破解引力：廣義相對論的誕生之路

《破解引力：廣義相對論的誕生之路》是一本2022年化學工業出版社出版的圖書，作者是沈賢勇。

基本介紹

• 中文名：破解引力：廣義相對論的誕生之路
• 作者：沈賢勇
• 出版社：化學工業出版社
• 出版時間：2022年9月
• 頁數：402 頁
• 開本：16 開
• 裝幀：平裝
• ISBN：9787122407917

內容簡介

本書分為五篇對廣義相對論進行了介紹，第1篇主要討論等效原理、空間觀和時間觀的歷史淵源、形成過程和對經典力學的早期批判；第2篇包括經典力學的危機在電磁學發展過程中的暴露情況，為了解決危機而誕生狹義相對論的過程；第3篇介紹了在推廣狹義相對論過程中，愛因斯坦的思想認識是如何一步步向前推進的，以及對牛頓引力進行修正的早期探索；第4篇詳細介紹了愛因斯坦在1912—1915年對引力場方程進行艱難探索的詳細過程；第5篇以地球為例子對廣義相對論本身進行展示說明。本書作為廣義相對論的入門書籍，完全避開了直接採用黎曼幾何去介紹廣義相對論給讀者造成的數學障礙，而是只採用最基礎的微積分和線性代數運算來展示相關物理和思想，並輔以大量圖片，降低了讀者理解的門檻。同時，本書儘量沿著物理學家的真實探索路徑和歷史發展順序來闡述相關理論的來龍去脈，側重於展示相關物理概念和物理思想的萌芽、演化和最終形成過程，從而讓讀者掌握廣義相對論所包含的豐富物理內容和物理思想。

