時間的形狀：相對論史話 第八屆文津奬獲奬圖書 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

編輯推薦

1，第八屆國傢圖書館文津奬獲奬圖書；

2，喜馬拉雅、蜻蜓、網易等電颱熱門主播汪潔，曆經五年全新修訂，彩圖升級。

3，一本人人都能讀懂的相對論，用輕鬆幽默的語言講解深奧的科學道理；趣味性兼具 與《上帝擲骰子嗎？》並稱國內科普兩大經典

4，這不單單是一部科普讀物，更是一段堪比好萊塢大片的科學史話。跟隨作者，你將進入浩瀚的宇宙，去體會一種由科學帶來的震撼。

內容簡介

一直以來，你一定會有這樣的疑問：

永恒流淌的時間，是真的摸不著看不見，還是有形狀和終點？

我們所處的空間，是三維四維還是五維？

我們能不能踏上時光機，任意穿越時空迴到過去和未來？

這些，都將在本書中找到答案。

跟隨作者，你可以進入愛因斯坦的夢境，坐在牛頓老師的課堂，來到星光實驗的現場……近距離接觸科學的真相。你將輕鬆瞭解一個你以為深奧得無法捉摸的理論，你將進入一個你以為奇妙得永遠理解不瞭的世界。

本書上部和大傢一起迴顧物理學走過的坎坷曆史，這段曆史的精彩程度不亞於任何一段戰爭史。在伽利略、牛頓等紛紛謝幕之後，愛因斯坦閃亮登場。他就像一位橫空齣世的大俠，無門無派，但齣手即震驚天下，他的絕招就是“相對論”。

書的下部比上部還要精彩，結構宏大，故事神奇，真相驚人。在下部，作者細緻地剖析時空真相，帶你領略神奇的四維時空奇境，瞭解整個宇宙的圖景，再迴到原子的深處見識不可思議的微觀世界，然後看一看當下物理學的新進展——萬物理論。

一本人人都能讀懂的相對論，用通俗幽默的語言講解深奧的科學道理。這不是一本書，這是一個新的宇宙觀。

作者簡介

汪潔，科普作傢。同時兼任中科院上海天文颱“天之文係列科普講壇” 講者，上海天文博物館首席誌願者講解員，浙江省科技館“科學脫口秀”講者，“萬有青年大燴”講者、“科學聲音”組織成員，喜馬拉雅、蜻蜓、網易等電颱熱門主播。

精彩書評

網友評論：

很久沒有這麼廢寢忘食地想把一本書讀完瞭，比看小說還給力，關鍵是還有震撼的感覺。的確如作者所言，文科生寫的科普纔能明白文科生會問齣什麼樣的問題，唉，相比之下，後現代什麼的真是弱爆瞭！！！

——豆瓣網友

每一章都讓我有一種讀完以後覺得，物理和數學放在一起太美瞭。裏麵講瞭許多我思考很久搞不清的問題，思維試驗講的簡單又玄妙。最後還是要說一次，數學太美瞭，物理太美瞭。大贊此書，雖然我讀的非常慢非常纍，讀死瞭好多腦細胞，但是真的太好看瞭！

——豆瓣網友 13@甜夢裏

所謂科普，就是普及科學。所有對這個世界稍微有點好奇心又非專業研究物理的人都應該讀一讀，從伽利略到牛頓再到愛因斯坦以及霍金，曆史上每一段我們深信不疑的事實就這樣一次又一次被顛覆，而這些顛覆又如此偉大，不曾仰望星空然後低頭思索過，無法感受到這種震撼。

——豆瓣網友 小愚先聲

好看！！給科技小白帶來腦內大革命！完全看興奮看激動看高潮瞭好嘛？！

——豆瓣網友

其實是從去年鞦天就開始看瞭一點，當時不知咋迴事就放下瞭。因剛看完《量子物理史話》，前天傍晚坐車迴山東，就自然想起這本書。用Kindle看的，下午五點開始，然後就根本停不下來瞭好嗎，重度吸引。語言上有一點點《上帝擲骰子嗎》的痕跡，但沒那麼誇張，很流暢，更偏重闡述狹義相對論和廣義相對論，史話的成分並不明顯，這是我很喜歡的一點。裏麵好多公式推導，喜歡，除瞭中間喝瞭點酒，一直到淩晨三點就根本沒休息沒沾臥鋪的邊，一直看一直看，精彩極瞭，睡瞭三個小時，一睜眼就迫不及待打開一直看完。闡述的真的就是嚴肅的科學啊，閱讀起來就完全把所謂的“科普”二字忘掉瞭。尤其是狹義相對論和引力場兩個高亮段落，完全被那幾頁光子圖示和長篇公式推導完全迷住瞭，在淩晨三點的臥鋪車廂研究瞭二十多分鍾，徹底弄懂的感覺酣暢淋灕，好開心。

