3小時「相對論」速成班!

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齋藤勝裕
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具体描述

  ~向愛因斯坦請教,53個想知道的物理理論~
  從基礎開始,發現原來「相對論」竟然能應用如此廣泛!

  愛因斯坦頂著一頭白髮,對著鏡頭吐舌頭的肖像;
  在輪椅上的霍金,藉由語音合成器與外界對話。
  相信任何人對這兩位20世紀的天才並不陌生,對吧?
  不過,他們提出的理論究竟是什麼?又帶給世界如何貢獻?
  或許很多人腦內浮現的是影集《世紀天才》或電影《愛的萬物論》,一時間也很難給出回答吧?
  
  這次,3小時速成班將加開全新的課程──「相對論」。
  打開本書,文組人也能學會的相對論速成班,即將開課!

  正式開課之前,各位不妨先思考下面的問題,作為簡易的課前測驗吧!
  Q1・光的速度一直都是保持不變嗎?
  Q2・太空船上的太空人,會比地球上的人老得慢嗎?
  Q3・「質量」和「重量」有什麼不同?質量等於「能量」嗎?
  Q4・為什麼「重力波」被譽為「愛因斯坦最後的功課」?

  想要融會貫通相對論,有一點很重要,那就是保持「腦洞大開」的良好狀態。

  在物理學的世界,有別於實驗室裡具體操作實證,特別講求運用想像力,假定一切實驗條件均為最理想狀態,對一套假說在大腦中進行實驗,因此又稱做「思想實驗」。

  物理史上著名的思想實驗,包括──
  永動機▸▸不需要額外提供能源或能量,而能恆久運作的機械。
  牛頓大砲▸▸有一座大砲從高山上發射,發射的砲彈軌道取決於初始速度,呈現環形永不下墜軌道、橢圓軌道、拋物線軌道逃離地球。  
  孿生子悖論▸▸雙胞胎的一人搭乘太空船旅行,另一人留在地球,當旅行者多年後回到地球,發現自己比手足更年輕。

