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　　引力是宇宙中处于支配地位的力，与天体、生命的诞生息息相关，迷影重重的引力也是解开宇宙谜题的关键钥匙。经过牛顿、爱因斯坦，引力研究正迎来第三个黄金时期。

本书以新颖有趣的形式讲解了从牛顿、爱因斯坦到前沿物理的研究内容，用全新的方式解读相对论、量子理论、超弦理论。真正让你理解引力、引力波、E=mc2 、黑洞等概念的含义与意义，也能让你体验到追寻宇宙深层谜题的冒险快感。

章　引力的七大不可思议　　

1.不可思议之一：引力是"力"　　

2.不可思议之二：引力的强度非常弱　　

3.不可思议之三：引力即使分开也能起作用　　

4.不可思议之四：引力对一切物体的作用都是一样的　　

5.不可思议之五：引力是"幻想"　　

6.不可思议之六：引力的大小"恰到好处"　　

7.不可思议之七：引力的理论还不完善　　

第二章　具有伸缩效应的时空--狭义相对论　　

1.物理学家是激进的保守主义者　　

2.物理学的理论是以"10亿"米的步伐发展而来的　　

3.纳米世界的纳米技术　　

4.电波、光和放射线都是电磁波的一种　　

5.无论怎么叠加，光速都不变　　

6.验证光速不变的"迈克尔逊－莫雷实验"　　

7.明明是同时出的"石头剪子布"，为什么变成慢出犯规呢？　

8.列车内的1秒与外面的1秒长短不同！　　

9.发生变化的不仅仅是时间，距离也会伸缩！　　

10. E＝mc是固定汇率制中的汇率　　

11.为什么能量可以转换成质量？　　

12.如果存在比光还快的粒子会怎样？　　

第三章　为什么会产生引力--广义相对论　　

1.先来谈谈"低维度"的话题　　

2.如果"球"出现在二维空间内，看起来将是什么样子？　

3.在圆的中心放置物体后，圆心角将会比360度小？！　

4.引力的真面目为时空的扭曲　　

5.爱因斯坦人生中棒的一次灵感闪现　　

6.可以消失的引力与无法消失的引力　　

7.在旋转的宇宙空间站中发生了什么？　　

8.圆周率＝3.14…不成立的世界　　

9.数学家希尔伯特与爱因斯坦的激战　　

10.爱因斯坦理论的验证之一--能够解释水星的轨道　　

11.爱因斯坦理论的验证之二--能够观测引力透镜效应　　

12.爱因斯坦理论的验证之三--捕捉引力波　　

13.爱因斯坦理论的验证之四--可靠的汽车导航　　

第四章　黑洞和宇宙的诞生--爱因斯坦理论的界限　　

1.如果把地球的半径压缩到9毫米也会变成黑洞　　

2.一旦跨过就无法返回的"视界"　　

3.超级黑洞--类星体　　

4.暴露爱因斯坦理论破绽的"奇点"　　

5.哈勃的发现阐明了宇宙的膨胀　　

6.加速宇宙膨胀的"暗能量"是什么？　　

7. 137亿年前宇宙呈火球状态时的"余烬"　　

8.强烈反对大爆炸理论的科学家们　　

9.霍金初出茅庐，证明了爱因斯坦理论的破绽　　

第五章　猫是活着还是死了--量子力学　　

1.应该以"光的真面目是波"的结论而完结　　

2."光是波"的结论所无法解释的光电效应　　

3.爱因斯坦的"光量子假说"认为"光是粒子"　　

4.具有放射线危害的装置也能说明"光是粒子"　　

5.所有粒子既是"粒子"又是"波"　　

6.令人难以接受的量子力学　　

7.认为"可能存在的情况其实全部存在"？！　　

8."活着的猫"和"死了的猫"一比一地重叠？！　　

9.不确定性原理--确定了位置就无法测量速度？！　　

10.融合量子力学和狭义相对论，预言"反粒子"　　

