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《上帝的方程式:爱因斯坦、相对论和膨胀的宇宙》pdf




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亿万先生 科普

更新时间:2017年7月29日

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前言
    1998年1月,我们对宇宙的理解彻底地改变了。天文学家找到
了宇宙正在以日益增长的速率膨胀的证据。这个新发现一经宣布,
世界各地的宇宙学家们就急急忙忙地试图解释这个隐晦的现象。科
学家们能够提供的最有希望的理论是阿尔贝特·爱因斯坦(Albert
Einstein)在80年前曾经提出过但很快又撤回的那个理论,他将它称之
为他最大的错误。每年都有新的发展证明爱因斯坦的理论的正确
性。但是,如果宇宙学家们的新的评价是正确的,那么爱因斯坦即
使当他以为自己错了的时候,他实际上还是正确的。

第一章 爆炸的恒星
    索尔·珀尔马特坐在俯视圣弗朗西斯科湾的伯克利山高处他的办
公室中,注视着金门大桥下的落日。太阳越来越红,它的外形分层
为一片片的长方形状,它们接着慢慢地消失在蓝灰色的太平洋远处,
真是无比壮观的景象。他懂得为什么落日会是红的,为什么天空会
是蓝的一一索尔·拍尔马特是一位天体物理学家。现在,恰恰正是
这个地球上如此普通并且千百万人每天从山顶或沙滩,或从摩天大楼
顶上的饭店观察得到的现象,使他感到困惑,他不清楚这个现象对他
看到的宇宙那一边那些爆炸的星球意味着什么。

第二章 早年的爱因斯坦
    宇宙常数是爱因斯坦插人,后来又被移去,他的引力场方程
中的一项。这个场方程是爱因斯坦在20世纪20年代发展的广义相
对论的结果,是他的研究工作的王冠上的明珠。这是一个如此强有
力的,能洞察爱因斯坦之前无人能明白的潜在自然法则的方程,它的
预见功能令人惊愕。自它问世以来,每隔10年,这个方程就会以预
料不到的方式一次又一次显示它的正确性。一个人怎么会对我们宇
宙的秘密了解得如此清楚?

第三章 布拉格,1911年
    爱因斯坦认为相对论,他已经建立的“狭义的”相对论在
无巨大质量的物体的环境中是正确的。质量,还有引力,则需要另
一种理论。现有的引力理论是由伊萨克·牛顿三个世纪之前创立
的,但是一旦理解了狭义相对论,那么很清楚,牛顿的理论只是一种
极限情形,对于速度远远小于光速的世界是正确的。因此,爱因斯
坦得出结论:有两种理论,即狭义相对论和牛顿的引力论。在特定
的极限情形下,它们都是对的:牛顿理论在低速的世界中是正确的,
但是在光以及它的速度-一以宇宙极限一一起作用的宇宙中必须加以修正。

第四章 欧几里得的谜语
    崎岖的俄勒冈州海岸上耸立着海拔高达1000英尺的珀佩图亚呷
角,太平洋高高的拍岸巨浪以极精确的规律凶猛地撞击着它下方的多
岩的小港。高耸于深蓝色的洋面上空,珀佩图亚呷角真是独一无二
的。站在娜角顶端的人能清楚地看到地球是圆的,可以看到观察者
面前的巨大的海洋在目所能及的各个方向上渐渐地向下弯曲。当小
船驶离时,在观察者看来,它似乎沿着地球的球形表面长时间地向下
滑动,慢慢地消失在这个巨大的蓝色球体的背后。

第五章 格罗斯曼的笔记本
    爱因斯坦虽然是一个任性的不安分的学生,但是,为了他的革命
性理论他需要坚实的数学基础。他获得的大部分数学知识是从一位
品行良好的学生马塞尔·格罗斯曼的笔记本中得到的。马塞尔·格
罗斯曼(1878-1936)出生于布达佩斯一个有着很多代瑞士血统的家庭
中。当他15岁时,格罗斯曼回到瑞士完成高中的学业,从18%年到
1900年在苏黎世理工学院学习。格罗斯曼在苏黎世的大学中学习数
学,专修几何学,并获得了这个领域中的博士学位。后来他写过关
于非欧几里得几何学的论文和教科书。

第六章 远征克里米亚
    由于德国对俄国宣战,俄国在黑海边逮捕了一名德国科学家并将
其转解到敖德萨。埃尔温·芬莱·弗罗因德利希被怀疑是德国间
谍。他当时正带着看上去有点古怪的装备—望远镜-在旅行。
他的装备被没收,而他则被拘押至8月底,那时他和他的小组与德国
拘押的俄国高级军官做了交换。在他整个被囚禁期间,弗罗因德利
希坚称他是一名科学家,此行是为了观测日食。回到柏林后,弗罗
因德利希拜访了爱因斯坦。为什么弗罗因德利希要冒生命危险到一
个正与他自己的国家交战的国家去旅行?他想在那里干什么?他与爱
因斯坦这样一个曾放弃德国国籍,只是后来又重新取得德国国籍并迁
居柏林的德国科学家到底是什么关系?

