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书名：终极理论之梦

作者：S·温伯格

译者：李泳

豆瓣评分：8.4

出版社：湖南科学技术出版社

出版年份：2007-3

页数：276

内容简介：

《第一推动物理系列:终极理论之梦》讲的，是一场伟大的理性的历险，去找寻大自然的终极理论。中级理论的梦想激发了今天许多高能物理学的研究，虽然还不知道那终极理论会是什么样子，也不知道还要过多少年才能找到它，但我们相信已经开始模模糊糊地看到了它的身影。在《第一推动物理系列:终极理论之梦》中，诺贝尔物理学奖获得者《最初三分钟》的作者温伯格讲述了对自己然的统一理论的伟大追求――一个能解释从原子内部的联结到太阳与地球的吸引等不同的力的理论。全书令人眼花缭乱去清澈透明，引导着我们从相对论和量子力学走到今天的超弦以及可能与我们同在的别的宇宙。

作者简介：

S·温伯格 1933年出生，1954年毕业于康奈尔大学。1979年因弱电统一理论与格拉肖和萨拉姆分享当年诺贝尔物理学奖。他是美国科学院院士、文学和科学院士，英国皇家学会外籍会员，国际天文学会会员，美国哲学和科学史学会会员，美国中世纪学会会员。曾任美国军备控制和裁军机构顾问，美国防御分析研究所顾问等职。他的《广义相对论与引力论》、《最初三分钟》等书曾风行世界。

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书名：终极理论之梦

作者：[美]斯蒂芬•温伯格

译者：李泳

豆瓣评分：8.7

出版社：湖南科学技术出版社

出版年份：2018-1

内容简介：

《终极理论之梦》讲的，是一场伟大的理性的历险，去找寻大自然的终极理论。终级理论的梦想激发了今天许多高能物理学的研究，虽然还不知道那终极理论会是什么样子，也不知道还要过多少年才能找到它，但我们相信已经开始模模糊糊地看到了它的身影。

在《终极理论之梦》中，诺贝尔物理学奖获得者、《最初三分钟》的作者温伯格讲述了对自然的统一理论的伟大追求――一个能解释从原子内部的联结到太阳与地球的吸引等不同的力的理论。全书令人眼花缭乱却清澈透明，引导着我们从相对论和量子力学走到今天的超弦以及可能与我们同在的别的宇宙。

作者简介：

斯蒂芬•温伯格是得克萨斯大学Josey Regental科学教授。由于他的研究成就，他荣获了许多奖励，其中包括1979年的诺贝尔物理学奖，1991年的美国国家科学奖章，还有数学物理学的Heinemann奖金以及普林斯顿大学的Madison奖章，他被选为美国科学院院士，英国皇家学会会员，美国哲学学会会员，美国艺术和科学院院士。他的科学着作有《引力和宇宙学》和三卷本的《量子场论》。他为一般读者写的书有《最初三分钟》（现已被译为23种文字)、《基本粒子和物理学定律》(与费曼合着）、《亚原子粒子的发现》（同样收录在《第一推动丛书》中)，还有文集《仰望苍穹：科学和它的文化对手》，温伯格教授还经常为《纽约书评》和其他知名期刊撰写文章。

