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宇宙的顫抖:談愛因斯坦的相對論和引力波(二版)

宇宙的顫抖:談愛因斯坦的相對論和引力波(二版)

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9789863503323
李傑信
國立臺灣大學出版中心
2019年1月30日
160.00  元
HK$ 160
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ISBN:9789863503323
  • 叢書系列:知識漫遊系列
  • 規格:平裝 / 224頁 / 15.5 x 23 x 1.4 cm / 普通級 / 全彩印刷 / 二版
  • 出版地:台灣
    知識漫遊系列


  • 自然科普 > 物理/化學 > 物理/化學理論











    諾貝爾物理學獎殊榮,始於百年前的天才假設!

    一本讓所有人都能讀懂相對論的科普書……



      愛因斯坦的相對論,美麗精深,乃人類智慧晶瑩閃爍的神來之筆。但對非專家的芸芸眾生而言,愛氏的相對論高深莫測,不知該如何學習,才能懂得它奇妙的些許內涵。



      本書以牛頓萬有引力理論為切入點,使用易懂的科普語言,講述人類在兩百年內跨越的幾個巨大的智慧鴻溝:光以有限的速度傳播、光的傳播不需要介質,和電磁波理論的建立。愛氏接手後,用每個人都能懂的思維實驗,首次顛覆了牛頓絕對時間的頑固概念—哦,原來時間可因速度的快慢和引力場的強弱而膨脹或收縮!愛氏再接再厲,把牛頓的引力場,化為他獨特的四維時空局部的幾何曲率。



      作者在本書中,以大眾能看懂的科普文字和細膩的輕柔描述,讓讀者能品嘗、欣賞愛氏相對論深奧數學中的物理內涵,進而幫助讀者建立愛氏相對論的完整概念;像吃一服大補帖,得到獲取知識的無比滿足。



      愛氏百年前就預測引力波的存在。引力波來自宇宙最神祕深沉的部位,能和二十一世紀人類才發現的加速膨脹的黑暗宇宙親密互動。人類經歷五十餘年艱苦的科技奮鬥,終能在2015年,直接偵測到十三億年前由一個雙黑洞碰撞而產生跨越宇宙的引力波。本書詳盡報導了這次人類巨大的成就和收穫,這成就更獲2017年諾貝爾物理獎。



    名家推薦



      丘成桐(哈佛大學教授、中央研究院院士)

      孫維新(國立自然科學博物館館長、臺大物理系及天文所教授)

      劉大任(作家)

      蔡武陽(前噴射推進實驗室資深人造衛星主任工程師)

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    推薦序�丘成桐

    推薦序──百年一遇、歷久彌新的宇宙思維�孫維新

    推薦序�劉大任

    推薦序�蔡武陽

    自 序



    導 讀

    第1章 牛頓的蘋果

    第2章 御光者──十年一惑

    第3章 問題解決了

    第4章 時光機

    第5章 最幸運的思維

    第6章 等效原理

    第7章 黎曼流形

    第8章 蘇黎世筆記本

    第9章 摘要論文

    第10章 絕對微分

    第11章 開紅海

    第12章 引力波

    第13章 宇宙的顫抖

    第14章 後記



    附錄1 參考資料

    附錄2 解讀愛因斯坦場方程

    附錄3 愛因斯坦和他的巨人們

    中文索引

    英文索引



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    自序



      愛因斯坦的相對論可能是人類有史以來最美麗而又極深奧的物理理論。但是作為一般讀者,很難讀到較為深入淺出,又能全面介紹愛因斯坦相對論的科普書籍。



      坊間介紹愛因斯坦相對論的科普書籍,內容不是太過簡單,就是太過深奧,兩極分化嚴重。內容簡單的書,和我看過的那十本(包括霍金的二本《時間簡史》)一樣,講的都是讀者早就知道的部分,讀者不懂的地方仍然沒有提及,還是讓人搞不清楚。內容深奧的,往往直接以愛因斯坦的場方程張量數學開場,第一行還能勉強看下去,但第二行中的專家術語迅速地給讀者當頭亂棒一陣,瞬間澆熄學習的熱情。



