爱因斯坦的玩具:探寻宇宙和引力的秘密.pdf

爱因斯坦的玩具:探寻宇宙和引力的秘密.pdf
 

书籍描述

编辑推荐
物理学从引力开始,可能也以引力终结。
从老人的玩具到量子时代,讲解引力在宇宙中的工作和休闲;
分析宇宙演化的物理学原理,以简洁生动的笔触,阐述诸多为人熟知的物理学基本概念的深刻本质。

媒体推荐

徐一鸿以一种轻松的、诗意的幽默写作……。一个科学家肯定能够唤起藏在数学公式之中的想象,用热情和愉悦把某些很艰深的材料处理得当。
——纽约时报

徐一鸿通过他务实的、对话的风格成功地在逗人的故事中把科学带给了读者。
——旧金山纪事报

作者简介
徐一鸿,理论物理学家,美国加州大学圣巴巴拉分校教授,美国国家理论物理研究所永久资深研究员。徐一鸿教授是上海人,出生于昆明,后搬迁至香港,移民圣保罗,求学美国,获美国普林斯頓大学学士、哈佛大学博士学位。现定居圣巴巴拉。共发表超过250篇的学术论文。科普书、教科书及文化饮食方面知名作家。著有《力的统一》,《吞云》、《可畏的对称》、《爱因斯坦的玩具》、《简明量子场论》及《简明爱因斯坦引力论》等。相关著作在德、日、韩、西、波兰、印度等地出版。曾获美国普立兹奖提名。
个人网站:
http://www.kitp.ucsb.edu/members/PM/zee/
http://www.kitp.ucsb.edu/zee
联系邮箱:
zee@kitp.ucsb.edu


张礼,理论物理学家,清华大学高等研究中心教授,从事理论粒子物理及量子力学研究。著有《量子力学的前沿问题》、《近代物理学进展》等书。获第九届(2012-2013年度)周培源物理奖。

目录
序幕: 苹果和月亮
Ⅰ引力的升起
1老人的玩具
2在空间和时间中疾行
3无所不能的必定是弱的

Ⅱ膨胀的宇宙
4出航
5夜间的黑暗
6从大冷冻到大爆炸

Ⅲ从虚无中出来的结构
7宇宙诞生物质
8富人变得更富
9从头发旋涡到创世的初期
10天空中的鬼骑手
11戴上了光环

Ⅳ引力的秘密
12引力的坠落和升起
13弦的音乐
14思索的人和发笑的上帝

注记
索引

序言
序一(自序)
在自然的基本力当中,我们最熟悉的是引力。在无边的黑夜中,我们迷失在个人的思想里,和光的世界隔绝,却仍然感到重力的不停牵引。在我们出生之前重力被母亲子宫羊水的浮力所平衡,当我们出生时立即就感到引力的向下牵引。但我们并不了解引力。
物理学从引力开始。两位伟大的理论家,牛顿和爱因斯坦,一位在另一位的基础上,努力去探寻这个普适力的秘密。从爱因斯坦以来,物理学家考虑、辩论和激烈争辩引力的本性。我们所最熟悉的力是从远在我们经验之外的高能量领域中来的闯入者。我们只是由于偶然才认识了它。
引力和量子之间的巨大冲撞半个世纪以来摇动着物理世界。近年来一个奇异美丽的弦理论迷住了许多物理学家,并许诺能解释一切。但在我们对引力的理解中有一个重要佯谬仍在嘲笑着我们。
我们将要探索引力——它的内在性格和外在显示。在序幕中,我们评述牛顿引力。在第一部中,我们追踪对引力的理解,从老人的玩具到量子时代。在这个讨论中,我们自然地去探视一下引力在宇宙中的工作和休闲。在第二部中,我们追随宇宙,从大冷冻到大爆炸。在第三部中,我们探讨物质和结构如何从虚空中涌现。在宇宙的演化中,引力的手有时是直接和明显的,有时是藏在幕后的,但同样是不可缺的。从宇宙的旅行我们回到第四部,注视引力的核心机密。这是四个乐章的书:引力、宇宙、宇宙和引力。
这本书是关于引力和宇宙的。我的希望在于解释在动力学宇宙中最富戏剧性的体现引力的物理和涉及引力现象的物理。宇宙学肯定是令人深感兴趣的,它与引力的物理学可以平分秋色。宇宙学更能令非专业读者接受,但是在探索为什么我们会下落的秘密和了解宇宙的生命二者之间,基础物理学家的热情更多地给予了前者。
我愿意说几句话向乔治•伽莫夫致敬,这位已故的美籍俄罗斯物理学家从大爆炸的一般概念中形成了近代物理宇宙学,如我在第6章中描述的。伽莫夫是个激情又玩世不恭的人,因为在探讨物理的时候还要开玩笑而名声不好。相当多物理学家认为诺贝尔委员会忽视他是不公正的,或许他们不喜欢他把物理当作好玩的爱好而不是严肃的职业。无论如何他的风格对我有感染力。伽莫夫写过一个有趣的通俗物理书系列。我在高中时偶然看到其中的一本,这是我选择学习物理的部分原因。
我不愿意写只讲主题的通俗物理书。作为物理学家和教授,我想解释得尽可能多。但在第四部中讨论量子引力和弦理论时,可惜我能做的只是给你有关物理的一点味道,因为在该问题中量子场论的全部奥妙都上场了。对需要知道更多的人,我只能建议你选择理论物理作为你的事业,就像我读到伽莫夫在一本通俗书中承认他不能解释量子统计时下的决心一样。
在另一方面,我要说一下关于近来一些激动人心的进展。我尽量避免那些今天提出明天就消失的“进展”。从这本书开始到本书写作出版的四年左右时间里,通俗出版物喘不过气来地报道很多激动人心的“发现”。总的来说,我在这本书中只讨论我认为能存留下来的东西,至少在指导思想上做到这一点。当我讨论到没有最后确定的结论时,我尽量把这点说清楚。
我从来不喜欢通俗科学书歪曲历史,传播只有极少数人对所有的发现负责的神话。可惜的是,我自己也不能避免这样做:爱因斯坦的名字几乎在每一页上出现。例如我也想叙述导致牛顿伟大发现的历史潮流和影响,但我只能简单提一下。我能做的这一点只能算历史的草图,如果不是漫画的话。


