從狹義到廣義，揭開相對論奧祕：從震驚世界的E=mc2到遺憾未完的統一場論，摘下愛氏相對論的神祕面紗

自序

詩曰：

時間空間為何物？物質運動何相關？

剪不斷來理還亂，且看愛氏相對論。

什麼是相對論？我想最有資格回答這個問題的人非愛因斯坦莫屬。愛因斯坦在著作中指出：相對論是以對運動、空間和時間的貫徹一致的物理解釋為基礎的一種物理理論。提到運動顯然離不開物質，所以物質也應該囊括在其中。這樣一來，相對論實際上就是一種解釋宇宙整體規律的理論了，因為宇宙就是時空以及其中所包含的物質及運動。

自古以來，宇宙就是人類永恆的話題。浩渺的宇宙充滿了神祕，也引發了人類無數的幻想。愛因斯坦曾說過：「為什麼相對論及其如此遠離日常生活的概念和問題會在大眾中引起持久而強烈的回響，有時甚至達到了狂熱的程度，這一點我從來沒有想清楚……」其實，我覺得可以從他所說的另一段話中來尋找答案：「我們所能擁有的最美妙的情感體驗就是神祕……誰要是對神祕失去了興趣，不再好奇、不再驚訝，那他就失去了活力。」任何一個有活力的人，都對探索未知充滿了興趣。相對論是解開宇宙之謎的鑰匙，所以，儘管它與日常生活無關，還是引起了無數人的狂熱，因為它把人們帶進了最美妙的神祕體驗中。

依愛因斯坦自己的說法，相對論分為三層境界：第一層是狹義相對論，第二層是廣義相對論，第三層是統一場論。遺憾的是，第三層境界愛因斯坦盡其畢生精力也沒能完成，所以，目前人們只把相對論的發展分為兩個層次：狹義相對論和廣義相對論。廣義相對論是狹義相對論的延續，狹義相對論則是廣義相對論的一種極限情況。我們都知道狹義相對論很精彩，但是，廣義相對論更精彩！狹義相對論建立了四維時空的概念，廣義相對論則找到了解鎖時空密碼的鑰匙！

本書以愛因斯坦建立狹義和廣義相對論的思想歷程，以及物理學家們對時空和宇宙的探索為主線，循序漸進地介紹了相對論的產生、發展、驗證與應用，介紹了各種神奇的相對論效應和宇宙學奇觀，深入剖析了時空的本性，釐清了一些容易產生誤解的問題，另外還簡單介紹了統一場論。作為一本科普讀物，本書涵蓋了光速現象、鐘慢尺縮、質能互換、閔氏時空、時空旋轉、時空圖、光錐（Light cone）、重力場（Gravitational field）、時空度規、時空彎曲、重力透鏡（Gravitational lensing）、重力波（Gravitational wave）、時間箭頭、時空量子化、多維時空等相對論中，引人入勝的大部分內容，也涵蓋了宇宙的基本圖景、宇宙的過去和未來、暗能量（Dark energy）、黑洞（Black hole）、白洞（White hole）、蟲洞（Wormhole）、時空旅行等相關的宇宙學方面的內容，還涉及了原子彈、氫彈、衛星導航、相對論效應的視覺圖像模擬等相關技術，同時還把歷史趣事穿插其中，以使讀者在輕鬆的氣氛中完成對奇妙的相對論世界的探索。

相對論與量子力學並稱為現代物理的雙璧，想寫好它絕非易事。我最早接觸相對論時，就曾陷入過這樣的困境：為什麼光速是速度的極限？尺縮鐘慢的根本原因是什麼？如何理解運動雙方都覺得對方的量尺縮短了？為什麼時間和空間可以組合在一起，其科學道理為何？等等。如果這些問題不說清楚，就會使讀者覺得相對論很難理解。這種情況我在本書中是盡力避免的，我力求達到讓讀者知其然而更知其所以然的目的，相信讀者朋友們讀完本書後，相對論的神祕面紗會被摘下，如果你能有豁然開朗的感覺，對我來說就是最大的成功。

本書中出現了少量的公式，這些公式都是相對論中最精華的公式以及理解相對論所必需的，而且只要具備初等數學知識就能看懂，並不會給讀者帶來額外的負擔。另外，在本書中，如無特別說明，「光速」均指真空光速。提醒讀者注意的是：當光射入介質中（如空氣、水等）時，會與介質中的微小粒子發生相互作用，從而導致光在介質中的表觀傳播速度減小。空氣中的光速比真空光速小萬分之幾，可近似認為二者相等。

由於本人能力所限，疏漏和不足之處在所難免，敬請讀者朋友們批評指正。

高鵬