11.为什么必须是从未来回到过去的粒子？　　

12.粒子和反粒子反复湮灭和产生　　

13.凭空无限产生粒子的"量子场论"　　

第六章　迫近宇宙这头洋葱的芯--超弦理论　　

1."宇宙这头洋葱"的皮要剥到什么程度　　

2.只要增大加速器的规模，就能看到无限小的东西吗？ 　

3.宇宙这头洋葱的"芯"为"普朗克长度"　　

4.解释宇宙根源的终极统一理论是什么？　　

5.朝永振一郎、费曼、施温格的"重整化理论"　　

6.基本粒子为像小提琴的"弦"那样的东西？！ 　

7.从弦理论到超弦理论　　

8.挥之不去的六个额外维度和神秘粒子　　

9.施瓦茨用10年的坚守换来了革命性的发现　　

10.六个额外维度曲卷于狭小空间？！　　

11.已经备齐解释标准模型需要的所有工具　　

12.能够在六维空间的计算中使用的"拓扑弦理论"　　

第七章　被扔进黑洞的书的命运--引力全息原理　　

1.粒子的能量变为"负"值所引起的麻烦　　

2.在黑洞中能量将变为"负"值　　

3. 导致黑洞蒸发的"霍金辐射"　　

4.宇宙背景辐射的"涨落"证明了霍金理论　　

5. 把书投入黑洞之后，其内容还能再现吗？　　

6.到底能否出现10 10^78个状态数　　

7.假想"二维的膜""三维的立体"，打开突破口　　

8.贴在黑洞表面的"开弦"　　

9.根据通常的物理法则可以计算出巨大的黑洞　　

10.利用"拓扑弦理论"计算微小的黑洞！　　

11.熵与表面积成正比，而不是与体积成正比的奇妙现象　　

12.一切现象都被映到了二维的银幕上　　

13.黑洞信息丢失问题变成了量子力学的单独问题　　

14.霍金向赌局的胜者赠送百科全书　　

第八章　世界为深奥的真相--超弦理论的可能性　　

1.全息原理的意外应用　　

2.宇宙不止一个，存在无数个宇宙？　　

3.这个宇宙碰巧适合人类？ 　

4.融合相对论和量子力学的候选　　

后记　　

　　大栗博司

　　美国加州理工学院理论物理讲席教授，理论物理研究所（burkeinstitute.caltech.edu）所长，日本东京大学Kavli数学物理学联合宇宙研究机构（Kavli IPMU）研究主任。东京大学理学博士，发现了量子场论与超弦理论的深层数学构造，其研究曾获得美国数学学会大奖（2008年）、德国洪堡研究奖（2009年）、日本仁科纪念奖(2009年)、日本数学学会詹姆斯?西蒙斯奖（2012年），《超弦理论：探究时间、空间及宇宙的本原》获得2014年日本第30届日本讲谈社科学出版奖。著有前沿物理科普三部曲《引力是什么》《强力与弱力》《超弦理论》，数学入门科普《用数学的语言看世界》等。

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编辑推荐

　　纪念爱因斯坦广义相对论发表100周年

　　美国加州理工学院理论物理研究所所长，日本东京大学Kavli数学物理学联合宇宙研究机构研究主任 大栗博司 教授 科普力作

　　从牛顿、爱因斯坦到量子力学、超弦理论

　　一场解谜宇宙的冒险

　　一段永不停息的追寻

媒体评论

　　“仅仅读这本书并不能推导出E=mc2，但是却能让你彻底明白爱因斯坦在想些什么，更能让你从意义的层面上理解，为什么物理学家会如此费心研究引力？引力对于宇宙的意义是什么？我也认为这是一本科普书真正该写的东西。”——小饲弹（日本博客作家，博客“404 Blog Not Found”）

　　“这本书精妙结构让我沉醉不已，大栗先生是现代的爱因斯坦。”——村山齐（东京大学Kavli数学物理学联合宇宙研究机构研所长）

前言

　　无法停止的“好奇心”

