相對的宇宙,愛因斯坦的困惑:黑洞謎團、弔詭悖論、學者舌戰……淺談相對論與20世紀物理學

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張天蓉
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具体描述

一本所有人都能輕鬆閱讀的相對論科普作品
一窺愛因斯坦與20世紀物理學界的精采大戲
 
  ◎當牛頓不再可靠:相對論與量子力學 
  19世紀末,牛頓力學和馬克士威電磁理論成果斐然。不過,科學畢竟是無止境的,晴朗的古典物理天空中慢慢地積累了兩片烏雲。而愛因斯坦生得「逢時」,他抓住了這兩片烏雲。他稍稍撥弄了一下第一片烏雲,一篇光電效應的文章,引出了量子的概念。後來,在許許多多物理學家的共同努力下,創立了量子理論。而第二片小烏雲,則引發了愛因斯坦的相對論革命。
  
  量子論和相對論,分別適合描述遠離人們日常生活經驗的微觀世界和宏觀世界。兩個新理論的誕生需要人們轉變觀念,因為這兩個理論導致了許多與人們生活經驗不符的奇怪現象,諸如量子力學中的「薛丁格的貓」、本書中將要介紹的「孿生子悖論」等。
  
  有位詩人為牛頓寫下幾句令人感動的墓誌銘:
  
  「上帝說,讓牛頓降生吧。於是世界一片光明。(God said, Let Newton be! and all was light.)」
  
  另一位詩人則在後面加上了兩句玩笑話:
  
  「魔鬼撒旦說,讓愛因斯坦出世吧。於是,大地又重新籠罩在黑暗之中(But Satan brought Einstein to the fore. Now all is dark, just as before.)。」
 
  ◎愛因斯坦的鎖:廣義相對論的數學功臣黎曼幾何
  愛因斯坦曾經在一次演講中談到數學和物理的關係時作了一個比喻。大意是說,如果沒有幾何只有物理,就好像文學中沒有語言只有思想一樣。的確如此,愛因斯坦對時間、空間非同尋常的見解,對重力、加速度等效而使得時空彎曲的幾何思想,令他感到無比快樂而著迷。因此,他當時感到急需找到一種合適的語言來描述他的物理概念,說出他深奧的思想!這是一種什麼樣的語言呢?在建立廣義相對論的過程中,愛因斯坦迷惘而困惑了好幾年,直到1912年的一天,他突然想到,解開祕密的鑰匙似乎就是高斯的曲面論。於是,他立刻請教好友格羅斯曼。完全出於他的意料之外,格羅斯曼告訴他,比高斯的曲面論更進了一步,半個世紀之前的黎曼,已經幫他的重力理論想出了一個完美的數學結構:黎曼幾何。
  
  數學,特別是黎曼幾何,無疑對愛因斯坦創立廣義相對論有至關重要的作用。儘管愛因斯坦曾經被數學老師稱為懶狗,大眾中還傳說他數學曾經不及格之類的謠言,但那都不是一個真實的愛因斯坦。其實,愛因斯坦並不缺少數學天賦。按他自己的說法,16歲之前就已學會歐氏幾何和微積分。只不過,年輕時代的愛因斯坦出於對物理的執著和熱愛,只把數學看成為表述他的物理思想的語言和工具。
 
  ◎霍金的賭注:圍繞數名物理學大師的黑洞戰爭
  你可能沒有聽說過,霍金因為對黑洞問題的理解,曾3次與物理學界的同行們打賭,但有趣的是,每次都以霍金輸掉賭局而告終。
  
  1997年,索恩、普雷斯基爾與霍金就以上所述的黑洞資訊丟失問題打賭。霍金認為黑洞蒸發後資訊消失了,而索恩和普雷斯基爾認為黑洞可以隱藏它內部的資訊,三人打賭的賭注是一本百科全書。
  
  黑洞資訊悖論,實際上也是因為廣義相對論與量子理論的衝突而產生的,霍金站在廣義相對論一邊,色斯金等人則站在量子論一邊。索恩和普雷斯基爾其實都算是重力方面的專家,不過,他們獨具慧眼,將賭注下到了色斯金一邊。
  