——豆瓣網友 oungKingdom

目錄

序／001

前言／003

第一章　不得不說的廢話

關於相對論的謠言粉碎機／002

你必須瞭解的四個概念／003

第二章　伽利略和牛頓的世界

相對性原理／010

伽利略變換式／016

史上最牛煉金術士牛頓／021

牛頓的絕對運動觀／023

牛頓水桶實驗中的絕對時空觀／026

第三章　光的速度

伽利略吹響衝鋒號／032

光速測量大賽／035

驚人的發現／038

科學史上最成功的失敗／041

第四章　愛因斯坦和狹義相對論

兩朵烏雲／048

巨星登場／050

第一個原理：光速不變／052

第二個原理：物理規律不變／055

環球快車謀殺案／058

同時性的相對性／065

時間會膨脹／068

空間會收縮 ／079

速度閤成／083

質速神劍／086

光速極限／089

質能奇跡／092

四個搞腦子問題／095

第五章　廣義相對論的宇宙

愛因斯坦的不滿／100

生死重量／103

等效原理／110

太空大圓盤／114

時空彎麯／121

引力的本質／125

水星軌道之謎／131

星光實驗／133

沒見過這麼黑的洞／137

從黑洞到蟲洞／143

壓軸大戲／145

第六章　時空那點事

時空中的運動／152

四維時空／157

時間旅行／158

星際殖民／167

星際貿易／173

第七章　再談四維時空

宇宙時空的終極圖景／178

神奇的四維／189

第八章　上帝的判決

上帝玩不玩骰子？／200

美劇《生活大爆炸》／201

要命的雙縫／202

玻爾的上帝／208

EPR實驗／214

宇宙大法官／216

上帝的判決／219

萬物理論／223

第九章　宇宙是一首交響樂

萬物皆空唯有音樂／226

擊碎原子／228

宇宙中的四種“力”／235

超弦理論／237

偉大的設計／240

精彩書摘

時間旅行

讓我們先從最讓你感到激動的時間旅行開始說起吧。

現在這年頭，穿越類的小說真多，儼然都成瞭各大文學網站和影視劇的一個大類，各種各樣的穿越手法真是五花八門，令人眼花繚亂，不過那種月光寶盒式的無厘頭穿越不在我們今天討論範圍之列。偶爾你也會看到一些對穿越行為的“科學原理”的描述，其中最多的是說“根據相對論，隻要速度能超過光速，我們就可以迴到過去” 。各位，以後凡是看到這種利用超光速穿越的小說，可以立即定義為“科盲幻想小說”，簡稱“盲想小說”。這種“根據相對論，超光速就能穿越”的科學原理簡直自相矛盾得一塌糊塗。相對論的一個最基本的原理就是光速是任何運動的速度極限，是不可能被超過的，而一旦允許超光速運動，那麼相對論本身就被推翻瞭，又何談“根據相對論”呢？這是一個顯而易見的自相矛盾，那麼多的“盲想小說傢”把這個奉為至寶——但凡穿越，必超光速，實在是讓我異常驚訝。我一個樸素的願望是蕓蕓穿越小說傢們能隨手翻翻我這本書，就是編也要編得靠譜一點。

那我們來瞭解一下真正的物理學傢研究的時間旅行到底有一些什麼樣的科學原理和依據吧。

時間旅行是廣義相對論研究的課題，目前全世界確實有很多嚴謹的科學傢在探討這方麵的可能性。根據廣義相對論，引力會使時空彎麯，引力越強，則時空的彎麯程度越大。也就是說，根據廣義相對論的這個原理，我們會發現時空不是平坦的，時空是有形狀的。我知道我這麼說還是讓你感到不太容易明白，那麼我就來打一些粗糙的比喻來幫助你理解。我們首先把時空想象成一張紙，我們在時空裏麵運動，就好似沿著紙麵運動，但是請注意一點，如果這張“時空紙”延伸的方嚮錶示時間這個維度的話，那麼我們隻能朝著一個方嚮運動，因為時間維是隻能朝一個方嚮運動的，這是時間維的物理性狀。

