描述
开 本: 32开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787559615626
·《自然》《科学》《泰晤士报》《卫报》《独立报》、BBC等力荐物理科普读物！
·《泰晤士报》2017年度科学图书。
·一本引导读者漫游生命、宇宙和世间万物的科普力作！
·继《七堂极简物理课》之后，值得物理爱好者和文科生期待的物理科普书！
当牛顿坐在他的花园里时，他看到了过去任何人都没有看到的东西：一个苹果吸引了整个世界，同时地球吸引了这个苹果。这是通过自然的相互作用力做到的，这种力让一切事物得以存在，从行星直到恒星，一切都生存在统一的怀抱里。
牛顿与爱因斯坦都曾受到了下落物体的启发，创建了他们的引力理论。从下落的苹果上，牛顿看到了月球的下落，并统一了地球与天空。在从屋顶下落的人的想象中，爱因斯坦看到了引力的虚幻。他们都知道，什么叫做“独自在思想的奇妙大海中扬帆远航”。
牛顿的万有引力定律不但能够解释行星的运动，也能够解释大洋上的海潮；不但解释了我们看到的现象，而且能够揭示我们看不到的现象，让我们能够画出我们的太阳系中不可见世界的地图。而爱因斯坦意识到，在某个显然更为基础、并直接影响引力的问题上，牛顿是错误的：这就是空间与时间的本质。只有爱因斯坦意识到，我们生活在扭曲的时空中，而且事实上，这个扭曲的时空就是引力。爱因斯坦的引力理论正确地预言了光的弯曲、水星近日点的进动、时间在强引力下的放慢。但这个理论也有缺陷：它预言了荒谬绝伦的奇点，并且它无法解释黑洞的核心，也无法解释时间的开始。
引力的量子理论比爱因斯坦的理论更为深刻，但它能让我们翘曲航行，制造时光机，从而操纵空间，进入平行宇宙吗？当我们*终掌握了这一难以捉摸的理论之后，我们将能够回答一切科学问题中*重大的几个：什么是空间？什么是时间？什么是宇宙？它来自何方？
屏住呼吸，准备凝视即将出现在地平线上的魔幻视界吧。谁会知道，在这个尚待发现的国度中，我们将会找到些什么？
部分 牛 顿
1 月球正在下落 —— 002
牛顿如何发现了个可以应用于任何地点与时间的普遍定律
2 后一位魔法师 —— 030
牛顿如何创造了一个世界体系，并找到了理解宇宙的钥匙
3 注意三月的潮汐 —— 039
牛顿的引力理论具有何等丰富的结果，它不但能够解释行星的运动，也能够解释大洋上的海潮
4 不可见世界的地图 —— 077
以何种方式，牛顿引力定律不但解释了我们看到的现象，而且能够揭示我们看不到的现象
第二部分 爱因斯坦
5 有本事就追上我 —— 106
爱因斯坦如何认识到，任何物体的速度都无法超过光速，而这一点与牛顿的引力定律相悖
6 给一位下落者的颂歌 —— 133
爱因斯坦如何认识到，引“力”是一个幻觉，真实的只有扭曲的时空
7 上帝被除以零的地方 —— 172
爱因斯坦的引力理论是怎样预言在黑洞的“奇点”上将会出现疯狂现象的。需要更深刻的理论
第三部分 爱因斯坦之后
8 时空量子 —— 194
量子理论以怎样的方式暗示，空间与时间在劫难逃，它们必定起源于某种更为基础的东西
9 尚待发现的国度 —— 216
寻找比爱因斯坦的引力理论更为深刻的理论的斗争：它将告诉我们，为什么会有一个宇宙，以及它来自何方
注 释 —— 251
致 谢 —— 297
前 言
有关引力，你可能不知道的六件事：
1 在你和你口袋中的硬币之间，在你和街道上与你擦肩而过的行人之间，引力创造了一种吸引力。
2 这种吸引力非常弱。如果你伸出手来，整个地球的引力都不足以战胜你的肌肉的力量。
3 尽管很弱，但引力在宏观范围内是不可抗拒的，它控制着整个宇宙的进化和命运。
4 人人都认为它在吸引，但在宇宙的大部分地方它在排斥。
5 如果在宇宙大爆炸之后它没有“启动”，时间将在此后失去方向。
6 只有在理解了它之后，我们才能回答一切问题中重要的那个：宇宙来自何方？