序二 徐一鸿和他的作品(卢昌海,2013年写于纽约)

杨绛在《记钱钟书与<围城>》一文中记叙过一则小典故:上世纪80年代《围城》热兴起之后,很多读者对作者钱钟书产生了极大兴趣,于是钱钟书以他独有的幽默对一位读者作了这样的回应:“假如你吃了个鸡蛋觉得不错,何必认识那下蛋的母鸡呢?”清华大学出版社的朱红莲编辑让我替徐一鸿科普《爱因斯坦的宇宙——老人的玩具》的中译本写序时,我忽然想起了这则小典故。
之所以想起这则小典故,是因为发觉自己的情形从某种意义上讲跟那些读者恰巧相反:他们吃过了“鸡蛋”,对“下蛋的母鸡”感到神秘;而我呢,久仰“下蛋的母鸡”大名,略知其事迹和作品,却很惭愧地尚未在通读意义下吃过“鸡蛋”。不过,编辑慨然应允我以对作者及作品的一般介绍为内容,来撰写这篇“离题”的序言,从而使我有了这份替徐一鸿科普写序的缘分和荣幸。
我最早注意到“徐一鸿”这个名字是因为一段发生在上世纪70年代的趣闻。那时徐一鸿刚到普林斯顿大学(Princeton University)做助理教授,并讲授量子场论,为他做助教的则是威顿(Edward Witten)。对于像我这样在上世纪90年代中后期念物理系研究生的人来说,威顿这个名字可谓是如雷贯耳,因为那时候正是所谓的“第二次超弦革命”时期,系里常有超弦方面的讲座,而威顿作为超弦革命的“主帅”,几乎是所有此类演讲的“关键词”。不过,替徐一鸿做助教时的威顿还是一位刚“入行”的新手,这也是那段趣闻的趣意所在。虽然还籍籍无名,但威顿为习题提供的精彩答案给徐一鸿留下了极深的印象,以至于第二年更换助教后,因感觉到助教水平的“滑坡”而向系主任抱怨道:“今年的助教出什么问题了?还不如去年那家伙的一半!”这段趣闻让我从此记住了“徐一鸿”这个名字。
关于“徐一鸿”这个名字,还有段小插曲值得一提,那就是其所对应的英文Anthony Zee中的“Zee”乃是来自“徐”字的上海话发音,跟如今常用的来自国语发音的“Xu”或“Hsu”有很大差别。这一独特之处使得早年未经作者授权的湖南科学技术出版社翻译出版徐一鸿科普《可怕的对称》(Fearful Symmetry)时,将作者名字按英文缩写A. Zee音译成了颇具西藏风味的“阿•热”。不过,随着越来越多的徐一鸿作品传入中国,这类错译应该已成绝响,就像丘成桐先生的英文名字中,来自广东话发音的“Yau”不会被错译一样。
徐一鸿是一位研究领域十分宽广的物理学家,在宇宙学、高能物理、凝聚态物理、数学物理、乃至生物物理等领域都做过工作。其中1972年的一项工作,即寻找具有渐近自由性质的量子场论,是该方向上最早的研究之一,具有先驱性。除从事研究外,徐一鸿还是一位多产的作家,而且与研究领域的宽广相类似,徐一鸿作为作家的兴趣及作品类型也很宽广,有教材,有科普,甚至还写过一本关于中国饮食、语言及文化的书,书名叫做《吞云》(Swallowing Clouds)。徐一鸿的教材和科普中最著名的则是深浅搭配的两组作品:一组是以量子场论为主题的教材《简明量子场论》(Quantum Field Theory in a Nutshell)与科普《可畏的对称》;另一组是以引力理论为主题的教材《简明爱因斯坦引力》(Einstein Gravity in a Nutshell)与您手中的这本科普《爱因斯坦的玩具——探询宇宙和引力的秘密》。徐一鸿在求学期间曾先后师从著名引力理论专家惠勒(John Archibald Wheeler)及量子场论专家科尔曼(Sidney Coleman),后来又长期讲授量子场论及引力理论,这两组作品的选材与他的学术经历可谓遥相呼应。
