3小時「相對論」速成班! (電子書)

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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。
 
《时空涟漪:超越牛顿的宇宙新图景》 一部深入浅出、引人入胜的宇宙探索之旅,带您领略二十世纪物理学的两大支柱——狭义相对论与广义相对论的迷人世界。 书籍定位: 本书旨在为对现代物理学抱有浓厚兴趣的普通读者、理工科背景的初学者,以及希望系统梳理相对论核心概念的爱好者,提供一个既严谨又不失趣味性的学习路径。我们致力于在不依赖深奥数学工具的前提下,精准阐释爱因斯坦如何彻底颠覆了我们对时间、空间、物质和引力的传统认知。 --- 第一部分:时空之网的初现——狭义相对论的革命 (Special Relativity) 在人类理解世界的漫长历史中,牛顿的经典力学如同坚不可摧的堡垒,统治了对运动和引力的描述长达两个世纪。然而,当物理学家开始探究光速这一宇宙常数时,堡垒的根基开始动摇。本部分将带领读者回到20世纪初的物理学前沿,逐步构建起狭义相对论的宏伟框架。 第一章:旧世界的裂痕——光速之谜与以太的消亡 光速的恒定性: 探讨迈克尔逊-莫雷实验的精妙设计,以及它如何迫使科学家放弃“光以太”这一假想介质的存在。我们将深入分析光速在所有惯性参考系中保持不变这一看似简单,却具有颠覆性意义的物理事实。 伽利略变换的局限: 重新审视牛顿力学中对时间与空间绝对性的假设,并指出这些假设在接近光速时必然失效的原因。 第二章:时间与空间的相对性 同时性的相对性: 这是理解狭义相对论的关键一步。通过经典的“火车与闪电”思想实验,清晰阐释为什么在不同观察者眼中,两个事件的发生顺序和同时性会发生改变。 时间膨胀 (Time Dilation): 详细解析运动中的时钟为何走得更慢。我们将从光钟模型出发,推导出洛伦兹因子(Gamma Factor)的物理意义,并讨论其实际应用,例如对高速运动的μ子寿命的观测验证。 长度收缩 (Length Contraction): 探讨物体在运动方向上长度缩短的现象,理解空间描述如何依赖于观察者的速度。 第三章:动量、能量与质能等价 相对论动量与能量: 考察在高速运动下,传统动量和动能公式如何需要修正。我们将展示如何引入相对论质量的概念,以维持动量守恒定律的普适性。 E=mc² 的深刻内涵: 本章将聚焦于人类历史上最具标志性的方程。我们不仅解释了质量与能量可以相互转化的物理本质,还将探讨这一等式在核物理、粒子衰变等领域中的决定性作用。理解能量为什么是“静止质量”与“动能”的总和。 第四章:四维时空的几何化 闵可夫斯基时空: 介绍赫尔曼·闵可夫斯基如何将狭义相对论转化为一个统一的四维几何结构——时空。探讨“世界线”、“固有时间”等关键概念。 洛伦兹变换的几何解释: 将洛伦兹变换视为四维时空中的“旋转”,理解时间轴和空间轴是如何相互“混合”的。引入“光锥”的概念,划分因果区域,明确宇宙中信息传播的绝对速度限制。 --- 第二部分:引力的几何学——广义相对论的宏伟蓝图 (General Relativity) 狭义相对论成功地统一了空间与时间,但它未能纳入牛顿引力的框架。广义相对论则以一种革命性的方式,将引力从一种“力”的概念,彻底升华为时空本身的几何属性。 第五章:等效原理——通往广义相对论的桥梁 引力与加速度的等价性: 深入探讨爱因斯坦的“最美妙的想法”——等效原理。通过电梯中的观察者实验,展示引力效应与匀加速运动在局部是无法区分的。 广义协变性: 从等效原理自然引申出物理定律必须在所有参考系(包括加速系)中保持相同形式的要求。 第六章:引力即时空弯曲 引力场方程的哲学基础: 阐释广义相对论的核心思想:物质和能量告诉时空如何弯曲,弯曲的时空告诉物质如何运动。 测地线运动: 解释行星绕太阳运行并非受到“拉力”,而是沿着被太阳质量弯曲的时空中的“最短路径”(测地线)自由下落。这重新定义了“自由落体”。 黎曼几何的影子: 在不涉及复杂的张量微积分的前提下,定性地介绍描述弯曲空间所需的基本数学工具,如曲率和张量,强调引力效应的内在几何起源。 第七章:广义相对论的经典验证 水星近日点的反常进动: 考察牛顿力学无法完全解释的水星轨道异常,以及广义相对论如何精确地给出了解释,这是早期对广义相对论有力的支持。 光线的引力偏折: 详细描述1919年爱丁顿爵士对日食观测的意义,确认光线在经过大质量天体附近时路径会弯曲,这是时空弯曲的直接证据。 引力红移: 解释光子在爬出引力场时会损失能量,导致其频率向红端移动的现象,并讨论其在地球和卫星上的实际测量。 第八章:时空奇观与宇宙的边界 黑洞的诞生: 理论上预测了引力可以强大到连光都无法逃逸的区域。我们将探索史瓦西半径、事件视界等关键概念,并简要介绍黑洞视界内外的物理状态。 引力时间膨胀(强引力场效应): 探讨在黑洞附近,时间流逝速度如何急剧减慢。 引力波——时空的涟漪: 介绍引力波的概念——时空曲率的传播。追溯其理论预测,直至LIGO等实验的最终探测,这一发现不仅验证了广义相对论的最后一块拼图,也开启了引力波天文学的新时代。 宇宙学: 简要概述广义相对论如何成为现代宇宙学的基础,描述膨胀的宇宙模型,以及对宇宙起源和命运的推测。 --- 结语:未竟的探索 本书以爱因斯坦的理论为核心,带领读者完成了一次从牛顿经典世界到现代时空观念的彻底转型。我们最终会发现,时间和空间不再是宇宙的被动舞台,而是与物质和能量相互作用的动态实体。然而,相对论并非终点,量子力学与广义相对论在极端条件下的不兼容性,指引着物理学家们继续追寻更统一的“万有理论”。本书旨在激发读者对这些前沿问题的思考与好奇心。

