时空密码：揭开相对论奥秘的科学之旅

目 录

第一部分 狭义相对论

1 时间与空间 最熟悉的陌生人 002

1.1 什么是时间？ 002

1.2 钟表的计时原理 004

1.3 时间的本质 006

1.4 什么是空间？ 007

1.5 时空本性 009

2 牛顿时空观 固定舞台上的世界 012

2.1 牛顿与苹果那些事儿 012

2.2 牛顿与微积分那些事儿 015

2.3 牛顿的绝对时空观 018

3 以太危机与光速之谜 020

3.1 光与以太 020

3.2 寻找以太行动 022

3.3 迈克尔逊—莫雷实验：最成功的失败 024

3.4 洛伦兹的离奇假说：长度收缩 026

3.5 发射假说：光速受光源影响吗？ 027

4 经典时空变换 029

4.1 运动的相对性与惯性系 029

4.2 伽利略相对性原理 031

4.3 伽利略时空变换 032

5 狭义相对论的建立 034

5.1 巨变的前夜 034

5.2 一篇划时代的论文 036

5.3 相对性原理和光速不变原理 038

5.4 洛伦兹变换 040

5.5 狭义相对论的发展 043

附录 一块石头的成长史 044

6 震惊世界的E=mc2 050

6.1 光速极限 050

6.2 时间能否倒流？ 051

6.3 三大守恒定律的秘密 054

6.4 质能等价： E=mc2 057

6.5 光速的本质 058

6.6 核时代的开启 060

6.7 核裂变与原子弹 061

6.8 核聚变与氢弹 065

7 牛顿时空观的颠覆 067

7.1 同时性的相对性 067

7.2 时间延缓效应 069

7.3 时间延缓的实验验证 072

7.4 双生子佯谬解析 073

7.5 运动双方都认为对方钟慢了吗？ 074

7.6 长度收缩及其视觉图像 075

7.7 运动双方都认为对方尺缩了吗？ 079

7.8 空间收缩与时间旅行 079

8 四维时空奇景 082

8.1 欧氏几何简史 082

8.2 四维欧氏空间 084

8.3 广义的勾股定理 087

8.4 坐标系旋转：以不变应万变 089

8.5 时空本性：四维时空 090

8.6 尺缩钟慢与四维时空投影 091

8.7 四维时空的绝对性 093

8.8 闵可夫斯基时空 094

8.9 时空图与世界线 096

8.10 时空图解析双生子佯谬 098

8.11 光锥：光锥之内即命运 100

第二部分 广义相对论

9 广义相对论的建立 106

9.1 爱因斯坦的困惑 106

9.2 广义相对论的构想 107

9.3 回顾：万有引力定律的发现 110

9.4 引力场：质量也能产生场 112

9.5 马赫原理对爱因斯坦的启发 114

9.6 两种质量的神秘联系 116

9.7 等效原理 118

9.8 从物理到几何 121

附录 走向巅峰的坎坷之路 122

10 引力场与时空弯曲 127

10.1 光线受引力作用吗？ 127

10.2 引力场中的时间延缓与空间弯曲 128

10.3 弯曲空间的几何 130

10.4 空间内部看空间：内蕴几何学 134

10.5 时空密码：四维时空度规 135

10.6 解锁时空密码的钥匙：引力场方程 138

10.7 物体在弯曲时空中的运动 140

10.8 坚硬的时空 144

11 广义相对论的实验验证 146

11.1 三大验证之一：光线弯曲 146

11.2 三大验证之二：水星近日点进动 149

11.3 三大验证之三：引力红移 151

11.4 雷达回波延迟 152

11.5 引力时间延缓的应用：GPS时间校正 153

11.6 宇宙之戒：爱因斯坦环 155

11.7 时空的颤抖：引力波 157

12 爱因斯坦的宇宙 163

12.1 爱因斯坦的大胆假设：有限无界的宇宙 163

12.2 爱因斯坦的大胆假设：宇宙学常数 165

12.3 爱因斯坦的“最大错误” 166

12.4 膨胀宇宙模型 168

12.5 宇宙是如何膨胀的？ 170

12.6 宇宙大爆炸 172

12.7 宇宙学常数与暗能量之谜 176

12.8 宇宙的未来 178

13 超时空之旅 179

13.1 史瓦西黑洞的发现 179

13.2 进入黑洞内部 181

13.3 观测黑洞 185

13.4 黑洞不黑 187

13.5 黑洞、白洞与虫洞 188

13.6 克尔黑洞与虫洞 190

13.7 可穿越的虫洞 192

14 时间之箭 195

14.1 有关时间箭头的讨论 195

14.2 三种时间箭头 196

14.3 关于时间旅行的讨论 199

14.4 微观尺度的时间逆流 200

第三部分 统一场论

15 时空与万物至理 204

15.1 卡鲁扎的五维时空 204

15.2 爱因斯坦梦碎统一场 207

15.3 统一场论路在何方？ 209

15.4 圈量子引力与量子化时空 212

15.5 超弦理论和M理论 213

参考文献 217

后记 221