識史和人類文明史上劃時代的豐碑，是理性精神的載體，具有永恒的價值。

作者簡介

　　愛因斯坦，偉大科學傢。

　　楊潤殷，知名學者、翻譯傢，天津師範大學外國語學院教授。

　　鬍剛復，知名物理學傢、教育傢，中國近代物理學奠基人之一。首批庚款留美學生，獲哈佛大學博士學位。創建瞭中國第1個物理實驗室，培養瞭吳有訓、嚴濟慈、趙忠堯等知名物理學傢。曆任南京高等師範學校、廈門大學、浙江大學、南開大學等校教授。

目錄

《狹義與廣義相對論淺說》導讀
序
第十五版說明
第一部分 狹義相對論
1. 幾何命題的物理意義
2. 坐標係
3. 經典力學中的空間和時間
4. 伽利略坐標係
5. 相對性原理(狹義)
6. 經典力學中所用的速度相加定理
7. 光的傳播定律與相對性原理的錶麵抵觸
8. 物理學的時間觀
9. 同時性的相對性
10. 距離概念的相對性
11. 洛倫茲變換
12. 量杆和鍾在運動時的行為
13. 速度相加定理斐索實驗
14. 相對論的啓發作用
15. 狹義相對論的普遍性結果
16. 經驗和狹義相對論
17. 閔可夫斯基四維空間

第二部分 廣義相對論
18. 狹義和廣義相對性原理
19. 引力場
20. 慣性質量和引力質量相等是廣義相對性公理的一個論據
21. 經典力學的基礎和狹義相對論的基礎在哪些方麵不能令人滿意
22. 廣義相對性原理的幾個推論
23. 在轉動的參考物體上的鍾和量杆的行為
24. 歐幾裏得和非歐幾裏得連續區域
25. 高斯坐標
26. 狹義相對論的空時連續區可以當做歐幾裏得連續區
27. 廣義相對論的空時連續區不是歐幾裏得連續區
28. 廣義相對性原理的嚴格錶述
29. 在廣義相對性原理的基礎上解引力問題

第三部分 關於整個宇宙的一些考慮
30. 牛頓理論在宇宙論方麵的睏難
31. 一個“有限”而又“無界”的宇宙的可能性
32. 以廣義相對論為依據的空間結構

附錄Ⅰ
1. 洛倫茲變換的簡單推導
2. 閔可夫斯基四維空問(“世界”)
3. 廣義相對論的實驗證實
4. 以廣義相對論為依據的空間結構
5. 相對論與窄問問題

附錄Ⅱ
1. 自述
2. 自述片段
3. 以太和相對論
4. 物理學中的空間、以太和場的問題
5. 相對性：相對論的本質
6. 論動體的電動力學
7. 關於統一場論

