本書共分五個部分。第一部分“狹義相對論”是這本書的重點(diǎn)，它描述在運(yùn)動速度接近光速時(shí)凸顯出來的時(shí)空特性。出現(xiàn)在大學(xué)和中學(xué)教科書中的正是這一部分內(nèi)容。所以本書列出了較多的問題從各個角度加以闡述。不僅對同時(shí)的相對性、動尺收縮、動鐘變慢、雙生子佯謬、質(zhì)能關(guān)系等相對論效應(yīng)做了盡可能清楚的講解，而且對通常相對論書籍中很少解釋的一些基本問題也著力加以說明，例如狹義相對論最核心的思想是什么，愛因斯坦如何完成最關(guān)鍵的思想突破，為什么要“約定”(規(guī)定)光速，為什么光速在相對論中處于核心地位，為什么相對論的締造者是愛因斯坦而不是其他人，等等。弄清這些問題對于老師把握相對論的理論至關(guān)重要。
第二部分“廣義相對論”是狹義相對論的推廣和發(fā)展，廣義相對論認(rèn)為萬有引力不是一般的力，而是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)。相對論專家惠勒這樣形象地解釋愛因斯坦的廣義相對論：“物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動�！北緯谶@一部分中，盡可能通俗地介紹了廣義相對論的理論基礎(chǔ)、框架和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并簡明地講解了它的數(shù)學(xué)工具——黎曼幾何。廣義相對論是愛因斯坦一生最得意的杰作。他曾說過：“狹義相對論如果我不發(fā)現(xiàn)，5年之內(nèi)就會有人發(fā)現(xiàn)；廣義相對論如果我不發(fā)現(xiàn)，50年之內(nèi)也不會有人發(fā)現(xiàn)。”
第三部分“黑洞”和第四部分“宇宙學(xué)”是目前相對論研究魄兩個最重要的前沿領(lǐng)域，也是青少年最感興趣、媒體上不斷出現(xiàn)的科學(xué)內(nèi)容。
黑洞最初被認(rèn)為是一顆只進(jìn)不出的看不見的星，后來發(fā)現(xiàn)黑洞有溫度和熱輻射。本書闡明了黑洞的這些特點(diǎn)，列出了最近關(guān)于黑洞理論的“打賭”和爭論的問題，同時(shí)還介紹了伴隨黑洞理論而升起的一顆科學(xué)界的明星——霍金�；艚鹗抢^愛因斯坦之后對相對論貢獻(xiàn)最大的人。他曾說過一句名言：“當(dāng)愛因斯坦講‘上帝不擲骰子’的時(shí)候，他錯了。對黑洞的思索向人們揭示：上帝不僅擲骰子，而且有時(shí)還擲到人們看不見的地方去了。”
相對論是青少年最感神奇，也覺得最為難懂的科學(xué)理論。不過，狹義相對論誕生（1905年）至今已經(jīng)100多年了，廣義相對論也將要迎來它的100歲生日（1915年），相對論已不再是最新的科學(xué)理論。今天的科學(xué)發(fā)展水平和教學(xué)條件已經(jīng)完全有可能讓青少年對相對論有一個初步的、基本正確的了解。這對于提高他們的科學(xué)素質(zhì)，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和探究能力，增強(qiáng)他們的學(xué)習(xí)興趣，拓寬他們對客觀世界的認(rèn)識都非常重要。
目前，大學(xué)物理專業(yè)的“普通物理”和“理論物理”課，以及非物理專業(yè)的“大學(xué)物理”、“近代物理’’課中，都會講授狹義相對論（一般不講廣義相對論）。中學(xué)課程改革后的高中物理課本中，也在選修部分加進(jìn)了狹義相對論的初級內(nèi)容。然而，由于相對論的時(shí)空觀念與經(jīng)典物理學(xué)以及人們生活中的直觀感受有很大不同，老師和同學(xué)往往覺得理解上非常困難。對于同學(xué)提出的五花八門的問題，老師感到難以招架。許多中學(xué)老師干脆略去課本中的相對論部分，反正是“選修”，不選也可以。大學(xué)老師無法略去不講，于是下了很大工夫去鉆研，但許多人仍感到底氣不足，擔(dān)心講得不對誤人子弟，也擔(dān)心講錯了面子上過不去。
筆者長期從事相對論的研究與教學(xué)，經(jīng)常做科普講座，同時(shí)參與了大學(xué)與中學(xué)的課程改革，對老師感受到的困難深有體會。
一、狹義相對論
1．什么是相對論?