  愛因斯坦的相對論,正是透過思想實驗來建構理論。

  當我們初次接觸相對論、甚至是難以理解的量子力學時,放下自我設限的成見,以開放的心態參與一場場的思想實驗,才能透視日常所見的巨觀世界,領略奧妙的微觀世界。

  就讓相對論推你一把,跨越想像力的限制,從此看見不一樣的宇宙吧。

本書特色

  ◎從理論公式推導,到「黑洞」的探索新突破,由日本的理科博士轉譯抽象的相對論與量子糾纏,化為文組人也能輕鬆理解的簡明概念。

  ◎全書架構以11個章節、53個單元組成,從基本知識開始掌握,循序漸進了解相對論如何解釋宇宙與星星的誕生。

  ◎搭配主題,細數與愛因斯坦同期的偉大科學家,同步了解近代科學發展的多元面貌。
 
穿越时空的思想之旅:宇宙、物质与现实的深度探索 书名:《超越牛顿的边界:现代物理学的基石与未来图景》 作者:[此处可填写一个富有学识感的虚构作者名,例如:林 宇航] 出版社:[此处可填写一个虚构的专业出版社名称,例如:星瀚文化] --- 简介: 我们生活的世界,其运作的底层逻辑,远比日常经验所揭示的更为奇特、精妙,且充满令人震撼的悖论。从宏观的星系运动到微观的粒子碰撞,牛顿的经典力学框架在十九世纪末期逐渐显露出其解释的局限性。本书并非一本简单的科普读物,而是一次深入现代物理学核心概念的智力探险,旨在为那些对宇宙本源、时间本质、物质结构抱持深刻好奇心的读者,构建一座坚实的理解桥梁。 本书将带领读者跨越两个世纪以来物理学革命的浪潮,聚焦于量子力学与广义相对论这两大支柱如何彻底颠覆了我们对实在的传统认知。我们不会停留在对公式的肤浅罗列,而是深入剖析其背后的哲学意涵、实验验证的艰辛历程,以及它们对现代科技(如核能、激光、半导体)产生的深远影响。 我们承诺,本书的叙述将力求严谨而又充满叙事张力,如同跟随先驱者们一同站在知识的悬崖边,眺望未知的领域。 --- 第一部分:光速的藩篱与时空的重塑 (The Revolution of Spacetime) 在进入本章之前,请暂时忘却您对“绝对时间”和“固定空间”的固有观念。我们将从麦克斯韦方程组的完美优雅性出发,追溯爱因斯坦如何敏锐地捕捉到其中潜藏的宇宙新法则。 1. 经典物理学的黄昏:以太之谜与电磁学的胜利 我们首先回顾十九世纪末物理学面临的困境。光速的恒定性如何挑战了伽利略的相对性原理?迈克尔逊-莫雷实验的“零结果”究竟意味着什么?我们将详细解析狭义相对论诞生的历史背景,这不是凭空出现的灵感,而是对实验数据最诚实的回应。 2. 狭义相对论:时间膨胀与洛伦兹收缩 时间不再是宇宙的背景节拍器,而是与观察者的运动状态紧密耦合。我们将用清晰的思维实验(如“双生子佯谬”)来阐释时间膨胀的真实含义,并探讨动量与能量如何在大速度下发生质变。E=mc² 不仅仅是一个公式,它是质量与能量可以互相转化的铁律,是核时代降临的理论前奏。 3. 广义相对论:引力的几何化革命 牛顿的引力是一种“超距作用”,而爱因斯坦则将其提升到了几何的维度。引力不再是一种力,而是质量和能量对时空结构自身的弯曲。本书将详细描绘黎曼几何如何被引入物理学殿堂,并解释等效原理的深刻性——引力与加速度的不可区分性。 4. 观测的证据与宇宙学的应用 从水星近日点的进动,到1919年日食对光线弯曲的验证,再到现代的引力透镜效应,广义相对论的胜利是一场场教科书般的实验佐证。我们还将探讨黑洞的理论预测、引力波的发现,以及它如何成为我们探索宇宙最极端区域的“听诊器”。 --- 第二部分:微观世界的幽灵:量子力学的兴起 (The Realm of Probabilities) 如果说相对论重塑了宇宙的宏大叙事,那么量子力学则彻底颠覆了我们对“实在”本身的理解。本书将毫不回避地面对量子世界的奇异性与反直觉性。 1. 普朗克的黑体辐射与能量的“颗粒化” 万物的能量并非连续的,而是以一份一份的“量子”形式存在。我们将追溯这一革命性假设如何诞生,以及它如何与经典物理学产生不可调和的矛盾。 2. 薛定谔方程与波函数:概率的统治 我们不再能确定一个粒子的确切位置和动量,只能描述它“可能”出现在哪里。本书将深入解析波函数的物理意义,以及“概率诠释”如何成为现代物理学的基石。量子力学中的叠加态概念,如何描述了粒子可以同时处于多种状态的奇特现象。 3. 不确定性原理:知识的根本限制 海森堡的不确定性原理并非测量技术的不足,而是宇宙固有的属性。我们将讨论位置与动量、能量与时间之间不可逾越的界限,以及这种内在的“模糊性”如何阻止了拉普拉斯决定论的最终实现。 4. 量子纠缠与贝尔不等式:幽灵般的超距作用? 这是量子世界最引人入胜的领域之一。两个粒子即使相隔遥远,其命运依然相互关联。我们将清晰梳理贝尔不等式的核心思想,以及它如何被实验(如阿斯佩实验)推翻了“定域实在论”的可能性,迫使我们接受爱因斯坦所称的“鬼魅般的超距作用”。 --- 第三部分:前沿的挑战与统一的梦想 (Frontiers and Unification) 在掌握了时空和微观物质的描述之后,本书将转向现代物理学尚未解决的宏大问题,以及科学家们为构建一个统一理论所做的艰苦努力。 1. 标准模型的胜利与未解之谜 标准模型成功地将电磁力、弱核力和强核力纳入一个优雅的数学框架。我们将回顾希格斯机制如何赋予基本粒子质量,并探讨标准模型之外的遗留问题:暗物质、暗能量的存在性及其性质的推测。 2. 宏大尺度的鸿沟:引力与量子的不和 本书将重点分析广义相对论与量子场论在描述宇宙的极端情况(如奇点内部或宇宙大爆炸的瞬间)时发生的数学冲突。这一“不相容性”是当前理论物理学的核心瓶颈。 3. 弦论与圈量子引力:两种不同的路径 我们将客观地介绍当前主要的“万有理论”的尝试。弦论如何通过增加维度来试图调和所有作用力?圈量子引力又如何尝试将时空本身量子化?我们评估这些理论的数学美感、实验检验的困境,以及它们对我们理解时间起源的潜在启示。 4. 结论:对实在的持续追问 物理学的目标是描述自然,但描述本身也在不断进化。本书的结尾将回归哲学层面,探讨我们对“实在”的理解是否已经达到了尽头,以及人类的认知能力在面对宇宙的终极奥秘时,将如何继续拓宽边界。 --- 致读者: 本书的阅读体验需要专注,但绝不要求深厚的数学基础。我们将用清晰的逻辑链条和丰富的历史背景,将这些复杂概念“可视化”。准备好挑战您关于速度、质量、时间和实在性的所有直觉吧。这不仅是一次对科学史的重温,更是一次对您自身思维极限的探索。