精彩書摘

　　第一部分狹義相對論
　　1幾何命題的物理意義
　　閱讀本書的讀者，大多數在做學生的時候就熟悉歐幾裏得幾何學的宏偉大廈。你們或許會以一種敬多於愛的心情記起這座偉大的建築。在這座建築的高高的樓梯上，你們曾被認真的教師追迫瞭不知多少時間。憑著你們過去的經驗，誰要是說這門科學中的那怕是最冷僻的命題是不真實的，你們都一定會嗤之以鼻。但是，如果有人這樣問你們，“你們說這些命題是真實的，你們究竟是如何理解的呢”那麼你們這種認為理所當然的驕傲態度或許就會馬上消失。讓我們來考慮一下這個問題。
　　幾何學是從某些象“平麵”，“點”和“直綫”之類的概念齣發的，我們可以有大體上是確定的觀念和這些要領相聯係；同時，幾何學還從一些簡單的命題（公理）齣發，由於這些觀念，我們傾嚮於把這些簡單的命題當作“真理”接受下來。然後，根據我們自己感到不得不認為是正當的一種邏輯推理過程，闡明其餘的命題是這些公理的推論，也就是說這些命題已得到證明。於是，隻要一個命題是以公認的方法從公理中推導齣來的，這個命題就是正確的（就是“真實的”）。這樣，各個幾何命題是否“真實”的問題就歸結為公理是否“真實”的問題。可是人們早就知道，上述最後一個問題不僅是用幾何學的方法無法解答的，而且這個問題本身就是完全沒有意義的。我們不能問“過兩點隻有一直綫”是否真實。我們隻能說，歐幾裏得幾何學研究的是稱之為“直綫”的東西，它說明每一直綫具有由該直綫上的兩點來唯一地確定的性質。“真實”這一概念有由該直綫上的兩點來唯一地確定的性質。“真實”這一概念與純幾何這的論點是不相符的，因為“真實”一詞我們在習慣上總是指與一個“實在的”客體相當的意思；然而幾何學並不涉及其中所包含的觀念與經驗客體之間的關係，而隻是涉及這些觀念本身之間的邏輯聯係。
　　不難理解，為什麼盡管如些我們還是感到不得不將這些幾何命題稱為“真理”。幾何觀念大體上對應於自然界中具有正確形狀的客體，而這些客體無疑是産生這些觀念的唯一淵源。幾何學應避免遵循這一途徑，以便能夠使其結構獲得最大限度的邏輯一緻性。例如，通過位於一個在實踐上可視為剛性的物體上的兩個有記號的位置來查看“距離”的辦法，在我們的思想習慣中是根深蒂固的。如果我們適當地選擇我們的觀察位置，用一隻眼睛觀察而能使三個點的視位置相互重閤，我們也習慣於認為這三個點位於一條直綫上。
　　如果，按照我們的思想習慣，我們現在在歐幾裏得幾何學的命題中補充一個這樣的命題，即在一個在實踐上可視為剛性的物體上的兩個點永遠對應於同一距離（直綫間隔），而與我們可能使該物體的位置發生的任何變化無關，那麼，歐幾裏得幾何學的命題就歸結為關於各個在實踐上可以視為剛性的物體的所有相對位置的命題。作瞭這樣補充的幾何學可以看作物理學的一個分支。現在我們就能夠閤法地提齣經過這樣解釋的幾何命題是否“真理”的問題；因為我們有理由問，對於與我們的幾何觀念相聯係的那些實在的東西來說，這些命題是否被滿足。用不大精確的措詞來錶達，上麵這句話可以說成為，我們把此種意義的幾何命題的“真實性”理解為這個幾何命題對於用圓規和直尺作圖的有效性。
　　當然，以此種意義斷定的幾何命題的“真實性”，是僅僅以不大完整的經驗為基礎的。目下，我們暫先認定幾何命題的“真實性”。然後我們在後一階段（在論述廣義相對論時）將會看到，這種“真實性”是有限的，那時我們將討論這種有限性範圍的大小。
　　2坐標係
　　根據前已說明的對距離的物理解釋，我們也能夠用量度的方法確立一剛體上兩點問的距離。為此目的，我們需要有一直可用來作為量度標準的一個“距離”（杆S）。如果A和B是一剛體上的兩點，我們可以按照幾何學的規則作一直綫連接該兩點：然後以上為起點，一次一次地記取距離S，直到到達B點為止。所需記取的次數就是距離AB的數值量度，這是一切長度測量的基礎。
　　描述一事件發生的地點或一物體在空間中的位置，都是以能夠在一剛體（參考物體）上確定該事件或該物體的相重點為根據的，不僅科學描述如此，對於日常生活來說亦如此如果我來分析一下“北京天安門廣場”這一位置標記，我就得齣下列結果。地球是該位置標記所參照的剛體；“北京天安門廣場”是地球上已明確規定的一點，已經給它取上瞭名稱，而所考慮的事件則在空間上與該點是相重閤的。
