沿著重力波看宇宙：從相對論到大霹靂，掌握現代宇宙的核心-FindBook 找書網 ISBN:9786269284986

圖書名稱：沿著重力波看宇宙：從相對論到大霹靂，掌握現代宇宙的核心

當黑洞碰撞，宇宙會泛起漣漪──人類第一次「聽見」時空的聲音
從深空震盪到萬物起源，帶你看懂宇宙如何誕生、膨脹與演化

▎當宇宙不再沉默
人類仰望星空已有數千年，但真正理解宇宙的結構與命運，卻只是近代科學的成果。當重力波被探測到的那一刻，宇宙不再只是靜默的天幕，而成為會「震動」與「說話」的時空。這本書以重力波為線索，帶領讀者走入宇宙學最核心的問題：宇宙從何而來、如何演化，又將走向何方。從地球、太陽到遙遠星系，從牛頓力學到相對論，讀者將逐步看到人類如何在黑暗的宇宙中建立起一套理解世界的宏大圖景。

▎從經典力學到時空革命
宇宙學並非一開始就如此深邃。早期的宇宙觀建立在牛頓的引力理論之上，人們相信宇宙是永恆而穩定的巨大舞台。然而，科學史上的一連串疑問與悖論，逐漸動搖了這種看似合理的圖景。當愛因斯坦提出相對論後，「空間」與「時間」不再是靜止背景，而是能被質量彎曲、甚至可以傳遞波動的動態結構。這場思想革命，不僅改變了物理學，也為理解黑洞、宇宙膨脹與重力波奠定了基礎。

▎黑洞與重力波：宇宙最劇烈的事件
在宇宙深處，黑洞的誕生與碰撞是最壯觀的天文現象之一。當兩個黑洞彼此旋繞並最終合併時，會激起時空本身的波動──重力波。這種波動穿越宇宙，最終被地球上的精密儀器捕捉，讓人類第一次「聽見」宇宙深處的聲音。透過黑洞物理與重力波探測，本書揭示了一個全新的觀測宇宙方式：除了光，我們還能用時空的震動來研究宇宙的歷史與結構。

▎宇宙膨脹與大霹靂的誕生
當天文學家觀測到遙遠星系的紅移現象時，人類第一次意識到宇宙並非靜止，而是在整體膨脹。這一發現最終導向了大霹靂宇宙模型：宇宙曾在極早期處於極高溫、高密度的狀態，隨後不斷擴展與冷卻。從最初的基本粒子到恆星與星系的形成，宇宙的演化歷程逐步展開。背景輻射、暗物質以及真空能量等現象，也成為解開宇宙歷史的重要線索。

▎未解之謎與宇宙的未來
儘管現代宇宙學取得巨大進展，但宇宙仍充滿謎團。暗物質與暗能量的本質仍未被完全理解，宇宙是否有限、是否存在平行宇宙，也仍是科學與哲學交會的問題。暴脹理論試圖解釋宇宙早期的劇烈膨脹，並為許多宇宙學難題提供可能答案。本書最終呈現的不只是科學知識，而是一幅仍在不斷修訂的宇宙藍圖──在人類理解的邊界之外，仍有更廣闊的未知等待探索。

〔本書特色〕
本書以重力波為切入點，帶領讀者穿越宇宙學的重要里程碑。從牛頓的宇宙觀到愛因斯坦相對論，從黑洞與重力波到宇宙膨脹與大霹靂模型，本書以清晰而生動的方式梳理現代宇宙學的核心概念。同時探討暗物質、宇宙常數與暴脹理論等前沿議題，呈現人類理解宇宙起源與演化的最新視野，讓讀者在浩瀚星海中看見科學探索的深度與魅力。

作者簡介：

張天蓉，科普作家，美國德州奧斯汀大學理論物理博士，現居美國芝加哥。研究課題包括廣義相對論、黑洞輻射、費曼路徑積分、飛秒雷射、雷射探測晶體性質、高頻及微波通訊、EDA積體電路軟體等，發表專業論文三十餘篇。2012年開始出版了一系列科普著作，其文風深入淺出，趣味盎然，亦保持科學的嚴謹性，深得讀者喜愛，代表作品有《蝴蝶效應，數學與碎形美學至混沌理論》、《相對的宇宙，愛因斯坦的困惑》、《同時與異界，多維時空的宇宙奧祕》等。