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
  • EISBN:9789863778240
  • 規格:普通級 / 初版
  • 出版地:台灣
  • 檔案格式:EPUB流動版型
  • 建議閱讀裝置:手機、平板
  • TTS語音朗讀功能:無
  • 檔案大小:7.1MB

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

我最近在尝试系统性地梳理一些基础科学概念,总觉得碎片化的知识点很难串联成完整的认知链条。读完这本小册子后,最直观的感受是信息的密度控制得非常到位。它没有试图深入到那些需要复杂微积分或张量分析的深层次推导,而是巧妙地利用了大量的类比和生活化的场景来解释那些抽象的概念,比如时间膨胀和长度收缩,书中呈现的画面感极强,仿佛你不是在阅读文字,而是在观看一个精心制作的动态演示。特别是对于光速不变原理的探讨,作者的处理方式非常巧妙,没有停留在简单的陈述,而是通过一系列思想实验,引导读者自己去体会这个原理带来的颠覆性后果。这种“手把手”的引导模式,极大地降低了理解门槛,让原本感觉像是神谕一样的理论,变得有迹可循,有理可依。对于初学者来说,建立一个稳固的、基于直觉理解的框架,比一开始就陷入公式泥潭要重要得多。

评分

真正让我感到惊喜的是作者在历史背景和哲学意义上的挖掘。很多物理书只关注“是什么”和“如何计算”,但这本书似乎更关心“为什么会是这样”以及“它对我们世界观的冲击”。在介绍狭义相对论的诞生背景时,作者没有回避十九世纪末物理学界所面临的巨大困境和思想碰撞,这使得理论的出现不再是凭空产生的,而是解决现有矛盾的必然结果。这种对科学史的梳理,不仅增加了阅读的趣味性,更深层次地解释了为什么这些看似反常识的结论会被接受。哲学层面上,它引导读者思考时间、空间这些我们习以为常的概念,在更宏大的宇宙尺度下,其本质发生了怎样的变化。这种跳出纯粹科学计算,触及思维边界的探讨,让这本书的价值超越了一本简单的“速成指南”,更像是一次对认知边界的拓展训练。

评分

这本书的封面设计得挺有意思,色彩搭配既鲜明又带着一种知识的厚重感,让人一眼就能感受到这不只是一本普通的科普读物。拿到手的时候,那种纸张的质感也相当不错,摸起来很舒服,翻阅的时候不会有廉价感,这对于沉浸式阅读体验来说是个加分项。我个人对物理学的概念一直抱有一种敬畏又好奇的态度,尤其是爱因斯坦的理论,总觉得是高不可攀的知识殿堂。这本书的标题直接点明了“速成班”和“3小时”的字样,立刻就抓住了我这种时间有限但又渴望了解核心概念的读者的心。它没有故作高深,反而给人一种“你可以在短时间内掌握精髓”的承诺感,这在众多动辄上千页的理论著作中,显得格外亲民和实用。我尤其欣赏这种直击主题的命名方式,它设定了一个清晰的阅读预期,避免了许多科普书开头冗长铺垫的弊端,直接预示着接下来的内容会是高效且直奔核心的。

评分

从实操角度来看,这本书的实用价值在于它建立了一个非常扎实的“知识框架”。我感觉自己现在看任何关于时空、速度或者质量与能量关系的新闻报道或纪录片时,理解起来的效率提高了不止一个档次。它没有过度强调解题技巧,而是专注于构建一个能够让人在头脑中模拟物理情景的模型。比如,书中关于引力如何被理解为时空弯曲的描述,虽然简洁,但其背后的逻辑推导路径是非常清晰的。对我而言,最重要的是,它成功地培养了一种“相对论思维”——即不把惯性系作为绝对的参照物,而是始终考虑观察者的视角和参考系的选择。这本书提供的不是一堆孤立的事实,而是一套观察世界的全新透镜,让人在日常思考中也开始不自觉地运用更辩证、更动态的视角去看待事物之间的联系。

评分

这本书的排版布局和视觉呈现也着实花了一番心思。不同于传统教科书那种密密麻麻的文字块,它在关键公式和图表旁边留出了大量的空白区域,使得重点信息得以凸显。我特别注意到,作者在引入每一个关键概念时,都会用一个醒目的标题或粗体字进行强调,然后才展开详细的解释。这种结构化的呈现方式,让阅读节奏非常流畅,即使中间被打断去处理其他事情,稍后再翻回来,也能迅速定位到上次中断的地方并快速重新进入状态。对于我这种工作节奏较快的人来说,这种清晰的“导航系统”是阅读体验的关键。此外,书中穿插的插图,虽然不算是极其复杂的物理示意图,但却恰到好处地起到了辅助理解的作用,它们不是简单的装饰,而是概念的视觉浓缩,有效地避免了纯文字描述带来的枯燥感,让整个阅读过程保持了一种轻快的节奏感。

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