  色斯金和特霍夫特從計算黑洞熵中悟出了一個全象原理  (Holographic principle),從而解釋了資訊悖論。全象原理認為,資訊不會丟失,黑洞的邊界儲存了進到黑洞中的包括物質組成和相互作用的所有資訊。
  
  全象原理的成功,使得霍金本人也認輸:在2004年一次廣義相對論和重力國際會議上,霍金宣布,黑洞的演化是符合因果律的,並沒有丟失資訊,他承認輸掉了這場賭局。
 
本書特色
 
  -由專業物理學者執筆,文筆輕鬆有趣
  -減少使用專業術語和數學公式
  -眾多圖片解說,深入淺出介紹深奧物理理論
  -使用素材具有學術價值,涉及許多前線科學家正在思考的問題
  -捨棄解說枯燥公式,著眼於梳理科學家建立理論的思路 
好的,这是一份关于探讨哲学、历史与科学交叉领域的图书简介,该书深入剖析了人类知识体系的演变、科学革命背后的文化冲突,以及那些塑造了我们现代世界观的核心思想。 --- 书名:边界之外的思辨:从古希腊辩证到认知革命的深层逻辑 一本关于人类思想光谱的恢弘画卷 本书并非聚焦于单一学科的精深钻研,而是选择了一条更具挑战性的路径:追溯横跨数千年的人类核心思维模式的演变,探讨那些定义了我们对“真理”与“现实”理解的根本性范式。它是一部关于思想史的宏大叙事,旨在揭示在不同的历史节点,人类是如何构建、又如何颠覆其对世界的认知框架的。 第一部分:理性的原乡与碎裂的和谐(古代至中世纪的思辨基础) 我们将从古希腊的哲学源头开始,考察柏拉素的“理念世界”与亚里士多德的“经验分类”如何奠定了西方理性思维的两大基石。重点剖析苏格拉底式的诘问精神如何成为日后所有科学探索的内在驱动力。 随后的篇章将深入中世纪的经院哲学,探讨在神学框架下,人类理性如何试图调和信仰与逻辑之间的矛盾。我们不只是简单介绍托马斯·阿奎那的集大成之作,而是着重分析在这种“统一世界观”的尝试中,那些被压抑或边缘化的异端思想是如何在暗中孕育变革的种子的。这段历史展现了,当知识的来源被高度集中时,思想的边界是如何被无形地划定,以及知识的“正统性”是如何被构建和维护的。 第二部分:启蒙的火焰与科学的奠基(现代科学的诞生与方法论的争锋) 本书的第二部分聚焦于文艺复兴晚期到启蒙运动期间,人类如何挣脱旧有宇宙观的束缚,开启一场彻底的认知革命。 伽利略、笛卡尔、培根等巨匠的工作被置于更广阔的文化背景下审视。我们不满足于机械论宇宙观的表面描述,而是深入探究其背后的哲学动机:为什么人类需要一个像钟表一样精确运转的宇宙模型?这种模型对人类的自由意志概念产生了何种冲击? 这里,作者将详细梳理经验主义(洛克、休谟)与理性主义(莱布尼茨、康德)之间的世纪之争。这场争论远非简单的哲学流派之别,它本质上是对“知识如何获得”这一根本问题的不同回答,直接影响了后世物理学、心理学乃至政治学的底层假设。康德的“先天综合判断”如何试图为知识的确定性提供一个内在的保证,以及这种保证在面对经验世界的新挑战时所遭遇的结构性困境,将是本部分的重点剖析。 第三部分:历史的转折点:测量、不可知与概率的入侵 进入19世纪末20世纪初,传统科学的确定性遭到了前所未有的挑战。本书认为,这次危机不仅仅是技术上的突破,更是一次深层的本体论动摇。 我们细致考察了热力学第二定律的“熵增”概念,并探讨了它如何从一个纯粹的物理定律,演变为对宇宙终极命运的哲学预言,以及这种预言如何渗透进社会达尔文主义和文化悲观论的思潮中。 随后,本书将目光投向了数学基础的危机——罗素悖论、哥德尔不完备定理的哲学意义。这些发现,并非仅仅是数学家内部的问题,它们直接宣告了人类逻辑系统自身的局限性。如果连最纯粹的逻辑系统都存在无法被证明的真命题,那么我们引以为傲的理性基础还剩下多少坚固的立足点? 第四部分:叙事与重塑:人类心智的“不完备地图” 最后的篇章将视角从外部的物理世界转向内部的人类心智。我们探讨了弗洛伊德的精神分析理论,将其视为人类对自身“非理性驱动力”的第一次系统化承认。这与科学革命以来强调的“理性人”形象形成了剧烈的反差。 本书也批判性地审视了叙事性知识的力量。在科学面对越来越微观或宏观的不可直接观测对象时,我们不得不依赖于数学模型和理论推断。这些理论的“解释力”在多大程度上是基于观察,又有多少是基于构建一个“可理解的”故事?我们如何区分一个优美的理论与一个更接近现实的理论? 本书旨在引导读者超越对具体科学成就的赞叹,转而思考我们赖以理解世界的思维工具本身是否具有其局限性。它是一次对人类认知疆界的温柔但坚定的探索,提醒我们,每一次划时代的思想突破,都伴随着旧有世界观的痛苦瓦解,而我们所站立的“已知”的边界,永远是动态且可被挑战的。最终,它邀请读者在理解知识的脆弱性中,找到一种更具韧性和谦逊的求知态度。