在路易斯安那州的利文斯顿（Livingston in Louisiana）和华盛顿州的汉福德（Hanford in Washington State），两地各有一把激光形成的4千米长的尺子。2015年9月14日，美国东部夏令时5时51分，位于利文斯顿的尺子首先发生了振动，而在6.9毫秒之后，位于汉福德的尺子也发生了振动。毋庸置疑,这是恰好经过的引力波的标志，是在时空本身的经纬上的一道涟漪。差不多刚好100年前，爱因斯坦预言了这一现象的存在。
在一个异常遥远的星系，当地球的尺寸不超过一个单一细菌那么大的时刻，两个超级黑洞互相纠缠着相互旋转，开始了它们一生中后一次死亡盘旋。就在它们拥抱接吻成为一体的瞬间，相当于整整三个太阳系的质量消失了，但同时，又像扭曲时空的海啸一般重新出现，以光速向外喷射而出。在这一刹那间，它的功率达到了宇宙中所有恒星加在一起的功率的五十倍。
2015年9月14日，激光干涉引力波天文站（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，LIGO）的双子探测器探测到了引力波，这是科学史上一个划时代的时刻。这就如同你从出生的那一刻起一直失聪，然后，突然有一天，一夜之间，你能够听到声音了。对于物理学家与天文学家来说，情况正是如此。有史以来，我们能够“看到”宇宙。而现在，我们终于能够“听到”它了。引力波就是太空的声音。如果说，引力波的检测是自1608年望远镜的发明以来天文学重要的发展 ，这话并没有多少夸张的成分。
引力波证实，时空本身确实是一种“物质”，它能够振动与颤抖，向外传递波纹，形如池塘中扩散的涟漪。爱因斯坦认为，引力是扭曲的时空，这一实验后证实了他的论点。尽管在牛顿的想象中，吸引之“力”来自太阳，如同看不见的橡皮筋那样网住了地球，但爱因斯坦认识到，在它自己的邻近区域内，太阳创造了一个时空的低谷，而地球则永无止歇地围绕这个低谷旋转，就好像一个行星大小的轮盘球在超大型的轮盘上运行一样。
尽管牛顿的引力理论取得了绝大的成功，解释了行星与大洋潮汐的运动，甚至预言了海王星这一未知世界的存在，但爱因斯坦的引力理论也同样成功。它解释了水星的反常运动，预言了黑洞的存在和宇宙从中诞生的大爆炸。但如同在它之前的牛顿引力理论一样，爱因斯坦的引力理论包含着让它自己毁灭的种子。它预言，在宇宙诞生的时刻和在黑洞的中心，都存在着无可索解的“奇点”，物理参数在那里飙升，直至无穷大。
这其中的讽刺意味是，引力是科学个描述的力，也是大家认为早被理解了的力，但实际上，它却是人们对之认识浅薄的力。借用温斯顿·丘吉尔（Winston Churchill）的话来说：引力是“一个谜，存在于不可思议的事物之中，外面裹着层层神秘”。
现在，正当21世纪刚刚开始之际，我们面临着一场新的革命。人们正在寻找一个比爱因斯坦的理论更为深刻的理论：引力的量子理论。这是物理界有史以来展开的努力。人们已经遥望新世界，瞥见了几抹令人心痒难挠的风景。或许，另一个牛顿或者爱因斯坦正在一边跃跃欲试，正在用谜团一样的那些一块块互相勾连的积木搭成具有内在联系的整体。或者，另外一种更为可能的情况是，这份工作将需要数十成百人齐心协力。许多物理学家相信，有关真实的看法，我们现在正处于一场翻天覆地的变迁的前夜，这次变迁的后果的意义将远比以往任何一次都更深远。
这种理论比爱因斯坦的理论更为深刻，但它能让我们翘曲航行，制造时光机，从而操纵空间，进入平行宇宙吗？就像前电子时代的人们无法预言电视机、移动电话和万维网一样，没有任何人能够预言这一点。但我们能够确知的是，当我们终掌握了这一难以捉摸的理论之后，我们将能够回答一切科学问题中重大的几个：什么是空间？什么是时间？什么是宇宙？它来自何方？
但我不想一下子往前讲得太远。我们是如何走到了今天这一步，站到了物理学无垠处女地的边界线之前的呢？这个故事的个主角是时年23岁的艾萨克·牛顿（Isaac Newton）。当时正是1666年，欧洲历史上的瘟疫之年……
期待温暖人心的智者与科学界天才的降临。
——《自然》（Nature）
有关这方面的历史，乔恩的书为读者与他们的内心世界做出了引人入胜的介绍。