章節試閱

第一章　去宇宙逍遙
1．從地球出發
夜空中的滿天繁星，總能給人類帶來無限的遐想。閃爍星星的背後是什麼？這個世界從何而來、向何處去？外星人，或外星生命存在嗎？……深不可測的宇宙中似乎暗藏著無窮多的奧祕，這是對人類永恆的誘惑！無論古人還是今人，無論老耄或者年輕，只要你還保持著一顆天真好奇的心，你便會對地球之外的茫茫世界疑問不斷，並且想要窮根究底。
古人仰望蒼穹，不明就裡，於是編出了一個一個的神話故事來寄託他們的夢想和遐思。幸好我們生活在現代的文明社會，人類發展至今，已經累積了足夠多的天文資料。今天我們就跟隨天文學家，做一個快速又簡潔的「宇宙漫遊夢」，去宇宙逍遙一下。
所謂「快速又簡潔的宇宙旅行」的意思是說，我們不會詳細介紹太陽系、銀河系以及相關的基本天文知識，想要更詳細了解這方面的讀者，請閱讀參考文獻［4］。我們只是各處瀏覽，挑幾個有趣的、特別的事例做簡單說明，主要目的是為了介紹和解釋天文學及宇宙學中一些必要的物理概念，為讀者理解今後的章節打下一定的基礎。
從地球出發後，最快能到達的星球當然是地球的衛星：月亮。孩子們最早的天文知識，一定是開始於白天的太陽和晚上的月亮。然後再進一步，才了解了其他一些常見的星星。古人將離地球最近的、肉眼可見的幾顆星星命名為「金星、木星、水星、火星、土星」，西方則大多數以羅馬神話中的諸神來稱呼它們。我們現在知道，天空中最亮的天體：太陽、月亮，還有其他和地球一樣繞著太陽轉圈的星星一起，組成了「太陽系」大家庭。
在這個大家庭中，最重要的主角是太陽。太陽是一個會發光發熱的龐然大物，大到可以放下100萬個地球。它供給我們必不可少、賴以生存的能量。因為有了太陽，地球上才孕育出生命，低等生命才得以演化為高等智慧的人類，人類又發展了引以為傲的高科技及現代文明。然而，如果沒有太陽，或者太陽某一天突然停止發光發熱，地球上的這一切都將化為烏有。
地球在太陽系中的確小得可憐，不僅是相對於太陽而言，即使在八個兄弟姐妹中，地球也只是一個很不起眼的「小個子」。不過，儘管大小不一，繞太陽轉圈的八大行星和諧共處，各行其「橢圓軌道」，各有其不同的「性情特色」。
水星離太陽最近，也許人們想像它最能探聽太陽的祕密，所以把它的英文名字「Mercury」取為神話中的情報商業之神。水星並不是一個適合居住的地方，因為它的表面溫度白天可達425℃，晚上冷到零下175℃。在水星之外，離太陽第二近的是金星。她在黑暗的天空中非常搶眼，因而被稱為「美神」（Venus）。美神雖美，卻又太熱情，溫度總在470℃以上，所以對我們人類而言，只能遙望，不宜親近。
接下來便是我們可愛的家園，這顆鬱鬱蔥蔥的綠色地球，這是唯一沒有用「神」來命名的太陽系行星，也是迄今為止我們唯一發現有智慧生物居住的地方；在地球之外是火星，不過火星並不「火熱」，溫度比地球還低，從零下80℃到零下5℃左右。火星表面大氣稀薄，土壤內富含鐵質類的氧化物，經常狂風四起，鋪天蓋地而來的紅褐色含鐵沙塵暴使它贏得了一個「戰神」（Mars）的英名；火星之外是塊頭最大的木星，不過木星上並沒有木頭，而是一顆氣態加液態的行星，它內心炙熱（溫度攝氏上萬度），外表冷漠（只有零下110℃），極大的溫差使得木星表面天氣惡劣，它是羅馬神話中的主神朱比特（Jupiter）；下一位土星兄弟，比木星稍小一點，也是氣態氫為主。據說因為它看起來呈土黃色，古人將它稱為「土」星，而西方人似乎也認為它適宜耕種，用羅馬神話中的農業之神（Saturn）來命名它。它有兩個與眾不同之處：一是它特有的、引人注目的、使它顯得縹緲瀟灑的光環，那是由冰粒和塵埃構成的；另一個特點是「多子多孫」，它有60多顆衛星，其中的「土衛六」（Titan），是由荷蘭物理學家惠更斯在西元1655年發現的。土衛六擁有濃厚的大氣層，被懷疑有可能存在生命體，曾引起研究者們極大的興趣。
從土星再往太陽系的外圍走，下一個是天王星（Uranus），這個名字來自於羅馬神話和希臘神話中共同的「天空之神」。天王星離地球較遠，但用肉眼仍然依稀可見。
