《时空之舞——中学生能懂的相对论》 (转载)

    2012年8月，美国“好奇号”火星车成功登陆火星表面。2014年11月，欧洲航天局发射的“罗塞塔”号彗星探测器近距离探测67P彗星并释放出“菲莱”着陆器成功降落在彗星表面。2015年7月，“新视野号”探测器近距离飞越冥王星。2015年12月，美国SpaceX公司成功发射并回收“猎鹰9号FT”可回收火箭，SpaceX公司CEO马斯克计划2025年将人类宇航员送上火星。2016年2月，美国LIGO激光干涉引力波天文台向世界宣布人类首次直接探测到引力波。2017年7月，美国三名宇航员乘坐飞船仅耗时6个小时抵达位于太空的国际空间站。近年来不断有新的太阳系外行星和宜居行星被发现。太空与天文科技的发展一日千里，人类在太空时代飞奔，这其中爱因斯坦的相对论是最重要的理论基础。人们在日常生活中每天用到的GPS全球定位系统，也需要使用相对论来进行精确的计算和校正。

    相对论的公式看起来都很简单，其中最著名的爱因斯坦质能方程E=mc?更是在街头等很多地方都可以看到，然而相对论的思想却非常难以理解，长期处于科学家的神坛之上，让大众望而却步。

    北京大学出版社最新出版的《时空之舞——中学生能懂的相对论》一书，用初等数学对相对论进行了深入浅出的介绍，内容通俗易懂，读者只需要中学程度的基础知识就可以理解和掌握高深的相对论。狭义相对论可以在初等数学范围内进行完全的理解，对艰深复杂的广义相对论本书也努力在一定程度上进行了用初等方法介绍的尝试。

    作者陈海涛，本科和硕士分别毕业于北京大学数学系和计算机系，从事软件研发工作，曾任微软亚洲研究院助理研究员，盛大创新院高级研究员，也曾创业数载。业余以网名“小醉”活跃于各大BBS论坛，曾任北大未名BBS和一塌糊涂BBS站站长，以及水木社区天文版版主等，在水木社区天文版上首次提出太阳系行星“阋神星”的中文命名。从中学时期就对天文和相对论感兴趣，多年来对相对论进行了深入的学习和思考。

    人们都知道爱因斯坦和相对论，然而并没有多少人真的明白相对论是怎么回事。学习过相对论的人，大多也会有很多问题感觉难以理解。光速为什么不变？为什么运动的时钟会变慢？为什么运动方向上的长度会发生收缩？垂直于运动方向上的长度为什么不收缩？惯性系变换为什么是线性的？为什么质量随速度增加而增大？为什么E=mc?？为什么时空会弯曲？很多思想好像是从爱因斯坦天才的脑袋里蹦出来的。热爱科学、对科学充满好奇心的同学对于问题不希望因为“这是大科学家说的”或“这是实验证实了的”而被动接受，一定想要自己弄明白，通过自己的思考和推导来得到答案，对问题要打破砂锅问到底，不仅知其然，而且要知其所以然。本书读者只需要具有初等数学的基础，认真看完本书就可以知道，只要改变观念、转换思想，这些问题都可以很容易地弄明白，从而真正理解和掌握相对论。如果有机会可以穿越历史，回到1905年，你也能够发表狭义相对论，成为爱因斯坦。在本书附录中用初等数学从开普勒行星运动定律得到了牛顿万有引力定律，穿越到更早的历史，你也能成为牛顿。

    人类花了很长时间才发现，脚下看似广袤平坦、亘古不动的大地原来是球形的，并围绕着太阳转动。但是大多数人们对于我们存在于其中的时空仍然并不了解，以为时间和空间是绝对的，仍然用古老的绝对时空观思考问题，并常常在很多其他方面也使用绝对化的思维方式。我们有必要建立正确的时空观，即相对时空观，这是重要而基本的科学素质。为了正确地认识宇宙，相对论知识应该成为人们必备的基础知识。

    介绍相对论的书籍有不少，要么需要高等数学，要么基本不需要什么数学。由于相对论本身较难理解，高等数学和一些概念的包装更加让读者感到困难。而不用数学的科普介绍则只能给读者较浅认识，不能有深刻的理解，介绍的知识最终还是“老师的知识”和“科学家的知识”，而不能真正成为自己的知识。本书作者具有扎实的数学专业基础，对相对论有着超过25年的思考，用初等数学对相对论进行了深入浅出的描述，同时使用图形对一些内容进行了直观简单的表达，使复杂的内容变得浅显易懂，因此本书正好是一本合适的学习和理解相对论的书籍。通过本书，相对论知识变得更加简单。

    本书对相对论基本原理及其建立过程进行了介绍，对相对论的一些重要公式用初等方法进行了推导，介绍了狭义相对论的主要内容，包括洛仑兹变换、尺缩效应、同时相对性、钟慢效应、速度合成公式等，解释了前灯效应、双生子效应、隧道佯谬、车库佯谬等一些效应和佯谬。对一些容易引起迷惑的超光速现象进行了介绍和解释。介绍了相对论动力学，用简单初等的数学方法和物理技巧推导了运动物体的质量公式，以及相对论动能公式和爱因斯坦质能方程（即著名的E=mc?）。质能方程被称为“改变世界的方程”，它揭示了原子弹、氢弹、核电站以及恒星内部的能量来源。读者如果能够自己得到这一公式，将极大提高对科学的认识和自信。

    对于复杂艰深的广义相对论，本书也给出了较为易懂的介绍。对等效原理、引力时间膨胀、径向引力尺缩以及时空弯曲、黑洞、引力波等进行了解释和探讨。读者不需要懂得高深的黎曼几何也可以对广义相对论进行相当程度的理解。

    相对论与天文学密不可分，本书在介绍相对论的同时，介绍了很多相关的天文知识和天文现象，并附有丰富漂亮的天文插图，而且对其中的一些效应和原理进行了简单易懂的分析和解释。介绍了太阳边缘的星光偏折、引力红移、水星近日点进动、雷达回波延迟等广义相对论的几大天文学实验验证，以及木卫食测光速、光行差、蟹状星云、爱因斯坦行星、回光效应、类星体喷流视超光速、中微子爆发、超新星、引力透镜、黑洞、脉冲星、引力波等天文现象和天文发现，内容精彩生动，引人入胜。因此本书也是一本很不错的天文科普书。

    为增强可读性，书中加入了一些文学性的内容和历史故事，读起来颇有趣味，并有助于对内容的理解，同时也不失科学的严肃性和历史的真实性。其中有科学家的科研精神和求桃得李的意外发现，也有年轻学生因为兴趣和坚持而取得的科学贡献，可以鼓励学生从小学科学爱科学，建立对科学的兴趣。对于一些不爱看公式的文科生，也能得到很多阅读的乐趣和知识的收获，通过生动有趣的类比很容易地理解和掌握科学的原理。