㈢ 史蒂芬·霍金

史蒂芬·霍金

2004-2-19 9:01:51

母亲眼中的霍金
伊莎贝尔·霍金是史蒂芬.霍金的母亲。1930年，伊莎贝尔在牛津研究哲学、政治和经济学。1942年1月，纳粹空军正狂轰滥炸英格兰，伦敦遭受到几乎夜夜不停的空袭。这迫使霍金一家，搬离海格特的家园，而迁到牛津避难。他们在史蒂芬诞生后又回到了伦敦，一直在那里住到1950年。
研究宇宙似是命中注定
我在产前一周到了牛津。我在医院时，作了一些工作，而且得到一张书券，所以就去布勒克威尔书店买了一本星象图。
我的小姑说："你做这件事情真是未卜先知。"
史蒂芬在某些方面肯定是非常能干的，但不是所有方面。他相当晚才学会阅读，但他总是很多话；他也非常富有想象力，在这方面比数学方面发展得更快。
我们比较注意的是我丈夫的才干而不是史蒂芬的。尽管如此，史蒂芬一开始就是个自学者。如果他不想学什么东西则多半是他不需要。他大体上像是一张吸墨纸，把什么都吸收进去。我们经常把他和妹妹带到南肯辛顿的博物馆去。我把他留在科学博物馆，把玛丽留在自然历史博物馆。
史蒂芬·霍金：我爱逃学
我出生于1942年1月8日，刚好是伽利略逝世三百周年的同一天。然而，我估计了一下，大约有二十万个婴儿在同一天诞生，不知道其中有没有后来对天文学感兴趣的人。
尽管我的父母亲在伦敦生活，我却是在牛津诞生的。这是因为牛津在战时是个出生的好地方：德国人同意不轰炸牛津和剑桥，英国以不轰炸海德堡和哥廷根作为回报。可惜的是，这类文明的措施不能扩及更大的范围。
我上学时，牛津物理课程的安排，使得大学很容易逃避用功。我上大学前考了一次，然后在牛津过了三年只在最后考一次毕业考。我有一次计算过，在牛津的三年中，我大约总共学习了一千小时，也就是平均每天一小时。我并不以那时的不用功为傲，我只不过是描述当时的想法而已，这就是我和大部分同学共同的态度：一种百般无聊的心态，而且觉得没有任何事情值得争取。
爱情让我重生
我过完二十一岁生日之后不久就进医院检查。他们从我的手臂取出肌肉样品，把电极插到我的身上，把一些放射性不透明流体注入我的脊柱中，一面使床倾斜，一面用X光来观察这流体上上下下流动。我被诊断得了ALS病，肌肉萎缩性侧面硬化病，或者被英国人称作运动神经细胞病。
我意识到我得了一种可能在几年内死亡的不治之症，这确是一大打击。我怎么会那么倒霉呢？怎么这种病会发生在我身上呢？
肌肉萎缩性侧面硬化病在美国被叫做庐伽雷病，这是以患该病而死于1941年的纽约洋基队一垒手命名的。该病引起神经细胞逐渐瓦解，这些神经细胞位于脊柱和头脑内以控制随意肌肉的活动。头脑思维不受影响。通常呼吸肌肉失效，导致肺炎或窒息而死。
因为我估计自己活不到完成博士论文，所以看来做研究已没有什么意义。然而，疾病随着时间流逝似乎缓和了下来。我开始明白广义相对论，并在研究上获得进展。但是真正使我生活改观的是我和一位名叫简·瓦尔德的女士订的婚。这下我有了活下去的目标。也就是说，如果我要结婚就必须有一份工作。
1965年史蒂芬.霍金申请剑桥凯尔斯学院，他得到一份研究奖学金。同年7月他和简·瓦尔德结婚。他们的第一个儿子罗伯特出生于1967年，女儿露西出生于1970年，而第二个儿子提莫西出生于1979年。
年轻霍金爱跳舞
珍娜·韩福瑞(珍娜·韩福瑞受过一般医学和精神病学的训练，现为一位开业的弗洛伊德分析专家。她的父亲约翰和史蒂芬·霍金的父亲在同一研究所工作。1959年当霍金一家的其他人都到印度生活时，由于史蒂芬在上圣阿尔班斯学校，所以在韩福瑞家住了一年。史蒂芬的动作相当笨拙。我记得他在擦净桌子后，推着一整车的餐具进厨房，撞上了什么东西使得整车东西都掉了出来。大家全笑起来，但是在停顿了一下之后，史蒂芬笑得最大声。
但是他同时却是井井有条的：例如有一回他提议晚上跳苏格兰舞。我们有许多空间和一间大厅，我们买了一些唱片和一本书教我们怎么跳，史蒂芬负责此事。他坚持大家要穿西装和打领带，因为他是孩子中最大的。他是全过程的总管。我已记不得我们多久跳一次舞，但是大家的确非常快乐。史蒂芬对此非常认真，你知道那时他爱好跳舞。
诺曼.狄克斯(赛船俱乐部是大学学院的主要活动。当史蒂芬.霍金在那里念本科时，诺曼.狄克斯是学院船长。他在牛津工作了四十多年。他有一副相当嘹亮的好嗓门，虽然不是军官的嗓门，但也够威风凛凛的。
我们可以相信当他所热爱的东西都失去时，他不仅坚强地活着，而且伟大地活着，那么他所带给我们不仅仅是科学的智慧，还有人类最可贵的精神。
同学眼中的霍金：他来自另一星球
(德瑞克·鲍尼是史蒂芬.霍金在大学学院时的四个物理学生之一；他离开牛津之后在伯里斯特尔大学作研究，埃萨克斯的圣十字学校校长。)
我在大学学院的那一年共有四名学物理的：史蒂芬、高登·贝瑞、里乍得·布雷安和我自己。
我认为那时我们没有人知道史蒂芬到底多聪明。直到第二年我们才发觉到这一点。我们在个人指导时被分成两对，这两对的进度完全相同。有一次四个人做同样的作业。我们被指定读《电磁学》第十章。这是由很特别的作者组合布里尼夫妇合写的。该章结尾附有十三个问题。我们的导师玻比·伯曼说："尽可能完成。"
我们尝试一下以后，我很快就发现一题也做不出来。里乍得是我的工作伙伴，那个星期我们一起设法解出了其中的一题半，为此我们感到很得意。高登拒绝任何协助，自己设法解出一题。史蒂芬和往常一样还没有开始。他上学时不甚用功。
他从来不吃早饭，这对他来说似乎是件大事。我们对他说："这习惯不好，史蒂芬，你早晨应该起床吃早饭。"他沉思地盯着我们，第二天早晨他真的起床吃早饭。那天上午我们这些乖小孩跑去上九点到十二点的三堂课，史蒂芬没去。我们走时大概九点或者差五分九点，因为从大学学院到实验室去上课只要五分钟的路，史蒂芬也在那时回到自己的房间去。
我们十二点左右回来时，史蒂芬刚好下来。我们在学院的门房相遇。
"啊，霍金！"我问道："你做了几题？"
"哦，"他说："我只来得及做这前面的十题。"
我们所有人都大笑起来，而他却满脸狐疑地对我们凝视，这使我们全都呆住了。我们立刻意识到，他的的确确做了这前面的十题。我想，这时大家才意识到，我们和他是不可能同行并进的，我们就像来自于不同的星球。
他是我教过学生中归聪明的，我不能自夸曾经教过他任何东西(罗伯.白曼曾在剑桥学习，后来在牛津的物理系得到一个教职，在牛津时为史蒂芬·霍金在大学学院的学监和物理学导师。
他显然是我所教过的学生中最聪明的。我从那时开始教过大约三十名学生，他的最后考试并不比其他学生好，当然考得好的学生不仅是聪明而且非常用功。史蒂芬不仅仅是聪明，他甚至不能用聪明来衡量。按照正常标准不能说他非常用功，因为这实在没有必要。他每一周都完成辅导的作业。我想我真正的作用只是监督他学习物理的进度。我不能自夸曾经教过他任何东西。
趣事：轮椅压到王子的脚趾头
