完美的理論︰一整個世紀的天才與廣義相對論之戰（2020新版）-FindBook 找書網 ISBN:4713510947340

圖書名稱：完美的理論︰一整個世紀的天才與廣義相對論之戰（2020新版）

★英國皇家學會2014年度科學書獎決選書★
★物理世界之書2014年度決選書★

愛因斯坦在1915年11月25日發表廣義相對論，震撼全球，
扭轉了這一百年來科學技術的發展走向，引領人類全面向太空前進。
《完美的理論：一整個世紀的天才與廣義相對論之戰》以大師級人物為故事主軸，
包括愛因斯坦、愛丁頓、惠勒、費曼、潘若斯、霍金……
把廣義相對論發表迄今的相關科學發展，
包括宇宙學、電波天文學、量子重力等等，重新整理詮釋，
很淺白的介紹報紙上常見的科學術語背後的概念，
諸如：恆星核融合、中子星、大霹靂、黑洞、暗物質、弦論等等。
值此廣義相對論一百年的關鍵時刻，《完美的理論》從歷史掌故中，理出線索，
引領我們正面迎向未來的科學，以及浩瀚無垠的星空。

廣義相對論從1915年發表以來，
它的孕育、誕生、成長、徬徨、再起、雄霸、到修正，
在過去一百年裡，充滿了曲折的情節，
好像一個探險家的奇幻之旅，充滿了戲劇性。
難怪全球物理學界紛紛舉辦研討會，慶祝廣義相對論百年大壽……
媒體及出版界也大量報導及發行專書，
其中牛津大學費瑞拉教授所著《完美的理論》最值得推薦。
費瑞拉承襲了物理學界數十年來的優良傳統，
由做過重大學術貢獻的物理學者，
主動積極的撰寫深入淺出、生動有趣的科普著作，
使社會大眾能適當了解科學最前沿的發展。
—— 陳丕燊，臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學研究中心主任

能夠駕馭愛因斯坦的廣義相對論，就等於得到了一把宇宙奧祕之鑰，
讓我們得以了解宇宙的歷史、時間的起源，
以及宇宙中所有恆星與星系的演化……
廣義相對論的歷史橫跨各大洲，參與這場世紀之爭的人物，包括：
一些英國天文學家、一位俄國氣象學家、一位比利時神父、
一位紐西蘭數學家、一位德國軍人、一位印度神童、
一位美國的原子彈專家、一位南非的貴格會信徒，
以及許許多多其他人，都因愛因斯坦理論的優雅及強大威力，
而一起投入這個領域……
二十一世紀肯定會是愛因斯坦廣義相對論的世紀，
我很慶幸自己活在一個有這麼多新事物等待我們發現的年代。
在愛因斯坦提出他的廣義相對論一百年後，某些神奇的事即將要發生。
—— 費瑞拉，本書作者

【國際好評】
愛因斯坦的美麗理論已經影響了一個世紀的歷史，
它的眾多分支，刺激了一波強過一波的發現浪潮……
費瑞拉的書寫，不夾帶任何技術障礙，即使讀者完全沒有科學背景，
也能欣賞這本書裡精心描寫的、為科學而努力的過程，
真實感受到科學的人文面和社會面。
—— 芮斯（Martin Rees），皇家天文學家

費瑞拉的《完美的理論》是特別令人喜愛的書，為我們提供了迷人的事蹟，
精采刻畫了參與其中的人物的創意和個性。
—— 潘若斯爵士（Sir Roger Penrose），數學家兼哲學家

費瑞拉匠心獨運，很精巧的描繪了廣義相對論背後、眾星爭輝的歷史。
廣義相對論是了解宇宙的工具，即使在它已經發表了一百年後的今日，
我們也才剛剛開始認識到它堅卓的生命力而已。
——《科學人》雜誌

