探求宇宙的秘密：從哥白尼到愛因斯坦（簡體書）

為了使讀者看清人類在自然界中的位置，看清今天的科學在人類歷史上的地位，《探索系列叢書．探求宇宙的秘密：從哥白尼到愛因斯坦》特別介紹了地球上文明的起源和進步，介紹了自然科學的誕生和發展。本書以哥白尼、伽利略、牛頓和愛因斯坦的貢獻為主線，來描述自然科學的重大成就和重要思想；以霍金和彭羅斯的貢獻為核心，來闡述當代的時空理論，介紹相對論研究的最新成果。

趙崢，1943年出生于四川成都，1967年畢業于中國科技大學物理系，1981年于北京師范大學天文系獲碩士學位（導師劉遼教授），1987年于布魯塞爾自由大學獲博士學位（導師普利高津教授）。曾任北京師范大學物理系主任，中國引力與相對論天體物理學會理事長。現為北京師范大學物理系教授，理論物理博士生導師、教育學博士生導師。

趙崢編著的《探求宇宙的秘密——從哥白尼到愛因斯坦》概覽古今、縱橫中西。闡述了宇宙是如何起源的、如何發展的、將向何處去，時間有無開始、有無終結，黑洞、暗物質是否存在、會對宇宙產生什么樣的影響，等等問題。語言生動、幽默，通俗易懂，圖文并茂，是難得的科學普及佳作。

本書是一本適應面較寬的科普讀物，中學生、大學生和研究生都可以從中獲取有益的知識。書中主要介紹了物理學和天文學發展的不平凡歷程和一些最新成果，特別是有關相對論、黑洞和宇宙演化的知識。本書收集了許多科學家的珍聞趣事，介紹了一些重大科學發現的曲折過程。希望廣大讀者能在輕松、愉快的情況下讀完本書，并有所收益。也希望有志于科學研究的年輕人能從書中得到一些啟發，增強自己的科學研究能力。
為了使讀者看清人類在自然界中的位置，看清今天的科學在人類歷史上的地位，本書特別介紹了地球上文明的起源和進步，介紹了自然科學的誕生和發展。本書以哥白尼、伽利略、牛頓和愛因斯坦的貢獻為主線，來描述自然科學的重大成就和重要思想；以霍金和彭羅斯的貢獻為核心，來闡述當代的時空理論，介紹相對論研究的最新成果。書中還包含了作者本人的一些研究心得。
作者在本書中列舉了許多事例以期說明：歷史上，青年是科學發現的主力軍。
在物理學的長期教學與研究中，作者深感需要一本通俗介紹物理思想并帶有趣味性的輔助讀物，同時把科學史融入其中，使學生能在避開繁雜的數學計算、較為輕松的情況下，掌握深奧理論的主要思想，了解科學發現的曲折歷程，學到科學研究的方法。
歐美、日本的教授對中國學生的考試能力普遍感到欽佩，但覺得中國學生的科研能力遠不如考試能力那樣出色。這反映了中國學校教學成功的一面和失敗的一面。一般說來，中國學校普遍強調刻苦學習、強調基本功、強調做練習，中國學生投入的精力和時間遠非歐美學生可比。但由于經濟條件的限制，中國學生動手做實驗的機會遠比歐美學生少。而且，在教學過程中，中國教師往往不注意突出物理思想，不注意讓學生了解科學發現的艱難過程，不注意培養學生科學研究的方法和興趣，這就造成了中國學生“考試見長、科研見短”的奇特局面。
在目前我國的經濟實力已得到較大發展的情況下，應該給學生提供更多的動手機會，去做更多的實驗。同時，改進我們的教學方法，豐富學生的物理思想，增進學生對科學發展史的了解，也會有助于我國學生科研能力的提高。
作者希望本書能起到科普讀物和輔助教材的雙重作用，使一般青年讀者和物理專業的學生都能從中獲益。本書是一次新的嘗試，錯誤之處在所難免，歡迎廣大讀者批評指正。
最后，作者要對梁紹榮教授表示感謝，本書是在他的建議和鼓勵下完成的。還要感謝劉遼教授審閱本書的部分章節，感謝郝柏林院士對原稿第七章提供的修改意見，感謝陸琰院士對第七章和第九章的修改建議，感謝高士圻先生、裴申先生和裴壽鏞先生幫助核實書中的一些內容。感謝國家自然科學基金(10373003，10475013，10773002)的支持。感謝北京師范大學出版社李桂福編審、梁志國編輯和范林編輯對本書的出版所做的大量工作。