当霍金被选为皇家学会会员时，他是最年轻的会员。他们在一两年后也选了查理王子。他们邀请一些比较年轻的会员来伦敦。我没有去。可是简回来说，查理王子极爱史蒂芬的轮椅。史蒂芬喜欢旋转这个轮椅来炫耀。结果在他旋转时压到查理王子的脚指头。朋友当.佩奇：我希望王子的脚指头依然无恙。我想这是我和查理王子共同的经验。我们俩都被史蒂芬的轮椅压过。
霍金永远不能成材？
霍金：我是相当正常的小男孩，很慢才学会阅读，但对事物的来龙去脉却非常有兴趣。在校的成绩从未在中等以上(这是一所精英学校)。我十二岁时，一位朋友跟另一位朋友用一袋糖果打赌，说我永远不可能成材。我不知道这个赌的输赢是否已被敲定。如果是，究竟是哪一方赢了？
贝西尔·金(史蒂芬·霍金在圣阿尔班斯的同学和好朋友)：我们讨论生命自发产生的可能性。我想史蒂芬提出了一种看法不仅表明他思考过这问题，而且甚至计算出它的过程要多久。那时候我曾对我的朋友约翰·马克连纳汉说："我认为史蒂芬会成为非同寻常的能人。"约翰不同意。所以我们孩子气地用一包糖来打赌。而且，顺便提及，我断定我赌的已被证明是正确的，我应该得到报偿，但至今尚未得到。
约翰·马克连纳汉(十岁时是同班同学后在剑桥又成为朋友)：我们三个人打了一个赌，其内容是我们之中没人会成大器，或者是其中有人会成材。我已记不清这赌的细节了。但是史蒂芬仍然坚持说，因为他出名了，而我还未送给他一包糖，所以我还欠他的。
霍金与爱因斯坦
"继爱因斯坦之后最伟大的物理学家"---几乎所有的媒体都"言之凿凿"地对霍金下了这样一个定论。霍金堪与爱因斯坦比肩？
苏汝铿(复旦大学物理系教授)：我至今不知道这个"最伟大"的原始出处。霍金与爱因斯坦两人都从事理论物理学的研究，要我来评价，爱因斯坦提出的相对论，开辟了一个崭新的物理学时代，奠定了现代宇宙学的基础，有广义相对论，才有了后来的大爆炸理论、黑洞理论等等；而霍金则是将爱因斯坦的广义相对论运用到许多具体的领域，如大爆炸宇宙学、黑洞等，丰富了理论，作出了原创性贡献。
记者：就理论贡献而言，他俩能比较吗？
苏汝铿：我曾看到过霍金这样一段话，在"星球大战"中，有我和爱因斯坦在一起的镜头，但我们的科学工作并没有多大的关系。
胡守钧(复旦大学社会学系教授)：我个人认为，评价爱因斯坦之后谁是"最伟大"的物理学家，这是一个很滑稽的问题，就像评价邓丽君之后谁是中国最好的流行歌手，王菲？那英？还是韩红？
霍金与宇宙
"黑洞"、"大统一"、"大爆炸"，这些仿若与霍金"伴生"的物理学名词，并未因在媒体上的频频"曝光"而彰显其科学含义。它们是什么？霍金又做了什么？
苏汝铿：用最简单的话讲，"大爆炸"是对宇宙起源的看法；"黑洞"是对宇宙中某些恒星"归宿"的看法；而"大统一"理论，则是试图把物质世界里已知的相互作用都"统"于一个理论框架里，希望以此来概括宇宙中的所有现象。
记者：就你们看来，霍金在天体物理学中最重要的贡献是什么？
苏汝铿：我认为有两点。首先，他是黑洞热力学的奠基人之一，把过去学术界认为风马牛不相及的引力、热学、统计物理学融为一体，开拓了一个新的研究领域。再者，他考虑了黑洞的量子效应，发现黑洞并不十分黑"，即黑洞附近的某些粒子可以逃逸出去，这便是着名的"霍金蒸发"。《红楼梦》有云："身后有余忙缩手，眼前无路转回头"，"无路转回头"，这是经典物理；而量子物理认为无路也能像土行孙一样"钻"过去。霍金把黑洞物理从"经典"提升到"量子"的高度。
记者：他在浙大演讲的"膜宇宙"是指什么？
苏汝铿：这是目前宇宙学最前沿的理论，它把超弦理论中所要求的高维空间紧缩为四维时空，这就是一张"膜"，用以研究宇宙目前演化的状态。作为当今世界最杰出的物理学家之一，霍金在这方面也走在了科学前沿。
霍金与诺贝尔奖
霍金的名声如日中天，为何至今与诺贝尔物理奖无缘？
胡守钧：霍金提出了许多有创见的理论，但他所研究的黑洞、宇宙学等等，实验验证需要一个较长的时间。
苏汝铿：没有实证就与"诺奖"无缘，这方面例子太多了！爱因斯坦提出了宇宙引力波理论，但得诺贝尔奖的是几十年后通过实验间接证明引力波存在的澳大利亚人；四五十年代提出"大爆炸"宇宙学的是物理学家，而最终登上诺贝尔领奖台的，是十多年后贝尔电话实验室两位研究"噪音"的工程师，他们"无意"中观测到宇宙的背景辐射，验证了"大爆炸"理论。
记者：那为什么霍金的"名气"反比绝大多数诺贝尔奖得主大得多？
胡守钧：这是个相当有趣的现象。当然与他是第一流的科学家和有一本畅销全球的科普读物不无关系。不过我认为更重要的，是他的"轮椅"。霍金是只能用三根手指攀登着如此险峻的巅峰。这是一个绝无仅有的"标志"，这个"标志"或深刻或肤浅地泛植于全球人的心中，一经"深谙其道"的媒体触点，"霍金狂飚"从天落。
霍金与数学年会
以物理学研究名扬天下的霍金，则被邀参加正在中国召开的世界数学年会并做专题演讲。总不会是拉个"名角"捧场吧？
胡守钧：这是我个人的看法，数学中抽象的"公理"，需要依附对象来显示"公理"存在的必要性；而物理，从客观中产生的理论"图景"，可以用数学来论证它的合理性。它们从来就是唇齿相依。
苏汝铿：霍金，既然是个伟大的物理学家，也必定是个杰出的数学家。
记者：如此冷寂枯燥的基础研究，他们怎能甘之若饴？
胡守钧：这就是人类的良心。也许会是长远的寂寞，但基础理论奠定的，是整整一个时代的生产力基础。李政道先生曾引杜甫的诗句以明志，"细推物理须行乐，何用浮名伴此身"。
霍金与《时间简史》
普通人认识霍金，据说与他那本发行量仅次于《圣经》的《时间简史》不无关系。然而霍金说：能完全看懂这本书，可以拿物理学博士了。果真是本"天书"？
胡守钧：《时间简史》写得非常棒，但确实不太好懂。它是想解释从大爆炸之后，宇宙是怎样一步步演化过来的。
苏汝铿："时间"的历史确实不好懂。通常物理学家认为时间有5种箭头---宇宙学箭头、电动力学箭头、量子力学箭头、热力学箭头和生命箭头。注意，箭头是有方向的，也就是说，时间是有方向的。于是霍金问："时间为什么有方向？方向从何而来？"为什么人不能是死、病、老、生？如果时间注定不能"反演"，那么大爆炸的"宇宙箭头"可视为所有时间方向的根本原因。但这只是一个假设。
胡守钧：时间是什么？它有没有开始？把我们导向何方？这既是物理学的根本命题，也是具有深刻科学含义的哲学命题。上世纪30年代，罗马教皇曾经召开了一个用"宇宙科学"理论来证明"上帝存在"的大会，一个名不见经传的小子问："既然宇宙是有开始的，那么宇宙开始前是怎么样的？"当时比利时神父、宇宙学家勒梅特是这样"经典"地回答："提出如此深刻问题的人，上帝为他准备好了地狱！"可人无限的思维又怎么是有限的概念禁锢得了呢！
记者：霍金曾说，1988年《时间简史》初版时，万物的终极理论似乎已经在望了，但现在这仍是一条蜿蜒的路途;"万物的终极理论"，存在吗？
胡守钧：老子曰"道可道，非常道"，任何理论都不是终极真理。以有限的生命空间，驰骋于无边的思维世界，努力探寻宇宙无限的答案---这不正是霍金之真，科学之美，人类之魂？！