2．什么是以太理論?相對論誕生前夜以太理論遇到了哪些困難?
3．什么是光行差效應(yīng)?
4．邁克耳孫實(shí)驗(yàn)說明了什么?
5．相對論誕生前夜電磁理論遇到了什么困難?
6．什么是洛倫茲收縮?
7．什么是洛倫茲變換，它與伽利略變換有何不同?
8．狹義相對論建立在哪兩條公理的基礎(chǔ)之上?
9．相對性原理最初是如何提出的?
10．牛頓的“水桶實(shí)驗(yàn)”是怎么回事?牛頓與馬赫如何解釋這一實(shí)驗(yàn)?
11．相對論誕生前夜，物理學(xué)界對相對性原理有什么爭論?
12．光速不變原理是如何建立的?
13．愛因斯坦是如何建立狹義相對論的?
14．什么是“同時(shí)的相對性”?
15．怎樣從洛倫茲變換導(dǎo)出同時(shí)的相對性?
16．相對論如何解釋洛倫茲收縮?
17．什么是動鐘變慢效應(yīng)?
18．什么是雙生子佯謬?
19．什么是多普勒效應(yīng)?
20．星際飛船上的宇航員會看到什么景象?感受到哪些相對論效應(yīng)?
21．相對論的速度疊加公式怎么寫?可以用速度疊加達(dá)到或超過光速嗎?
22．相對論的質(zhì)量公式是什么?可以把火箭加速到光速嗎?
23．為什么相對論中的光速是極限速度?
24．如何理解質(zhì)能關(guān)系式E=mc2?經(jīng)典力學(xué)中的動能與相對論能量之間有什么關(guān)系?：
25．什么是狄拉克真空?
26．什么是反物質(zhì)?反物質(zhì)是如何預(yù)言和發(fā)現(xiàn)的?
27．時(shí)間有什么特點(diǎn)?什么是時(shí)間的“流逝性”和“測度性”?
28．如何確定“相繼時(shí)間段”的相等?
29．不同地點(diǎn)的鐘如何校準(zhǔn)?為什么說真空中光速各向同性是一個約定?
30．為什么測量的光速都是雙程光速，不可能測量單程光速?
31．相對論中空間距離如何測量?
32．為什么說光速在相對論中處于核心地位?
33．什么是四維時(shí)空?
34．建立狹義相對論最困難的思想突破是什么?
35．為什么相對論的締造者是愛因斯坦而不是其他人?
36．?dāng)?shù)學(xué)大師龐加萊如何評價(jià)愛因斯坦的工作?
二、廣義相對論／45
1．狹義相對論遇到什么重要困難?
2．針對上述困難，愛因斯坦有什么新思路?
3．什么是馬赫原理?
4．什么是引力質(zhì)量?什么是慣性質(zhì)量?
5．什么是等效原理?
6．愛因斯坦升降機(jī)是怎么回事?
7．為什么說等效原理只在一點(diǎn)的鄰域嚴(yán)格成立?
8．在相對論中慣性系如何定義?
9．非歐幾何是怎樣建立的?
10．歐氏、羅氏和黎氏幾何各有什么特點(diǎn)?
11．愛因斯坦怎樣構(gòu)建廣義相對論?
12．能否簡單介紹一下廣義相對論?