      即使以簡單易懂為目的之相對論科普書籍,也不易閱讀。主要困難在於介紹愛因斯坦的一些核心思維時,常以孤立的形式出現,未能與他的整體思維之發展進程結合,讓讀者的理解有先後順序,繼而找到每個時期的下錨點,循序漸進、抽絲剝繭,獲得知識融會貫通的喜悅和滿足。



      於是,我鼓勵自己著手寫一本介紹愛因斯坦相對論的科普書,內容介於淺深之間,走中間路線,使熱愛知識的讀者—也是我的知音們,和朋友閒聊時能全方位地使用專家術語侃侃而談。當然更重要的,我希望讀者們能和我一樣,從人類智慧結晶的愛因斯坦相對論中,感受斬獲知識的無比滿足。



      我的信念是:以高層次科普角度來全面理解愛因斯坦相對論,並不是「不可能的任務」。



      在我的想像中,一直把愛因斯坦彎曲的幾何四維時空,當成一種數學上的便宜,從沒認真地考慮過它也可能是真實的宇宙結構。從目前人類偵測到的引力波證明,愛因斯坦的四維時空真實存在的程度,幾乎就像金屬材料或是鑽石晶體,已經到了能用手觸摸得到的地步。



      回首一望,人類對宇宙的理解,從百年前的靜態,經過六十多年的膨脹,在二十一世紀初進入了加速膨脹的黑暗宇宙。而愛因斯坦的相對論,雖出世於靜態宇宙的年代,卻在一百年後的今天,人類發現,它竟然包容了被黑暗能量掌控的加速膨脹宇宙的內涵。愛因斯坦的相對論真神奇,經歷了一百年的嚴格驗證,依然波濤壯闊,歷久彌新。



      2015年9月14日,人類直接偵測到愛因斯坦一百年前就預測的引力波。引力波的幅度其實就是一絲絲微弱的宇宙顫抖,但它強悍到給了我極大的震撼,激起了寫出這本書的能量。(直接偵測到引力波的發現,獲2017年諾貝爾物理獎。)在此感謝德國烏爾姆(Ulm)大學希來奇教授(Professor Dr. Wolfgang Schleich)和埃夫雷莫夫博士(Dr. Maxim Efremov)的相對論理論諮詢。



    推薦序一



      傑信是內人在臺灣大學的同學,我們認識很久了。他任職美國航太總署多年,在太空科學深耕細種,以其獨到的見解獲獎無數,尤其值得敬佩的是,傑信有暇時從事科普寫作,對於喜愛科學的普羅大眾,有莫大的裨益。最近他寫了一本書,名叫《宇宙的顫抖》,由另外一位物理學家,也是內人的同學朱國瑞轉贈給我,我讀了以後,驚喜莫名,光從書本的名字就可以窺見作者的卓識。我研習廣義相對論已經四十多年了,初次看到物理學家用這麼客觀的態度和漂亮的文筆,深入淺出地介紹廣義相對論,不單止從物理學的觀點講述廣義相對論的起源和它的物理意義,更難得的是作者也中肯地指出數學家在廣義相對論上的重要貢獻。



      愛因斯坦一九一五年的偉大工作,曾得到不少幾何學家的幫助,這是我多年來深深的體會。除了書中提到的Grossmann和Hilbert外,還要溯源到十九世紀大數學家黎曼對於空間概念的劃時代貢獻。在黎曼以前,空間只有三種:歐氏空間、球空間和雙曲空間,都可以用一個坐標系統來描述。黎曼卻在一八五四年的著名論文中徹底地改變了空間的觀念,他的空間和上述三種空間完全不同,它可以孤立地存在,在小範圍內,它和歐氏空間類似。我們可以用各種不同的坐標系統去描述黎曼空間的特性,但空間裡有意義的性質必須和坐標選取無關。這個看法很重要,因為這就是廣義相對論中重要的等價原理。黎曼在他引進的抽象空間中定義了曲率,廣義相對論中的重力場就是由曲率來量度的,而物質的分布則由曲率的一部分來表示。物質的分布隨時間的推移變化,曲率也隨之,這些變化使時空「顫抖」,愛因斯坦從此得出結論:引力波雖然微小,卻會出現。在愛因斯坦的方程描繪下,引力場和時空的幾何不可分割,儼然一物。



