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《重力簡史--牛頓的蘋果如何啟發重力法則、相對論、量子論等重大物理學觀念》
作者 馬可士.鍾
出版社 商周出版
ISBN 9789864774227
分類 自然科學 > 物理 > 其他
價格 HK$150.00
 
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《週日泰晤士報》2017年度科學選書
暢銷科普作家 馬特.瑞德利盛讚:當代最好的宇宙學作家!

國立清華大學天文研究所專任教授 江國興 審訂導讀
國立自然科學博物館館長、國立臺灣大學物理系暨天文物理研究所教授 孫維新
台北市天文協會常務理事 劉志安 聯合推薦

讓我們的雙腳得以立於地面的力量,為什麼是了解時間及宇宙起源的關鍵?

在日常世界裡,重力是最微弱的力量,但在宇宙中,它卻是最強大的力量。它是最先知道並描繪出的力量,但卻是最不被了解的力量。它是個讓你的雙腳牢牢釘在地上的「力量」,然而這樣的力量實際上並不存在。

借用邱吉爾的話,重力是「包在謎團裡的謎中之謎」。穿透謎團就能解答科學之中的大哉問:空間是什麼?時間是什麼?宇宙是什麼?宇宙又從何而來?

獲獎無數的作家馬可士.鍾將帶領你經歷難忘的旅程,從一六六六年發現「重力」起,到二○一五年發現重力波(gravitational waves)為止。在我們的世界觀瀕臨巨大變革之際,他帶領我們了解物理學所面臨的最大挑戰:宏觀物體理論與微觀物體理論的統一整合;也就是愛因斯坦的重力論與量子論的統一整合。


作者簡介:

馬可士.鍾(Marcus Chown),獲獎無數的作家與播報員。過去曾是加州理工學院的電波天文學家,期間曾師承諾貝爾物理學獎得主理察.費曼。目前則於英國科學週刊《新科學家》(New Scientist)擔任宇宙學顧問。他的著作有《多美妙的世界》(What a Wonderful World)、《量子論不會傷害你》(Quantum Theory Cannot Hurt You)及《我們得談談凱文》(We Need to Talk about Kelvin〔榮獲二○一○年皇家學會科學書籍獎項〕)。馬克斯也是《iPad版太陽系》(Solar System for iPad)的作者,此APP榮獲二○一一年書商雜誌數位創新獎。

作者網頁:www.marcuschown.com;推特帳號:@marcuschown。


譯者簡介:

蕭秀姍,國立成功大學物理治療系學士、醫學工程研究所碩士,比利時魯汶大學醫療影像處理碩士、家庭與兩性關係碩士。旅居歐美超過十年,目前回台定居。身兼全職媽媽與半職譯者,以照顧家庭為主業、翻譯書籍為調劑,在文字與生活之中尋找平衡。擅長科普、心理、醫藥理工與食材料理等翻譯。譯作有《都是荷爾蒙惹的禍》、《帕夫洛夫的狗與薛丁格的貓》、《大腦有問題!?:大腦瑕疵如何影響你我的生活》、《讀不出時鐘指針的女人:從多重學習障礙到創辦學校》、《天天在家玩科學》、《風味聖經》與《風味事典》等等。


導讀 大自然奧祕的解答,就存於好奇心中
——國立清華大學天文研究所專任教授 江國興

小時候我的爸爸總愛講一些科學家的故事,也許這就促使我從小就十分喜愛科學,以及對科學家的生平事蹟產生興趣。我印象最深刻的故事是阿基米德的「Eureka!」(我發現了!)及牛頓的蘋果樹。雖然這兩個故事有可能都是虛構的,但可以確定的是,阿基米德和牛頓都有著如故事中驚人的洞察力和聯想力,再配合他們非凡的數學才華,使他們成為偉大的科學家。

《重力簡史》一書便從牛頓的蘋果樹開始說起。時至今日,那棵蘋果樹仍立於英國林肯郡的伍爾索普莊園,還成為英國50棵最重要的樹之一。在伍爾索普莊園內,牛頓改寫了現代科學,他不到2年便發明微積分,以及完成光學和萬有引力的研究。雖然牛頓的學術成就很早已在學術界得到認同,在離開莊園後隨即成為劍橋大學教授和皇家學會院士,但他偉大的萬有引力理論,要待20年後才正式發表。