　　我每天都在思考引力。没错，就是那个将我们自身以及我们周围的一切物质——桌子、桌子上的杯子、汽车、海水和空气等，维持在地球上，不至于使其飞入宇宙空间的引力。

　　我已经持续研究了几十年引力。在世人眼里，我可能会被视为一个怪人。地球上没有人不受引力的影响，认真思考自己体重的人成千上万，而重新思考引力的人却寥寥无几。

　　因此，有时孤独感便由心而生。例如去孩子学校出席家长会的时候，如果自己被初次见面的家长询问“您从事哪方面工作”，只要我回答“我在研究引力”，对话基本就进行不下去了。哪怕对方只说上一句“很久以前我就觉得引力不可思议”，我也会滔滔不绝地谈下去，然而大部分对话都会就此终止。即使偶尔对方给予回应，也基本上是消极地说：“哦，在上高中的时候，我头疼的就是物理。”如果遇到的是医生或律师，任何人都有想咨询的事情吧。但遇到引力研究者的时候，几乎没有人会想到“机会难得，这次要问个究竟”。

　　实际上，即使我介绍了专业领域的相关内容，也不会对人们的日常生活有什么帮助。假如了解引力可以帮助减肥的话，那么我想在开家长会的时候，我会成为众人的焦点。

　　但是，我想通过自身的努力让更多的人了解我所从事的研究。理由很简单，就是因为它非常有趣。

　　在几千年的历史长河中，我们人类通过反复尝试不断摸索，解开了很多自然界中的谜题。虽然我们是身高仅为1～2米的生物，但是从大小相当于我们身体10亿×10亿×10亿倍的宇宙，到只有10亿×10亿分之一米的微观世界，如今我们都可以对其进行观测和理解。

　　当然，还有很多没有解决的问题。人类能够深入理解“与自己身高（尺寸）不符的”世界，真是一件不可思议的事。如果只是为了生存，那么只要掌握从我们身高的1000倍（大约1～2千米）到1000分之一（大约1～2毫米）左右的世界就足够了吧。与之相比，地球到月球的距离约为4亿米 ，近经常听闻的“纳米”则为10亿分之一米。从进化论的角度来讲，人类即使不理解那些上亿级的世界，也不会被淘汰。我们完全没有必要掌握那些知识。

　　但是，人类已经获得了知晓与生活基本无关的事物的能力。即便明知没什么用，也会败给好奇心。而且我认为人类的这种行为是非常有价值的。

　　在仅此一次的人生中，我希望尽量深入地了解这个世界，因此我从未间断过我所从事的研究。引力是主导我们生活的力，它就在我们的身边。但是，我们还没有完全看清它的真面目，如果不能理解引力，就无从知晓自然界中深层的真相。因此，我认为引力研究很有意思，我也想让更多的人了解该研究领域的意义。

　　如果没有引力研究，就不会诞生GPS

　　另外，这些研究也会在我们生活中发挥出意想不到的作用。

　　1969年，费米国家加速器实验室的任主任罗伯特威尔逊（Robert Wilson）曾作为证人在美国议会上被问道：“建造粒子加速器对我国的国防有什么帮助？”这里提到的“加速器”是指基本粒子研究中不可或缺的实验设备。具体情况我会在后面解释，这里只要把它理解成观察微观世界的巨型显微镜就可以了。

　　当时已经提出了在芝加哥郊外建造加速器的计划。该项计划是美国原子能委员会事业的一环，因为该委员会曾主持研制原子弹“曼哈顿计划”，所以即使在基本粒子物理学研究的建设上，也试图先赋予其国防使命。而且当时这项计划需要几亿美元的预算，毫无用处的建设是不会得到国民同意的。

　　就在这预算是否能得到认可的关键时刻，威尔逊给出了这样的回答：“加速器对于国防不会有直接的作用。但是，它对于保护我们国家是有益处的。”