13．能否對彎曲時(shí)空做一個形象的比喻?
14．廣義相對論有哪些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?
15．什么是引力紅移?
16．什么是行星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動?
17．什么是光線偏折?
18．什么是引力波?
19．引力波是怎樣提出的？
20．目前檢測到引力波了嗎?
21．廣義相對論建立后有哪些重要進(jìn)展?
三、黑洞
1．什么是黑洞?
2．黑洞是怎樣形成的?
3．作為黑洞邊界的事件視界是怎么回事?奇點(diǎn)與奇環(huán)是怎么回事?
4．什么是“時(shí)空坐標(biāo)互換”?什么是單向膜區(qū)?
5．落向黑洞的飛船能夠掉進(jìn)黑洞嗎?
6．什么是白洞?
7．轉(zhuǎn)動帶電的黑洞有什么特點(diǎn)?
8．什么是黑洞無毛定理?
9．什么是奇性定理?
10．什么是宇宙監(jiān)督假設(shè)?
11．什么是黑洞面積定理?黑洞熱力學(xué)是怎么回事?
12．什么是霍金輻射?
13．黑洞的負(fù)比熱是怎么回事?
14．什么是黑洞的信息疑難?
15．信息不守恒會產(chǎn)生什么影響?
16．霍金對信息疑難有什么看法?
17．解決信息疑難的前景如何?
四、宇宙學(xué)
1．為什么愛因斯坦不把廣義相對論用于量子論的研究，而把它用于宇宙學(xué)的研究?
2．什么是宇宙學(xué)原理?
3．愛因斯坦主張的“有限無邊靜態(tài)宇宙”是怎么回事?
4．什么是宇宙學(xué)常數(shù)?
5．什么是膨脹宇宙模型和脈動宇宙模型?
6．什么是哈勃定律?
7．什么是火球模型?
8．如何理解宇宙的“大爆炸”?
9．為什么說宇宙學(xué)紅移不是多普勒效應(yīng)?
10．為什么河外星系的退行速度可以“超光速”?
11．宇宙年齡有多大?宇宙的可觀測距離又有多大?
12．哪些觀測結(jié)果支持了大爆炸宇宙模型?
13．宇宙如何創(chuàng)生?宇宙極早期是什么情況?
14．宇宙到底有限還是無限?
15．什么是暗物質(zhì)?
16．什么是暗能量?
17．有沒有時(shí)空隧道?能不能制造時(shí)間機(jī)器?
8．制造“可通過蟲洞”和“時(shí)間機(jī)器”有什么困難?
五、愛因斯坦
1．愛因斯坦究竟是哪國人?
2．中、小學(xué)時(shí)代的愛因斯坦是優(yōu)秀學(xué)生嗎?
3．愛因斯坦為何贊揚(yáng)阿勞中學(xué)的教育方式?
4．愛因斯坦的大學(xué)生活有什么特點(diǎn)?
5．愛因斯坦怎樣開始自己的科學(xué)生涯?
6．愛因斯坦的家庭、婚姻狀況如何?
7．為什么說沒有比專利局對愛因斯坦更合適的工作單位了?
8．在愛因斯坦的成長過程中有哪些值得注意之處?
9．什么是“奧林匹亞科學(xué)院”?它對愛因斯坦的成長有什么影響?
10．為什么說1905年是愛因斯坦的豐收年?
11．提名授予愛因斯坦諾貝爾獎的領(lǐng)域有哪些?
12．授予愛因斯坦諾貝爾獎的理由是什么?為什么說愛因斯坦
未因創(chuàng)立相對論獲諾貝爾獎?
13．此后頒發(fā)的哪些諾貝爾獎與愛因斯坦的成就有關(guān)?
14．愛因斯坦怎樣看待自己取得成就的原因?
15．愛因斯坦有哪些主要后繼者?
16．霍金怎樣成長為卓越的學(xué)者?他的主要成就有哪些?