《完美的理論》是現代物理學中，最受人矚目的「廣義相對論」的完美指南。
——《華爾街日報》

《完美的理論》引人入勝，介紹了我們目前對於時間、空間、重力的理解。
—— 匹柏士（Phillip James Peebles），國際知名科學家

費瑞拉清晰的敘事、解說風格，為我們提供了宏觀現代科學的門徑。
—— 斯特羅加茨（Steven Strogatz），康乃爾大學數學教授

廣義相對論是無比優雅、簡潔的理論，但是廣義相對論背後的歷史脈絡，卻凌亂而難以釐清。
費瑞拉細心耙梳了這段歷史，把相關科學家走過的時空，清楚呈現出來。
—— 卡羅爾（Sean Carroll），理論物理學家、科普作家

費瑞拉用生動的細節，描寫了令人驚嘆的「人類最偉大成就之一」的故事。
—— 黎文（Janna Levin），哥倫比亞大學天文物理教授、科普作家

費瑞拉完成了一項很了不起的工作，他引領讀者走過「一個令人驚奇的理論」的發展之路。
—— 沃伊特（Peter Woit），哥倫比亞大學的數學物理學家

作者簡介：

費瑞拉 Pedro Ferreira
牛津大學天文物理教授、國王學院資深導師、歐洲太空總署（ESA）顧問。
1968年出生於葡萄牙里斯本，倫敦帝國學院理論物理博士，曾於美國加州大學柏克萊分校、歐洲粒子物理研究中心，從事博士後研究。專長是理論宇宙學與天文物理，研究主題為宇宙大尺度結構的起源、廣義相對論、以及暗物質和暗能量的性質，已發表一百多篇學術論文。
常受邀在BBC節目中擔任評論員。

譯者簡介：

蔡承志
畢業於台大物理系。著有《邏輯學的故事》、《邏輯學入門》（與林照田教授合著）；譯有《語言與真實》、《超高效心智圖學習法》、《學微積分，也學人生》、《我在MIT燃燒物理魂》、《世界第一好懂的科學課》等。

