本書共分五個部分。第一部分“狹義相對論”是這本書的重點，它描述在運動速度接近光速時凸顯出來的時空特性。出現(xiàn)在大學和中學教科書中的正是這一部分內(nèi)容。所以本書列出了較多的問題從各個角度加以闡述。不僅對同時的相對性、動尺收縮、動鐘變慢、雙生子佯謬、質(zhì)能關系等相對論效應做了盡可能清楚的講解，而且對通常相對論書籍中很少解釋的一些基本問題也著力加以說明，例如狹義相對論最核心的思想是什么，愛因斯坦如何完成最關鍵的思想突破，為什么要“約定”(規(guī)定)光速，為什么光速在相對論中處于核心地位，為什么相對論的締造者是愛因斯坦而不是其他人，等等。弄清這些問題對于老師把握相對論的理論至關重要。
第二部分“廣義相對論”是狹義相對論的推廣和發(fā)展，廣義相對論認為萬有引力不是一般的力，而是時空彎曲的表現(xiàn)。相對論專家惠勒這樣形象地解釋愛因斯坦的廣義相對論：“物質(zhì)告訴時空如何彎曲，時空告訴物質(zhì)如何運動�！北緯谶@一部分中，盡可能通俗地介紹了廣義相對論的理論基礎、框架和實驗驗證，并簡明地講解了它的數(shù)學工具——黎曼幾何。廣義相對論是愛因斯坦一生最得意的杰作。他曾說過：“狹義相對論如果我不發(fā)現(xiàn)，5年之內(nèi)就會有人發(fā)現(xiàn)；廣義相對論如果我不發(fā)現(xiàn)，50年之內(nèi)也不會有人發(fā)現(xiàn)�！�
第三部分“黑洞”和第四部分“宇宙學”是目前相對論研究魄兩個最重要的前沿領域，也是青少年最感興趣、媒體上不斷出現(xiàn)的科學內(nèi)容。
黑洞最初被認為是一顆只進不出的看不見的星，后來發(fā)現(xiàn)黑洞有溫度和熱輻射。本書闡明了黑洞的這些特點，列出了最近關于黑洞理論的“打賭”和爭論的問題，同時還介紹了伴隨黑洞理論而升起的一顆科學界的明星——霍金�；艚鹗抢^愛因斯坦之后對相對論貢獻最大的人。他曾說過一句名言：“當愛因斯坦講‘上帝不擲骰子’的時候，他錯了。對黑洞的思索向人們揭示：上帝不僅擲骰子，而且有時還擲到人們看不見的地方去了�！�
相對論是青少年最感神奇，也覺得最為難懂的科學理論。不過，狹義相對論誕生（1905年）至今已經(jīng)100多年了，廣義相對論也將要迎來它的100歲生日（1915年），相對論已不再是最新的科學理論。今天的科學發(fā)展水平和教學條件已經(jīng)完全有可能讓青少年對相對論有一個初步的、基本正確的了解。這對于提高他們的科學素質(zhì)，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和探究能力，增強他們的學習興趣，拓寬他們對客觀世界的認識都非常重要。
目前，大學物理專業(yè)的“普通物理”和“理論物理”課，以及非物理專業(yè)的“大學物理”、“近代物理’’課中，都會講授狹義相對論（一般不講廣義相對論）。中學課程改革后的高中物理課本中，也在選修部分加進了狹義相對論的初級內(nèi)容。然而，由于相對論的時空觀念與經(jīng)典物理學以及人們生活中的直觀感受有很大不同，老師和同學往往覺得理解上非常困難。對于同學提出的五花八門的問題，老師感到難以招架。許多中學老師干脆略去課本中的相對論部分，反正是“選修”，不選也可以。大學老師無法略去不講，于是下了很大工夫去鉆研，但許多人仍感到底氣不足，擔心講得不對誤人子弟，也擔心講錯了面子上過不去。
筆者長期從事相對論的研究與教學，經(jīng)常做科普講座，同時參與了大學與中學的課程改革，對老師感受到的困難深有體會。
一、狹義相對論
1．什么是相對論?