本書適合對廣義相對論感興趣的讀者閱讀，可作為高中生、本科生、研究生學習廣義相對論的入門書籍，也可供相關領域或科學史科研工作者、教師參考。

作者簡介

沈賢勇，四川樂山人，2015年畢業於上海師範大學天體物理中心，獲博士學位，研究方向為引力修改與暗能量，現為浙江樹人大學講師。

圖書目錄

第一篇 等效原理

第1章什麼是合乎自然的運動?——重性與慣性002

1.1自然002

1.2重性003

1.3慣性004

1.4重性與慣性005

第2章重力與慣性力007

2.1亞里士多德宇宙體系的兩個重要“基因”007

2.2對重性概念的早期修補方案——雙重性理論007

2.3歷史發展的曲折性——真相被掩蓋008

2.4“基因”的突變——慣性思想的“胚胎”：virtus或者impetus009

2.5另一個“基因”的突變——重力思想的“胚胎”：virtus of gravitas012

2.6慣性思想誕生的三大障礙013

2.7哥白尼日心說——第一個思想障礙的消失，也是重力思想的萌芽014

2.8伽利略的貢獻：運動是一種自身就可以獨立存在的對象015

2.9笛卡兒理性主義帶來的轉折——物理學的分界點017

2.10慣性思想的正式誕生——所有思想障礙的掃除018

2.11笛卡兒理性主義的另一個影響——重力思想逐漸清晰：vis of gravitas019

2.12慣性力思想的誕生——惠更斯的答案：vis centrifuga020

2.13慣性力思想的誕生——牛頓的答案：vis inertia021

2.14思想的匯集——vis impressed、vis of gravitas、vis inertia、vis centrifuga022

2.15牛頓第二定律——力概念的誕生，物理屬性開始被禁止023

2.16力(force)概念的成熟024

2.17“重力”取代“重性”——真相被掩蓋025

本章小結027

第3章數學對象是真實存在的嗎？——笛卡兒之前與之後的空間028

3.1數學對象是真實存在的嗎?028

3.2笛卡兒的理性主義029

3.3亞里士多德的空間——與物質密切相關的等級空間030

3.4笛卡兒的空間——歐幾里得幾何空間031

3.5牛頓的空間——與物質無關的絕對空間033

3.6絕對空間和相對空間的數學化035

3.7絕對空間真的存在嗎？——牛頓的辯護035

3.8為了證明絕對空間存在而付出的代價037

3.9絕對空間與虛空（真空）038

3.10具有“特權地位”的運動和空間038

3.11馬赫對牛頓絕對空間的批判040

3.12牛頓的時間——與物質無關的絕對時間041

本章小結042

第4章牛頓對引力的構造043

4.1“重性”思想逐漸瓦解，“吸引”思想逐漸形成的階段043

4.2爭論階段050

4.3新思想誕生的階段：一場深刻的思想轉變，從吸引作用到引力057

4.4勝利階段059

4.5牛頓對引力的構造過程060

4.6牛頓引力存在的根基——絕對空間的存在061

4.7天體運動背後被掩蓋的真相062

4.8真相被掩蓋的過程——從固有屬性到吸引作用再到牛頓的引力理論063

第5章機械世界觀和牛頓力學——新的權威064

5.1笛卡兒的世界——機械世界觀064

5.2牛頓力學065

5.3牛頓力學的發展——另外一條數學化道路068

5.4經典力學——多條數學化道路070

本章小結071

第6章哲學思想的巨大轉變——馬赫和龐加萊的批判073

6.1理性主義與經驗主義073

6.2弗蘭西斯·培根與實驗074

6.3經驗主義影響的擴大——從休謨到康德075

6.4馬赫的批判076

6.5龐加萊的批判084

本章小結094

第7章重性與慣性—重力與慣性力—引力質量與慣性質量096

7.1引力質量與慣性質量096

7.2重性與慣性的重新統一097

7.3重性和慣性到底是什麼?099

7.4歷史的另外一場大轉折即將開啟100

第2篇 經典力學的危機以及狹義相對論的誕生

第8章電磁學的創立——電磁學屬於牛頓力學嗎？102

8.1電荷與電荷之間的力——庫侖定律102

8.2讓導線中電荷運動形成電流的推動力——歐姆定律103

8.3電流對磁的力、電流對電流的力——安培定律和畢奧薩伐爾定律104

8.4磁對電的作用力——電磁感應定律107

8.5法拉第的力線——第一套統一方案108

8.6韋伯力——第二套統一方案110

8.7類比——統一的第三條道路：庫侖力、電張力與磁力113

8.8最終的統一之路：麥克斯韋最後的綜合118

第9章電磁場時代的開啟——也是矛盾爆發的時代135

9.1電動力學第一個研究對象：電磁場媒介物質對帶電體的動力學135

9.2電動力學第二個研究對象：帶電體對電磁場媒介物質的動力學146

9.3電磁場媒介物質的動力學產生的重要結論150

9.4矛盾的總爆發153

第10章電磁場與牛頓力學矛盾總結以及早期探索——洛倫茲變換154

10.1力是相對的154

10.2電子的質量156

10.3以太真的存在嗎？158

10.4洛倫茲變換的誕生過程162

10.5運動也是相對的167

10.6質量也是相對的168

10.7物理量是相對的現象幾乎已經完全暴露169

10.8光速不是相對的，是絕對的170

10.9電磁場自身就是一種物質，不需要藉助媒介物質就能存在170

第11章龐加萊與洛倫茲的綜合——狹義相對論的正式誕生171

11.1《論動體的電動力學》——愛因斯坦的另一種探索方式171

11.2重新定義時間——最關鍵的思想轉折173

11.3狹義相對論正式誕生184