著者信息

作者簡介

齋藤勝裕


  1945年5月3日生。名古屋工業大學榮譽教授,理學博士。1974年修畢日本東北大學研究所理學研究科博士課程,專業領域為有機化學、物理化學、光化學與超分子化學。主要著作有《圖解高分子化學:全方位解析化學產業基礎的入門書》(台灣東販)、《食品的科學:烹飪、營養、美學與科學,滿足你對食物的好奇心!》(晨星)、《週期表一讀就通》、《3小時讀通無機化學》系列(以上皆世茂出版)等多本書籍。


譯者簡介

陳聖怡


  享受有日文的生活,曾留學東京,熱愛筆譯。

  譯有《世界史是化學寫成的:從玻璃到手機,從肥料到炸藥,保證有趣的化學入門》、《推理迷必備的犯罪現場科學搜查》、《心理學使用說明書》、《向阿德勒學習:為活得更好而工作》、《極簡德國史》、《極簡俄羅斯史》、《極簡法國史》,以及多種歷史、旅遊、生活實用書。
 

图书目录

◎前言
 
●第1章 相對論為什麼如此重要?
.1 在愛因斯坦以前的物理學
.2 顛覆十七世紀以來的常識
.3 量子理論如何孕育而出?
❖專欄 瑪麗.居禮的成就
.4 相對論是什麼樣的理論?
❖專欄 愛因斯坦其人
 
●第2章 相對性原理的基礎
.1 伽利略的相對性原理
.2 等速直線運動如何發生?
.3 當加速度發揮作用時,物體會發生什麼事?
 
●第3章 光速不變的原理
.1 話說回來,「光」是什麼?
.2 光速一直都保持不變嗎?
.3 傳導光的物質──乙太
.4 光速可以測量嗎?
.5 超越光速的物質存在嗎?
 
●第4章 在光速中時間會延遲
.1 每個人的時間速度都一樣嗎?
.2 用光速移動的話,就會老得比較慢嗎?
.3 以光速移動,時間會延遲多少?
.4 時間延遲程度的指標──勞侖茲因子
.5 時間延遲與相對論的關係
.6 浦島太郎的故事可能發生嗎?──孿生子悖論
 
●第5章 在光速中長度會縮短
.1 以光速飛行,太空船的長度會縮短?
.2 為什麼速度愈快,長度愈短?
.3 以接近光速移動,物體間的距離也會縮短嗎?
.4 速度再加上光速,結果會超過光速嗎?
 
●第6章 能量等於質量
.1 「質量」和「重量」的差別
.2 愈接近光速,質量就會變得愈大?
.3 能量和質量的關係
.4 質量可以等同能量嗎?
.5 解謎愛因斯坦的經典公式「E=mc⊃2;」
.6 粒子必然成對生成與消失嗎?──成對產生、成對消滅
❖專欄 如何導出「E=mc⊃2;」
 
●第7章 重力與時空的扭曲
.1 「質量」和「重力」的差異
❖專欄 希格斯玻色子
.2 平行線會相交嗎?
.3 重力如何扭曲空間?
.4 重力也能扭曲光線嗎?
.5 我們如何看到重力的作用?──重力透鏡效應
.6 愛因斯坦最後的功課──重力波
❖專欄 LIGO(雷射干涉儀重力波天文台)
 