一、文明的起源和腳步1．海洋文明3．大河文明4．美洲文明5．文明的繁榮二、自然科學的誕生1．哥白尼與日心說2．偷看上帝的秘密3．伽利略的天才發現4．不得已的認罪聲明5．開普勒的悲壯人生三、牛頓與經典物理學1．上帝說：“讓牛頓去吧！”2．經典物理學的“聖經”3．萬有引力4．這片空間會荒廢嗎5．走下神壇的牛頓四、愛因斯坦與相對論1．兩朵烏雲2．魔鬼說：“讓愛因斯坦去吧！”3．別了，以太和絕對空間4．狹義相對論的成就5．雙生子佯謬6．狹義相對論的困難五、彎曲的時空1．平行線只有一條嗎2．慣性力等效於引力3．萬有引力是時空的彎曲4．神秘的引力波5．偉人和凡人六、人造的太陽1．哥本哈根學派2．三次獲得諾貝爾獎的家庭3．蘑菇雲中的太陽4．中國的原子彈5．探索無窮小七、白矮星、中子星與黑洞1．歷史上的黑洞2．白矮星和它的研究者3．“小綠人”，脈衝星和中子星4．黑洞的形成、構造與特點5．轉動的黑洞八、霍金與黑洞的熱性質1．激發的黑洞2．黑洞熱嗎3．沸騰的黑洞4．信息疑難5．堅強的天才九、膨脹的宇宙1．均勻的宇宙2．有限而無邊的宇宙3．膨脹或脈動的宇宙4．α，β，γ建立的火球模型5．宇宙有限還是無限6．暗物質與暗能量7．連接宇宙的蟲洞8．撐開蟲洞的異常物質十、我們瞭解“時間”嗎1．令人懷疑的奇點2．長溝流月去無聲3．“同時”這個概念存在嗎4．時間沒有開始和結束5．熱與引力，熱與時間結束語主要參考文獻