　　這種標記位置的原始方法隻適用於剛體錶麵上的位置，而且隻有在剛體錶麵上存在著可以相互區分的各個點的情況下纔能夠使用這種方法。但是我們可以擺脫這兩種限製，而不緻改變我們的位置標記的本質。譬如有一塊白雲飄浮在天安門廣場上空，這時我們可以在天安門廣場上垂直地竪起一根竿子直抵這塊白雲，來確定這塊白雲相對於地球錶麵的位置，用標準量杆量度這根竿於的長度，結閤對這根竿子下端的位置標記，我們就獲得瞭關於這塊白雲的完整的位置標記。根據這個例子，我們就能夠看齣位置的概念是如何改進提高的。
　　（1）我們設想將確定位置所參照的剛體加以補充，補充後的剛體延伸到我們需要確定其位置的物體。
　　（2）在確定物體的位置時，我們使用一個數（在這裏是用量杆量齣來的竿於長度），而不使用選定的參考點。
　　（3）即使未曾把高達雲端的竿子竪立起來，我們也可以講齣雲的高度，我們從地麵上各個地方，用光學的方法對這塊雲進行觀測，井考慮光傳播的特性，就能夠確定那需要把它升上雲端的竿子的長度。
　　從以上的論述我們看到，如果在描述位置時我們能夠使用數值量度，而不必考慮在剛性參考物體上是否存在著標定的位置（具有名稱的），那就會比較方便。在物理測量中應用笛卡兒坐標係達到瞭這個目的。
　　笛卡兒坐標係包含三個相互垂直的平麵，這三個平麵與一剛體牢固地連接起來。在一個坐標係中，任何事件發生的地點（主要）由從事件發生的地點嚮該三個平麵所作垂綫的長度或坐標（x，y，z）來確定，這三條垂綫的長度可以按照歐幾裏得幾何學所確立的規則和方法用剛性量杆經過一係列的操作予以確定。
　　在實際上，構成坐標係的剛性平麵一般來說是用不著的；還有，坐標的大小不是用剛杆結構確定的，而是用間接的方法確定的如果要物理學和天文學所得的結果保持其清楚明確的性質，就必須始終按照上述考慮來尋求位置標示的物理意義。
　　由此我們得到如下的結果：事件在空間中的位置的每一種描述都要使用為描述這些事件而必須參照的一個剛體。所得齣的關係係以假定歐幾裏得幾何學的定理適用於“距離”為依據；“距離”在物理上一般習慣是以一剛體上的兩個標記來錶示。
　　3經典力學中的空間和時間
　　力學的目的在於描述物體在空間中的位置如何隨“時間”而改變。如果我未經認真思考，不如詳細的解釋就來錶述上述的力學的目的，我的良心會承擔違背力求清楚明確的神聖精神的嚴重過失。讓我們來揭示這些過失。
　　這裏。“位置”和“空間”應如何理解是不清楚的。設一列火車正在勻速地行駛，我站在車廂窗口鬆手丟下（不是用力投擲）一塊石頭到路基上。那麼，如果不計空氣阻力的影響，我看見石頭是沿直綫落下的。從人行道上觀察這一舉動的行人則看到石頭是沿拋物綫落到地麵上的。現在我問，石頭所經過的各個“位置”是“的確”在一條直綫上，還是在一條拋物綫上的呢，還有，所謂“在空間中”的運動在這裏是什麼意思呢根據前一節的論述，就可以作齣十分明白的答案。首先，我們要完全避開“空間”這一模糊的字眼，我們必須老實承認，對於“空間”一同，我們無法構成絲毫概念；因此我們代之以“相對於在實際上可看作剛性的一個參考物體的運動”。關於相對於參考物體（火車車廂或鐵路路基）的位置，在前節中已作瞭詳細的規定。如果我們引人“坐標係”這個有利於數學描述的觀念來代替“參考物體“，我們就可以說，石塊相對於與車廂牢固地連接在一起的坐標係走過瞭一條直綫，但相對於與地麵（路基）牢固地連接在一起的坐標係，則石塊走過瞭一條拋物綫藉助於這一實例可以清楚地知道不會有獨立存在的軌綫（字麵意義是“路程——麯綫“）；而隻有相對於特定的參考物體的軌綫。
　　為瞭對運動作完整的描述，我們必須說明物體如何隨時間而改變其位置；亦即對於軌綫上的每一個點必須說明該物體在什麼時刻位於該點上。這些數據必須補充這樣一，個關於時間的定義，依靠這個定義，這些時間值可以在本質上看作可觀測的量（即測量的結果）。如果我們從經典力學的觀點齣發，我們就能夠舉齣下述方式的實例來滿足這個要求。設想有兩個構造完全相同的鍾；站在車廂窗口的人拿著其中的一個，在人行道上的人拿著另一個。兩個觀察者各自按照自己所持時鍾的每一聲滴咯刻劃下的時間來確定石塊相對於他自己的參考物體所占據的位置。在這裏我們沒有計入因光的傳播速度的有限性而造成的不準確性。對於這一點以及這裏的另一個主要睏難，我們將在以後詳細討論。
　　4。伽利略坐標係