章節試閱

第1章當你成為自由落體
1907年秋天，愛因斯坦感受到不小的工作壓力。他受邀在《電子學與放射現象年鑑》上，為他的理論—相對論，寫一篇正式的回顧文。要他在收到稿約後很短的時間內，就為如此重要的一項研究主題寫一篇概論，實在有點強人所難，更何況他只能在正職工作之餘，擠出時間來做這件事。
從週一到週六，每天早上八點到下午六點，愛因斯坦都在瑞士專利局上班。專利局位於伯恩剛落成的郵政與電報大樓內，在那裡愛因斯坦必須仔細審視一些新奇電機產品的設計概念，判斷這些玩意兒是否真有價值。愛因斯坦的上司給過他這樣的建議：「當你拿起一份申請案時，你要把那個發明者所說的都當成是錯的。」愛因斯坦把這建議牢記在心。一天之中的大多數時間，愛因斯坦必須將他針對自己的理論與發現所做的筆記及計算，都收進辦公桌的第二個抽屜裡，他把這個抽屜稱為他的「理論物理部門」。
千山獨行的超級天才
愛因斯坦的那篇評論文章，回顧了他先前的整合工作：他將伽利略（Galileo Galilei, 1564-1642）及牛頓的古典力學與法拉第（Michael Faraday, 1791-1867）及馬克士威（James Clerk Maxwell, 1831-1879）的新電磁學，很成功的結合在一起。這能解釋不少愛因斯坦在幾年前發現的怪現象，比方說：行進中的鐘走得較慢，或者，當物體快速往前移動時，物體會縮短。文章中還解釋了他的一條既古怪又神奇的公式，那公式告訴我們，質量與能量可以互換，而且沒有任何東西能夠移動得比光速還快。在回顧自己的相對論原理時，愛因斯坦還解釋了為什麼幾乎一切的物理都應該要由一組新的、公用的定則來主宰。
1905年，在僅僅幾個月之間，愛因斯坦就一連寫了好幾篇論文，這些論文都改變了物理學的發展軌跡。在那段靈感爆發的期間，愛因斯坦指出，光的行為就像是一束的能量，就和由物質所構成的粒子差不多。他還證明了花粉及塵埃在一碟水的表面上舉棋不定、無秩序的路徑，可能是源自於水分子的騷動行為，這些水分子不斷振動、彼此碰撞及彈開。他還挑戰了一個已經困擾物理學家將近半個世紀之久的問題：為什麼物理定律似乎會因你看待它們的角度不同，而呈現不同的面貌？愛因斯坦利用自己的相對論原理，將這些物理定律整合起來。
這些發現都是相當驚人的成就，而愛因斯坦卻是獨力完成了這一切，當時他只是一個低階職員，在位於伯恩的瑞士專利局工作，負責篩選與當時科技發展有關的申請案。1907年他還在專利局工作，仍然無法進入那令人敬畏、卻又似乎總是讓他不得其門而入的學術界。事實上，雖然他才剛剛改寫了某些基本物理定律，但他過去的表現一點也不突出。愛因斯坦在蘇黎世理工學院的學業表現並不怎麼起眼，他會蹺不感興趣的課，並且去對抗那些可讓他的天分獲得滋育的人。愛因斯坦的一位教授告訴他，「你是個很聰明的孩子……但是你有個很大的缺點：你不願意讓人教導你任何事。」當指導教授不讓愛因斯坦研究自己有興趣的研究主題時，愛因斯坦就交了一篇乏善可陳的期末論文，這就拉低了他的學業分數，以致於雖然他向幾所大學申請研究助理的工作，卻沒有任何一所錄取他。
愛因斯坦於1900年畢業，直到1902年才終於在專利局找到工作，在這期間他的求職是一連串的失敗。雪上加霜的是，他於1901年提交給蘇黎世大學的博士論文，也在一年之後遭拒絕。在那篇論文中，愛因斯坦著手推翻十九世紀末最偉大的理論物理學家之一的波茲曼（Ludwig Boltzmann, 1844-1906）提出的某些想法。愛因斯坦這次的聖像破壞行動，並沒有成功。直到1905年，愛因斯坦以他那幾篇驚世之作當中的一篇〈分子大小的新求法〉送審，才終於拿到博士學位。對於剛進入社交圈的愛因斯坦來說，這個學位「對我人際關係的開展有很大的助益。」
在愛因斯坦的學術之路走得相當不順之際，他的朋友葛洛斯曼（Marcel Grossmann, 1878-1936）卻早已平步青雲，成為一位人人敬重的教授。做事非常有計畫，努力向學，很受師長喜歡，這就是葛洛斯曼。他的課堂筆記寫得非常詳細，而且無可挑剔，這些筆記幫助愛因斯坦不至於完全偏離了主流的研究。葛洛斯曼和愛因斯坦及愛因斯坦未來的妻子米列娃．馬利奇（Mileva Marić, 1875-1948）在蘇黎世一起求學時，成為好朋友，而且三個人在同一年畢業。和愛因斯坦不同的是，葛洛斯曼的學術之路從那時起就一帆風順。他在蘇黎世獲聘為研究助理，並於1902年拿到博士學位。在高中短暫任教一段時間後，葛洛斯曼就成為蘇黎世聯邦理工學院的投影幾何學教授。愛因斯坦卻是連高中老師都還當不成。後來是透過葛洛斯曼的父親跟一位舊識，伯恩的專利局局長的推薦，愛因斯坦才終於找到工作，成為專利局職員。
愛因斯坦在專利局的工作對他而言，有如天降甘霖。經過幾年的收入不穩定、要靠父親的資助過活之後，他終於能夠迎娶米列娃，並且開始在伯恩生兒育女。專利局的工作比其他地方來得單調，有明確的工作項目，而且沒有其他事可以讓人分心，似乎是最適合愛因斯坦來好好把觀念想清楚的地方。他每天分派到的工作只需要幾個小時就可以做完，這讓他有時間專注在自己想解決的難題上。坐在他那張小小的木製辦公桌前，桌上只擺了幾本書以及他從「理論物理部門」拿出來的論文，愛因斯坦就開始在自己的頭腦裡做起實驗來。
在這些想像實驗（他用德文gedanken experimenten來稱呼）中，愛因斯坦會去設想一些情況或場景，方便自己在其中探索物理定律，以了解這些定律對真實世界會產生什麼影響。在沒有實體實驗室的情況下，他會在腦袋中玩一些自己精心設計的遊戲，設想一些事件並詳細審視。得到這些實驗結果後，由於他的數學程度剛好又足以讓他將想法寫下來，於是愛因斯坦就創造出像珠寶般精巧玲瓏的論文，這些論文完全改變了物理學的方向。

