为什么E=mc2？相对论普及读本

科普书**荣誉——英国皇家学会科学图书大奖决选入围
《凤凰卫视》“开卷八分钟”梁文道专题推荐——（这）是我认为我过去几年中读到的关于当代物理学解释得**的一本科普书籍之一
果壳网专访著名科学家代表作
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十几万字的《时间简史》只提到一个公式：E=mc2。它到底是什么意思？又为何如此重要？
欧洲核子研究中心（CERN）杰出科学家 Brian Cox&Jeff Forshaw
全新视角 轻松演绎 人人能懂

质量从何而来？
为什么星星会发光？
上帝粒子是什么？
答案都隐藏在爱因斯坦*著名的物理方程式E=mc2里！ 

爱因斯坦在1905年**次写下E=mc?这个公式，撼动了整个世界，彻底改变了人类的时空观，几乎宇宙所有的奥秘都隐含于相对论中，人类也因此对时间旅行的奥秘、原子裂变的巨大能量、宇宙的起源和终结、黑洞和暗能量都有了全新的认识。考克斯和福肖教授带我们从21世纪的科学角度，重新去思索这个著名的公式。不同于其他介绍相对论的书，本书成功挑战科普书的禁忌，用浪漫幽默方式轻松演绎相对论，令每个读者都能领略到这个伟大理论的迷人之处。本书入围科普书**荣誉英国皇家学会科学图书大奖决选名单，是近年难得一见深具启发性的科普读物。

有“物理界摇滚巨星”之称的考克斯是英国的粒子物理学家、英国皇家学会研究员，并任教于曼彻斯特大学。他同时也是欧洲核子研究组织的成员，负责大型强子对撞机的超导环场探测器实验，研究前部质子探测器。除此之外，考克斯在BBC主持多档科普节目，受到观众追捧。他曾是D:Ream乐团的键盘手，每每现身讲台都引起一阵旋风，受到观众的热烈欢迎。他为科学普及做出了卓越贡献，历年来获得过许多奖项。
福肖教授是理论物理学家，毕业于牛津大学，他的主要研究领域是基本在粒子物理。1999年，他被授予物理学院麦克斯威尔奖章以表彰其在理论物理学的卓越成就。

前言
**章 时间和空间
第二章 光的速度
第三章 狭义相对论
第四章 时空
第五章 为什么E=mc2？
第六章 为什么原子、捕鼠器以及星星的能量都值得我们关注？
第七章 质量之源
第八章 弯曲的时空

前　言
本书的目的是想用*简单的语言阐述爱因斯坦在时空方面的理论，同时也想向广
大读者展示其蕴涵的科学美感。*终我们将能通过和勾股定理难度相当的数学运
算来得出著名的质能公式E=mc2。如果你不记得什么是勾股定理没关系，我们到时
候也会介绍它。我们另外一个重要目的是希望任何看完本书的读者都能够了解现
代物理学家们是如何思考大自然，并且建立起那些能够对人类生活产生巨大作用
和改变的理论的。爱因斯坦通过建立一个关于时间和空间的模型，为以后人们*
终理解为什么恒星会发光、为什么电动机和发动机能够工作做了铺垫，*终他的
理论也为所有现代物理理论提供了坚实的基础。我们也希望这本书能够对大家有
一些启发，引起大家的思考。物理本身并不存在任何问题：我们在本书中将会逐
步看到爱因斯坦的理论已经发展得相当完善了，而且他的理论得到了很多实验数
据的支持。然而我们必须强调的是，总有一天爱因斯坦的理论必然会让位于一个
比它能更准确解释大自然的理论。在科学世界里，并没有什么永恒的真理，有的
只是那些现在还没有被证明是错误的观点。我们*多只能说，爱因斯坦的理论到
目前为止还是正确的。相反我们所说的不断思考是科学迫使我们去考量大自然的
方式。不管是科学家还是一般人，每个人都有自己的直觉和感受，我们都从每天
的生活当中推断出各种各样的结论。如果将我们日常生活中观察的结果放在科学
的精准而不带感情的目光下检验，我们常常会发现大自然在我们的直观感受中制
造了一些混沌。随着本书中讨论的不断深入，我们会发现当所有的事物都以高速
运行时，我们关于时间和空间的常识将被抛弃，并且被一些意想不到而又十分优
雅的全新理论所取代。从中我们得到一个非常朴实而诚恳的教训：宇宙远比我们
的日常生活中能接触到的现象丰富许多。这也常常使科学家们对宇宙发出阵阵赞
叹。也许*让人感觉奇妙的是，新的物理理论充满了数学上的和谐与优雅。
虽然科学有时候看上去十分困难，但从其核心意义来说科学并不是一门复杂的学
问。甚至有人大胆地说，科学就是人们试图移除自己本身的偏见从而能更加客观
地看待整个世界的过程。也许他说的对又或不对，但不可否认的是科学对于我们
了解宇宙是如何运转的做出了极大的贡献。真正的难点在于我们是否能克服相信
常识的惯性。运用科学方法我们才能了解并接受大自然本来的模样，而不会受到
我们固有的偏见的影响。也正因为如此，我们才有了当今科技社会中所取得的种
种成就。简而言之，科学方法的确是行之有效的。
本书的前半部分，我们将致力于推导E=mc2这个著名的公式。这里“推导”的意思
是，我们将展示爱因斯坦是如何得到“能量等于质量乘以光速的平方”这样一个
结论的，正如公式本身所说的那样。如果我们稍稍对它做一番思考，可能会觉得
这是个非常奇怪的结论。也许人们*常见的能量是在运动中产生的，比如有人扔
出的一个板球恰巧飞向你的脸，当它打到你时你会觉得疼。这时一个物理学家会
说这是因为投手赋予了板球能量，而这种能量又在当你的脸阻挡住板球继续运动
的同时转化到你的脸上。质量则是衡量一个物体中所含物质的多少。一个板球比
一个乒乓球的质量大，但它又比一个行星的质量小。E=mc2这个公式要告诉我们的
是，就如同美元和欧元能互相兑换一样，质量和能量可以互相转换，它们之间的
兑换率则是光速的平方。那么当时爱因斯坦脑子里到底是有了怎样的奇思妙想才
能得出这样一个结论呢？而光速又是怎么把自己塞进这个关于质量和能量的关系
中的呢？本书中我们并不要求读者有任何专业科学知识，我们也尽可能地回避数
学。尽管这样，我们依然努力为所有的读者提供一个真正的科学解释（而不仅仅
是一种描述）。从这一点上来说，我们希望提供些新鲜的知识。
本书的后半段中，我们将去看看E=mc2是如何指引人类在理解大自然的道路上前行
。为什么星星会发光？为什么原子能比煤炭和石油更高效？“质量是什么？”这
个问题将带领我们走入现代粒子物理世界，让我们见识位于日内瓦的大型强子对
撞机，并寻找希格斯粒子，因为它或许能帮助我们揭开质量之源之谜。在本书的
结尾处，读者会看到爱因斯坦另一个惊人的发现，那便是万有引力其实是由于时
间和空间的结构本身特点而产生的，以至于得出“地球的公转是围绕着太阳做的
‘直线运动’”这种神奇的结论。