与“普罗大众”对科学家的刻板、枯燥的印象迥然相异,徐一鸿作品的显著特点是诙谐(witty)和有趣(fun),这也是书评者评价徐一鸿作品时很爱用的词语。比如《今日物理》(Physics Today)杂志的一位书评者就将《简明量子场论》称为是继《费曼物理学讲义》(The Feynman Lectures on Physics)之后自己读到过的最有趣的物理教材。教材如此,科普就更可想而知了。徐一鸿作品的诙谐和有趣不仅在于文字,还体现在间杂于正文中的各种趣闻上,那些趣闻中有一些是徐一鸿作为物理学家所亲历的,可谓是独家趣闻,比如前面提到的威顿当助教的趣闻就是一个例子,它写在了《简明量子场论》的序言中。
不过,徐一鸿作品虽以诙谐和有趣为特点,最大的优势却在严谨——以深厚学术功底为后盾的严谨。这一点对科普来说尤为可贵。徐一鸿曾引述爱因斯坦的名言:“物理学应尽可能简单,但不能过分简单”,并将之改为了“物理学应尽可能有趣,但不能过分有趣”。这句名言既道出了徐一鸿科普的境界,也警示了科普界的一个也许是最常见的误区,那就是将通俗置于严谨之上,以为单凭文笔就能写出好科普。其实,文笔对于科普中的“普”字虽功不可没,但科普顾名思义,乃是“科”在先“普”在后,离开了“科”,再好的“普”也将成为“过分有趣”的无源之水。除严谨外,徐一鸿作品还有一个额外优势,那就是研究领域的宽广为他提供了一个触类旁通的独特视角,比如他的《简明量子场论》就显著突破了高能物理这一类教材的传统“地盘”,而扩展到了凝聚态物理等领域,这对于读者也是极有帮助的。
在结束这篇“离题”的序言之前,好歹谈几句正题吧。《爱因斯坦的宇宙——老人的玩具》这本书问世于1989年,最初的书名是《老人的玩具》(An Old Man's Toy)。12年后(2001年),该书以《爱因斯坦的宇宙》(Einstein's Universe)为题再次发行,中译本的书名是将前后两版的英文书名合并翻译的结果,这其中旧版书名“老人的玩具”乃是指一件特殊的生日礼物,一件爱因斯坦一生最后一个生日(76岁生日)所收到的礼物。那礼物——如右图所示——本质上是一个连着弦线的小球,弦线另一端与一根空心管内的弹簧相连,初始时小球位于空心管外,弹簧的拉力因不足以克服小球的重量而无法将之拽入管内。送礼者给爱因斯坦的挑战是:找一个尽可能巧妙的办法让小球进入管内(当然,用手直接将小球放入管内是不够巧妙的)。如果您此刻正在阅读这篇序言,那么不妨停下来想一想,看自己能否找到一个办法?同时您想必也很好奇,爱因斯坦是否找到了办法?若找到了,那办法是什么呢?徐一鸿这本精彩的科普将不仅会告诉您答案,而且还会为您展示答案背后广阔而美丽的天地。
因为那不仅是“老人的玩具”,而且也是“爱因斯坦的宇宙”。

文摘
光线的弯曲
光会落下吗?牛顿和他同时代的人认为会,因为他们认为光是由小颗粒构成的。他们以后的物理学家并不这么肯定,毕竟你不能把光握在手中并感到它的重量。
爱因斯坦决定性地解决了问题,从而漂亮地展示了等价原理的威力。想要懂得这一点,还要去麻烦我们的朋友,她丝毫没意识到起居室正在深度空间加速。她想玩一个激光标定游戏。她打开激光器,一束光穿过房间,但地板根本不在乎她在干什么,正和往常一样地往上冲,愈来愈接近光束。我们的朋友很吃惊:光束竟然弯向了地板!
我们笑了,哈哈,她又被骗了!光并没有往下落,只是地板在往上冲!但根据等价原理,在深度空间加速的起居室中的物理和引力场中的物理是一样的。我们可以作结论: 引力使光弯曲,而这是正确的。