著者信息

作者簡介
 
張天蓉
 
  科普作家,美國德州奧斯汀大學理論物理博士,現居美國芝加哥。研究課題包括廣義相對論、黑洞輻射、費曼路徑積分、飛秒雷射、雷射探測晶體性質、高頻及微波通訊、EDA積體電路軟體等,發表專業論文三十餘篇。2012年開始出版了一系列科普著作,其文風深入淺出,趣味盎然,亦保持科學的嚴謹性,深得讀者喜愛,代表作品有《第一支火箭:被戰火推進的航太史》、《宇宙零時:從太陽系倒流回大霹靂,宇宙謎團的解答之書》、《蝴蝶效應之謎:走近分形與混沌》、《世紀幽靈:走近量子糾纏》、《愛因斯坦與萬物之理:統一路上人和事》等。

图书目录

造物者的奧祕 ──寫在廣義相對論誕生100週年
 
1 時間空間之謎
1.牛頓點亮的火把
2.電磁交響曲
3.尋找乙太
4.相對性原理
5.什麼是「同時」?
6.萬有引力
7.量子革命
 
2 黎曼幾何
1.幾何幾何
2.迷人的曲線和曲面
3.爬蟲的幾何
4.愛因斯坦和數學
5.向量的平行移動
6.阿扁的世界
7.測地線和曲率張量
 
3 相對論悖論知多少
1.孿生子悖論
2.同時的相對性
3.閔可夫斯基時空中的原時
4.四維時空
5.等加速參考系上的Alice
6.太空船悖論
7.質能關係E=mc2
 
4 重力和彎曲時空
1.等效原理
2.圓盤悖論和場方程式
3.實驗證實
4.時空中的奇異點
5.霍金輻射
6.黑洞戰爭
 
5 茫茫宇宙
1.宇宙學常數的故事
2.大霹靂模型
3.永不消失的電波
4.探索重力波
5.暗物質
6.重力透鏡
7.暗能量
8.路在何方?
 
附錄
附錄A 伽利略變換和勞倫茲變換
附錄B 張量
附錄C 度規張量
附錄D 協變導數
附錄E 質能關係簡單推導
錄F 用太空船1號的座標系解釋孿生子悖論
 
參考文獻

图书序言

  • ISBN:9786263322875
  • 規格:平裝 / 258頁 / 14.8 x 21 x 1.29 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读

 
造物者的奧祕
──寫在廣義相對論誕生100週年
 
  當你仰望繁星密布的夜空、環顧神祕莫測的宇宙,你可能會提出種種疑問:星星到底有多少?宇宙究竟有多大?實際上,從遠古時代起,人類就開始了對天體運行及宇宙起源的探索和思考,無論是西方《舊約》中的上帝創世紀,還是中國神話中的盤古開天地,都將天地宇宙描述成處於永恆的運動和變化之中。即使後來人類掌握了科學這個銳利的武器,也仍然賦予宇宙以動態的圖像,而非靜止和一成不變。既然宇宙處於不停的變化之中,那麼,它變化的歷史如何?它是否有一個起點和終點?它是如何演化成我們現在所觀察到的這種形態?它未來的命運如何?對這一大串問題,也許每種宗教、甚至每個人都有自己的說法,但我們更感興趣的是:科學家們會如何回答這些問題?更為具體地說,物理學家們是如何回答這些問題?
  