大約100億～200億年前，在虛無縹緲中發生了一次大爆炸。爆炸產生的高溫原始火球，急劇地膨脹，在膨脹過程中形成了構成今天的物質的基本單元(光子、電子、夸克等)。然后，膨脹速度減慢，溫度逐漸降低，原子核和原子相繼出現，在距今約數十億年的時候，恒星與星系開始形成。這些星系一直演化至今，并留下大爆炸的余熱(大約為絕對溫度2．7K)。這就是我們的宇宙，它從“無”中誕生，是真正的“無中生有”。中國古代的思想家老子就曾經說過，“萬物生于有，有生于無”。
古人說，“天地四方日宇，古往今來日宙”，宇宙就是空間、時間和物質的總稱。牛頓認為，空間就像一無所有的空箱子，時間則是像河流一樣永遠均勻流逝的東西。我們中國的孔子，對時間也有類似的看法，“子在川上日，逝者如斯夫，不舍晝夜”。物質就在這無限的空間和無窮的時間中永恒地游動。愛因斯坦的相對論認為，時間和空間是一個不可分割的整體，稱為四維時空。物質的存在會造成時空彎曲。沒有物質的時空是平直的，有物質的時空是彎曲的。如果物質消失，彎曲的時空會變得平直，但依然存在。晚年的愛因斯坦則進一步認為，時間和空間不過是物質伸張性和廣延性的表現。按照牛頓經典物理學和愛因斯坦相對論的看法，如果沒有物質，時間與空間依然存在。按照愛因斯坦晚年的看法，則不存在一無所有的時間和空間，如果沒有物質，也就沒有了時間和空間。
我們的地球誕生于大約46億年前。隨著溫度的下降，地球表面的熔巖逐漸凝固，形成陸地和山脈，空中的水汽化為傾盆大雨，在地球上漸漸形成了海洋。大約35億年前，原始生命誕生于風雨雷電之中，它們最先生活于海洋，然后逐漸登上陸地。在距今1億～2億年前，我們的地球成了恐龍的世界。隨著一些巨大災變的產生(例如小行星對地球的撞擊、大規模火山爆發等)，物種的進化也在漸變中產生突變。大約5000萬年前，哺乳動物已經取代爬行動物成為地球的主宰。距今l000萬年前，一批猿猴從樹上來到了地面，成為能夠直立行走的類人猿。在長達1000萬年的漫長歲月中，它們從簡單地使用樹枝、石塊，發展到制造簡單的工具，學會了用火，形成了語言。在距今約200萬年的時候，成長為史前的人類。
人類的最大特點之一是具有思維和意識。原始人的思維是簡單而模糊的，有點像今天的兒童，他們還分不清夢幻與現實，分不清想象與真實。他們與自然界抗爭的力量還不夠大，他們在生活勞動中摸索各種各樣的規律，逐漸產生了原始的宗教和崇拜。他們崇拜山川雷電，崇拜日月星辰，崇拜各種動物與植物，崇拜巖石，崇拜烈火，崇拜祖先，崇拜生育。他們由氏族聯合成部落，從母系社會過渡到父系社會。在大約6000多年前，終于形成了古代的文明。他們以自己崇拜的東西，作為氏族和部落的象征，這就是“圖騰”。今天，作為中華民族象征的龍，就是原始圖騰的化身。“華”字在古代與“花”字不分，中華民族是由無數的氏族與部落在漫長的歲月中逐漸融合而成的，就像一座絢麗的百花園。龍身上潛藏著各個部落的原始圖騰。龍首先可以看成蛇與鱷魚的綜合化身。6000年前的黃河、長江流域，溫暖而濕潤，植物繁茂，動物昌盛。不但存在大量的蛇，而且存在許多兇猛的鱷魚。鱷魚在下雨前常發出類似于打鼓的聲音。在原始人類看來，鱷魚不僅兇猛強大，而且還似乎能呼風喚雨，自然引起他們的恐懼與崇拜。龍的角像鹿角，尾巴像馬尾，鱗像魚鱗……它暗示我們，中華民族的血管里流淌著蛇圖騰、鱷圖騰、魚圖騰、馬圖騰、鹿圖騰等眾多部族的血液，中華民族是眾多偉大部族融合的結晶。
在遍布沒有開化的野蠻部族的世界上，偶然誕生的最初文明，會影響和壓迫周圍的蠻族，反過來也會受到蠻族的不斷沖擊，甚至有可能被蠻族所消滅。那種認為文明會按部就班地誕生，一旦產生就不會消失，一旦進步就永遠不會倒退的觀點是缺乏根據的。例如，最早轉入農耕的部族創立太陽巨石文化，并有了一定的數學、天文知識和較為先進的生產技術，當然會對周圍蠻族產生好的影響。但是，他們崇拜太陽和巨石，用俘虜的活人去作祭品(所謂血的犧牲)，驅趕和奴役周圍的蠻族，這必然遭到蠻族的抗拒和反擊。美洲瑪雅文明的神秘失蹤，很可能與蠻族的攻擊有關。文明的誕生，很像溶液中晶體的誕生。在溶液中偶然凝聚而成的晶種，會不斷被重新溶解，只有當溶液飽和之后，才會有個別凝聚晶種成長起來。人類的文明也是這樣，在蠻族的海洋中，文明不斷地產生著、消亡著，整個蠻族的素質在文明的生滅中不斷提高，最后終于有幾個文明生存、延續，并成長起來。P3-5