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

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史上最好懂、最精彩的相对论！
完全不同于一般传统的科普书，更像一本闲暇时可翻阅的小说。
浅显的语言、身边的事例、思维的实验，这是一本人人都能读懂的相对论。

这本书保证有趣。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里，来到星光实验的现场……零距离接触科学的知识与思维。

从小到大，你可能一直会有这样的疑问：

光到底是什么东西？
光速不变，代表什么意思？
宇宙到底长什么样子？有大小吗？有生死吗？
我们能不能穿越时空，任意到达未来或回到过去？
时间到底是什么东西？
时间会停止吗？时间停止了宇宙还存在吗？
这世界上的物质到底是由什么构成的？

读了这本书，你将会找到答案。

本书上半部（前五章）先回顾一下物理学所走过的曲折历史，这段历史的精彩程度不亚于任何一段战争史。在伽利略、牛顿等巨星纷纷谢幕之后，超级巨星爱因斯坦闪亮登场。他就像一位横空出世的大侠，无门无派，一出手即震惊天下，他的绝招就是「相对论」。

中间的第六章是一段横跨半个世纪的真实历史故事，这故事尘封已久，现在很多年轻人都不敢相信那是事实，但真相往往比小说更惊人。

最后四章是本书的下半部，比上半部更精彩，结构更宏大，故事更神奇。作者将细致剖析时空的真相，带你领略神奇的四维时空奇景，了解整个宇宙的终极图像，再回到原子的深处，见识不可思议的微观世界，最后看一看当今物理学的最新发展——万物理论。

本书最初于2011年在中国出版，就蔚为风潮，备受读者喜爱，更被推崇为与曹天元《上帝掷骰子吗？量子物理史话》齐名的科普杰作。

对于想了解相对论、物理、宇宙、或是电影《星际效应》背后原理的读者，将会发现这本书是如此的清晰易懂，而且会先釐清一般人会想问的最基础问题，把问题描述清楚了，才进入科学家的研究成果等等，这样一来，让物理变得更亲切、有趣，进而产生好奇，是这本书的最大特色。

作者简介

汪洁
科普作家，上海理工大学毕业。曾任上海天文博物馆首席志愿者讲解员，「果壳网」果壳达人，「万有青年烩」人气讲者，中科院上海天文台「天之文系列科普讲坛」讲者。

人生最大的愿望是，在老得快要死掉的时候，会有几个陌生人对我说：「我年轻的时候看过您写的科普书。虽然名字和内容现在都想不起来了，但当年看完以后我就毅然投身于自然科学，以至于今天有一点小小的成就，非常感谢您，祝您老一路走好。」

    新浪微博：@科普斯坦汪洁
喜马拉雅人气电台：科学有故事

前言

第一章 不得不说的废话
关于相对论的谣言粉碎机
你必须了解的四个概念

第二章 伽利略和牛顿的世界
相对性原理
伽利略变换
史上最强炼金术士牛顿
牛顿的绝对运动观
牛顿水桶实验中的绝对时空观

第三章 光的速度
伽利略吹响冲锋号
光速测量大赛
惊人的发现
科学史上最成功的失败

第四章 爱因斯坦和狭义相对论
两朵乌云
巨星登场
第一个原理：光速不变
第二个原理：物理规律不变
环球快车谋杀案
同时性的相对性
时间会膨胀
空间会收缩
速度合成
质速神剑
光速极限
质能奇蹟
四个疯狂的问题

第五章 广义相对论的宇宙
爱因斯坦的不满
生死重量
等效原理
太空大圆盘
时空弯曲
重力的本质
水星轨道之谜
星光实验
没见过这么黑的洞
从黑洞到虫洞
压轴大戏

第六章 红色革命

第七章 时空那点事
时空中的运动
四维时空
时间旅行
星际旅行
星际贸易

第八章 再谈四维时空
宇宙的终极图景
神奇的四维

第九章 上帝的判决
上帝玩不玩骰子？
美剧《宅男行不行》
要命的双缝
波耳的上帝
EPR实验
宇宙大法官
上帝的判决
万物理论

第十章 宇宙是一首交响乐
万物皆空唯有音乐
击碎原子
宇宙中的四种「力」
超弦理论
伟大的设计

后记
给读者的话
索引

专业推荐
林秀豪 清华大学物理系特聘教授
蒋正伟 台湾大学物理系教授
孙维新 国立自然科学博物馆馆长、台湾大学物理系及天文所教授

作者用生动的语言，营造趣味盎然的场景，为读者介绍时间、空间、相对论背后的科学。特别是作者虚拟的对话，以浅显迷人的方式，切入一个又一个的精彩话题：引人入胜，又不失科学的严谨性。在喧嚣繁杂的日常生活里，你可曾想过时间是什么？如果是，那这是一本你不可错过的好书。
——林秀豪 清华大学物理系特聘教授