　　威尔逊的回答很伟大，接受并通过计划的议会也伟大。虽然费米实验室的加速器现在被日内瓦的LHC（大型强子对撞机）取代了，但在很长的一段时期内，它作为世界上强大的加速器，对物理世界贡献巨大，很多令全世界感到自豪的重大发现都源于它。

　　进一步讲，科学的发展并非只是为了提高一个国家的知名度。科学通过推广合理的思考方式，让人类从迷信和偏见中解放出来，通过探究宇宙和生命的奥秘，让我们对世界的认识与体验变得更加丰富。有句话这样说：“科学的目的是人类精神的荣光。”正如此话所讲，科学具有其自身的价值，创造出这种价值的意义重大。

　　而且，虽然科学发现初是源于研究者的好奇心，但是从长远看，也有不少成果终在实际应用中发挥出了作用。获得“菲尔兹奖”（也被称为“数学诺贝尔奖”）的森重文对于自己研究的基础数学这样评价：“虽然现在不能马上体现其作用，但是50年或100年以后它会发挥出未知的作用。因此一颗探究之心是好的指南针。”一提到算术或数学，厌学的孩子就会提出这样的疑问：“学它有什么用？”但是，这些脱离日常生活的抽象研究往往会在未来起到意想不到的作用。

　　物理的世界亦是如此。例如17岁的伽利略伽利雷在比萨的教堂发现了“摆的等时性”。当时伽利略或许是厌倦了比萨，心不在焉地盯着教堂的天花板看，对头上吊灯的摇摆产生了兴趣。他用自己的脉搏计算时间，观察一会儿后发现，摆动的周期与摆锤的重量以及振幅无关，只取决于摆线的长度。至于这个故事是否属实，科学史家们也持有不同的意见。虽然关于在何种情况下发现摆的等时性并没有定论，但至少有记录显示在1602年之前伽利略已理解了这一原理。

　　这一发现衍生出的“谐运动”被广泛应用于解释声波和电波等诸多物理现象的理论中。当然，它也被用于实用的技术之中，在我们日常生活中发挥着重要的作用。

　　另外，科学家在研究中使用的工具，有的经过改良也会被推广到整个社会中。互联网上的网页浏览器就是其中之一。它是由在CERN（欧洲核子研究组织）工作的技术人员开发出来的，刚才提到的加速器LHC就在CERN。因为有几千名研究者在CERN共同工作，所以必须高效地实现信息共享。于是，那里的技术人员开发了可以通过各自的电脑阅览放置于服务器的信息的方法，并将那些信息免费公开。这一技术给我们每天的生活带来了巨大的转变。

　　引力的研究也以各种各样的形式衍生出了“有用的技术”。例如人造卫星中的GPS（全球定位系统）。如果不了解牛顿的万有引力定律，就无法发射人造卫星。其实如果没有爱因斯坦的相对论，也无法使用GPS准确地测定距离。关于这一点，我会在后面的章节中做详细说明。

　　引力研究与理解宇宙息息相关

　　万有引力定律和相对论都是关于引力机理的划时代的重大发现。而且现在的引力研究继牛顿和爱因斯坦的时代之后，迎来了“第三个黄金时代”。关于引力的大型观测和实验项目相继启动，支撑它的理论也取得了巨大的进步。另外，根据这些理论我们也逐渐看清了宇宙的面目。本书的内容是追溯爱因斯坦的相对论及其之后100年间的研究发展，以及的引力理论所描述的宇宙。

书籍介绍

引力是宇宙中处于支配地位的力，与天体、生命的诞生息息相关，迷影重重的引力也是解开宇宙谜题的关键钥匙。经过牛顿、爱因斯坦，引力研究正迎来第三个黄金时期。

本书以新颖有趣的形式讲解了从牛顿、爱因斯坦到前沿物理的研究内容，用全新的方式解读相对论、量子理论、超弦理论。真正让你理解引力、引力波、E=mc2 、黑洞等概念的含义与意义，也能让你体验到追寻宇宙深层谜题的冒险快感。