  科學是人類走向文明過程中的奇蹟,是古往今來、成百上千名科學家的心血和智慧結晶。科學研究探索的是萬物之本。萬物之本是什麼?從古到今,不同學派提出了不同答案,如畢達哥拉斯學派認為「萬物皆數」(All is number)。但萬物皆由物質構成,萬物之本應與研究物質的物理學有關。物理學是「究物之理」的科學,探討從無限小的微觀世界到無限大的宏觀世界,肩負了「上窮碧落下黃泉」的艱巨任務。
  
  在物理學中,有一個偉大物理學家的名字,寫在了每一個現代基礎物理理論的篇章中,他就是愛因斯坦;但其實,又何止是物理學。
在偉大的科學巨匠中,愛因斯坦在大眾中的影響力無人能比,他的頭像連小學生都認識。如今,這位偉人離開這個世界已經超過半個世紀了,他其中幾項特別傑出的貢獻,包括1905年提出光電效應和狹義相對論,以及1915年建立了廣義相對論,這也都已經是一百年之前的故事了。
  
  儘管每個人都知道愛因斯坦的名字,但卻未必了解他的工作。就此而言,愛因斯坦和牛頓在大眾心目中的印象不一樣。古典的牛頓力學實例,在日常生活中隨處可見:當你坐在加速運動的汽車上,能感覺到力的作用,你知道如何運用牛頓第二定律來計算加速度和力的關係;而當你和對面跑過來的朋友撞在一起,大家都感覺到痛楚時,你會用牛頓第三定律,即作用力等於反作用力來解釋這個現象,因為那是國中物理的內容。但如果問你,愛因斯坦對物理學的貢獻到底是些什麼呢?那就不是人人都能說出一個所以然的了。也許很多人都能用一個詞彙來回答這個問題:相對論啊。然而,相對論又是什麼呢?愛因斯坦為什麼想到了要創立兩個相對論呢?相對論在物理學中以及各門科學、各行各業中有哪些應用?這兩個理論與我們的現實生活有關聯嗎?對於這些問題,大多數人可能就難以回答。
  
  1905年,被稱為愛因斯坦的奇蹟年,這一年他發表了6篇影響力深遠的論文,分別引領了物理學三個領域的研究方向。其中的狹義相對論徹底改變了人們的古典時空觀;有關光電效應的文章揭開了量子革命的篇章;另一篇則以分子運動的理論解釋了布朗運動,對統計物理有所貢獻。
  
  一百多年前的1915年,愛因斯坦提出了他最引以為傲的廣義相對論,這個理論至今仍然是天體物理及宇宙學中建立天體星系運動模型以及宇宙演化模型的理論基礎。近年來該領域中尤其熱門的大霹靂理論、暗物質與暗能量等,也都與此有關。
  
  愛因斯坦曾經說過一句名言:「我想知道上帝是如何設計這個世界。(I want to know how God created this world.)」
  
  我們不妨將上文中的「上帝」理解為「大自然」。因此,愛因斯坦提出了物理學、也是科學研究的一個最基本問題:大自然的祕密是什麼?大自然的脈搏如何跳動?大自然在造物時遵循哪些基本原理?
上帝是如何設計這個世界?這是愛因斯坦的困惑,也是對科學感興趣的讀者的困惑。本書的目的便是向讀者介紹兩個相對論的基本概念,帶領讀者探索、了解愛因斯坦建立相對論思路的簡要歷程。此外,作為相對論的應用,也簡單介紹與這兩個理論相關的天文、宇宙學方面的進展。使讀者能更為了解科學家「認識自然規律、探索大自然造物祕密」的科學方法,從而啟發大眾對科學的興趣和思考。
  
  令人十分遺憾的是,愛因斯坦將他天才的後半生貢獻給了一項前途渺茫的研究:他一直在理論物理中尋找一條統一之路,想要將所有的物質及各種基本的相互作用囊括在一個單一的理論框架中,那是愛因斯坦最後的夢想。儘管愛因斯坦為此奮鬥了幾十年都沒有獲得成功,但這個大一統之夢已經深深扎根在理論物理學家們的心中,是如今理論物理學仍在鑽研的謎團之一。
  