前言

　　我希望这是一本很有趣的书。我认为这本书与传统科普书最大的差别在于，它更像是一本茶余饭后的休闲书，或是一本有点意思的小说。在这本书里，你会看到很多天马行空般的小故事。牛顿带着Tom和Jerry来到一个大水桶里面观看神奇的水面凹陷；爱因斯坦化身大警长先是调查了一起环球快车谋杀案，然后又要奔赴云霄电梯处理可怕的超级炸弹，最后又在太空中建造了一个超级大圆盘以展示他那神奇的时空观。虽然这一切看上去不像是正经八百的科普，但我可以很负责任地说，故事里包含的都是很确实的科学真相。很多科学真相用「不可思议」来形容是一点都不过分的，你平常之所以感受不到物理学的神奇，那是因为没有人告诉你很多看似普通的物理现象背后的故事。现在的高中生都会在实验室做一个观察光的双缝干涉图像的实验，这是一个普通得不能再普通的高中光学实验，可是却没有人告诉我们这个实验背后隐藏着的惊人大祕密，这个祕密足以撼动以爱因斯坦为代表的一代科学家们苦苦建立起来的物理学信仰。一个简单的光学实验，如果你了解了它藏在最深处的本质，你会惊讶地发现，这个世界不再是我们原来头脑中的那个世界了，我们脑袋中很多朴素的哲学观念，例如物质决定意识，原因决定结果等等都将受到空前勐烈的冲击。而且，我确确实实是在讲科学，不是在讲神学或者宣扬神祕主义。

　　我们这本书大致可分为上下两部分。前六章和大家一起回顾物理学走过的四百多年坎坷历史，这段历史中的悬念，其精彩程度不亚于任何一段战争史，因为物理学的发展本身就是一部精彩的好莱坞悬疑大片。在伽利略、牛顿等巨星纷纷谢幕之后，我们的超级巨星爱因斯坦闪亮登场，而他成为我们的主角的时候才只有26岁。他就像是一个横空出世的大侠，无门无派，但是一出手就让天下震惊，他的绝招就是「相对论」。在第六章，我将讲述一段跨越半个多世纪的厚重和真实的历史故事，这个故事尘封已久，但我想告诉大家，真相往往比小说更曲折。后四章是本书的下半部分，故事更神奇，真相更惊人，我将帮你细致地剖析时空的真相，带你领略神奇的四维时空奇景。我们先一起去了解整个宇宙时间光锥的终极图景，然后再回到原子的深处见识一下不可思议的微观世界，最后看一看当今物理学的最新进展──万物理论。你只要随便记住其中的一两段，就能让你在平时和朋友们吃饭聊天时大放异彩，只是要当心别聊得兴起忘了吃菜，不要发生总是发生在笔者身上的悲剧：话讲完了，菜也被别人吃光了。

　　看完这本书，也许你对这个世界的看法会大大改观。潮起潮落，物换星移，这些平常司空见惯的大自然现象突然在你眼里会产生完全不一样的意义。当你晚上抬头仰望星空，看着夜空中的皓月星辰，宇宙在你眼里将会换了一番景象，过去的宇宙观一去不复返了，一个崭新的宇宙观将在你的头脑中建立起来。

　　自小到大，你可能一直会有这样的疑问：

　　时间到底是什么东西？
　　我们能跨越未来吗？
　　我们能回到过去吗？
　　光到底是什么东西？
　　宇宙到底长什么样子？有大小吗？有生死吗？
　　我们能像星际迷航一样穿梭在银河系吗？
　　这个世界的物质到底是由什么构成的？
　　物质可以无限分割吗？……

　　这些令人不可思议的问题，科学家到底是如何找到答案的？

　　看完这本书，或许你将对以上这些问题不再感到疑惑，说不定，你还可以很自信地为你的亲朋好友解答他们心中同样的疑惑。

　　所有这一切，都要从爱因斯坦发现的相对论开始讲起。这的的确确是一个伟大的理论，这是上个世纪人类对这个宇宙祕密最深刻的一次发现。你可能还是会茫然地看着我：「我听说过相对论，可是它跟我们的日常生活有关系吗？」