●第8章 粒子性與波動性
.1 光是波動,電子是粒子
.2 物質有「波」的性質嗎?──物質波
.3 什麼是「量子化」?
.4 光也能量子化嗎?
.5 愛因斯坦無法接受的理論──海森堡的不確定性原理
❖專欄 如何導出海森堡的不確定性原理
 
●第9章 構成宇宙的物質
.1 宇宙的起源
.2 恆星的誕生
.3 原子的誕生與成長
❖專欄 原子核反應
.4 恆星的一生
❖專欄 元素週期表
 
●第10章 黑洞
.1 星星會如何結束一生?
.2 日本觀測到星星的爆炸──神岡探測器
.3 黑洞是什麼?
.4 黑洞會「蒸發」?
.5 黑洞的一生如何度過?
.6 終於真正發現黑洞
 
●第11章 宇宙的未來
.1 宇宙正在膨脹嗎?
.2 無法觀測的宇宙成分──暗物質、暗能量
.3 宇宙發展的下一個階段
.4 古人眼裡的宇宙
 
◎後記
◎參考文獻・資料來源

图书序言

  • ISBN:9789863778196
  • 叢書系列:圖解雜學系列
  • 規格:平裝 / 190頁 / 12.8 x 18.2 x 1 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读

前言

  這本書為了讓逃避微積分、討厭數學的文化類讀者,也能夠愉快閱讀著名的愛因斯坦「相對論」,特別以簡單易懂的方式解說。

  這世上有好幾種堪稱經典的理論,像是歐幾里得(Euclid)的「幾何學」、牛頓(Isaac Newton)的「自然哲學的數學原理」、馬克士威(James Clerk Maxwell)的「電磁學」、克勞修斯(Rudolf Clausius)等人的「熱力學」、愛因斯坦(Albert Einstein)的「相對論」、路易.德布羅意(Louis de Broglie)等人的「量子論」等等。這些經典理論就像是在比誰最艱深似地,長得一副「怎麼能讓你輕易看懂!」的模樣。

  但是到了20世紀以後,已經確立的相對論和量子論不只是艱深費解,還包含了令人難以置信的觀點,相繼提出讓人覺得根本不可能成立的論調。在理解這些觀點以前,必須先破除僵化的思維、讓思考更靈活一點。

  也就是說,在閱讀這種理論時,先別想著「我要看懂」。不管它談了什麼都無所謂,你只需要一心一意地讀下去。如此一來,這些「難以置信的觀點」就會刻進你的腦海裡。

  第一次閱讀只要這樣就好,別奢求能夠理解多少。重點在於後面。第一次從頭通讀到最後,接著趁自己還沒有忘記太多內容時,再重新讀一次。這樣的話,一開始還難以置信的觀點,就會漸漸讓你覺得「這可能是真的」了。

  到了這個程度,它就是屬於你的知識了。即使只有一部分也無妨,請再試著去讀懂你覺得自己好像可以理解的部分。這樣是不是開始覺得讀出一點趣味了呢?

  沒錯,相對論其實很有趣。首先,它的格局非凡,談的是無邊無際的宇宙,談的是乘著光線四處馳騁、超越時間大幅飛躍。

  如果大家都能透過本書體會到相對論的樂趣,我會非常高興。
 
2021年6月 齋藤勝裕

用户评价

评分

說真的,台灣的讀者對於「專業知識普及化」這塊的需求其實非常高,但同時,我們對品質的要求也很嚴苛,不是隨便寫寫就能糊弄過去的。這本「3小時速成班」的書名,某種程度上也承載了一種壓力,就是它必須在「簡化」與「準確性」之間找到一個完美的平衡點。我最擔心的是,為了達到「速成」的目的,作者會不會犧牲掉關鍵的物理圖像,只留下幾個空泛的名詞。例如,談到引力場時,如果只是籠統地說「物體會讓時空彎曲」,而沒有用任何類比或視覺化的方式去描繪這種彎曲,那跟沒讀有什麼區別?我更希望看到的是,作者願意花點篇幅,用一些大家能理解的日常現象來驗證這些看似遙不可及的理論。如果書中能舉例說明,例如GPS衛星定位的準確性,就必須考慮到相對論帶來的時間差,那種實際應用層面的連結,會讓我對這「3小時」的投資感到物超所值,因為它證明了理論不再只是書本上的文字,而是影響我們生活的科技基石。