  在這本小小的通俗讀物中,作者首先用短短的篇幅,簡單概括了牛頓力學及馬克士威電磁理論,然後從古典理論所遇到的困難,牽引出愛因斯坦建立相對論的思路。第1章主要介紹狹義相對論的基本概念;第2章介紹廣義相對論必要的數學工具:黎曼幾何。對此,作者盡量少用公式,而是從幾何直觀和物理應用的意義上來引進黎曼幾何,並突出內蘊幾何(intrinsic geometry)思考的重要性;作者在第3章中解釋了幾個狹義相對論帶出的有趣悖論及質能關係式;第4章介紹廣義相對論的基本思想;第5章則是主要介紹了宇宙學中的大霹靂理論、暗物質、暗能量等假設的來龍去脈與研究等。本書使用輕鬆有趣的語言,搭配精美的圖片,由專業物理學者執筆,適合各個領域的大學生、研究生、對科學感興趣的高中生,以及所有渴求科學知識的大眾閱讀。
  
  作者在書中盡量避免使用專業術語和數學公式,而代之以優美流暢、引人入勝的文筆,並以圖解介紹看起來深奧的物理理論。公式都可以在相關的教科書中找到,而科普書不同於教科書,它的目的是激發讀者對該學科的興趣,進而帶領讀者輕鬆入門。實際上,很多學生所缺少的不是公式和運用公式計算的技巧,而是建立公式和理論時科學家們的思路。科學家們是如何發現問題?他們歷經了一些什麼樣的困難?他們又是如何想到解決問題的方法?因此,本書將少量的公式和推導放到了附錄中。並且,寫出這些式子的重點也不是公式本身,而是透過敘述公式背後的故事,探討發現自然規律的歷史,使讀者能從枯燥無味的數學中,發掘其背後的生動靈感和科學精神。
  
  此外,本書雖然是一本科普書,卻著眼於追尋自然和宇宙的本質問題,因而也包含一些具有真正學術價值的素材,涉及許多正奮戰在科學研究前線的科學家們所思考、解決的問題,且處處以物理學理論為根基,一般讀者也能感到別開生面、值得一讀,並令專業人士感到分外親切,輕鬆了解或重溫黎曼幾何、相對論這些聽起來神祕高深的理論。
  
  本書也將介紹與相對論有關的幾個基本物理學原理:最小作用量原理(principle of least action)、對稱原理(principle of symmetry)、相對性原理(principle of relativity)、等效原理(principle of equivalence)等。廣義而言,這幾個基本原理已經超越了物理原理的範圍,可以說成是大自然的基本原理,也許這就是愛因斯坦所追求的「上帝造物」的部分祕密?當讀完本書之後,可能你對愛因斯坦的疑問,能夠得出一些自己的新見解。
  
  一百年過去了,偉人是否後繼有人?理論物理、天文及宇宙學路向何方?這些不是容易回答的問題。然而,廣義相對論建立後的這段歷史時期中,為了繼承這位先輩的衣鉢,眾多科學家們始終在努力奮鬥。
  
  況且,誰能說本書的讀者中,就沒有第二個愛因斯坦呢?

用户评价

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坦白說,光看書名,我就能感受到一股濃厚的「懷舊」氛圍,這種感覺在當代台灣的出版品中,已經算是少見的風格了。它讓我想起大學時代那些經典的科普大師,比如費曼或霍金早期的一些著作,那種帶著點浪漫主義色彩的科學探索精神。我覺得這本書可能不只是想介紹相對論的基礎概念,更可能是想重現二十世紀初期物理學界那種百家爭鳴、觀點激烈碰撞的時代氛圍。想像一下,那時候的科學家們面對著顛覆既有世界觀的新理論,那種既興奮又恐懼的複雜心情,如果能被文字細膩地捕捉下來,對熱愛歷史的讀者來說,簡直是無價之寶。我們這代人,習慣了網路上的快速資訊傳播,反而更渴望那種慢下來、細細品味思想交鋒的過程。如果這本書能成功地勾勒出那些「舌戰」的場景,讓讀者感受到科學不是冷冰冰的公式,而是充滿人性的掙扎與熱情,那麼它絕對具備了超越一般科普讀物的價值。我特別期待看到它如何平衡歷史背景的鋪陳與核心理論的闡釋。