这样,等价原理一举解决了长期的争论。观测已经证明了结论是正确的:星光在从太阳附近经过时确实弯了一点点。

反引力
能有反引力吗?我曾看过一个解密的政府文件,研究敌对国家制造反引力飞机的可能性(真是令人同情,文件中列出了一些苏联集团研究引力的物理学家的名字。我知道他们中许多人是纯粹的理论家,叫他们解释一下普通飞机的工作原理都会很费劲)。
科幻小说作家喜欢诸如反引力这样的概念。但如果你相信等价原理,反引力就是不可能的。
论据仍是极为简单的。扔下一把物体,它们中能有往上掉的吗?不能。根据等价原理,你处在深度空间中加速的火箭里。这里仍然沿用老说法: 尽管你信誓旦旦,说它们正往下落。但对于飘在外面的观测者,是地板冲向上面去迎你扔下的物体。显然,如果等价原理是正确的,在引力场中不会有一个往上落的物体。

时间弯曲
从等价原理可以得到一系列令人吃惊的,做梦都想不到的效应。大概没有比空间和时间弯曲更能引起公众想像的了。但是爱因斯坦的快乐思想,看起来那么简单但又极为深刻,几乎立刻能引申到空间和时间的弯曲。
设想在引力场中不同位置的两个观测者,一个在地面,一个在塔顶。地面的观测者每秒向塔顶的观测者发一个光脉冲信号,塔顶的观测者测量两个信号到来的时间间隔——他们在比较时间流逝的快慢。
想像把整个的安排——包括地面及坐在那里的观测者,塔和高居其顶端的观测者——移到深度空间的加速飞船上。根据爱因斯坦的等价原理,这和在地球引力场中的情况是绝对没有区别的。现在就能容易地定性判断会发生什么了。在一个光脉冲趋近塔顶时,一直在加速的观测者却愈来愈快地远离,因此光脉冲需要多一点的时间到达塔顶的观测者。时间像是对两个观测者流动的速率不同。等价原理告诉我们,虽然地面和塔顶的观测者都坐着不动,他们也看到时间的不同流逝。
亲爱的读者,这就是时间弯曲的所有内容。虽然使人惊讶,但却不像某些科幻作家所希望的那样神奇。

空间弯曲
要了解为什么引力使空间弯曲,先想一下我们如何才能判断我们所处的三维空间是否弯曲。因为弯曲的三维空间很难想像,让我们设想一个在二维弯曲空间——也就是曲面中生活的二维小生物,他是如何判断他的空间是否弯曲的。
当我们想像一个曲面时,它是嵌入在或者说是包容在日常经验的三维空间中。作为三维空间的人,我们去看二维表面,很容易判断它是否弯曲。但二维生物不能脱离自己的世界到三维空间中来看他的世界,正如我们不能跳出我们的宇宙来看一看我们的三维空间一样。二维生物该怎么办呢?
答案就在我小时候感到困惑的一个古老谜语里。一个猎人往南走了一英里,转向东走了一英里,最后,他转向北方。走了一英里后,他回到原地,遇到了一只熊,将它射杀。这熊是什么颜色的?
谜语中提供的信息表明地球表面一定是弯曲的。对数学家而言,这个信息就是猎人足迹形成的三角形的三个角之和是90°+90°+90°=270°,它大于180°(见图2.2)。与此对照的是,在平面上画的三角形,其三个角之和是180°。这样,二维生物只需在他的空间中画一个三角形,量它三个角,看看加起来是否是180°就行。

内容简介
本书是作者在《可畏的对称》成为畅销书之后的又一部科普著作。他从引力开始,从牛顿讲到爱因斯坦,从“老人的玩具”引入作为广义相对论基础的等价原理以及时空弯曲;再由引力进入膨胀的宇宙、物质的产生以及暗物质的存在;然后再次回到引力,讲述引力和量子理论结合的问题,涉及超弦以及膜理论;最后归结到自然的可认识问题。引力是学生学物理时最先接触的内容。宇宙演化是各方人士关注的问题,它和引力间的关系至为密切,两个方面的物理问题交织在一起。引力的秘密和宇宙的演化仍存在一些深刻的悬念。本书用通俗语言给读者解释内容,并力图深入讲解,使人们了解为什么物理认识是如此发展过来的。作者致力于告诉读者,科学家特别是大师们是怎样思考的,因此本书特别具有启发性。

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