评分

最近剛好在追一部講述科學家生平的影集,裡面對於愛因斯坦提出「相對論」時,當時學術界的震撼與質疑描繪得非常生動,那種顛覆既有世界觀的衝擊感,讓我對這個理論更加好奇。所以我看到「3小時速成班!」時,腦中第一個浮現的就是:「它能帶我穿越那段歷史的震撼嗎?」我期待的不是成為一個能解微分方程的物理學家,而是能理解那個時代的人,在聽到「時間可以被拉伸」這個觀點時,內心最原始的驚訝與困惑。所以,我希望這本書的敘事風格,能像一個經驗豐富的導遊,帶著我們這些初學者,穿梭在物理學的歷史長廊中,講解每一個重要轉折點。如果它只是冰冷地拋出公式和定義,那跟去圖書館借教科書回家啃有什麼兩樣?我需要的是故事性,是那種「啊,原來是這樣!」的頓悟時刻。一個好的速成班,應該是引人入勝的,而不是讓人想打瞌睡的。

评分

從包裝上來看,這本書給我的感覺,比較偏向那種適合在通勤的捷運上,或是午休的片刻,隨手翻閱的那種輕便讀物。它不會是那種需要鋪上墊板、準備好咖啡和整套筆記工具才能面對的「硬書」。我猜測,作者在排版上一定下了很大功夫,可能用了大量的對話框、關鍵字標註,或者用不同字體顏色來區分「必須記住的核心概念」和「延伸理解的背景知識」。這種視覺上的引導,對於吸收快、遺忘也快的現代人來說,是極為重要的。我個人對於那些把重點文字縮在角落,或者整頁塞滿密密麻麻文字的書籍深感恐懼。如果這本書真能做到「3小時速成」,那它的結構性就必須非常清晰,讓我一翻開就知道現在在講哪一塊領域,花了多少時間在上面,以及學到了什麼里程碑式的成果。我非常看重這種清晰的學習路徑規劃。

评分

老實講,我對市面上那些掛羊頭賣狗肉的「速成」書籍已經有點麻木了,但這本「3小時相對論」的封面設計風格,給了我一種很不一樣的感覺。它散發出一種簡潔俐落、甚至帶點理工學院學生那種務實的氣息,沒有過度花俏的圖案或誇大的文字,反而讓我感覺到一種「敢說敢做」的決心。我猜測,這本書的內在結構一定安排得非常緊湊,可能前一個小時主攻狹義相對論的基本假設,第二個小時就直接切入光速不變和時間膨脹的震撼效果,然後最後一個小時,也許會試圖觸及廣義相對論的皮毛,比如黑洞和重力場的初步概念。如果真能如此高效地推進,那簡直是為我們這些忙碌的上班族量身打造的學習工具。我特別想知道,作者會如何處理「同時性」這個概念的相對性,因為這東西光是用文字描述就很燒腦了,如果能配上精確的圖表或流程圖,那絕對是加分到不行。我個人對於那種拖泥帶水的解釋方式非常感冒,希望這本書能直接切中靶心,讓我快速掌握核心骨幹。

评分

哇,這本「相對論速成班」光看名字就覺得超有挑戰性的!身為一個對物理學很有興趣,但總覺得愛因斯坦的理論好像高不可攀的普通台灣讀者,我對這種「3小時搞定」的承諾實在是既期待又怕受傷害。不過,光是這標題的氣勢就夠吸引人了,感覺就像是把一個宇宙級的難題,硬是用台灣人最愛的「效率」和「實用」精神給濃縮進去了。我猜想,這本書的作者一定是用了很多生活化的比喻,可能用珍珠奶茶的杯子來解釋時空彎曲,或者用台北捷運的尖峰時刻來比喻相對性原理吧?如果真能用短短三個小時,讓我這個對物理只有基礎概念的人,至少能跟朋友聊天時,能插上幾句關於時間膨脹或質能等價的「專業」術語,那這本書就算值回票價了。畢竟,誰不想在咖啡廳裡,優雅地解釋一下為什麼高速移動的時鐘會變慢呢?我個人超期待它能怎麼把那些抽象的數學公式,轉化成我們日常生活中能理解的圖像。這種「速成」的書籍,最考驗作者的功力,能不能在不犧牲核心概念的前提下,把複雜的東西「白話化」,這才是重點。

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