相對論原理需要進一步廣義化
專利局的長官們對於愛因斯坦的工作表現感到滿意，將他升為二等專利員，但是他們仍然沒注意到愛因斯坦在學術界的聲望已經與日俱增。1907年德國物理學家史塔克（Johannes Stark, 1874-1957）邀請他寫那篇回顧論文〈論相對論原理及其意涵〉時，愛因斯坦仍在專利局工作，每天要審一定分量的申請案。這篇回顧論文的交稿期限是兩個月，在那兩個月當中，愛因斯坦發現他的相對論原理尚不完備。如果相對論原理真的要成為一個廣義原理，那就需要做個大翻修。
《電子學與放射現象年鑑》上那篇論文，回顧了愛因斯坦最初提出的相對論原理。相對論原理說的是：物理定律在任何慣性參考坐標系中，看起來應該都一樣。其實這個原理背後的基本想法並不是新的，它已經存在好幾世紀了。
物理學及力學的定律告訴我們，物體在受到外力時會如何運動、加速或減速。在十七世紀，英國物理學家暨數學家牛頓就提出了一組定律，說明物體受到機械力時會有什麼樣的反應。牛頓的運動定律可以用同一套說法來解釋「當兩顆撞球彼此碰撞、當子彈從槍膛中飛出，或當一顆球被拋到空中時」會發生什麼事。
慣性參考坐標系就是以固定速度移動的坐標系。如果你是在一個靜止不動的地方讀這本書，比方說，坐在你家中一張舒服的沙發上，或坐在咖啡廳的一張咖啡桌前，那麼你就是在一個慣性坐標系裡（速度固定，只不過為零）。慣性坐標系的另一種範例是：一列以高速行駛、窗戶全關上的火車上。如果你坐在那列火車裡，那麼一旦火車到達它設定的行駛速度，你就無法知道你是在移動中。原則上，我們是不可能分辨出兩個慣性坐標系的—即使其中一個是以高速運動，另一個卻只是靜止不動。如果你是在某個慣性坐標系上做實驗，測量作用在某物體上的力，那麼你得到的結果，會跟你在任何一個其他慣性坐標系上測得的結果一樣。物理定律是相同的，不論你是在哪個慣性參考坐標系中。
十九世紀，物理學家找到一組全新的定律，將兩個基本作用力—電力與磁力，編織成一體。乍看之下，電與磁是兩個不相干的現象。我們家中的電燈或空中的閃電呈現的是電的現象，磁鐵吸附在冰箱上或指北針指向北極則是磁的現象。蘇格蘭物理學家馬克士威告訴我們，這兩個力可以看成是同一種力「電磁力」的不同表現，而觀測者所觀測到的現象，就取決於觀測者本身的運動方式。坐在一根磁棒旁邊的人會看到磁的現象，卻看不到電的現象。但從那根磁棒旁邊呼嘯而過的人，卻不僅會看到磁的現象，也會觀測到些許電的現象。馬克士威把這兩個力統合成一個電磁力，不論觀測者的位置或移動速率為何，這個電磁力都維持不變。
然而，當你嘗試把牛頓的運動定律與馬克士威的電磁定律結合起來，麻煩就來了。如果世界真的同時遵循這兩組定律，那麼在理論上我們就有可能，利用磁鐵、電線及滑輪來製造出一部儀器，讓它在某個慣性坐標系感受不到任何力，但在另一個慣性系卻可以偵測到力，這就違反了慣性坐標系應該無法被分辨的基本定則。因此，牛頓定律與馬克士威定律是彼此不相容的。愛因斯坦想要修正物理定律中的這些「不對稱性」。