——《科学》（Science ）
引力是*弱的自然基本力，也是宇宙命运的控制者。这是一部有关引力的有趣指南，时常令人感到不可思议。
——《泰晤士报》（The Times）
有本事就追上我
“追上一束光，那会怎么样？”正是这个问题，终将让爱因斯坦走上不朽之路，而当他提出时年仅16岁。但令人沮丧的是，他从来没有告诉任何人，他到底是在什么样的具体情况下提出了这样一个关键问题的。因此我们只得猜测。我们知道，1896年初，他是在距离苏黎世（Zurich）以西30英里的瑞士城镇阿劳（Aarau）读书的时候构想这个问题的，当时他正在温特勒（Winteler）家寄宿。
我想象，当时，阳光透过他租住的阁楼房间的窗户，让他醒了过来。一株菩提树的树枝摇曳着，将阳光切割成无数闪光的片段，它们在他床边的墙上如同万花筒般狂舞。他像一个孩子那样伸出了手，试图抓住一朵抖动着的光斑。很明显，他因为墙纸上变幻的形状而发呆，结果他没有掀开被子，一直到他的入定状态被轻轻的敲门声打破。“爱因斯坦先生！”这是玛丽·温特勒（Marie Winteler），房东芳龄18的漂亮女儿，她对他芳心暗许。“爸爸让我告诉你，可以吃早饭了。”
在我的想象中，那天晚些时，在阿尔高州立学校（Aargau Cantonal School）里，他坐在一间高屋顶的教室的书桌旁，无所事事地盯着阿劳河（River Aare）发呆。来得突然去得也突然，一直把窗户敲打得噼啪作响的雨已经停了。当浓密的云朵飘然离去的时刻，一道神圣之光似乎从天而降，把君临这座瑞士小镇的阴郁夜色一切两段。就在它击中了黑色河流的地方，水波粼粼，波光闪烁，犹如一蓬钻石在闪光。此情此景，让少年爱因斯坦目眩神迷，结果，老师在讲交流发电机的线路图，而他连一个字也没听到，一直到他的沉思被学校校长奥古斯特·图持斯米德博士（Doktor August Tuchschmid）的吼声打断：“爱因斯坦先生！我诚挚地为打扰您表示道歉。或许，在我们余下的半个小时之内，您可以有一段时间赏光注意听讲，给我们一点点尊重？”
这天晚上，我看到爱因斯坦和玛丽·温特勒手拉着手在阿劳狭窄的街道上跑过，他们的脚在水洼上溅起水花，两个天真无邪的少男少女一路欢笑。尽管全身都湿透了，但他们却浑不在意，而且突然停下了脚步。他把她拉进怀中亲吻。越过她的肩膀，他看到沿街排布的煤气街灯那些怪异的绿色光晕。它们一直延伸到远处，慢慢汇聚在一起，闪光也变得越来越小，越来越暗。在如同油一样的黑水洼上，他看到了这些灯光的倒影，同样也看到了满月的倒影，就像一盏淘气的灯，它挣脱了地球，扶摇飘荡，飞到九天之上。他没有继续吻下去，而是抬头望去。
“阿尔伯特？”
他整天都因为光而神不守舍。他整天想着的都是光。他整天都在问自己同一个逼人的问题：我们对光的理解错在哪里？答案就在问题当中，但他的问题实在太模糊、太不严密，叫人无法考虑。
他的女朋友和他说话，但他头脑中的思绪已经到了千万里外。月光跨越了漫长的空间，进入了他的眼帘。他想象着它的这段旅程：跨越冰冷的真空，以每小时10亿千米的速度疾驰，这时他的心脏漏跳了一拍。突然，他知道了他应该问什么问题；就是这个问题，让他有了打开大门、步入新世界的潜力。事情如此明显，他简直无法相信，他过去从来没有想到这一点。
“阿尔伯特，你在想些什么？”
即使他还没有回答，她也知道，这将是一件她永远永远也猜不到的事情。尽管他才只有16岁，但他对这个世界的看法与其他人十分不同，他的想法与每个人都不一样。她在他的房间里看到过他一直钻研到凌晨的那些课本，它们好像也是用难以索解的文字书写的。她知道她无法和他一起一路走去，无法进入他的世界。她突然有了一种预感，似乎她很快就会让他感到厌烦，然后他就会离开她，这让她的眼睛中泛起了泪花。
“我在想些什么？”他说，好像从梦中惊醒。
“是的。”她用外衣的袖子抹去了泪珠，但他没有注意到这一点。
“我在想，追上一束光，那会怎么样？”
眼珠转了转，她抓住他的手，拉着他回家。
“阿尔伯特，你多么奇怪啊。”