      值得注意的是,黎曼當時已經指出,他的空間是用來瞭解物理現象的。他甚至提出空間中極小的和極大的部分應該用不一樣的方法來描述。從近代物理的觀點來看,黎曼在找尋量子空間的可能結構!黎曼曾經考慮過離散空間對解釋這個問題會不會有幫助。黎曼從二十五歲開始著作,三十九歲時得了肺病去世。去世前三年,他每年要到義大利去避寒,因而影響了一批義大利和瑞士的幾何學家,其中出色的有Christoffel,Ricci及Levi-Civita等。他們推廣了黎曼的想法,嚴格定義了張量和連絡,兩者都是廣義相對論和規範場不可或缺的。Ricci引進了Ricci曲率張量,並且證明從這個張量可以產生一個滿足守恆定律的張量。這些工作都由幾何學家在十九世紀中葉到後葉完成的,恰好給廣義相對論提供了最主要的工具。



      愛因斯坦在一九三四年寫了一篇文章〈Notes on the origin of the general theory of relativity〉(見Mein Weltbild, Amsterdam: Querido Verlag),在這篇文章裡,他回顧了發展廣義相對論的心路歷程。第一階段當然是狹義相對論,這個理論的主要建構者除了愛因斯坦本人外,還有Lorentz和Poincare。一個極為重要的結果是距離受到時間的影響。但是愛因斯坦已經瞭解到狹義相對論和牛頓引力理論的action at a distance是不相容的,所以必須要矯正!剛開始物理學家沒想到空間的概念經過黎曼的突破後已經有了根本性的改變,他們還在三維空間的架構上,企圖修正牛頓的引力理論來符合剛發現的狹義相對論。這個想法讓愛因斯坦誤入歧途三年之久!愛因斯坦在蘇黎世讀書時,他的數學教授是和Hilbert、Poincare齊名的Minkowski。他說,我班上有個懶惰的學生最近做了一個重要的工作,讓我用幾何的觀點去解釋它。在一九零八年的論文中,Minkowski構造了一個四維空間,參照黎曼的方式引進了一個度量張量,完美無缺地解釋了狹義相對論。狹義相對論中對稱群很自然地成為Minkowski空間的對稱群。



      這篇文章讓人類第一次曉得我們生活在四維時空中。愛因斯坦一九零八年得到他一生最重要的啟示,他看到Minkowski論文的重要性。一般認為愛氏在這年最重要的思想是他的thought experiment。這個當然重要,但是我認為這是愛氏在企圖消化Minkowski理論的一個心路過程!為什麼Minkowski的文章這麼重要?從三維空間到四維空間,不單是概念上的一大躍進,有了四維空間,新的引力場才有足夠的空間來展現它的動態現象。牛頓的引力理論是靜態的,只要一個函數就足夠描述引力現象。Minkowski卻指出了一個新的觀點,即我們需要用一個張量才能完滿地描述引力場。Minkowski的張量完美地描述了狹義相對論,但愛氏要進一步將牛頓力學和Minkowski空間結合,所以他想像中的時空在極度小的範圍內必須和Minkowski的張量相當。當時物理學家對張量的觀念一無所知(事實上也只有一小部分的幾何學家懂得張量分析)。愛因斯坦從等價原則中隱約地知道他需要類似張量的工具,但是並不清楚。於是他向同學Marcel Grossmann求救,終於搞清楚引力場應該由尺度張量來描述。這個張量在時空中不斷變化,但是在每一點上,它可以由Minkowski尺度作一階逼近。Grossmann是學幾何的,他念大學時曾經幫忙愛因斯坦做數學習題。但是單引入尺度張量這個觀念還是不夠描述引力場,我們需要知道如何在非平坦的空間裡進行微分,同時要求微分的結果和坐標選取無關(等價原則的要求)。這就是Christoffel和Levi Civita的連絡理論。愛因斯坦在他上述的廣義相對論的回憶錄中說這是他的第一個問題,發現早已被Levi Civita和Ricci解決了。愛氏第二個問題是在這個框架上,如何推廣牛頓的引力方程。牛頓的方程很簡單,即引力勢的兩次導數等於物質密度。當時愛氏和Grossmann都不知道如何對尺度張量微分,使得出來的結果和坐標選取無關,即是說,它必須要是某種張量。在愛氏的苦苦要求下,Grossmann勉為其難,終於在圖書館裡找到Ricci有關張量的文章,原來Ricci早已將黎曼的曲率張量收縮成為一個對稱的二階張量,它和尺度張量有相同的自由度,可以看作是尺度張量的二次微分。愛氏知道後大喜若狂,將它看作方程的左手部分,右手部分則是一般物質分布的張量(在平坦空間上,這個張量早已發展成熟)。於是乎愛因斯坦和Grossmann一九一二年和一三年發表了兩篇文章,提出了這個方程式。