但是請韆萬注意一點，在愛因斯坦的時空觀裏，這張紙是不平坦的，有起伏，有褶皺，我們在“時空紙”上的運動就像在崎嶇不平的山路上走路一樣，是高高低低的。

現在假設我們在一個平坦的時空中，上午8:00點齣發，從時空的一頭運動到另外一頭，到達終點的時候，剛好是上午9:00點。（注意，前麵我們已經說過，任何物體在時空中運動的速度都是光速，所以，在這個比喻裏麵，你就不要再問我們的運動速度是多少這樣的傻問題瞭）。現在再假設我們經過的這段時空被某種力量彎麯瞭，那麼我們達到終點的時候，會變成上午8:30；如果彎麯的更厲害一點，我們就會在8:10分到達終點。

現在是重點來瞭，如果時空這張紙被彎麯瞭成一個莫比烏斯帶的形狀，頭尾相連瞭起來，你就有可能在7:50達到終點。也就是說你沿著彎麯的時空走瞭一圈迴來以後，發現到達的時間比你齣發的時間竟然還早。這意味著你迴到瞭過去。

因此，在廣義相對論中，時間旅行的科學原理是通過一個時空的圈環來迴到過去，這個時空圈環在《時間簡史》這本書中被霍金稱為“類時閉閤麯綫”（有點拗口，我更喜歡我翻譯的“時空圈環”）。愛因斯坦的狹義相對論是不允許時間旅行的，等到廣義相對論剛剛誕生的時候，愛因斯坦也不認為時空能彎麯成一個圈環。直到1949年，他的好朋友——大數學傢哥德爾（Godel， 1906-1978）在廣義相對論方程中發現瞭一個解，這個解居然允許宇宙中這種時空圈環存在。愛因斯坦當時就震驚瞭，但隨後他就自己意識到這個時空圈環正是自己和助手羅森一起發現的“蟲洞”的某種特性（還記得我們在第五章最後講到的愛因斯坦—羅森橋嗎）。

所以，靠譜一點的時空穿梭原理一般都要藉助蟲洞來完成，以後看穿越小說記得先翻翻有沒有提到愛因斯坦羅森橋或者蟲洞什麼的。

非常抱歉，前麵齣現瞭一個讓你莫名其妙的名詞——莫比烏斯帶。不是我故意不解釋，而是這個東西實在是太迷人瞭，我非得另起一段單獨講講纔覺得過癮呢。莫比烏斯帶，也經常被叫做魔比斯環，或者梅比烏斯帶、麥比烏斯帶等等，都是翻譯帶來的麻煩，英文名稱是Mobius Strip。這是諸多科幻小說、科幻電影經常齣現的一個神奇事物，它往往象徵著時空穿梭。以它的發現者莫比烏斯命名，到現在也快有兩百年瞭。

看到沒，上麵這個就是莫比烏斯帶，其實就是把一張紙條的一頭擰半圈然後和另一頭粘起來，形成一個圈圈。但是你韆萬韆萬不要小看這個圈圈，這個圈圈有著許許多多迷人的特性。如果你在這個圈圈上跑步，你就可以一直往前跑，不用翻越任何邊界而跑過所有的麵。如果你拿一隻毛筆，沿著紙麵隻用一筆就可以把顔色塗滿整個紙帶。這個圈圈和我們平常認識的任何像手鐲這樣的圈圈不同，這個莫比烏斯帶這隻有一個麵，如果你沿著手鐲錶麵的中綫一刀剪下去，那麼手鐲就會一分為二成為兩個各自獨立的手鐲。但是神奇的是，如果你同樣沿著莫比烏斯帶的中綫剪一圈，你會發現，這個莫比烏斯帶不會一分為二，而是會成為一個更大的一個圈圈。然後你再沿著這個圈圈的中綫剪開，你會神奇地發現這次剪齣瞭互相嵌套在一起的兩個圈圈。然後把兩個圈圈再各自沿著中綫剪開，又會變成互相嵌套的四個圈圈。這麼剪下去永無止境，最後圈圈套圈圈復雜得可以把你搞瘋掉。你是不是很有衝動去試試看瞭？彆忙，還有更有意思的特性。首先來跟我認識一下所謂自然界中的“左右手係”對稱。想一下左右兩隻手套，這兩隻手套你怎麼看他都像是對稱的，但問題是，如果你不把手套在空間中翻一個麵的話，你永遠也無法把兩隻左右手套完全重閤地上下疊在一起，就好像你怎麼也不能把左手套在不翻過一麵的情況下戴進自己的右手中。不過，如果你讓一隻左手套沿著莫比烏斯帶轉剛好一圈（不是兩圈），這隻手套就會翻過一麵成為瞭一隻右手套，但是請韆萬記住它的神奇之處就在於：如果手套有感覺的話，它根本不會發現自己其實被翻過瞭一個麵，在它的感覺中，它隻是沿著一個麵不停地運動，不知怎麼的就從左手係變成瞭右手係，再運動一圈又變迴瞭左手係。真是要命的感覺。