A Brief History of Hawking（霍金小传）

Stephen William Hawking was born on 8 January 1942 (300 years after the death of Galileo) in Oxford, England. His parents' house was in north London, but ring the second world war Oxford was considered a safer place to have babies. When he was eight, his family moved to St Albans, a town about 20 miles north of London. At eleven Stephen went to St Albans School, and then on to University College, Oxford, his father's old college. Stephen wanted to do Mathematics, although his father would have preferred medicine. Mathematics was not available at University College, so he did Physics instead. After three years and not very much work he was awarded a first class honours degree in Natural Science.

Stephen then went on to Cambridge to do research in Cosmology, there being no-one working in that area in Oxford at the time. His supervisor was Denis Sciama, although he had hoped to get Fred Hoyle who was working in Cambridge. After gaining his Ph.D. he became first a Research Fellow, and later on a Professorial Fellow at Gonville and Caius College. After leaving the Institute of Astronomy in 1973 Stephen came to the Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, and since 1979 has held the post of Lucasian Professor of Mathematics. The chair was founded in 1663 with money left in the will of the Reverend Henry Lucas, who had been the Member of Parliament for the University. It was first held by Isaac Barrow, and then in 1669 by Isaac Newton.

Stephen Hawking has worked on the basic laws which govern the universe. With Roger Penrose he showed that Einstein's General Theory of Relativity implied space and time would have a beginning in the Big Bang and an end in black holes. These results indicated it was necessary to unify General Relativity with Quantum Theory, the other great Scientific development of the first half of the 20th Century. One consequence of such a unification that he discovered was that black holes should not be completely black, but should emit radiation and eventually evaporate and disappear. Another conjecture is that the universe has no edge or boundary in imaginary time. This would imply that the way the universe began was completely determined by the laws of science.