　　当然是有关系的。比如，GPS导航系统现在已经是一个常用小电器了，我估计很多读者都有一个车载的，或者手机里面就有一个。知道吗，如果没有相对论，那么这玩意儿可就会出大问题。因为根据相对论，卫星上面的时钟会比地面上的时钟走得快，每天大约快38微秒（0.000038秒）。这个时钟的快慢并不是因为计时器精度不够造成的，而是因为卫星上的时间真的变快了。你设想一下，如果人类没有掌握相对论的知识，那么就不会知道发射到天上的卫星哪怕用再精确的计时工具计时，也不可能消除这个误差。你千万不要小看这微不足道的38微秒，如果不校正的话，那么GPS导航系统每天积累的误差将超过10公里（当然这个误差是垂直方向上的，不是水平方向上的），如果美军用这个来导航飞弹的话，那麻烦可就大了。因此在GPS卫星发射前，要先将其时钟的走动频率调慢100亿分之4.465，把10.23兆赫调为10.22999999543兆赫，这些数字全靠相对论才能精确地算出来。

　　「神奇！」你大概会惊唿一声，「相对论原来就是这个啊。」哦不，这并不代表相对论，卫星上的时间变快只不过是相对论无数推论中的一个，我们透过相对论可以精确地计算出卫星上的时钟和地面上的时钟的误差到底是多少。相对论还有很多很多的推论，小到推测水星的运行轨道、在发生日全蚀时星星的位置，大到可以推演太阳的过去与未来、甚至宇宙的过去与未来。「神奇！」你再次惊唿一声，「不过你越说越玄了，我还是有点不信，你先别说得那么远，你前面说什么来着？时间本身变慢了？这个太令人难以理解了。在我眼里时间本身是均匀流逝的，我们感受的所谓快慢无非是我们自己的感觉在变化，即便是你的表和我的表不准那也不是时间本身不准，而是我们的手表精度不够造成的。中午12点整开饭对任何人来说都是12点整开饭，这是一个客观事实摆在那里，不会因为我们用的是一支真的劳力士还是一支山寨劳力士而改变。」坦诚地说，我非常理解你的这种想法，而且我还要恭喜你，你的这个思想和伟大的牛顿是一模一样的。但非常遗憾，这个想法错了，真的错了。

　　相对论是研究时间、空间、运动这三者关系的理论体系的总称，它是这100多年来人类最伟大的两个理论之一（还有一个是量子理论，那又是一个长长的激动人心的故事，推荐阅读《上帝掷骰子吗？量子物理史话》，作者曹天元），诺贝尔物理学奖是不足以来评价相对论的伟大的。如果上帝真的存在的话，上帝过去总是说：「人类一思考，上帝就发笑。」相对论之后，上帝改口了：「人类一思考，上帝就发慌。」

　　我们对相对论的误解实在是太多了。大多数人都觉得相对论很神祕、很深奥，是大科学家才能理解的东西。这种误解来自于一个广为流传的关于相对论有多难懂的故事，说的是一位记者问天文学家爱丁顿（Arthur Eddington）：「听说全世界总共只有三个人能懂爱因斯坦的相对论，您是其中之一，是不是这样？」爱丁顿一时沉默了，正当记者以为爱丁顿要反驳的时候，没想到爱丁顿说：「我正在想第三个人是谁。」我估计当时这个记者就震惊了。不管这故事是真是假，总之给我们的一个印象就是相对论很难懂。但是大家千万不要忘了，这个故事发生在100多年前的1906年，那时候相对论刚刚被爱因斯坦用严谨的数学语言描述出来，对那个时代的人来说确实是很难理解的。不要说相对论了，你想像一下如果你回到干隆年间，对大知识分子纪晓岚说随便找一个三角形的东西，把三只角割下来拼在一起，不多不少，总是恰好能拼出直直的一条边。

　　铁齿铜牙的纪晓岚一开始肯定不相信，真的去找了一些三角形的物件来，一验证，发现完全正确，即便是大知识分子纪晓岚也会表示很神奇。但要是在现代，随便找一个国中生就能证明三角形的内角和是180度，他会告诉你这是一个很简单的几何常识。