　　如所周知，伽利略-牛頓力學的基本定律（稱為慣性定律）可以錶述如下：一物體在離其他物足夠遠時，一直保持靜止狀態或保持勻速直綫運動狀態。這個定律不僅談到瞭物體的運動，而且指齣瞭不違反力學原理的，可在力學描述中加以應用的參考物體或坐標係。相對於人眼可見的恒星那樣的物體，慣性定律無疑是在相當高的近似程度上能夠成立的。現在如果我們使用一個與地球牢固地連接在一起的坐標係，那麼，相對於這一坐標係，每一顆恒星在一個天文日當中都要描畫一個具有莫大的半徑的圓，這個結果與慣性定律的陳述是相反的。因此，如果我們要遵循這個定律，我們就隻能參照恒星在其中不作圓周運動的坐標係來考察物體的運動。若一坐標係的運動狀態使慣性定律對於該坐標係而言是成立的，該坐標係即稱為“伽利略坐標係”。伽利略-牛頓力學諸定律隻有對於伽利略坐標係來說纔能認為是有效的。
　　5。相對性原理（狹義）
　　為瞭使我們的論述盡可能地清楚明確，讓我們迴到設想為勻速行駛中的火車車廂這個實例上來。我們稱該車廂的運動為一種勻速平移運動（稱為“勻速“是由於速度和方嚮是恒定的；稱為“平移”是由於雖然車廂相對於路基不斷改變其位置，但在這樣的運動中並無轉動）。設想一隻大烏鴉在空中飛過，它的運動方式從路基上觀察是勻速直綫運動。用抽象的方式來錶述，我們可以說：若一質量m相對於一坐標係K作勻速直綫運動，隻要第二個坐標係K相對於K是在作勻速平移運動，則該質量相對於第二個坐標係K亦作勻速直綫運動。根據上節的論述可以推齣：
　　若K為一伽利略坐標係，則其他每一個相對於K作勻速平移運動的坐標係K亦為一伽利略坐標係。相對於K，正如相對於K一樣，伽利略-牛頓力學定律也是成立的。
　　如果我們把上麵的推論作如下的錶述，我們在推廣方麵就前進瞭一步：K是相對於K作勻速運動而無轉動的坐標係，那麼，自然現象相對於坐標係K的實際演變將與相對於坐標係K的實際演變一樣依據同樣的普遍定律。這個陳述稱為相對性原理（狹義）。
　　隻要人們確信一切自然現象都能夠藉助於經典力學來得到完善的錶述，就沒有必要懷疑這個相對性原理的正確性。但是由於晚近在電動力學和光學方麵的發展，人們越來越清楚地看到，經典力學為一切自然現象的物理描述所提供的基礎還是不夠充分的。到這個時候，討論相對性原理的正確性問題的時機就成熟瞭，而且當時看來對這個問題作否定的簽復並不是不可能的。
　　然而有兩個普遍事實在一開始就給予相對性原理的正確性以很有力的支持。雖然經典力學對於一切物理現象的理論錶述沒有提供一個足夠廣闊的基礎，但是我們仍然必須承認經典力學在相當大的程度上是“真理”，因為經典力學對天體的實際運動的描述，所達到的精確度簡直是驚人的。因此，在力學的領域中應用相對性原理必然達到很高的準確度。一個具有如此廣泛的普遍性的原理，在物理現象的一個領域中的有效性具有這樣高的準確度，而在另一個領域中居然會無效，這從先驗的觀點來看是不大可能的。
　　現在我們來討論第二個論據，這個論據以後還要談到。如果相對性原理（狹義）不成立，那麼，彼此作相對勻速運動的K，K，K“等一係列伽利略坐標係，對於描述自然現象就不是等效的。在這個情況下我們就不得不相信自然界定律能夠以一種特彆簡單的形式來錶述，這當然隻有在下列條件下纔能做到，即我們已經從一切可能有的伽利略坐標係中選定瞭一個具有特彆的運動狀態的坐標係（K）作為我們的參考物體。這樣我們就會有理由（由於這個坐標係對描述自然現象具有優點）稱這個坐標係是“絕對靜止的”，而所有其他的伽利略坐標係K都是“運動的”，舉例來說，設我們的鐵路路基是坐標係K。，那麼我們的火車車廂就是坐標係K，相對於坐標係K成立的定律將不如相對於坐標係K。成立的定律那樣簡單。定律的簡單性的此種減退是由於車廂K相對於K。而言是運動的（亦即“真正”是運動的）。在參照K所錶述的普遍的自然界定律中，車廂速度的大小和方嚮必然是起作用的。例如，我們應該預料到，一個風琴的大小和方嚮必然是起作用的。例如，我們應該預料到，一個風琴管當它的軸與運動的方嚮平行時所發齣的音調將不同於當它的軸與運動的方嚮垂直時所發齣的音調。由於我們的地球是在環繞太陽的軌道上運行，因而我們可以把地球比作以每秒大約30公裏的速度行駛的火車車廂。如果相對性原理是不正確3。的，我們就應該預料到，地球在任一時刻的運動方嚮將會在自然界定律中錶現齣來，而且物理係統的行為將與其相對於地球的空間取嚮有關。因為由於在一年中地球公轉速度的方嚮的變化，地球不可能在全年中相對於假設的坐標係K0處於靜止狀態。但是，最仔細的觀察也從來沒有顯示齣地球物理空間的這種各嚮異性（即不同方嚮的物理不等效性）。這是一個支持相對性原理的十分強有力的論據。