這本書的第一及第二章便試圖分析箇中原因。牛頓除了個性複雜且矛盾,更是位實用和完美主義者。雖然他早已發現讓蘋果掉下來的力量,與讓月亮掛在天空的力量,都源於同一種力。他必須證明重力是種萬有力,主宰宇宙一切物體的運動,並以精準的數學語言描述,更要說服自己這的確是一套完美的理論。因為哈雷的一個問題,牛頓再次投入重力的研究,更精益求精,將成果以臻於完美的方式呈現。這便是1687年出版的《自然哲學的數學原理》,而哈雷彗星更是牛頓的運動定律與重力定律的最佳驗證。今天,哈雷的房子和天文台仍保留在牛津大學城內,每次我回到校園時,總會到他的故居緬懷他當年鼓勵牛頓發表其偉大著作,促使現代科學的發展。

牛頓的重力定律不只具有普遍性,還很簡單。這就是科學的美。重力平方反比定律,可以解釋行星的運動、尋找新的行星,甚至太陽系外行星、測量銀河系中心黑洞的質量,以至推算暗物質的分布。坊間很多探討重力的科普書籍都有精采的描述,但這本書的最大特色是,作者花了很多的篇幅論述重力與潮汐的關係。潮汐跟我們日常生活息息相關,特別是台灣四面環海,河流貫穿大城市,潮汐預報更不可或缺。牛頓便是第一個以完備的理論解釋潮汐因由的科學家。書的第三章除了討論牛頓怎樣利用萬有引力理論預估漲退潮時間,更比較月亮與太陽對潮汐的作用,以及潮汐對井水和大型強子對撞機的影響,最後更延伸到太陽系內其他衛星。事實上,在宇宙裡所有雙星系統都不能忽略潮汐力。

牛頓的研究和著作打開現代科學的大門,而1846年發現的海王星更將牛頓的萬有引力理論推至極致。可是問題終於來了,牛頓的重力理論未能解釋水星的異常軌道。雖然這是一個有趣的問題,但在愛因斯坦之前,沒有人意識到這是源於牛頓對時間和空間概念的誤解。

愛因斯坦的事蹟和科學成就在本書的第五、第六,以及部分的第七章有簡單的描述,篇幅明顯比牛頓的少。可能是因為坊間已有大量與愛因斯坦有關的科普書籍,但重點是作者帶出愛因斯坦跟牛頓作為偉大科學家的特徵,以及他們對科學的態度。愛因斯坦跟牛頓一樣,是一位專注力十分高的科學家。書中提到1905年是愛因斯坦的「奇蹟年」,愛因斯坦花了幾個月就完成4篇重要的科學論文,其中光電效應為他贏得了1921年的諾貝爾物理學獎,而狹義相對論和質能轉換更奠定相對論的基礎,當中E=mc2更是家喻戶曉的方程式。愛因斯坦放棄牛頓對於絕對空間與絕對時間的概念,推翻牛頓的世界觀,用自己的一套想法全新演繹現代物理。

雖然牛頓與愛因斯坦的時代背景完全不同,但他們石破天驚的發現有一些相似的地方。牛頓的「奇蹟年」是在與世隔絕的伍爾索普莊園,當時他剛從劍橋大學畢業,為躲避鼠疫而回家;而愛因斯坦的「奇蹟年」,是他找不到大學職位,只能在瑞士伯恩專利局當三級技術專員。也許是生活乏味枯燥,讓他們驚人的專注力花在研究上。他們問了一些很基本,很簡單的問題,然後放在心裡,時時刻刻專注思考,直至得到滿意的答案。牛頓受到伽利略的啟發,發展出他自已的三大「運動定律」,進而解釋克卜勒定律和發現萬有引力定律,還自創微積分這門數學工具(與德國數學家萊布尼茲同期但各自獨立發明微積分)。發現過程雖然不到2年,但編撰成書卻耗時20年。愛因斯坦則延伸伽利略的相對性原理,屏棄牛頓的絕對空間和絕對時間概念,找到光速恆定,從而解答他16歲時問的一個問題:「如果能夠追上光,那會是什麼樣子?」也就是說,這個問題在他心中有10年之久。牛頓解答了克卜勒從觀測歸納出來的行星運動,並推廣其理論到其他科學領域,愛因斯坦則回答了光的本質,徹底改變物理學的基礎。