伽莫夫寫的著名的科普經典《從一到無窮大》中就說，如果類似莫比烏斯帶這樣的事情也能發生在三維空間中，我們的鞋子製造商就會大為欣喜，他們隻要生産左腳的鞋子，然後通過莫比烏斯空間傳送帶轉一圈迴來，就成瞭右腳的鞋子，真是爽死瞭。而一個人如果上瞭這個莫比烏斯空間傳送帶，轉一圈迴來則發現自己的心髒跑到右邊去瞭，這就不爽瞭。但問題是，兩維的紙片做成的莫比烏斯帶我們很好想象，那到底有沒有三維的物體形成像莫比烏斯帶這樣神奇的左右手係互轉的形狀呢？答案是有的，1882年德國數學傢剋萊因（Klein，1849-1926）找到瞭一種以他名字命名的模型，叫做“剋萊因瓶”。

瞧瞧，就是這種極其怪異的瓶子（但這僅僅是剋萊因瓶的近似樣子，真正的剋萊因瓶是沒法直接做齣來的，因為真正的剋萊因瓶是不會互相穿過的，這需要一點空間扭麯的想象力）。你盯著他看三分鍾，想象你在這個瓶子的錶麵跑步的情景，我保證你會越看越神奇，越看越覺得不可思議，直到邏輯徹底混亂為止。好瞭，咱彆看瓶子瞭，繼續看書。你想象一下，如果時空扭麯成這種神奇的形狀，那麼你就完全有可能坐著宇宙飛船從21世紀齣發，到19世紀返迴，穿越瞭一個世紀的時間，如果繼續往前又會返迴21世紀。

太神奇瞭，物理學傢居然真的給他們搞齣瞭一套迴到過去的理論。但是很快，人們就發現如果允許迴到過去的話，會産生一些邏輯上的悖論，或者說一些怪圈。比如最著名的祖母悖論，你可能早已耳熟能詳瞭，就是你如果迴到過去殺死瞭你的祖母，那麼既然你祖母既然死瞭，你又怎麼能存在？你不存在瞭又怎麼能迴去殺死你的祖母呢？我總覺得這個故事寫得拗口不已，完全沒必要這麼復雜的嘛，簡單說來就是如果你迴到過去殺死以前的自己的話，又怎麼能有後麵的你迴到過去自殺呢。

總之，這樣的祖母悖論型的邏輯悖論我們隨便就能想齣很多很多。有一個最變態的悖論說的是，你在未來給自己做瞭變性手術，然後迴去找到自己，和原來的自己生下瞭自己。我真服瞭想齣這個邏輯悖論的“淫”（人）。這些悖論又如何解決呢？物理學傢們研究廣義相對論，確實用嚴謹的數學方法論證齣瞭時空圈環的可能性，但是祖母悖論又顯然在挑戰我們的常識，沒有人能接受祖母悖論會真的發生。

現代的物理學傢們為此爭論不休，想齣瞭各種各樣的解決方案來避免邏輯悖論的發生，有代錶性的解決方案有這麼幾種：

第一種，叫做自由意誌喪失說。物理學傢說所有該發生的曆史都已經發生瞭，你不可能改變這個曆史，所以一旦你迴到過去，你就會喪失自由意誌，你完全被曆史所控製，你無法改變任何曆史的一丁點。

第二種，叫做時空交錯說。物理學傢說你是可以迴到過去，但是你迴到的那個時空和真實的曆史時空是平行糾纏在一起的，但永遠不可能相交，你可以看見曆史，但不能影響曆史。這個我聽懂瞭，不就是說“隻能看，不能摸”嘛。

第三種，叫做多曆史說。這個理論首先是由一個叫費曼（Feynman，1918—1988）的美國物理學傢提齣來的，他說曆史不止有一個，你可以迴去殺死你的祖母，你也可以迴去乾任何事情，甚至殺死羅斯福讓希特勒取得勝利，什麼都可以乾。但是請記住，你影響的那個曆史和我們這個世界的曆史不是同一個。換句話說，當你乾下瞭任何改變曆史的事情時，世界就分裂成瞭兩個世界，在我這個世界中希特勒倒颱瞭，在你那個世界中希特勒最後成瞭全世界的偶像。說老實話，這個理論真夠瘋狂的，為瞭讓時間旅行閤理，動不動就剋隆齣無數個世界齣來。但恰恰是最後這個看起來最瘋狂的理論，卻得到瞭最多物理學傢的支持，包括像霍金這樣的大科學傢也支持該理論（霍金《大設計》）。這就是現在大熱的“平行宇宙”說。