我想包括史蒂芬?霍金在内的任何人都无法超越布莱恩?考克斯的阐述中所表现出的那种权威、智慧、激情、清晰和力量的完美结合。如果你对尖端的科学发展问题有兴趣，并且想知道这些**发现是如何影响我们每一个人，那么就让这位充满激情的教授为你解释一番吧。看到他你也许不禁会问，这俊朗的外表之下真的藏着一位教授吗？
——Stephen Fry
为了弄清楚作为爱因斯坦一生理论中*经典的公式E=mc2，他们（考克斯和福肖）成功地开辟了一条通往那个神秘领域的道路。这条路从数学表达方式下的时空结构一直通向原子弹、天体物理学，并*终到达质量之源。
——New Scientist
如果想去除大多数人对爱因斯坦*著名的公式肤浅的理解，你可以聆听作为资深的科学家以及教育家布莱恩?考克斯和杰夫?福肖的阐述。通过准确的语言和几个充分解释的公式，他们将一些物理学中*不可思议的发现平易近人地带到了读者身边。”
——Seed
很多学者都尝试过解释（公式的）本质，但他们并没有都取得成功。较之布莱恩?考克斯和杰夫?福肖，没有人更加能胜任这份工作了。他们做了一项了不起的事，包括在书的标题中就回答了问题本身。
——BBC Focus magazine
（Why does E=mc2？）通篇行文清晰明确，并有不少的闪光点，然而丝毫没有让人感觉到任何骄傲自大……任何有着一颗探索之心的读者都能被这两位睿智的科学家笔下平实的语言所吸引而受到启发……这是一本读后会让人愉快的书。
——The Huffington Post
（在Why does E=mc2？）中包含了很多的知识和非常好的解释。它为那些喜欢过科学或者曾经想更多的了解科学的人们提供了一个很好的机会，免去了他们必须再次回到学校学习的麻烦。在阅读这本书的时候请保持一份开放的态度和一种好奇的心态，而当你放下它时将会发现自己获得了相当丰富的知识。
——Sacramento Book Review