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這本書的取向,似乎是想在「硬核物理」和「大眾普及」之間找到一個精準的平衡點。在台灣,讀者對於「黑洞」這類主題的熱度從來沒有消退過,它幾乎成了當代科幻和嚴肅科學交匯的標誌性符號。然而,黑洞的背後牽扯到的時空扭曲和奇異點,對於非專業人士來說,往往是望之卻步的難題。我比較好奇的是,作者如何將「愛因斯坦的困惑」作為一個核心線索。愛因斯坦晚年對於量子力學的不滿與堅持,是物理史上最引人入勝的公案之一。如果這本書能以他作為敘事錨點,串聯起量子力學的崛起、相對論的極限,乃至於對統一場論的追求,那麼這本書的格局就不僅僅是一本物理入門,而更像是一部知識分子的心靈史。我希望它能處理好「愛因斯坦的局限性」與「他開創性的貢獻」之間的辯證關係,避免過度神化,呈現一個更立體、更真實的科學巨人形象。

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這本書的封面設計真的很引人注目,那種帶點復古又充滿未來感的視覺衝擊,一下就抓住了我的眼球。每次在書店看到它,都會忍不住多看幾眼。我猜想作者在選用這個書名的時候,肯定也花了不少心思去平衡「科普的親民性」和「學術的深度感」,這在台灣的科普書市場上其實不太容易做到。很多時候,科學類的書籍不是太過艱澀難懂,就是流於表面說故事,缺乏紮實的論述。但從書名的結構來看,它似乎想引導讀者進入一個既有「宇宙觀」的宏大視野,又有「學者之間的激烈辯論」的趣味性。台灣的讀者普遍對知識的求知慾很強,但同時也很在意閱讀體驗,如果這本書能把愛因斯坦晚年的某些「困惑」或「爭論」描寫得生動有趣,讓讀者感覺自己不是在讀一本教科書,而是參與了一場跨越時空的智力激盪,那絕對會是暢銷的保證。我特別好奇它會怎麼處理那些拗口的名詞和複雜的數學概念,希望作者有找到一條既不失真又能讓一般人理解的「翻譯」之道。光是這個「弔詭悖論」的描述,就讓我聯想到薛丁格的貓,那種思維上的張力,實在是太迷人了。

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這本書的厚度和複雜性,讓我感覺它可能更適合那些已經對基礎物理有一定認識的讀者群,或者至少是那些對科學史有濃厚興趣的愛書人。它似乎不只是想「教你相對論是什麼」,而是想「帶你走一遍相對論的發展歷程與其帶來的知識震撼」。在台灣,很多科普書在試圖降低門檻時,往往犧牲了論述的嚴謹性,最終導致讀者在進階學習時需要花費雙倍力氣去修正錯誤的認知。如果這本《相對的宇宙》能夠在保持可讀性的同時,提供足夠的學術骨架,那它無疑會在知識界獲得極高的評價。特別是那個關於「黑洞謎團」的部分,如果能結合最新的觀測數據和理論推測(比如引力波的發現),並放在愛因斯坦的理論框架下進行回顧與展望,那這本書的時效性和深度就得到了保障。總體來說,這個書名像是一個邀請函,邀請讀者走入二十世紀最光怪陸離的科學思想迷宮。

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從文字的選用來看,「弔詭悖論」和「學者舌戰」這些詞彙,暗示了這本書的寫作風格可能比較偏向「敘事性評論」,而非純粹的理論介紹。台灣的讀者,特別是習慣了深度專欄文章的讀者,非常欣賞那種充滿洞察力、帶有批判性視角的評論。如果這本書只是平鋪直敘地解釋狹義相對論的時間膨脹效應,那吸引力可能有限。但如果它能探討這些悖論對我們日常世界觀的衝擊,例如,當我們接受了相對論,我們對「同時性」的理解就必須徹底改變,這種哲學層面的反思,才是真正讓人著迷的地方。我猜測作者在選材上應該是很有講究的,可能挑選了那些最能引起大眾好奇心,同時也最能體現物理學革命性的爭議點來著墨。這種「揭秘」式的寫法,能有效地拉近讀者與晦澀理論之間的距離,讓學習的過程充滿了解謎的樂趣。

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