因狹義相對論不能在加速的環境應用,加上光速恆定跟牛頓的重力定律在概念上有所衝突,愛因斯坦必須將相對論廣義化。從狹義相對論到廣義相對論,愛因斯坦花了接近10年的時間,專注的研究工作更導至日後的家庭問題,其中最主要的目的是要解釋重力的本質。牛頓將重力想像成平方反比定律,兩個物體之間必定有一道「力」牽引著,但就沒有說明這道「力」到底是什麼。愛因斯坦將重力化身為時間和空間的扭曲,不僅如此,物質能改變時空的形狀,而時空的形狀又主導物質移動的方式。這是廣義相對論最奧妙之處。

廣義相對論發表後,愛因斯坦隨即要解答重力的傳播問題,亦即時空結構中的波動,也就是第六章討論的重力波。重力波無疑是廣義相對論其中一個最重要的驗證,科學家努力了100年,終於在2015年9月14日首次偵測到重力波。這本書剛好出版在2016年2月的重力波發布會之後,在前言和第六章都有介紹這次發現的重要性。過去兩年,重力波的觀測可謂突飛猛進,至2017年8月為止,科學家共找到5個來自雙黑洞合併所產生的重力波。而在2017年8月17日,更發現首個雙中子星合併的重力波,並找到來自合併所釋放的電磁波輻射,也就是光子,使我們更了解中子星合併後的演化過程,這是一次史無前例的觀測。而三位來自雷射干涉重力波天文台(LIGO)團隊的靈魂人物,更獲得2017年的諾貝爾物理學獎。待LIGO在2018年年底經升級後再次運作時,重力波的研究將大放異彩。

廣義相對論將現代物理學推向一個新的高峰,但同時帶來新的問題。廣義相對論可以推導出黑洞和大霹靂,它們的共通點是奇異點的存在。由於奇異點的重力是無限大,換句話說,時空扭曲至無法描述,廣義相對論因此面臨重大危機。要了解奇異點的物理,我們要結合廣義相對論和量子論,也就是量子重力論。可惜的是,廣義相對論和量子論的本質並不相容。書末兩章便介紹量子重力論的最新發展。我們可以預期,這套更深層的理論,將會幫助我們進一步了解宇宙誕生之謎。

牛頓和愛因斯坦同樣被掉下來的東西吸引著,透過思想實驗,造就了驚人的發現,更用一套漂亮的數學語言使之呈現。科學之所以引人入勝,就是你永遠不會知道正確答案,而你的責任就是盡情發問,脫去前人的枷鎖,透過思考和觀察,尋找最簡單的答案,也許過程充滿挫敗感,但最後你會感受到喜悅。這就是大自然。

導讀 大自然奧祕的解答,就存於好奇心中
前言

第一部:牛頓

第一章:掉落中的月亮
牛頓如何發現第一個萬有定律——一個適用於所有位置與時間的定律

第二章:最後的魔術師
牛頓如何創造世界體系,發現了解宇宙的關鍵

第三章:當心三月的潮汐
牛頓的重力理論何以成果豐碩,不只可以解釋行星的運行,還能說明海洋的潮汐

第四章:未見世界的星圖
牛頓的引力定律如何能夠解釋我們所見及未見的一切

第二部:愛因斯坦

第五章:來追我啊
愛因斯坦如何理解到,沒有什麼東西的速度能快過光,而這個現象也與牛頓的重力定律相悖

第六章:掉落者之歌
愛因斯坦如何了解到「重力」只是錯覺,實際存在的只有扭曲的時空

第七章:上帝在哪裡出了錯
愛因斯坦重力論如何就黑洞「奇異點」做出瘋狂的預測,以及為何需要不會出現瘋狂預測的更深層理論

第三部:超越愛因斯坦

第八章:時空中的量子
量子論如何暗示時空的說法注定式微,時空必定源自於某種更為基礎的東西

第九章:尚未發現的國度
找出比愛因斯坦重力論更深層理論的奮鬥過程將會告訴我們:宇宙為何存在、宇宙從何而來


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