      好事多磨,當愛氏嘗試用漸近方法來解這個方程時,卻得不到他企圖解釋的天文現象,這使他很沮喪。在往後的一段日子中,為了解釋天文現象,他嘗試選擇特殊坐標,實質上放棄寶貴而簡潔的等價原則。他和Levi Civita多次通信,都無補於事。直到一九一五年春,他到Gottingen訪問偉大的數學家David Hilbert,情況才有了新的進展。Hilbert當然深懂幾何學,但是最重要的是他是現代幾何不變數理論的創始人。圍繞著他的都是一代大師,除了Felix Klein擅長於用對稱群來分類幾何學外,Hilbert的學生Hermann Weyl是規範場理論的奠基人,還有歷史上最偉大的女數學家Emmy Noether,當時也在Gottingen,正在發展以後以她命名的Noether current理論。愛氏的訪問可謂適逢其會!Hilbert在同年十月就發現了Hilbert action,從這個action很快便能推導出正確的引力方程。愛氏在得知這個消息和收到Hilbert的明信片後,也很快地得到他的方程,並且基於這個方程,推算出他一直想解決的天文問題。開始時,愛氏對Hilbert的捷足先登很不高興,但是Hilbert很快地宣布這個工作應該完全屬於愛氏,愛因斯坦才轉憂為喜。這是劃時代的工作,後世的物理學家和數學家都應該向愛因斯坦致以最崇高的敬意。但是希望大家不要忘記一批幾何學家背後的功勞!我講的大部分都在上述的愛因斯坦文章提到,可惜的是他沒有提到Hilbert的貢獻。



      值得注意的是,愛氏和Grossmann一九一二年寫下的方程,在沒有物質分布的時候,其實是正確的。他們大可以用這個方程推導出Schwarzchild的著名的方程解,這個解已經足夠愛氏做他要的天文計算了。從這裡可以見到Grossmann對廣義相對論的貢獻是極為重要的,可惜他的名字沒有得到應有的注意,我覺得這是不公平的。但是有一點也要怪Grossmann自己不用心,他沒有仔細參考文獻。其實Ricci早已發現愛氏方程的左手部分,並且知道只有這樣的組合才滿足守恆定律。守恆定律是物理上極為重要的定律,畢竟方程的右手部分已經知道滿足守恆定律,所以左手部分也必須滿足它。從這個角度看,這個方程應該在一九一二年前就可以被發現。之所以沒被發現,是因為愛氏沒有深入去瞭解一九一二年的方程左手並不完美,而堅持解釋物理現象比瞭解幾何的內在美更為重要。



      完成廣義相對論後,愛氏改變了他的觀點,現在他認為物理學最基本的部分應該由數學和thought experiment來指引。他在文章結尾時說,找到廣義相對論的方程後,一切都來得這麼自然,而又這麼簡單,對一個有能力的學者來說,是輕而易舉的事。但是在找到真相前,他費盡心思,經過長年累月的努力,飽受日夜的煎熬,其中艱辛實不足為外人道。愛因斯坦這項工作可說是人類有史以來最偉大的科學工作,這段經歷由傑信這本書娓娓道來,對於一般有志於科學的朋友來說,定會啟發良多,我很樂意的推薦給大家。


    丘成桐(哈佛大學教授、中央研究院院士)




    其 他 著 作
    1. 宇宙的顫抖:談愛因斯坦的相對論和引力波
    2. 宇宙起源 On the Origin of the Universe
    3. 天外天:人類和黑暗宇宙的故事