第七章 黎曼度量
    格奥尔格·弗里德里希·伯恩哈德·黎曼(Georg Friedrich
Bernhard Riemann, 1826-1866)出生于德国汉诺威附近的布雷泽伦茨的
小村庄中一个(基督教新教)路德宗牧师的家中,在r4个孩子中排行第
二。黎曼在贫困的家境中长大成人,并且在他短促的一生中一直健
康状况不佳。曾有人说过,如果黎曼健康稍佳并且活得稍微长一点
的话,那么好几个数学分支的发展将会快得多。
    黎曼在6岁时就显露出数学天才,当时他不仅能解答向他提出的
任何算术问题,而且能对他的那些大感困惑的教师提出新的问题。
10岁时,黎曼由一位专业教师给他上数学课,这个教师发现黎曼对问
题的解法比他自己的还好。到了14岁,黎曼发明了一种万年历作为
礼物送给他的父母。

第八章 柏林:场方程
    1913年7月3日,柏林的普鲁士科学院以21票对I票的投票接受
爱因斯坦为院士。1914年4月6日,爱因斯坦和他全家迁居柏林。
    与米列娃分手后,爱因斯坦居住在柏林西南部维尔默斯多夫的中
下阶层聚居区维特尔斯巴赫街13号的一套单身汉住房中。这套住房
位于一条安静的两旁种着树的街上的一幢建筑式样毫不起眼的多层楼
房中。今天,这个地区混居着外国人和土生土长的柏林人。绝大多
数的阳台上放着做装饰的种着天竺葵的花盆。这里街道上停放的汽
车常常是中小型的廉价日本货,而不是在柏林许多别的地区见到的奔
驰和宝马。这座楼房没有什么标志表明20世纪最伟大的物理学家曾
经在这里住过,并在楼上这间普通的住房中完成了神奇的广义相
对论。

第九章 普林西比岛,1919年
    战争使科学家之间的信息交流非常困难。在爱因斯坦发表完整
的广义相对论之后不久,荷兰天体物理学家威廉·德西特(Willem de
Sitter, 1872-1934)得到了这篇论文。他知道在英吉利海峡的那一
边,另一位名声显赫的天体物理学家一定会很乐意读到爱因斯坦奇妙
的理论—气片且,他比其他人更能确切地领悟爱因斯坦的杰作的复杂
难懂的细节。但是怎么能做到呢?战争正在蔓延,要将一个文件送
到英国并不容易。德西特设想了一个秘密计划,设法将爱因斯坦的
论文走私进英国,并一路送到伦敦,最后送达收件人:阿瑟·爱丁顿
(1882-1944)。

第十章 联合会议
    1919年6月,爱因斯坦结束他在苏黎世的工作回到柏林。爱因
斯坦模模糊糊地知道在5月份英国人曾试图在日食期间去证实他的广
义相对论的预言。但是爱因斯坦尚未被告知这些远征已经按计划进
行,结果已经得到并且这些结果肯定了他的理论。尽管他花了如此
多的时间和精力研究不是他主要兴趣的一些领域—实用天文学、气
象学以及别的一些与日食期间观测星体有关的领域,并且他还去巴结
弗罗因德利希和别的天文学家,这一切都出于极度渴望证明他的理
论一一A旦是却根本没人告知他这件事。

第十一章 对宇宙学的思考
    1917年2月,阿尔贝特·爱因斯坦向普鲁士科学院呈交了一篇标
志现代宇宙学诞生的论文。在这篇论文中,爱因斯坦充分运用了他
新近完成的广义相对论来表述有关宇宙整体的问题。论文的标题是
  “根据广义相对论对宇宙学的思考”。研究者们认为爱因斯坦之所
以将他的思考涉及至整个宇宙是由于恩斯特·马赫思想的影响。