2．什么是以太理論?相對論誕生前夜以太理論遇到了哪些困難?
3．什么是光行差效應?
4．邁克耳孫實驗說明了什么?
5．相對論誕生前夜電磁理論遇到了什么困難?
6．什么是洛倫茲收縮?
7．什么是洛倫茲變換，它與伽利略變換有何不同?
8．狹義相對論建立在哪兩條公理的基礎之上?
9．相對性原理最初是如何提出的?
10．牛頓的“水桶實驗”是怎么回事?牛頓與馬赫如何解釋這一實驗?
11．相對論誕生前夜，物理學界對相對性原理有什么爭論?
12．光速不變原理是如何建立的?
13．愛因斯坦是如何建立狹義相對論的?
14．什么是“同時的相對性”?
15．怎樣從洛倫茲變換導出同時的相對性?
16．相對論如何解釋洛倫茲收縮?
17．什么是動鐘變慢效應?
18．什么是雙生子佯謬?
19．什么是多普勒效應?
20．星際飛船上的宇航員會看到什么景象?感受到哪些相對論效應?
21．相對論的速度疊加公式怎么寫?可以用速度疊加達到或超過光速嗎?
22．相對論的質(zhì)量公式是什么?可以把火箭加速到光速嗎?
23．為什么相對論中的光速是極限速度?
24．如何理解質(zhì)能關系式E=mc2?經(jīng)典力學中的動能與相對論能量之間有什么關系?：
25．什么是狄拉克真空?
26．什么是反物質(zhì)?反物質(zhì)是如何預言和發(fā)現(xiàn)的?
27．時間有什么特點?什么是時間的“流逝性”和“測度性”?
28．如何確定“相繼時間段”的相等?
29．不同地點的鐘如何校準?為什么說真空中光速各向同性是一個約定?
30．為什么測量的光速都是雙程光速，不可能測量單程光速?
31．相對論中空間距離如何測量?
32．為什么說光速在相對論中處于核心地位?
33．什么是四維時空?
34．建立狹義相對論最困難的思想突破是什么?
35．為什么相對論的締造者是愛因斯坦而不是其他人?
36．數(shù)學大師龐加萊如何評價愛因斯坦的工作?
二、廣義相對論／45
1．狹義相對論遇到什么重要困難?
2．針對上述困難，愛因斯坦有什么新思路?
3．什么是馬赫原理?
4．什么是引力質(zhì)量?什么是慣性質(zhì)量?
5．什么是等效原理?
6．愛因斯坦升降機是怎么回事?
7．為什么說等效原理只在一點的鄰域嚴格成立?
8．在相對論中慣性系如何定義?
9．非歐幾何是怎樣建立的?
10．歐氏、羅氏和黎氏幾何各有什么特點?
11．愛因斯坦怎樣構建廣義相對論?
12．能否簡單介紹一下廣義相對論?
13．能否對彎曲時空做一個形象的比喻?
14．廣義相對論有哪些實驗驗證?
15．什么是引力紅移?
16．什么是行星軌道近日點的進動?
17．什么是光線偏折?
18．什么是引力波?
19．引力波是怎樣提出的？
20．目前檢測到引力波了嗎?
21．廣義相對論建立后有哪些重要進展?
三、黑洞
1．什么是黑洞?
2．黑洞是怎樣形成的?
3．作為黑洞邊界的事件視界是怎么回事?奇點與奇環(huán)是怎么回事?
4．什么是“時空坐標互換”?什么是單向膜區(qū)?
5．落向黑洞的飛船能夠掉進黑洞嗎?
6．什么是白洞?
7．轉動帶電的黑洞有什么特點?
8．什么是黑洞無毛定理?
9．什么是奇性定理?
10．什么是宇宙監(jiān)督假設?
11．什么是黑洞面積定理?黑洞熱力學是怎么回事?
12．什么是霍金輻射?