　　同样，相对论的一些基本原理和概念对我们现代人来说，也一点都不高深，不神祕，很好懂，关键在于你是不是愿意听我娓娓道来。

　　我保证，只要有高中学历，都可以大致看懂这本书，并且了解到爱因斯坦的相对论为何足以让上帝对渺小的人类产生敬畏。作为人类的一份子，我以此感到深深的自豪！

2 伽利略和牛顿的世界

相对性原理

我们的故事要从四百多年前开始讲起。你可能会嘀咕，相对论不是一百年前的爱因斯坦发明的吗，怎么一下子要多倒回去三百多年？知足吧，我已经比美剧《宅男行不行》（The Big Bang Theory，又称为「生活大爆炸」）中的谢耳朵（Sheldon）好多了，他一讲起物理，总是从古希腊开始说起。是的，为了让你能充分领略人类在通往相对论这条路上所经历的蜿蜒曲折、峰回路转，我们必须回到这条路的起点。

现在请跟我一起回到16世纪末的义大利比萨，此时正值文艺复兴的后期，国富民强。文学、艺术、科学的春风从义大利席卷整个欧洲，空气中弥漫着新世纪即将到来的新鲜气息（相当于中国的明朝万历年间）。在比萨大学的一间大教室里，宫廷数学家奥斯提里欧．利奇（Ostilio Ricci, 1540-1603）正在讲台上开讲，台下坐无虚席。利奇是闻名全国的着名数学家，一向只在皇宫中讲课，他要来比萨大学的消息在几个月前就已经传遍了整所学校。医学系的一位名叫伽利略．伽利雷（Galileo Galilei）的学生起了个大早，终于抢到了最前排的好座位。

利奇开始讲解数学的新进展──代数学，并且用简洁流畅的手法向大家展示了什么是一元二次方程式，并且给出了ax2 + bx + c = 0通用解法的证明，进而开始讲解因式分解的概念以及现场演算了(a + b)n的分解过程。

利奇熟练的演算和生动的讲解博得了阵阵掌声，他注意到坐在第一排的一个年轻学生自始至终都聚精会神地听讲，脸上不时闪过兴奋和满足的表情。利奇一下子对这个学生产生了好感，讲课的空档利奇问道：「同学，你叫什么名字？」

「伽利略。」

「什么科系的？」

「我是医学系的。」

「啊，真是了不起！」利奇赞叹道，「学医学的也能对数学如此感兴趣，你一定会成为一名伟大的医生！」

伽利略的脸一下就红了：「其实，先生，我不喜欢医学，我更喜欢数学和物理。但是我的父亲希望我成为一名医生，我为此感到十分苦恼。」

利奇说：「别洩气，年轻人。你可以自学，大学很短暂而人生很长，追随自己的兴趣，你一定能成功的。不管什么时候，你都可以来找我，我愿意成为你的良师益友。」

伽利略受到极大的鼓舞，从此更是疯狂地喜欢数学和物理，并且经常向利奇请教问题。

我们应该感谢利奇对伽利略的帮助，这虽然使得世界上少了一名不错的医生，但是却催生了一位伟大的物理学家、天文学家和哲学家。

评分☆☆☆☆☆

**当物理学遇上历史的宏大叙事** 一直以来，我对科学史都充满了浓厚的兴趣，总觉得那些科学巨匠们的生活，他们的思考方式，比单纯的科学原理本身更加吸引人。而《时间的形状——相对论史话》这本书，光看书名，就让我嗅到了一股浓浓的历史味道。相对论，这三个字背后承载的，不仅仅是物理学上的革命，更是一场深刻的哲学和世界观的颠覆。我脑海中浮现的，是一群穿着旧式西装、留着别致胡须的科学家，在咖啡馆里激烈辩论，在简陋的办公室里苦苦演算的画面。这是否就是本书要展现的图景？我尤其好奇，作者会如何处理爱因斯坦的个人经历与相对论的诞生之间的关系。这位天才的背后，是否隐藏着不为人知的挣扎与坚持？这本书会不会像一位经验丰富的导游，带领我们穿梭于20世纪初的欧洲，感受那个时代科学思想的激荡与涌流？我期待它能让我看到，那些抽象的物理定律，是如何在具体的历史进程中，被一点点孕育、被一次次修正，最终才得以建立其宏伟的体系。我希望它能将科学理论的演进，与当时的社会背景、文化思潮巧妙地结合起来，让我们可以从更广阔的视角去理解相对论的意义，而不仅仅是将其视为一个孤立的科学成就。