主要參考文獻(xiàn)
愛因斯坦是在長時(shí)間的反復(fù)思考之后，才得出這一原理的。早在他的相對論論文發(fā)表之前一年多，他就認(rèn)識到相對性原理和麥克斯韋電磁理論都是大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)的理論，都應(yīng)該堅(jiān)持。但這樣導(dǎo)致的“光速不變”結(jié)論似乎與建立在伽利略變換基礎(chǔ)上的速度疊加法則以及人們的日常觀念相矛盾，愛因斯坦覺得“這真是個難解之謎”。
1905年5月的一天，他帶著這一問題專門拜訪了他的好友貝索（“奧林匹亞科學(xué)院”的一位成員）。經(jīng)過一下午的討論，愛因斯坦突然明白了，問題出現(xiàn)在“時(shí)間”上，通常的時(shí)間概念值得懷疑�！皶r(shí)間并不是絕對確定的，而是在時(shí)間與信號速度之間有著不可分割的聯(lián)系。有了這個概念，前面的疑難也就迎刃而解了”。他認(rèn)識到如果堅(jiān)持把相對性原理和光速不變（即光速與觀測者相對于光源的運(yùn)動速度無關(guān)）都看做公理，異地時(shí)鐘的“同時(shí)”將是一個相對的概念。5周之后，愛因斯坦開創(chuàng)相對論的論文就寄給了雜志社。
貝索是一個一事無成者的典型。他一生都在聽課、學(xué)習(xí)，課聽了一門又一門，書學(xué)了一本又一本。他還喜歡與別人爭論，反駁別人的意見，但從不想自己去完成一件獨(dú)立的工作。這次與愛因斯坦的討論，大大地啟發(fā)了愛因斯坦，但他自己并未搞清啟發(fā)了愛因斯坦什么。當(dāng)愛因斯坦感謝他在討論中幫助了自己時(shí)，他感到茫然。愛因斯坦在這篇創(chuàng)建相對論的劃時(shí)代論文的最后感謝了貝索對自己的幫助和有價(jià)值的建議。貝索十分激動，說：“阿爾伯特，你把我?guī)нM(jìn)了歷史�！�
愛因斯坦1922年在日本京都的一次演講中曾提到他與貝索的這次討論。討論使他認(rèn)識到兩個地點(diǎn)的鐘“同時(shí)”，并不像人們通常想象的那樣，是一個“絕對”的概念。物理學(xué)中的概念都必須在實(shí)驗(yàn)中可測量，“同時(shí)”這個概念也不例外。而要使“同時(shí)”的定義是可測量的，就必須對信號傳播速度事先要有一個約定。由于真空中的光速在電磁學(xué)中處于核心地位，愛因斯坦猜測應(yīng)該約定（或者說“規(guī)定”）真空中的光速各向同性而且是一個常數(shù)，在此基礎(chǔ)上來校準(zhǔn)兩個異地的時(shí)鐘，即定義異地時(shí)間的同時(shí)。研究表明，在約定光速并承認(rèn)光速的絕對性（光速不變原理）的基礎(chǔ)上定義的“同時(shí)”將是一個相對的概念。我們看到，定義兩個地點(diǎn)的鐘同時(shí)，必須首先約定光速各向同性而且是一個常數(shù)。要在做相對運(yùn)動的所有慣性系中，都用對光速的同一個約定來定義異地時(shí)鐘的“同時(shí)”，則必須假定光速是絕對的。愛因斯坦曾經(jīng)與貝索等人一起閱讀過龐加萊的書《科學(xué)與假設(shè)》，還可能閱讀過他的另一篇文章《時(shí)間的測量》。在這些著作中龐加萊議論過時(shí)間測量與光速的內(nèi)在聯(lián)系。龐加萊猜測，要測量時(shí)間，要校準(zhǔn)不同地點(diǎn)的鐘，可能首先要對光速有一個約定。
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