His many publications include The Large Scale Structure of Spacetime with G F R Ellis, General Relativity: An Einstein Centenary Survey, with W Israel, and 300 Years of Gravity, with W Israel. Stephen Hawking has three popular books published; his best seller A Brief History of Time, Black Holes and Baby Universes and Other Essays and most recently in 2001, The Universe in a Nutshell. There are .pdf and .ps versions of his full publication list.

Professor Hawking has twelve honorary degrees, was awarded the CBE in 1982, and was made a Companion of Honour in 1989. He is the recipient of many awards, medals and prizes and is a Fellow of The Royal Society and a Member of the US National Academy of Sciences.

Stephen Hawking continues to combine family life (he has three children and one grandchild), and his research into theoretical physics together with an extensive programme of travel and public lectures.

㈣ 广义相对论

由光速不变原理论证爱因斯坦狭义相对论中的特殊洛仑兹变换——对爱因斯坦论证的探讨

【刊名】 长春工业大学学报(自然科学版), 编辑部邮箱 1982年 00期
【作者】 房思廷
【中英文摘要】 我们于一九八一年十二月收到这篇只用光速不变原理来直接论证《洛仓兹变换》的文章.在组织审议中发现《ThePhys,Teach,》Vol20(1982)No1,P42发表的文章也有类似的论证,应该说双方都是独立的见解.文中提出的论据,目前尚有争论,本着百家争鸣的方针,予以发表,希望展开讨论.

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回答者： 农夫山前有点田 - 见习魔法师 三级 7-10 22:12

狭义相对论的创立

早在16岁时，爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波，他产生了一个想法，如果一个人以光的速度运动，他将看到一幅什么样的世界景象呢？他将看不到前进的光，只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗？

与此相联系，他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊，用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪，笛卡尔首次将它引入科学，作为传播光的媒质。其后，惠更斯进一步发展了以太学说，认为荷载光波的媒介物是以太，它应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质中。与惠更斯的看法不同，牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为，发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流，粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风，然而到了19世纪，却是波动说占了绝对优势，以太的学说也因此大大发展。当时的看法是，波的传播要依赖于媒质，因为光可以在真空中传播，传播光波的媒质是充满整个空间的以太，也叫光以太。与此同时，电磁学得到了蓬勃发展，经过麦克斯韦、赫兹等人的努力，形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学，并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围内的电磁波，从而将光的波动理论与电磁理论统一起来。以太不仅是光波的载体，也成了电磁场的载体。直到19世纪末，人们企图寻找以太，然而从未在实验中发现以太。

但是，电动力学遇到了一个重大的问题，就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。关于相对性原理的思想，早在伽利略和牛顿时期就已经有了。电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架，但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难。按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度，也就是光的速度是一个恒量，然而按照牛顿力学的速度加法原理，不同惯性系的光速不同，这就出现了一个问题：适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学？例如，有两辆汽车，一辆向你驶近，一辆驶离。你看到前一辆车的灯光向你靠近，后一辆车的灯光远离。按照麦克斯韦的理论，这两种光的速度相同，汽车的速度在其中不起作用。但根据伽利略理论，这两项的测量结果不同。向你驶来的车将发出的光加速，即前车的光速=光速+车速；而驶离车的光速较慢，因为后车的光速=光速-车速。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖。我们如何解决这一分歧呢？

19世纪理论物理学达到了巅峰状态，但其中也隐含着巨大的危机。海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力，电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。在人们的心目中，古典物理学已经达到了近乎完美的程度。德国着名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学，老师劝他说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。”

爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。在伯尔尼专利局的日子里，爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态，在许多问题上深入思考，并形成了自己独特的见解。在十年的探索过程中，爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论，特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题使他不安，这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多着作发现，所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究爱因斯坦发现，除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外，以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到：以及绝对参照系是必要的吗？电磁场一定要有荷载物吗？

爱因斯坦喜欢阅读哲学着作，并从哲学中吸收思想营养，他相信世界的统一性和逻辑的一致性。相对性原理已经在力学中被广泛证明，但在电动力学中却无法成立，对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致，爱因斯坦提出了怀疑。他认为，相对论原理应该普遍成立，因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式，但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量，成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太，也就是相信存在着绝对参照系，这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末，马赫在所着的《发展中的力学》中，批判了牛顿的绝对时空观，这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题，贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法，两人讨论了很久。突然，爱因斯坦领悟到了什么，回到家经过反复思考，终于想明白了问题。第二天，他又来到贝索家，说：谢谢你，我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义，时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作，爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。

1905年6月30日，德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》，在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理：相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点，是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想，但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想，但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动，在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理，在他看来，根本不存在绝对静止的空间，同样不存在绝对同一的时间，所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系，都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系，运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律，它们的形式都是相同的，这就是相对性原理，严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中，爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据，他提出光速不变是一个大胆的假设，是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果，他从同时的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。

什么是同时性的相对性？不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢？一般来说，我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度，但如何没出这一速度呢？我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间，空间距离的测量很简单，麻烦在于测量时间，我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟，从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢？答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好？如果按照先前的思路，它又需要一种新信号，这样无穷后退，异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的，同时性必与一种信号相联系，否则我们说这两件事同时发生是没有意义的。