评分☆☆☆☆☆

**从日常感知到宇宙奥秘的奇幻旅程** 我对《时间的形状——相对论史话》这本书的期待，更多是源于它那引人遐想的书名。通常，谈到“相对论”，我脑海里会立刻浮现出那些艰深的物理公式和抽象的概念，似乎离我们的日常生活很远。但“时间的形状”这个词，却瞬间拉近了它与我们的距离，仿佛在说，时间并非我们想象的那么单一，它是有形态的，是可以被描绘和理解的。我好奇这本书会如何用一种平易近人的方式，去揭示相对论背后的奥秘。它是否会从一些我们熟悉的物理现象入手，比如光速不变，或者物体在高速运动时的变化，来循序渐进地引导读者理解相对论的精髓？我希望这本书能够带我进行一场从日常感知到宇宙奥秘的奇幻旅程。我期待它能够帮助我摆脱对时间“线性流逝”的刻板印象，去认识到时间与空间之间那复杂而奇妙的联系。这本书，或许能成为一把钥匙，打开我通往更深邃的宇宙理解之门。

评分☆☆☆☆☆

**时空的幽灵与哲思的火花** 说实话，我拿到《时间的形状——相对论史话》这本书的时候，心情是既期待又有点小忐忑。毕竟，相对论这个概念，对我们普通人来说，总觉得有点遥不可及，像是藏在深奥公式里的秘密。但这本书的标题却很巧妙，"时间的形状"——它暗示着时间并非一个恒定不变的客观存在，而是可以被描绘、被理解的。这让我立刻联想到很多科幻电影里穿越时空的桥段，或是那些关于宇宙起源的宏大想象。我很好奇，这本书究竟是如何将爱因斯坦那些颠覆性的理论，一点点剥开，呈现在我们面前的。我猜想，它大概不会是一本枯燥的学术论文集，而更像是一场穿越时空的历史探索之旅。想想看，从牛顿力学那坚实的基石，到相对论横空出世，那种思维上的巨大跃迁，该是多么令人振奋！而且，我一直觉得，科学的发展不仅仅是公式和定理的堆砌，更是人类智慧、好奇心以及不懈追求真理的精神体现。这本书，或许能让我们窥见那些伟大的科学家们，在思维碰撞、灵感迸发时的那些动人瞬间。我期待着，它能用一种充满人文关怀的笔触，讲述科学的诞生，而不是仅仅罗列事实。我希望它能触动我内心深处对宇宙的好奇，让我在阅读的过程中，不只是在“知道”相对论，而是在“感受”相对论。

评分☆☆☆☆☆

**物理学的诗篇，哲学的回响** 《时间的形状——相对论史话》这个书名，瞬间就抓住了我的注意力。它不仅仅是一本关于科学的书，更像是一首关于时间本身的诗歌。我总觉得，物理学，尤其是像相对论这样深刻的理论，往往不仅仅是数字和公式，它背后蕴含着的是对宇宙最本源的探索，是对我们存在方式的深刻反思。我期待这本书，能带我走进爱因斯坦那个充满奇思妙想的世界，去理解他如何打破牛顿体系的藩篱，如何以一种全新的视角审视时间和空间。我希望这本书不仅仅是讲解相对论的原理，更重要的是，它能够展现出相对论对我们认知世界产生的巨大影响。它是否会探讨相对论如何改变了我们对宇宙的理解？它是否会触及相对论所引发的哲学争论？我渴望看到，物理学与哲学在这本书中交织，碰撞出思想的火花。我希望它能让我体会到，科学的魅力不仅仅在于它的精确性，更在于它能够拓展我们思维的边界，激发我们对未知世界的无限遐想。

评分☆☆☆☆☆

**穿越时空，看见不可见的答案** 拿到《时间的形状——相对论史话》这本书，我第一个闪过的念头是：“这会不会是一本很‘硬’的书？”毕竟，“相对论”这个词，总带着一股难以接近的气息。但“时间的形状”这个副标题，又充满了诗意和想象力，仿佛在暗示着，时间并非我们日常感知的那样简单。我猜想，这本书大概不会止步于枯燥的公式推导，而是会用一种更具象、更生动的方式，去解释相对论的核心思想。比如，它是否会通过一些形象的比喻，或者历史上一些有趣的实验故事，来帮助我们理解“时间膨胀”、“空间弯曲”这些匪夷所思的概念？我特别期待，这本书能够展现出科学发现的“过程”，而不是仅仅呈现“结果”。我希望看到，科学家们是如何一步步地走向真理的，他们是如何克服困难，是如何从看似不协调的现象中，捕捉到深刻的规律。这就像是在观看一部引人入胜的纪录片，让你亲临现场，感受科学探索的艰辛与辉煌。我希望这本书能够让我对“时间”这个概念产生全新的认知，不再只是被动地感知它的流逝，而是能以一种更积极、更主动的态度去思考它。