第十二章 空间的膨胀
    在书名为《宇宙常数问题》的一本研究专著中,诺贝尔奖得主物
理学家史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)他是理解广义相对论的爱
因斯坦方程的最细微之处的少数几个人中的一个—写道:“不幸的
是,干脆地将宇宙常数丢弃并不容易,因为任何对真空的能量密度起
影响的因素,其作用就像宇宙常数一样。”补在引人他的宇宙常数
时,爱因斯坦还为科学创造了一种新的数学工具—就连他也无法将
它从世界上带走。这个工具在物理学家和宇宙学家解释有关宇宙的
理论时是否有用现在成了一个重要的问题。

第十三章 物质的本质
    在探求宇宙本质的过程中,科学家面临的最重要的问题之一就是
物质的构成问题。什么是物质?宇宙是由物质主宰的,还是存在别
的在宇宙的演化及其性质中起重大作用的因素?在广义相对论中,关
于物质的问题决定了爱因斯坦的能量一动量张量T的构造。在20世
纪的两个重要的物理学理论:广义相对论和量子论的框架中,物质有
着不同的性状。广义相对论决定了物质(以及空间和时间)的大尺度
性质,而量子论决定了物质的小尺度性质。前者是一种完全决定性
的理论,而量子论在性质上则本质上是概率论的:在量子论中对问题
的回答是用概率分布而不是用精确的数字给出的。量子论,除了它
别的巨大成功之处,也导致一些前所未知的物质粒子的发现。

第十四章 宇宙的几何学
    我们现在面临的是一个有趣的问题:宇宙的整体几何性质是什
么?我们知道局部情况下,即一颗恒星或别的大质量物体附近,空间
是弯曲的。如日食实验做证明的那样,空间围着物体球面发生弯
曲。但是宇宙的整体形状是怎样的呢?几何学是直接与数学方程相
联系的。从爱因斯坦场方程的研究中,我们将得到关于宇宙几何学
的看法。

第十五章 伊利诺伊州巴达维亚,1998年5月4日
    保罗·斯坦哈特一一最年轻一代的物理学家之一一一抢Ii立了新的
宇宙科学。他生于1952年,并于1978年在哈佛大学获得物理学博士
学位。他研究粒子物理,但不久就将其注意力转向宇宙学。斯坦哈
特是宾夕法尼亚大学的教授,研究古思的暴胀模型。不像许多其他
的人那样,斯坦哈特并不承认暴胀为事实—~他要保持思维的自由,
他让数据—天文学的观测结果、宇宙辐射测量结果和别的物理信
息.一一说话。斯坦哈特不久就认识到有趣的并且潜在的非常有前途
的暴胀模型存在一些理论上的问题。其中最要紧和深刻的问题是,
尚不清楚的终止暴胀并且引起其后我们相信现今正在发生的较温和膨
胀的作用过程。

第十六章 上帝的方程式
    爱因斯坦的宇宙常数从未真正地消亡,即使它的发明者已经对它
撒手不管。在他的专著中,史蒂文·温伯格追踪了这个难以捉摸的
常数的奇异经历。公温伯格展示了爱因斯坦的方程加上这个常数后,
如何会使真空的全部有效能量增添一个等于Λ/8πG的项。问题
是,这个常数是否反映了真空中所有的能量,或者说是否还有某种更
多的东西将我们的宇宙向外推。如果宇宙常数负有全部责任,那么
它必须有多大?

参考书目
译后记

内容简介:

  国际知名数学家阿米尔·D·阿克塞尔所著的《上帝的方程式:爱因斯坦、相对论和膨胀的宇宙》一书是他继《费马大定理》之后的又一力作。如果说阿克塞尔在《费马大定理》一书中将枯燥艰深的数学知识写成我们容易明白的东西,那么这本涉及知识和科学家生涯的书——《上帝的方程式:爱因斯坦、相对论和膨胀的宇宙》又是同样的出色,生动有趣。

  在这本拥有大量翔实史科,经与多位知名学者和专家交流、探讨而著成的书中,阿克塞尔让爱因斯坦和爱因斯坦的理论来解释宇宙学中的最新发展,对宇宙本质的研究,并阐述了宇宙学和相对论之间由于爱因斯坦的“宇宙常数”而建立起来的联系。

  本书还揭示了鲜有涉猎的爱因斯坦的人性化的一面,并披露了属私人收藏的爱因斯坦的某些信件。这些信件勾勒了爱因斯坦与其他科学家的人际关系的新视图,其中也讲述了他早期为证明他的强引力将会使光线弯曲的革命理论所作的种种努力。

作者简介:

  阿米尔·D·阿克塞尔(Amir D.Aczel),国际知名的数学家、科普作家。著有经典科普作品《费马大定理》、《几率1》、《商用统计学》等书。他是个说故事的能手,并是翻译爱因斯坦某些信件的第一人。
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