光信号可能是用来对时钟最合适的信号，但光速不是无限大，这样就产生一个新奇的结论，对于静止的观察者同时的两件事，对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车，它的速度接近光速。列车通过站台时，甲站在站台上，有两道闪电在甲眼前闪过，一道在火车前端，一道在后端，并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹，通过测量，甲与列车两端的间距相等，得出的结论是，甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说，收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离，并同时到达他所在位置，这两起事件必然在同一时间发生，它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙，情况则不同，因为乙与高速运行的列车一同运动，因此他会先截取向着他传播的前端信号，然后收到从后端传来的光信号。对乙来说，这两起事件是不同时的。也就是说，同时性不是绝对的，而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。

相对论认为，光速在所有惯性参考系中不变，它是物体运动的最大速度。由于相对论效应，运动物体的长度会变短，运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题，运动速度都是很低的（与光速相比），看不出相对论效应。

爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大。他并且给出了着名的质能关系式：E=mc2，质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。

广义相对论的建立

1905年，爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后，并没有立即引起很大的反响。但是德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章，认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美，正是由于普朗克的推动，相对论很快成为人们研究和讨论的课题，爱因斯坦也受到了学术界的注意。

1907年，爱因斯坦听从友人的建议，提交了那篇着名的论文申请联邦工业大学的编外讲师职位，但得到的答复是论文无法理解。虽然在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气，但在瑞士，他却得不到一个大学的教职，许多有名望的人开始为他鸣不平，1908年，爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位，并在第二年当上了副教授。1912年，爱因斯坦当上了教授，1913年，应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。

在此期间，爱因斯坦在考虑将已经建立的相对论推广，对于他来说，有两个问题使他不安。第一个是引力问题，狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的，但是它不能解释引力问题。牛顿的引力理论是超距的，两个物体之间的引力作用在瞬间传递，即以无穷大的速度传递，这与相对论依据的场的观点和极限的光速冲突。第二个是非惯性系问题，狭义相对论与以前的物理学规律一样，都只适用于惯性系。但事实上却很难找到真正的惯性系。从逻辑上说，一切自然规律不应该局限于惯性系，必须考虑非惯性系。狭义相对论很难解释所谓的双生了佯谬，该佯谬说的是，有一对孪生兄弟，哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行，根据相对论效应，高速运动的时钟变慢，等哥哥回来，弟弟已经变得很老了，因为地球上已经经历了几十年。而按照相对性原理，飞船相对于地球高速运动，地球相对于飞船也高速运动，弟弟看哥哥变年轻了，哥哥看弟弟也应该年轻了。这个问题简直没法回答。实际上，狭义相对论只处理匀速直线运动，而哥哥要回来必须经过一个变速运动过程，这是相对论无法处理的。正在人们忙于理解相对狭义相对论时，爱因斯坦正在接受完成广义相对论。

1907年，爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》，在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理，此后，爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据，提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。爱因斯坦并且提出了封闭箱的说法：在一封闭箱中的观察者，不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中，还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中，这是解释等效原理最常用的说法，而惯性质量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论。

1915年11月，爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文，在这四篇论文中，他提出了新的看法，证明了水星近日点的进动，并给出了正确的引力场方程。至此，广义相对论的基本问题都解决了，广义相对论诞生了。1916年，爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》，在这篇文章中，爱因斯坦首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论，将只对于惯性系物理规律同样成立的原理称为狭义相对性原理，并进一步表述了广义相对性原理：物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立。

爱因斯坦的广义相对论认为，由于有物质的存在，空间和时间会发生弯曲，而引力场实际上是一个弯曲的时空。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论，很好地解释了水星近日点进动中一直无法解释的43秒。广义相对论的第二大预言是引力红移，即在强引力场中光谱向红端移动，20年代，天文学家在天文观测中证实了这一点。广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转，。最靠近地球的大引力场是太阳引力场，爱因斯坦预言，遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。1919年，在英国天文学家爱丁顿的鼓动下，英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食，经过认真的研究得出最后的结论是：星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。英国皇家学会和皇家天文学会正式宣读了观测报告，确认广义相对论的结论是正确的。会上，着名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说：“这是自从牛顿时代以来所取得的关于万有引力理论的最重大的成果”，“爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一”。爱因斯坦成了新闻人物，他在1916年写了一本通俗介绍相对认的书《狭义相对论与广义相对论浅说》，到1922年已经再版了40次，还被译成了十几种文字，广为流传。

相对论的意义

狭义相对论和广义相对论建立以来，已经过去了很长时间，它经受住了实践和历史的考验，是人们普遍承认的真理。相对论对于现代物理学的发展和现代人类思相的发展都有巨大的影响。 相对论从逻辑思想上统一了经典物理学，使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系，指出它们都服从狭义相对性原理，都是对洛伦兹变换协变的，牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。广义相对论又在广义协变的基础上，通过等效原理，建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系，得到了所有物理规律的广义协变形式，并建立了广义协变的引力理论，而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题，从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。

狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律，并提示了质量与能量相当，给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显，但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快，有的接近甚至达到光速，所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件，而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。

广义相对论建立了完善的引力理论，而引力理论主要涉及的是天体。到现在，相对论宇宙学进一步发展，而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展，吸引了许多科学家进行研究。

一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦：“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一”，“按照我的看法，他也许比牛顿更伟大，因为他对于科学的贡献，更加深入地进入了人类思想基本要领的结构中。”
回答者：鸶歌 - 秀才 二级 7-11 13:13