　　6經典力學中所用的速度相加定理
　　假設我們的舊相識，火車車廂，在鐵軌上以恒定速度v行駛；並假設有一個人在車廂裏沿著車廂行駛的方嚮以速度w從車廂一頭走到另一頭。那麼在這個過程中，對於路基而言，這個人嚮前走得有多快呢換句話說，這個人前進的速度W有多大呢唯一可能的解答似乎可以根據下列考慮而得：如果這個人站住不動一秒鍾，在這一秒鍾裏他就相對於路基前進瞭一段距離v，在數值上與車廂的速度相等。但是，由於他在車廂中嚮前走動，在這一秒鍾裏他相對於車廂嚮前走瞭一段距離兒也就是相對於路基又多走瞭一段距離w，這段距離在數值上等於這個人在車廂裏走動的速度。這樣，在所考慮的這一秒鍾裏他總共相對於路基走瞭距離W=v+w。我們以後將會看到，錶述瞭經典力學的速度相加定理的這一結果，是不能加以支持的；換句話說，我們剛纔寫下的定律實質上是不成立的。但目前我們暫時假定這個定理是正確的。
　　7光的傳播定律與相對性原理的錶麵抵觸
　　在物理學中幾乎沒有比真空中光的傳播定律更簡單的定律瞭，學校裏的每個兒童都知道，或者相信他知道，光在真空中沿直綫以速度c=300，000公裏/秒傳播。無論如何我們非常精確地知道，這個速度對於所有各色光綫都是一樣的。用力如果不是這樣，則當一顆恒星為其鄰近的黑暗星體所掩食時，其各色光綫的最小發射值就下會同時被看到。荷蘭天文學傢德西特（DeSitter）根據對雙星的觀察，也以相似的理由指齣，光的傳播速度不能依賴於發光物體的運動速度。關於光的傳播速度與其“在空間中”的方嚮有關的假定即就其本身而言也是難以成立的。
　　總之，我們可以假定關於光（在真空中）的速度c是恒定的這一簡單的定律已有充分的理由為學校裏的兒童所確信。誰會想到這個簡單的定律競會使思想周密的物理學傢陷入智力上的極大的睏難呢讓我們來看看這些睏難是怎樣産生的。
　　當然我們必須參照一個剛體（坐標係）來描述光的傳播過程（對於所有其他的過程而言確實也都應如此）。我們再次選取我們的路基作為這種參考係。我們設想路基上麵的空氣已經抽空。如果沿著路基發齣一道光綫，根據上麵的論述我們可以看到，這道光綫的前端將相對於路基以速度c傳播現在我們假定我們的車廂仍然以速度v在路軌上行駛，其方嚮與光綫的方嚮同，不過車廂的速度當然要比光的速度小得多。我們來研究一下這光綫相對於車廂的傳播速度問題。顯然我們在這裏可以應用前一節的推論，因為光綫在這晨就充當瞭相對於車廂走動的人。人相對於路基的速度W在這晨由光相對於路基的速度代替。W是所求的光相對於車廂的速度。我們得到：
　　w=c-v
　　於是光綫相對於車廂的傳播速度就齣現瞭小於的情況。
　　但是這個結果是與第5節所闡述的相對性原理相抵觸的。因為，根據相對性原理，真空中光的傳播定律，就象所有其他普遍的自然界定律一樣，不論以車廂作為參考物體還是以路軌作為物體，都必須是一樣的。但是，從我們前麵的論述看來，這一點似乎是不可能成立的。如果所有的光綫相對於路基都以速度c傳播，那麼由於這個理由似乎光相對於車廂的傳播就必然服從另一定律——這是一個與相對性原理相抵觸的結果。
　　由於這種抵觸，除瞭放棄相對性原理或放棄真空中光的傳播的簡單定律以外，其他辦法似乎是沒有的。仔細地閱讀瞭以上論述的讀者幾乎都相信我們應該保留相對性原理，這是因為相對性原理如此自然而簡單，在人們的思想中具有很大的說服力。因而真空中光的傳播定律就必須由一個能與相對性原理一緻的比較復雜的定律所取代。但是，理論物理學的發展徑。具有劃時代意義的洛倫茲對於與運動物體相關的電動力學和光學現象的理論研究錶明，在這個領域中的經驗無可爭辯地導緻瞭關於電磁現象的一個理論，而真空中光速恒定定律是這個理論的必然推論。因此，盡管不曾發現與相對性原理相抵觸的實驗數據，許多著名的理論物理學傢還是比較傾嚮於捨棄相對性原理。
　　相對論就是這個關頭産生的。由於分析瞭時間和空間的物理概念，人們開始清楚地看到，相對性原理和光的傳播定律實際上絲毫沒有抵觸之處，如果係統地貫徹這兩個定律，就能夠得到一個邏輯嚴謹的理論。這個理論已稱為狹義相對論，以區彆於推廣瞭的理論，對於廣義理論我們將留待以後再去討論。下麵我們將敘述狹義相對論的基本觀念。
　　……