時間會膨脹，空間會收縮
在愛因斯坦發表1905年那幾篇經典論文之前的幾年，他為了解決這個問題，做了一系列的想像實驗，並因而發展出一個簡潔的相對論原理。他在腦袋中所做的物理定律修補工作，最終成功打造出兩個基本假定。第一個假定只不過是以下這個原理的重申：物理定律在任何慣性坐標系中，看起來應該都一樣。第二個假定則比較激進：在任何慣性坐標系中，光速的值都一樣，它是每秒299,792公里。我們可以根據這兩個假定，來調整牛頓運動定律與力學，使它們在與馬克士威的電磁定律結合之後，慣性坐標系的不可分辨性仍然得以維持。不過，愛因斯坦的相對論原理會帶出一些令人難以置信的結果。
愛因斯坦的第二個假定，也就是光速的恆定性，讓我們不得不對牛頓定律做出修正。在古典的牛頓宇宙中，速率是相加的：比較從一列高速行駛的火車車頭發出的光，與從一個靜止的光源所發出的光，前者會跑得比較快。在愛因斯坦的宇宙中，情況就不是這樣了。宇宙有個速率上限，那就是每秒299,792公里。即使是最強而有力的火箭，也無法突破這個速率障礙。但是這麼一來，一些古怪的事情就會發生。舉例來說，某個旅客搭乘一列以接近光速的速率行駛的火車，奔馳過月臺，那麼對一個坐在月臺上、看著火車疾馳而過的人來說，他會覺得火車上的旅客老得比較慢。而且那列行駛中的火車，看起來也會比它平常靜止不動時來得短。換句話說，時間會膨脹，而空間會收縮。這些古怪的現象暗示了某個更深刻的事實：在相對論的世界裡，時間與空間是彼此交織而且可以互換的。
透過這個相對論原理，愛因斯坦似乎已經簡化了物理學，即便他的理論會帶出一些古怪的後果。但是在1907年秋天，當愛因斯坦準備動手寫他的回顧論文時，卻不得不承認，雖然他的理論似乎相當成功，但它還不完全。因為，牛頓的重力理論並沒有辦法放進愛因斯坦相對論的圖像中。

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作者序

【自序】
解開宇宙奧祕之鑰
下面這句話聽起來也許有點言過其實，似乎將廣義相對論捧上了天，但我還是忍不住要這麼說：能夠駕馭愛因斯坦的廣義相對論，就等於得到了一把宇宙奧祕之鑰，讓我們得以了解宇宙的歷史、時間的起源，以及宇宙中所有恆星與星系的演化。

廣義相對論可以告訴我們在宇宙最遙遠之處有什麼東西，並且解釋這樣的知識對於在這裡、在此刻的我們會有何影響。愛因斯坦的理論還能幫助我們了解最小尺度的世界，在那裡最高能量的粒子可以從無變有。廣義相對論甚至能解釋實體、空間及時間等結構是如何出現，並演變為大自然的...

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導讀　美是均衡中有錯愕　陳丕燊

序幕　廣義相對論一百年
能夠駕馭愛因斯坦的廣義相對論
就等於得到了一把宇宙奧祕之鑰

第1章　當你成為自由落體
「若有人從空中自由落下，
他將不會感覺到自己的重量。」

第2章　愛因斯坦最珍貴的發現
愛因斯坦領悟到
重力會像透鏡一樣讓光線產生偏折

第3章　正確的數學，糟糕的物理
愛因斯坦的靜態宇宙已被丟棄
宇宙擴張之說正逐漸受到採納

第4章　恆星的崩陷
如果恆星的質量夠大，將會崩陷
而形成施瓦氏之奇特解

第5章　十足的瘋子
愛因斯坦有個遠大目標：
對「大一統場論...

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