相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦(Albert Einstein)创立，分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。相对论的基本假设是光速不变原理，相对性原理和等效原理。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观条件下的物体。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”，“四维时空”“弯曲空间”等全新的概念。

狭义相对论，是只限于讨论惯性系情况的相对论。牛顿时空观认为空间是平直的、各向同性的和各点同性的的三维空间——绝对空间，时间是独立于空间的单独一维（因而也是绝对的），即绝对时空观。狭义相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，并不存在绝对的空间和时间。在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的，这是一种对应于“全局惯性系”的理想状况。狭义相对论将真空中光速为常数作为基本假设，结合狭义相对性原理和上述时空的性质可以推出洛仑兹变换。

广义相对论是爱因斯坦在1915年发表的理论。爱因斯坦提出“等效原理”，即引力和惯性力是等效的。这一原理建立在引力质量与惯性质量的等价性上(目前实验证实,在10 − 12的精确度范围内,仍没有看到引力质量与惯性质量的差别)。根据等效原理，爱因斯坦把狭义相对性原理推广为广义相对性原理，即物理定律的形式在一切参考系都是不变的。物体的运动方程即该参考系中的测地线方程。测地线方程与物体自身故有性质无关，只取决于时空局域几何性质。而引力正是时空局域几何性质的表现。物质质量的存在会造成时空的弯曲，在弯曲的时空中，物体仍然顺着最短距离进行运动(即沿着测地线运动——在欧氏空间中即是直线运动)，如地球在太阳造成的弯曲时空中的测地线运动，实际是绕着太阳转，造成引力作用效应。正如在弯曲的地球表面上，如果以直线运动，实际是绕着地球表面的大圆走。

倒相对论：相对论的提出，同样受到很多的指责，有很多人认为它是错误的，并大大阻碍了社会的发展。然而这种观点并不被主流科学界所接受。

爱因斯坦和他的相对论

除了量子理论以外，1905年刚刚得到博士学位的爱因斯坦发表的一篇题为《论动体的电动力学》的文章引发了二十世纪物理学的另一场革命。文章研究的是物体的运动对光学现象的影响，这是当时经典物理学面对的另一个难题。

十九世纪中叶，麦克斯韦建立了电磁场理论，并预言了以光速C传播的电磁波的存在。到十九世纪末，实验完全证实了麦克斯韦理论。电磁波是什么？它的传播速度C是对谁而言的呢？当时流行的看法是整个宇宙空间充满一种特殊物质叫做“以太”，电磁波是以太振动的传播。但人们发现，这是一个充满矛盾的理论。如果认为地球是在一个静止的以太中运动，那么根据速度迭加原理，在地球上沿不同方向传播的光的速度必定不一样，但是实验否定了这个结论。如果认为以太被地球带着走，又明显与天文学上的一些观测结果不符。

1887年迈克尔逊和莫雷利用光的干涉现象进行了非常精确的测量，仍没有发现地球有相对于以太的任何运动。对此，洛仑兹(H．A．Lorentz)提出了一个假设，认为一切在以太中运动的物体都要沿运动方向收缩。由此他证明了，即使地球相对以太有运动，迈克尔逊也不可能发现它。爱因斯坦从完全不同的思路研究了这一问题。他指出，只要摒弃牛顿所确立的绝对空间和绝对时间的概念，一切困难都可以解决，根本不需要什么以太。

爱因斯坦提出了两条基本原理作为讨论运动物体光学现象的基础。第一个叫做相对性原理。它是说：如果坐标系K'相对于坐标系K作匀速运动而没有转动，则相对于这两个坐标系所做的任何物理实验，都不可能区分哪个是坐标系K，哪个是坐标系K′。第二个原理叫光速不变原理，它是说光（在真空中）的速度c是恒定的，它不依赖于发光物体的运动速度。

从表面上看，光速不变似乎与相对性原理冲突。因为按照经典力学速度的合成法则，对于K′和K这两个做相对匀速运动的坐标系，光速应该不一样。爱因斯坦认为，要承认这两个原理没有抵触，就必须重新分析时间与空间的物理概念。

经典力学中的速度合成法则实际依赖于如下两个假设：1．两个事件发生的时间间隔与测量时间所用的钟的运动状态没有关系；2．两点的空间距离与测量距离所用的尺的运动状态无关。爱因斯坦发现，如果承认光速不变原理与相对性原理是相容的，那么这两条假设都必须摒弃。这时，对一个钟是同时发生的事件，对另一个钟不一定是同时的，同时性有了相对性。在两个有相对运动的坐标系中，测量两个特定点之间的距离得到的数值不再相等。距离也有了相对性。

如果设K坐标系中一个事件可以用三个空间坐标x、y、z和一个时间坐标t来确定，而K′坐标系中同一个事件由x′、y′、z′和t′来确定，则爱因斯坦发现，x′、y′、z′和t′可以通过一组方程由x、y、z和t求出来。两个坐标系的相对运动速度和光速c是方程的唯一参数。这个方程最早是由洛仑兹得到的，所以称为洛仑兹变换。

利用洛仑兹变换很容易证明，钟会因为运动而变慢，尺在运动时要比静止时短，速度的相加满足一个新的法则。相对性原理也被表达为一个明确的数学条件，即在洛仑兹变换下，带撇的空时变量x'、y'、z'、t'将代替空时变量x、y、z、t，而任何自然定律的表达式仍取与原来完全相同的形式。人们称之为普遍的自然定律对于洛仑兹变换是协变的。这一点在我们探索普遍的自然定律方面具有非常重要的作用。