前言/序言

　　本書的目的，是盡可能使那些從一般科學和哲學的角度對相對論有興趣而又不熟悉理論物理的數學工具的讀者對相對論有一個正確的瞭解。本書假定讀者已具備相當於大學入學考試的知識水平，而且，盡管本書篇幅不長，讀者仍須具有相當大的耐心和毅力。作者力求以最簡單、最明瞭的方式來介紹相對論的主要概念，並大體上按照其實際創生的次序和聯係來敘述。為瞭便於明瞭起見，我感到不能不經常有所重復，而不去考慮文體的優美與否。我嚴謹地遵照傑齣的理論物理學傢玻耳茲曼的格言，即形式是否優美的問題應該留給裁縫和鞋匠去考慮。但是我不敢說這樣已可為讀者解除相對論中固有的難處。另一方麵，我在論述相對論的經驗性物理基礎時，又有意識地采用瞭“繼母”式的做法，以便不熟悉物理的讀者不緻感到像一個隻見樹木不見森林的迷路人。但願本書能為某些讀者招緻愉快的思考時間。
　　愛因斯坦1916年12月

狹義與廣義相對論淺說 引言：超越時空的哲學之旅 人類對宇宙的認知，從來就沒有停止過探索的腳步。從古人仰望星空，勾勒齣天體運行的軌跡，到伽利略的望遠鏡揭示瞭行星的秘密，再到牛頓的萬有引力定律將天地萬物納入統一的物理框架，每一個時代的科學突破，都極大地拓展瞭我們的視野，重塑瞭我們對自身在宇宙中位置的理解。然而，即便是在牛頓力學的輝煌時代，依然有一些現象難以解釋，一些看似深刻的矛盾潛藏在理論的根基之下。正是這些未解之謎，激發瞭新一代的物理學傢，勇敢地走嚮未知的領域，挑戰根深蒂固的觀念。 19世紀末20世紀初，物理學迎來瞭前所未有的變革。經典電磁學理論的光輝似乎已經照亮瞭宇宙的大部分角落，但與此同時，一些實驗結果與理論預言之間的微妙差異，卻如同一顆顆不安的種子，預示著一場顛覆性的革命即將來臨。在這樣的背景下，阿爾伯特·愛因斯坦，一位年輕而充滿智慧的物理學傢，以前所未有的洞察力，將物理學的版圖重新繪製。他提齣的狹義相對論和廣義相對論，不僅解決瞭睏擾物理學界多年的難題，更深刻地改變瞭我們對時間、空間、質量、能量以及引力本質的認識，為我們開啓瞭一扇通往宇宙深層奧秘的大門。 本書《狹義與廣義相對論淺說》正是緻力於帶領讀者，踏上這場穿越時空的哲學與科學之旅。我們將深入淺齣地剖析相對論的核心思想，揭示其背後令人驚嘆的邏輯推演，並探討它如何徹底革新瞭我們對宇宙的理解。這不是一本枯燥的教科書，也不是晦澀的學術論文，而是一次充滿好奇與啓迪的對話，旨在讓盡可能多的讀者，能夠領略到相對論的深刻魅力，體會到科學探索的無限樂趣。 第一部分：狹義相對論——時空的相對性與光速的恒定 在愛因斯坦之前，人們普遍接受的是牛頓的絕對時空觀。時間被認為是宇宙中普遍存在的、不隨任何觀測者而改變的“鍾擺”，而空間則是一個靜止不變的、容納萬物的“舞颱”。然而，當物理學傢們開始深入研究電磁現象，特彆是光速時，一係列難以調和的矛盾便開始顯露。 狹義相對論的誕生，首先源於對兩個基本原理的堅定信念： 相對性原理 (Principle of Relativity)：所有慣性參考係（即靜止或勻速直綫運動的參考係）中的物理定律都具有相同的形式。換句話說，無論你是在地麵上靜止不動，還是在一列勻速行駛的火車上，你進行的任何物理實驗，所遵循的定律都是一樣的，你無法通過任何物理實驗來區分自己是否在運動。 光速不變原理 (Principle of the Constancy of the Speed of Light)：真空中的光速對於所有慣性觀測者來說都是恒定的，與光源的運動狀態無關。這個原理看似簡單，卻有著顛覆性的後果。想象一下，你站在月颱上，一列火車高速駛過，如果火車上的一盞燈發齣的光，按照我們日常的經驗，光的速度應該與火車的速度疊加。但光速不變原理告訴我們，無論火車以多快的速度前進，從火車上發齣的光，在月颱上觀測到的速度，與在火車上觀測到的速度，都是完全相同的。 這兩個看似簡單卻又互相獨立的原理，在愛因斯坦的手中，碰撞齣瞭思想的火花，引齣瞭驚人的推論： 時間膨脹 (Time Dilation)：當一個物體以接近光速的速度運動時，相對於靜止的觀測者來說，該物體上的時間會流逝得更慢。這意味著，如果一對雙胞胎，一個留在地球，另一個乘坐高速飛船去往遙遠的星係，當旅行者返迴地球時，他會比留在地球上的雙胞胎年輕得多。時間不再是絕對的，而是與運動狀態息息相關。 長度收縮 (Length Contraction)：與時間膨脹類似，當一個物體高速運動時，在運動方嚮上，其長度會相對於靜止的觀測者測量到的長度而縮短。例如，一艘高速飛行的宇宙飛船，在它靜止時測量到的長度，會比在它高速運動時，地麵上的觀測者測量到的長度要長。 質能等價 (Mass-Energy Equivalence)：這是狹義相對論中最具標誌性的結論之一，可以用著名的方程 E=mc² 來錶示。這個公式揭示瞭質量和能量之間深刻而直接的聯係：質量可以轉化為能量，能量也可以轉化為質量。其中，E代錶能量，m代錶質量，c代錶光速。由於光速c是一個巨大的數值，c²更是天文數字，因此即使是很小的質量，也能轉化成巨大的能量。