前言/序言

本書自第一版齣版以來，已逾五年，但熱度不降反升。有幸能齣第二版，實在是仰賴讀者們的抬愛。科普書有個特點，不太容易過時，很多經典的科普書即便過去瞭幾十年，依然廣受讀者們的喜愛，父親推薦給兒子，兒子又推薦給孫子，一代接一代地閱讀。我的女兒現在上小學四年級，等她上瞭初中，最遲到高中，我就會推薦給她閱讀本書，我想等她的孩子長到瞭上初中的年齡，我還會推薦這本書。因為科學的發展史永遠都不會過時，科學傢們的探索精神到瞭哪個時代都值得人們學習。

五年前，對待科普寫作，我還缺乏敬畏，本書的第一稿是在一種“玩票”的心態下用瞭很短的時間創作完成的。然而這五年來，自己的人生經曆瞭非常大的坎坷起伏，期間更是受到瞭美國科普、科幻作傢阿西莫夫的精神感召，促使我立誌將自己的下半生投身到人類的科普事業中。這種人生誌嚮的轉變讓我一下子對科普寫作充滿瞭宗教般的敬畏。在這次修訂的過程中，我盡可能地想把最初的那種展露嬉笑怒罵、玩世不恭心態的文字都去除乾淨，但畢竟不是重寫，所以當年寫作心態的痕跡依然非常明顯。如果這種心態引起你的反感的話，請接受我的歉意，其實人傢這兩年已經改變瞭許多。

《時間的形狀》是我的第一部科普作品，如果你喜歡我的寫作風格，也希望你能給我的其他作品捧場，我給自己定的目標是一年一本新書。

今年是一個自媒體爆炸的年份，尤其是網絡電颱的興起，給我們這些從事文字創作的人又開闢瞭一個巨大的施展舞颱。如果你關注音頻科普節目的話，你會發現《卓老闆聊科技》的卓剋老師和《科學史評話》的吳京平老師都是現在網絡上最受歡迎的科技主播，而我在網絡電颱上也開播瞭自己的科普節目，叫做《科學有故事》。今年，我們三個科技主播一起發起成立瞭“科學聲音”組織，旨在利用聲音的形式普及科學知識、傳播科學精神。我們希望能將“科學聲音”做成一個科普的優秀品牌，不斷地推齣好書、好節目。

最後祝大傢閱讀愉快。友情提示，在開始看書之前先準備點吃的，因為據說很多讀者都是一口氣讀完，欲罷不能，連飯都顧不上吃。很多人沒有想到，一本科普書也能搞得像懸疑電視劇似的，一環扣一環。

汪潔

京東現在包裝越來越靠譜瞭，在京東買書這幾年，感覺寄過來的都是挑的品相好的，雖然偶爾用袋子寄過來，但是也都沒摺角破損什麼的，可能是因為速度快，來不及磨損。

雖然我是鼓起瞭很大的勇氣來買這本書，因為一直是物理盲，看書的時候不免還是有點心虛。但至少介紹的語言是我比較能接受的平實有趣的語言，先試試看吧。有一點物理基礎的人來看應該會感覺到很有趣的。包裝還是硬裝的。這點超乎我的意料。雖然說實際上我還是更傾嚮於軟包裝的書，因為拿起來方便。

一直以來，你一定會有這樣的疑問：

為什麼倒過來瞭？

書很不錯！！！價格實惠！！

吾網購數年，深知各産品琳琅滿目。然，唯此寶物與眾皆不同，為齣淤泥之清蓮。使吾為之動容，心馳神往，以至茶飯不思，寢食難安，輾轉反側無法忘懷。於是乎緊衣縮食，湊齊銀兩，傾吾之所有而能買。東哥之熱心、快遞員之殷切，無不讓人感激涕零，可謂迅雷不及掩耳盜鈴兒響叮當仁不讓世界充滿愛。待打開包裹之時，頓時金光四射，屋內升起七彩祥雲，處處皆是祥和之氣。吾驚訝之餘甚是欣喜若狂，嗚呼哀哉！此寶乃是天上物，人間又得幾迴求！遂沐浴更衣，焚香禱告後與人共賞此寶。人皆贊嘆不已，故生此寶物款型及做工，超高性價比之慨，且贊吾獨具慧眼與時尚品位。産品介紹果然句句實言，毫無誇大欺瞞之嫌。實乃大傢之風範，忠義之商賈。

4，這不單單是一部科普讀物，更是一段堪比好萊塢大片的科學史話。跟隨作者，你將進入浩瀚的宇宙，去體會一種由科學帶來的震撼。