此外，在经典物理学中，时间是绝对的。它一直充当着不同于三个空间坐标的独立角色。爱因斯坦的相对论把时间与空间联系起来了。认为物理的现实世界是各个事件组成的，每个事件由四个数来描述。这四个数就是它的时空坐标t和x、y、z，它们构成一个四维的连续空间，通常称为闵可夫斯基四维空间。在相对论中，用四维方式来考察物理的现实世界是很自然的。狭义相对论导致的另一个重要的结果是关于质量和能量的关系。在爱因斯坦以前，物理学家一直认为质量和能量是截然不同的，它们是分别守恒的量。爱因斯坦发现，在相对论中质量与能量密不可分，两个守恒定律结合为一个定律。他给出了一个着名的质量-能量公式：E＝mc2，其中c为光速。于是质量可以看作是它的能量的量度。计算表明，微小的质量蕴涵着巨大的能量。这个奇妙的公式为人类获取巨大的能量，制造原子弹和氢弹以及利用原子能发电等奠定了理论基础。

对爱因斯坦引入的这些全新的概念，大部分物理学家，其中包括相对论变换关系的奠基人洛仑兹，都觉得难以接受。旧的思想方法的障碍，使这一新的物理理论直到一代人之后才为广大物理学家所熟悉，就连瑞典皇家科学院，1922年把诺贝尔奖金授予爱因斯坦时，也只是说“由于他对理论物理学的贡献，更由于他发现了光电效应的定律。”对于相对论只字未提。

爱因斯坦于1915年进一步建立起了广义相对论。狭义相对性原理还仅限于两个相对做匀速运动的坐标系，而在广义相对论性原理中匀速运动这个限制被取消了。他引入了一个等效原理，认为我们不可能区分引力效应和非匀速运动，即非匀速运动和引力是等效的。他进而分析了光线在靠近一个行量附近穿过时会受到引力而弯折的现象，认为引力的概念本身完全不必要。可以认为行星的质量使它附近的空间变成弯曲，光线走的是最短程线。基于这些讨论，爱因斯坦导出了一组方程，它们可以确定由物质的存在而产生的弯曲空间几何。利用这个方程，爱因斯坦计算了水星近日点的位移量，与实验观测值完全一致，解决了一个长期解释不了的困难问题，这使爱因斯坦激动不已。他在写给埃伦菲斯特的信中这样写道：“……方程给出了近日点的正确数值，你可以想象我有多高兴！有好几天，我高兴得不知怎样才好。”

1915年11月25日，爱因斯坦把题为“万有引力方程”的论文提交给了柏林的普鲁士科学院，完整地论述了广义相对论。在这篇文章中他不仅解释了天文观测中发现的水星轨道近日点移动之谜，而且还预言：星光经过太阳会发生偏折，偏折角度相当于牛顿理论所预言的数值的两倍。第一次世界大战延误了对这个数值的测定。1919年5月25日的日全食给人们提供了大战后的第一次观测机会。英国人爱丁顿奔赴非洲西海岸的普林西比岛，进行了这一观测。11月6日，汤姆逊在英国皇家学会和皇家天文学会联席会议上郑重宣布：得到证实的是爱因斯坦而不是牛顿所预言的结果。他称赞道“这是人类思想史上最伟大的成就之一。爱因斯坦发现的不是一个小岛，而是整整一个科学思想的新大陆。”泰晤士报以“科学上的革命”为题对这一重大新闻做了报道。消息传遍全世界，爱因斯坦成了举世瞩目的名人。广义相对论也被提高到神话般受人敬仰的宝座。

从那时以来，人们对广义相对论的实验检验表现出越来越浓厚的兴趣。但由于太阳系内部引力场非常弱，引力效应本身就非常小，广义相对论的理论结果与牛顿引力理论的偏离很小，观测非常困难。七十年代以来，由于射电天文学的进展，观测的距离远远突破了

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书名：上帝掷骰子吗

作者：曹天元

豆瓣评分：9.2

出版社：辽宁教育出版社

出版年份：2006-1

页数：369

内容简介：

《上帝掷骰子吗》这本书是关于量子论的故事。量子论是一个极为奇妙的理论：从物理角度来说，它在科学家中间引起了最为激烈的争议和关注；从现实角度来说，它给我们的社会带来了无与伦比的变化和进步；从科学史角度来说，也几乎没有哪段历史比量子论的创立得到了更为彻底的研究。然而不可思议的是，它的基本观点和假说至今没有渗透到大众的意识中去，这无疑又给它增添了一道神秘的光环。

这本书带读者做一次量子之旅，从神话时代出发，沿着量子发展的道路，亲身去经历科学史上的乌云和暴雨，追逐流星的辉光，穿越重重迷雾和险滩，和最伟大的物理学家们并肩作战。除了回顾基本的历史背景，还将向着未来探险，去逐一摸索量子论面前的不同道路，闯入人迹罕至的未知境地，和先行者们一起开疆扩土。让人惊叹的，不仅仅是沿途那令人眼花缭乱的绚丽风景，更来自于人内心深处的思索和启示——那是科学深植在每个人心中不可抗拒的魅力。

这本书适合任何有中学基本物理概念的读者。

作者简介：

曹天元（Capo），出生于上海，足迹遍历内地、香港和美国，现居香港。本人不愿透露具体身份。