這一原理不僅解釋瞭核反應的巨大能量來源，也從根本上改變瞭我們對物質和能量的理解。質量不再是獨立於能量的屬性，而是能量的一種錶現形式。 狹義相對論的齣現，徹底顛覆瞭牛頓的絕對時空觀，取而代之的是一個動態的、相對的時空。時間不再是普適的河流，而是因觀測者而異的“流速”；空間也不再是固定不變的舞颱，而是會隨著運動而發生形變的“畫布”。這一理論的數學形式，建立在四維時空（三維空間加上一維時間）的基礎上，揭示瞭時空本身是相互關聯、密不可分的。 第二部分：廣義相對論——引力的新圖景與時空的彎麯 狹義相對論成功地統一瞭空間和時間，並解釋瞭高速運動下的物理現象。然而，它並未涉及引力。牛頓的萬有引力定律雖然無比成功，但它將引力描述為一種“超距作用”，即兩個物體之間可以在瞬間産生引力，而這種傳遞速度是無限的。這與狹義相對論中光速是信息傳遞最高速度的原理相悖。愛因斯坦深知，要構建一個更完整的宇宙圖景，必須對引力進行一次徹底的革命。 廣義相對論，正是愛因斯坦對引力的一次革命性解釋。它不再將引力視為一種神秘的“力”，而是將其看作是時空本身的彎麯。其核心思想可以概括為： 等效原理 (Equivalence Principle)：引力效應與加速運動的效應是無法區分的。也就是說，在一個封閉的電梯裏，你無法通過內部的任何物理實驗來判斷自己是處於一個引力場中（比如地球錶麵），還是在太空中以恒定的加速度嚮上運動。這一原理是愛因斯坦將狹義相對論推廣到引力領域的關鍵一步。 基於等效原理，愛因斯坦進一步推導齣： 時空彎麯 (Curvature of Spacetime)：物質和能量的存在會彎麯周圍的時空。質量越大的物體，對時空的彎麯程度就越大。我們之所以會感受到引力，並不是因為物體之間存在一種“拉力”，而是因為物體在彎麯的時空中沿著“測地綫”（最短路徑）運動。想象一個平坦的橡皮膜，上麵放瞭一個保齡球，橡皮膜就會嚮下凹陷。如果此時在這個凹陷的橡皮膜上滾動一個小彈珠，彈珠就會滾嚮保齡球。這裏，保齡球就相當於大質量物體，它彎麯瞭橡皮膜（時空），而彈珠的運動軌跡（滾嚮保齡球）就是因為它遵循瞭彎麯時空的最短路徑，從而錶現齣“被吸引”的效果。 廣義相對論的幾個重要推論和驗證，極大地鞏固瞭其科學地位： 水星近日點的進動 (Precession of Mercury's Perihelion)：牛頓萬有引力定律可以很好地解釋大多數行星的軌道運動，但對於水星來說，其近日點（軌道上離太陽最近的點）的進動速度，與觀測數據之間存在微小的偏差，這是牛頓理論無法解釋的。廣義相對論精確地預測瞭這一偏差，成為瞭其早期最重要的證據之一。 光綫在引力場中的彎麯 (Deflection of Light by Gravity)：廣義相對論預言，當光綫經過大質量物體附近時，其傳播路徑會發生彎麯。在1919年的一次日全食觀測中，天文學傢愛丁頓爵士通過觀測星光在太陽引力場中的彎麯程度，首次證實瞭這一預言，使得愛因斯坦一夜之間名揚世界。 引力紅移 (Gravitational Redshift)：光綫從強引力場中逃逸齣來時，其頻率會降低，波長會變長（嚮光譜的紅色端移動）。這也可以被理解為，時空的彎麯導緻能量的損失。 引力波 (Gravitational Waves)：愛因斯坦預言，當大質量物體發生劇烈運動，例如兩個黑洞閤並時，會産生時空的漣漪，即引力波，並以光速傳播。引力波的直接探測，是21世紀物理學最重大的成就之一，LIGO/Virgo等探測器在2015年首次探測到引力波，為廣義相對論再添實證。 廣義相對論不僅改變瞭我們對引力的理解，更深刻地揭示瞭宇宙的宏觀結構和演化。它為宇宙學的發展奠定瞭理論基礎，使得我們能夠研究黑洞、中子星等極端天體，並探索宇宙的起源和未來。 結論：相對論的影響與未竟的事業 狹義相對論和廣義相對論，是人類智慧的結晶，它們以令人驚嘆的簡潔和深刻，重塑瞭我們對宇宙最基本概念的認知。時空不再是牛頓世界中那個堅固、獨立的背景，而是成為一個動態的、物質與能量相互作用的整體。引力也不再是一種神秘的力量，而是時空本身幾何屬性的錶現。 相對論的意義遠不止於理論物理學本身。它深刻地影響瞭哲學、天文學、宇宙學，甚至我們的日常生活（例如GPS導航係統就必須考慮相對論效應）。它挑戰瞭我們基於日常經驗建立起來的直覺，迫使我們以一種全新的視角來審視我們所處的宇宙。 然而，科學的探索永無止境。盡管相對論在宏觀宇宙和高速運動中取得瞭輝煌的成功，但在微觀粒子世界中，量子力學占據著主導地位。如何將描述宏觀宇宙的廣義相對論與描述微觀世界的量子力學統一起來，構建一個“萬有理論”，是當今物理學麵臨的最大挑戰之一。黑洞內部的奇點、宇宙大爆炸的開端，都可能是需要新的理論纔能解答的謎題。 閱讀《狹義與廣義相對論淺說》，便是參與到這場跨越時代的思想探索中。我們希望通過這本書，能夠點燃你對宇宙奧秘的好奇心，培養你對科學探究的熱情。你將不僅僅是瞭解幾個物理公式，更是開始理解宇宙運作的深層邏輯，感受科學的嚴謹之美和哲學之深邃。願這本書能成為你探索宇宙真理道路上的一個小小啓迪。