西元1820年，法國天文學家布瓦（Alexis Bouvard），根據牛頓萬有引力定律計算天王星的運動軌道，發現算出的軌道與觀測結果極不相符。科學家們對此提出各種猜測，而被大多數人接受的假設，是認為天王星軌道之外可能存在另一顆行星，它的重力作用使天王星的軌道運動受到干擾，也就是天文學上所謂的攝動作用（perturbation）。二十多年之後，英國的亞當斯（John Couch Adams）和法國的勒維耶（Urbain Le Verrier）兩位年輕人，分別獨立地用天王星運動的偏差估計攝動大小，從而推算出未知行星的質量和軌道位置。1846年9月，柏林天文臺的天文學家，果然在預期位置附近發現了這顆新行星，並以羅馬神話中的海神涅普頓（Neptunus）為其命名，中文翻譯為海王星。海王星距離太陽最遠，表面溫度低達零下203℃，是太陽系中最冷的地區之一。
海王星的發現，證實了牛頓定律的正確，展現了科學預言的無比威力。從此之後，天文學家在人們心目中，似乎變成了一群破解宇宙之謎的「大師」，能追捕未知星球的「偵探」。事實也的確如此，天文學家後來又根據對海王星的觀察，推測有其他行星攝動天王星的軌道，從而進一步發現了以地獄之神（Pluto）命名的冥王星。不過，因為後來又有許多類似的矮行星及其他小天體陸續被發現，冥王星於2006年被剝奪了太陽系行星的資格，我們的大家庭最後留下「八大行星」。
雖然在大家庭中，月亮是地球最親近的「伴侶」，但月亮對地球總是「羞羞答答」、「猶抱琵琶半遮面」，永遠只是用它的正面對著地球；直到1959年，蘇聯的「月球3號」太空船，才拍攝到了月球背面的第一張影像。能產生這種現象，是因為月亮的自轉速度和繞地公轉速度一致，這種一致性平衡了星體「腹背」所受到的不同重力。這種因為作用於物體不同部位的重力不同，而在物體內部產生的應力，被稱為潮汐力。實際上，月亮這個屬性並不是太陽系中獨一無二的，許多衛星的「面孔」取向，都符合這種「潮汐鎖定」現象，即只用一面對著它的「主人」，以使得內部應力最小，這似乎又一次證實了大自然造物按照某種「極值」規律！
潮汐力這類重力效應，以後還會碰到，因而在此略作介紹。潮汐力這個詞來源於地球上海洋的潮起潮落，但後來在廣義相對論中，人們將由於重力不均勻而造成的現象都統稱為潮汐力。我們所熟知的地球表面海洋的潮汐現象，是因為月亮對地球的重力不均勻而形成的。人站在地球上，地球施加在我們頭頂的力，比施加在雙腳的力要小一點，這個差別使得在我們身體內部產生一種「拉長」的效應。但因為我們個人的身體尺寸，相對於地球來說太小了，我們感覺不到重力在身體不同部位產生的微小差異；然而，在某些大質量天體，如黑洞附近，就必須考慮這點了。這種差異能產生明顯的效應，甚至將人體撕裂毀滅。
月亮離地球說近也不近。與太陽系大家庭比起來，它們非常親近，但比較起月亮和地球的體積大小而言，中間似乎空空蕩蕩的什麼也沒有。要知道月地距離是380,000km，地球半徑不過6,000km，因而，地球直徑大約只是月地距離的1/30，你可能沒有想到，太陽系的七大行星可以被排成一排，完全「塞進」地球和月亮之間，還仍然有剩餘空間。不過，還好我們的七大行星從未擠到地球和月亮之間，如果發生那種情形，將會引起一場大災難！
物理學家最感興趣的大家庭成員，是作為主人的太陽。太陽的形狀幾乎是一個理想的球體，中間是核心，然後是輻射帶，最外層是對流帶。太陽內部及表面發生的核融合反應，與我們地球上人類的生存息息相關。太陽是被我們稱為「恆星」的那一類星體。恆星有它的生命週期，它的「生死」決定了大家庭成員們的生死，不可小覷。

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序
引言　宇宙深處泛漣漪—從重力波談宇宙學

第一章　去宇宙逍遙
1．從地球出發
2．太陽的生命週期
3．群星燦爛也不燦爛
4．錢德拉塞卡極限
5．天上有個好萊塢
6．河外星系知多少

第二章　牛頓的宇宙
1．永恆而穩定的宇宙圖景
2．夜空為什麼黑暗
3．重力悖論
4．熱寂說悖論

第三章　有關無限的數學悖論
1．悖論知多少
2．芝諾帶你走向無窮小
3．希爾伯特旅館悖論
4．缸中之腦
5．無限猴子定理

第四章　學點相對論
1．狹義相對論
2．廣義相對論
3．重力場方程式
4．相對論的實驗驗證和應用
5．不同的內蘊...

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