当然，这段文字不过是幻想而已，但想象是很有趣的！当16岁的爱因斯坦构思他的关键问题时，人们认为光是一种波动，就像在池塘表面泛起涟漪的水波一样。这并不是一项明显的事实，因为光波的两个连续波峰之间的距离非常小，比人的一根头发的直径还要小得多。但在1801年，一位名叫托马斯·杨（Thomas Young）的英格兰物理学家做了一个天才的实验，这个实验证实了光的波动本质。4尽管如此，对于光究竟是什么，任何人都没有丝毫的认识。
1863年，一切都变了。在一份理论性的惊世杰作中，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwel）成功地把所有电现象与磁现象总结在一套工整的公式里。“麦克斯韦方程”描述了一个变化中的电“场”是如何创造一个磁场的，而一个变化中的磁场又是如何创造一个电场的。把电与磁编织到一起，使之成为一件天衣无缝的衣服，这是继牛顿统一了天空与大地、查尔斯·达尔文统一了人类与动物界之后，科学的第三次伟大的统一。
在检查自己的优雅方程时，麦克斯韦注意到了一件令他非常意外的事情。这些方程允许波在弥漫在空旷的空间中的电场与磁场中传播。而这还没有完。波动具有一个值得注意的性质：它以光在真空中的速度传播。对于麦克斯韦来说，这一点不但令他吃惊，而且具有明显的含义。光必定是一种“电磁波”。麦克斯韦不但发现了电与磁之间的联系，而且发现了电、磁和光之间的联系。
两年之内，麦克斯韦的理论便获得了非凡的科技上的成功。按照苏格兰物理学家的“配方抓药”，德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）实际上创造了人工电磁波。1886年11月，通过使用电火花为“发射器”，他播出了看不见的“无线电波”。7这些电波在他的实验室另一端的一个作为“接收器”的线圈中感应了电流。
在我们这个全球超级互联的世界里，10亿种声音在我们周围的空气当中进行着看不见的持续交谈，而这个世界就诞生在1886年的那一天里。20世纪美国物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）说：“如果有人对人类的历史进行一次长程回顾，例如说，由今后1万年的人做这样的回顾，我们几乎用不着怀疑，在他们眼中，19世纪重大的事件，将是麦克斯韦发现电动力学定律。”
但是，尽管取得了如此之多的成功，麦克斯韦的理论还是给物理学造成了一个非常严重的问题。这就是，它与伽利略与牛顿的运动定律不匹配。
所有的波动都需要通过某种媒介传播涟漪——水波通过水，声波通过空气。人们把光在其中传播的媒介命名为“以太”。9由于以太的存在，一个不可避免的后果就是，任何人对一束光线的速度所做的测量，必定取决于他以多快的速度在这种媒介中运动。比如说，你正站在一条航行中的小船上。风吹在你脸上的速度，取决于这条小船是逆着风运动，还是顺着风前进。但麦克斯韦方程的古怪之处就在于，它们完全没有提及任何携带光的媒介。反之，它们包括而且只包括了一个光在真空中的速度。它是一个不变的常数，完全不受它存身于其中的世界的任何影响。
由此得到的明显结论就是，麦克斯韦的方程有错，需要加以修正。不管怎么说，它们是科学大厦的后进晚辈。而另一方面，牛顿的运动定律是在差不多两百年前建立的，而且，从建立之日起，没有任何人发现过一个单一的例子，说明实际情况偏离了预言。现在考虑爱因斯坦，他不仅因为赫兹对麦克斯韦方程的戏剧性确证而神迷，而且因为这些方程的美感而心醉，因为在他的眼中，这种品质是其正确性的有力说明。
牛顿曾在他的笔记本中写道：“柏拉图为吾友也，亚里士多德亦为吾友也，然真理为吾挚友。”具有讽刺意味的是，正是因为爱因斯坦百分之百地赞同他的先行者的这种感情，这才让他有了这样的鲁莽精神去怀疑牛顿。而正是因为这个原因，他才会以16岁的少年之身，对自己提出这样的关键问题：追上一束光，那会怎么样？
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