評分☆☆☆☆☆

這本書的結尾部分的處理，給我的觸動尤其大，它沒有戛然而止於理論的完美閉環，而是將視野投嚮瞭更廣闊的前沿領域。作者用一種近乎哲學的筆調，探討瞭廣義相對論尚未解決的謎題，比如量子引力的睏境，黑洞奇點的本質，以及宇宙學中的暗物質和暗能量等。這部分內容並沒有使用過於晦澀的專業術語，而是以一種激發思考和想象力的方式呈現齣來，讓讀者在閤上書本之後，依然能感受到物理學那永無止境的探索精神。它不僅完成瞭對現有知識的梳理，更像是一次精神上的激勵，讓我意識到我們所學的知識不過是冰山一角，激發瞭我去探索更深層次物理學奧秘的強烈欲望。這本書的價值，不僅在於教會瞭“我們知道什麼”，更在於引導我們去思考“我們還不知道什麼”。

評分☆☆☆☆☆

這本書的書脊設計得非常樸實，沒有那種花哨的裝飾，封麵用瞭深沉的藍色調，搭配簡潔的白色宋體字，給人一種沉靜、專業的學術氣息。我拿到手的時候，首先注意到的是紙張的質感，不是那種光滑易反光的銅版紙，而是略帶紋理的啞光紙，手感很舒服，翻閱起來感覺非常紮實。內頁的排版也十分考究，字體大小適中，行距拿捏得恰到好處，即便是長時間閱讀也不會感到眼睛疲勞。書本的裝幀工藝看得齣是用心瞭，雖然不是那種奢侈的精裝，但裝訂得非常牢固，可以完全平攤在桌麵上，這對於需要對照公式和圖錶的讀者來說簡直是福音。在內容深度上，我初步翻閱瞭幾頁，感覺作者在基礎概念的引入上非常謹慎，沒有急於拋齣復雜的數學推導，而是試圖先用日常的語言和清晰的邏輯來搭建起讀者的認知框架，這對於物理學的初學者或者希望重新鞏固基礎的讀者來說，無疑提供瞭一個非常友好的入口，讓人對接下來的學習充滿瞭期待。

評分☆☆☆☆☆

我對比瞭手邊幾本同類主題的入門讀物，這本書在處理數學工具的使用上，展現齣一種高明的剋製。它並沒有完全迴避數學，畢竟物理學離不開數學語言，但它成功地做到瞭“取其精華，去其糟粕”——隻引入瞭完成當前概念講解所必需的最精煉的數學工具。它避免瞭那種上來就拋齣大量偏微分方程和張量分析的陣勢，而是將必要的微積分、綫性代數的概念融入到物理情境中進行講解。作者仿佛是一位技藝高超的嚮導，他遞給你的是一把恰到好處的鑰匙，能打開理解這扇門，而不會讓你因為工具箱裏工具過多而感到不知所措或被工具本身嚇倒。對於那些對純數學推導感到畏懼，但又渴望深入瞭解物理思想的讀者來說，這種適度的數學處理方式無疑是巨大的福音，它真正做到瞭“淺說”的精髓。

評分☆☆☆☆☆

這本書的圖示部分處理得相當齣色，是全書的一大亮點。很多物理學的概念，特彆是涉及到時空幾何、四維嚮量的概念時，文字往往顯得蒼白無力，而本書的插圖卻能精準地彌補這一不足。這些圖例不是簡單地復製教科書上那些製式的、冷冰冰的幾何圖形，而是經過精心設計的，有些甚至帶有強烈的動態感和透視感，能夠有效幫助讀者在大腦中構建三維甚至更高維度的物理圖像。特彆是在討論引力場如何彎麯光綫的那幾章，作者繪製的示意圖清晰到令人拍案叫絕，一下子就擊中瞭睏擾我多年的視覺障礙。此外，作者似乎對“留白”的藝術也頗有心得，圖注簡潔明瞭，沒有多餘的文字乾擾主體圖形的錶達力，使得讀者可以完全沉浸在對圖像的解讀中，而不是被冗雜的說明文字所牽製。

評分☆☆☆☆☆

這本書的敘事節奏把握得極其老道，讀起來有一種如沐春風的順暢感，完全沒有傳統物理教材那種枯燥、教條式的講解。作者似乎深諳如何將抽象的概念具象化，他沒有堆砌佶屈聱牙的術語，而是大量運用生動的類比和曆史的脈絡來串聯起物理學思想的演變。比如，在闡述某一關鍵實驗的背景時，他會花不少筆墨去描繪當時科學傢們所處的思想睏境，將理論的誕生過程描繪成一場跌宕起伏的智力冒險。這種敘事手法極大地激發瞭讀者的好奇心，讓人忍不住想知道“接下來會發生什麼”。更值得稱道的是，作者在穿插曆史故事的同時，始終保持著對核心物理原理的嚴謹性，絕不為瞭迎閤通俗而犧牲科學的精確度，兩者之間找到瞭一個絕妙的平衡點。讀完某個章節，我感覺自己不隻是學到瞭一個公式，更是理解瞭提齣這個公式的“為什麼”和“怎麼做”。

評分☆☆☆☆☆

滿一百–50，算是半價瞭，喜歡先囤著，希望有時間看，書都非常棒

評分☆☆☆☆☆

很不錯，希望對自己有很好的幫助吧……

評分☆☆☆☆☆

愛因斯塔自己的寫的, 牛啊. 生活除瞭油鹽菜米還是要瞭解本質

評分☆☆☆☆☆

速度很快 很實用的一本書 很滿意

評分☆☆☆☆☆

很好的書，畢業以後豐富一下閱曆，為以後做鋪墊

評分☆☆☆☆☆

書非常有質感，物流快。

評分☆☆☆☆☆

非常科學的叢書，值得學生讀懂，序言從曆史發展的角度介紹科學發展的曆程。 感謝西學的成就，從不同角度看物質。 但是很可惜看不到過去科學傢的其他論文，隻看到瞭一些經典。沒齣版的論文個人認為是他們認知的轉變過程，非常能看齣當時科學傢的世界觀，也能從不同角度理解同一個問題。

評分☆☆☆☆☆

東西非常好，應該是正品，下次還會光臨！

評分☆☆☆☆☆

愛大神，幾百年纔會齣一個的人，外星人般的思維。