**章 时间和空间
“时间”和“空间”对你而言，意味着什么呢？
也许，“空间”是寒冷冬夜里繁星点点的浩瀚苍穹，又或许是裹着星条旗、拖着金色尾巴的火箭将神采奕奕的宇航员送入孤独的卫星轨道时，身后留下的一片空虚。而“时间”也许就是手表上滴滴答答的时针，抑或是随着太阳第五十亿次向北倾斜中，慢慢变黄的叶子。古往今来，我们都在这个蓝色的星球上生活着，直观地感受着时间和空间。
十九世纪末，人类在看似没有任何关联的几个领域内相继取得了重大的科研突破，这些科学成就促使物理学家们重新审视我们眼中的时间和空间，以及那些停留在直观层面上的认识。不久之后的二十世纪初，赫尔曼?闵可夫斯基——阿尔伯特?爱因斯坦的导师以及同事，这样写道：“从现在开始，时间与空间已不再各自独立存在，取而代之的是两者混合体的诞生。”这条著名的“讣告”，直接宣判了古代关于天体运行等天文理论的死刑。
那么，闵可夫斯基所说的“时间和空间的混合体”到底是什么呢？要了解这个带有浓重神秘色彩的新名词，我们就必须了解爱因斯坦的狭义相对论。在狭义相对论里，世界**次看到了E=mc2这个著名的公式；由此，在继续探索宇宙奥秘的旅程中，光速c进入了我们的视野，并牢牢地站在了科技大舞台的正中心。
爱因斯坦狭义相对论的核心内容是对时间以及空间的描述。其中，*重要的一个概念是一种速度，一个宇宙中任何事物都不可能超越的极限速度——光速。在真空中，光速达到每秒299,792,458米。光以这个速度，从地球出发，经过8分多钟可以到达太阳，10万年后能穿越我们所在的银河系，超过200万年后可到达仙女座星系——我们在宇宙中*近的邻居。每当夜幕降临，地球上**的天文望远镜就会将目光投向宇宙的深处，尽全力地去捕捉*深处的点点光芒，而发出这些光芒的恒星可能此刻早已消亡。比地球从一团星云中诞生还要早几十亿年，也就是在大约100亿年前的时候，这些星光便开始了自己的旅程。光速极快，但面对星际间的遥远距离，也显得那么微不足道了。我们能通过类似于欧洲核子研究中心（CERN）在瑞士日内瓦的大型强子对撞机这样的设备把一些非常小的物体加速至接近光速的百分之一。
这个特殊速度的存在，或者说是宇宙速度上限的存在，本身就是一个奇怪的概念。如同我们接下来会在本书中揭示的那样，将这个速度和光速联系起来其实是一个障眼法。而在爱因斯坦的理论中，它将扮演更重要的角色，同时光为什么以光速（299,792,458米/秒）前进也自有其原因。当然，这些都是后面的内容。现在，我们仅仅需要知道当物体以接近光速的速度移动时，意想不到的事情便会接踵而来。有没有任何其他的原因在阻止物体以超越光速的速度运行呢？因为给我们的感觉是，“没有任何物体的速度能快得超过光速”，就好像在说“不论发动机的马力有多大，自然法则导致我们的车速无法超过每小时70英里”一样让人费解。显而易见，自然法则不像一条限速交规那样需要交通管理部门来贯彻执行，因为整个时间和空间都是依照自然法则形成的，这些自然法则是无法在这样的世界里被打破的。如果它们被打破，这个世界便会产生很多无法预料的结果，这不能不说是我们的幸运。在本书靠后的章节里，我们将发现，如果我们能超光速地移动，那么人造时间机器就能回到历史上的任意时刻。可以想象，出于某种目的或是不小心，我们回到了自己出生之前的某个时刻，并阻止了自己父母的相知相识。这类情节经常出现在精彩的科幻小说里，但是真实的世界却无法如此编排，爱因斯坦的研究也表明我们的世界不是那样形成的。时间和空间以一种精妙的方式交织在一起，避免了这些似是而非的观点产生。但是，为了究其原理，我们需要付出代价——必须舍弃一些根深蒂固的关于时空的观念。在爱因斯坦所描述的宇宙中，移动的钟表会变慢、运动的物体会缩小、人们可以到几十亿年之后的未来世界旅行。同样在这个宇宙中，人们的生命可以被无限延长，长到人们可以看到太阳燃尽、海水蒸干，目睹整个太阳系陷入永恒的黑暗。人们还能见证新的恒星以及行星从星尘中诞生的过程，甚至可以看到新的生命萌发在宇宙的某个角落，即使作为他们家园的那颗星球目前还不存在。爱因斯坦的宇宙能开启人们通往遥远未来的高速通道，同时也能将回到过去的大门死死关闭。
看完整本书后，读者们将明白爱因斯坦如何“被迫”得出这如梦似幻的宇宙观，而他的观点又是如何被许多科学实验以及实际科技运用证明是正确的。以车载卫星导航系统为例，它的设计中就考虑到了地球卫星轨道中时钟的走动和地面上时钟的走动快慢不一的问题。爱因斯坦的想法是大胆的：时间和空间的真面目并不是它们表面看上去的那样！
现在，我们有点超前了。在能够充分理解和体会爱因斯坦的非凡发现之前，两个在相对论中占有核心地位的概念值得我们仔细思考，那便是时间和空间。