11.4時空——理性主義的回歸186

11.5閔可夫斯基時空189

11.6時空是真實物理對象，還僅僅是數學工具？理性主義的再次勝利193

第12章狹義相對論對牛頓力學的重建195

12.1兩套測量值195

12.2到底哪些物理對象具有兩套測量值?196

12.3能量也具有兩套測量值嗎？198

12.4能量也具有慣性嗎?200

12.5牛頓力學的重建過程202

12.6兩套測量值之間到底是什麼關係?206

12.7電磁學的重塑206

第3篇 狹義相對論向加速參考系推廣過程

第13章光具有引力質量嗎？210

第14章地球引力場中的時間212

14.1重力場對時間的影響212

14.2重力場中的另外一套時間測量值215

14.3愛因斯坦科研探索的重要起點219

第15章地球引力場對電磁場的影響220

15.1推導加速參考系中的麥克斯韋方程組所遇到的困境220

15.2愛因斯坦第一個重要的技術突破223

15.3愛因斯坦的廣義相對性思想開始擴充227

15.4愛因斯坦對光線彎曲角度的計算229

本章小結230

第16章地球引力場中的空間232

16.1重力場對豎直方向空間的影響232

16.2重力場中的另外一套空間測量值234

16.3重力場對水平方向空間的影響236

本章小結236

第17章地球引力場對牛頓力學的重建237

17.1第一套重建方案238

17.2愛因斯坦當年的重建方案240

17.3重力場中自由物體的運動方程243

17.4一條全新的慣性定律——重力思想回歸慣性思想244

17.5重力回歸慣性之後的牛頓第二定律245

17.6重要啟示——牛頓的引力需要修正246

17.7萬有引力定律的重建246

第18章引力場對質量的影響249

18.1引力場中物體的靜止質量增加部分來自哪裡？251

18.2引力場自身也具有引力質量嗎?252

18.3愛因斯坦的馬赫原理252

18.4電磁現象給引力理論帶來的啟發256

第19章引力場的能量和動量258

第4篇 愛因斯坦探索新引力理論的過程

第20章牛頓引力的問題以及早期修改嘗試261

20.1牛頓引力存在的問題262

20.2修正引力的早期嘗試263

20.3修正之後的引力場方程告訴我們什麼？264

20.4引力的修正對愛因斯坦思想帶來巨大轉變265

第21章一般引力場對牛頓力學的重建268

21.1速度的重建268

21.2動量的重建269

21.3對質量帶來的影響269

21.4牛頓第一定律的重建270

21.5牛頓第二定律的重建271

21.6牛頓第三定律的重建272

第22章全部的運動量——能量動量張量273

22.1閔氏時空中物質的運動量273

22.2在閔氏時空中，更全面的牛頓第二定律276

22.3理想流體的能量動量張量279

22.4電磁場的能量動量張量283

22.5擴展之後的牛頓第三定律——對相互作用的一種新理解286

22.6關於物質與引力場之間關係的理解方式的重要轉變287

22.7物質在引力場中全部的運動量和引力的力密度288

22.8引力場強的正確公式應該是什麼？291

第23章愛因斯坦在1913年對引力場方程的探索294

23.1引力場的能量動量張量公式294

23.2新引力所需滿足的場方程296

23.3新引力理論的自洽性297

23.4牛頓引力是新引力的近似298

23.5新引力理論面臨的困境300

第24章廣義相對性原理是新引力理論的必需302

24.1洛倫茲變換的特殊之處302

24.2什麼是相對性原理？306

24.3克利斯朵夫記號310

24.4等效原理的局域性帶來的改變311

24.5等效原理的局域性讓廣義相對性原理成為了必需319

24.6愛因斯坦的思想鬥爭過程——廣義相對性原理的最終形成320

24.7等效原理的局域性帶來的另外一個改變——矢量平移的重建322

第25章愛因斯坦在1915年對引力場方程的探索325

25.1引力場的場強公式是什麼?326

25.2採用引力場強公式表述引力場方程328

25.3利用兩個聯絡的乘積和聯絡的一階導數構造具有廣義協變性的數學對象329

25.4廣義相對論的最終確立331

25.5最後的掃尾工作332

25.6引力場方程的廣義協變性336

25.7對一種流行觀點的討論339

第5篇 新引力理論的新特徵

第26章新引力理論的修正之處341

26.1愛因斯坦引力場方程的特點341

26.2在牛頓引力基礎上，新引力的修正之處342

26.3對於太陽產生的引力，新引力理論的修正之處347

26.4愛因斯坦的引力對水星近日點進動的修正355

26.5愛因斯坦的引力對光線彎曲的修正358

第27章地球對時空的彎曲362

27.1地球周圍空間的彎曲362

27.2地球周圍空間彎曲的曲率366

27.3RT截面彎曲的形狀368

27.4RT截面彎曲的表現方式——物體的自由下落370

27.5RT截面彎曲的曲率377

27.6時空的彎曲與引力之間的對應關係378

第28章如何計算時空的彎曲程度？380

28.1高斯曲率380

28.2黎曼截面曲率381

28.3里奇曲率385

28.4數量曲率387

28.5愛因斯坦曲率388

28.6二維截面曲率的非獨立性389

附錄

附錄1牛頓的偉大計算391

附錄2高斯定理395

附錄3矢量和張量的分量指標396

附錄4靜止觀測者如何測量時間、空間398

附錄5《關於廣義相對論》中驗證能量守恆的計算過程400

附錄6愛因斯坦的引力作用下第三個運動方程積分的中間計算過程402