13．黑洞的負比熱是怎么回事?
14．什么是黑洞的信息疑難?
15．信息不守恒會產(chǎn)生什么影響?
16．霍金對信息疑難有什么看法?
17．解決信息疑難的前景如何?
四、宇宙學
1．為什么愛因斯坦不把廣義相對論用于量子論的研究，而把它用于宇宙學的研究?
2．什么是宇宙學原理?
3．愛因斯坦主張的“有限無邊靜態(tài)宇宙”是怎么回事?
4．什么是宇宙學常數(shù)?
5．什么是膨脹宇宙模型和脈動宇宙模型?
6．什么是哈勃定律?
7．什么是火球模型?
8．如何理解宇宙的“大爆炸”?
9．為什么說宇宙學紅移不是多普勒效應?
10．為什么河外星系的退行速度可以“超光速”?
11．宇宙年齡有多大?宇宙的可觀測距離又有多大?
12．哪些觀測結果支持了大爆炸宇宙模型?
13．宇宙如何創(chuàng)生?宇宙極早期是什么情況?
14．宇宙到底有限還是無限?
15．什么是暗物質(zhì)?
16．什么是暗能量?
17．有沒有時空隧道?能不能制造時間機器?
8．制造“可通過蟲洞”和“時間機器”有什么困難?
五、愛因斯坦
1．愛因斯坦究竟是哪國人?
2．中、小學時代的愛因斯坦是優(yōu)秀學生嗎?
3．愛因斯坦為何贊揚阿勞中學的教育方式?
4．愛因斯坦的大學生活有什么特點?
5．愛因斯坦怎樣開始自己的科學生涯?
6．愛因斯坦的家庭、婚姻狀況如何?
7．為什么說沒有比專利局對愛因斯坦更合適的工作單位了?
8．在愛因斯坦的成長過程中有哪些值得注意之處?
9．什么是“奧林匹亞科學院”?它對愛因斯坦的成長有什么影響?
10．為什么說1905年是愛因斯坦的豐收年?
11．提名授予愛因斯坦諾貝爾獎的領域有哪些?
12．授予愛因斯坦諾貝爾獎的理由是什么?為什么說愛因斯坦
未因創(chuàng)立相對論獲諾貝爾獎?
13．此后頒發(fā)的哪些諾貝爾獎與愛因斯坦的成就有關?
14．愛因斯坦怎樣看待自己取得成就的原因?
15．愛因斯坦有哪些主要后繼者?
16．霍金怎樣成長為卓越的學者?他的主要成就有哪些?
主要參考文獻
愛因斯坦是在長時間的反復思考之后，才得出這一原理的。早在他的相對論論文發(fā)表之前一年多，他就認識到相對性原理和麥克斯韋電磁理論都是大量實驗證實的理論，都應該堅持。但這樣導致的“光速不變”結論似乎與建立在伽利略變換基礎上的速度疊加法則以及人們的日常觀念相矛盾，愛因斯坦覺得“這真是個難解之謎”。
1905年5月的一天，他帶著這一問題專門拜訪了他的好友貝索（“奧林匹亞科學院”的一位成員）。經(jīng)過一下午的討論，愛因斯坦突然明白了，問題出現(xiàn)在“時間”上，通常的時間概念值得懷疑�！皶r間并不是絕對確定的，而是在時間與信號速度之間有著不可分割的聯(lián)系。有了這個概念，前面的疑難也就迎刃而解了”。他認識到如果堅持把相對性原理和光速不變（即光速與觀測者相對于光源的運動速度無關）都看做公理，異地時鐘的“同時”將是一個相對的概念。5周之后，愛因斯坦開創(chuàng)相對論的論文就寄給了雜志社。
貝索是一個一事無成者的典型。他一生都在聽課、學習，課聽了一門又一門，書學了一本又一本。他還喜歡與別人爭論，反駁別人的意見，但從不想自己去完成一件獨立的工作。這次與愛因斯坦的討論，大大地啟發(fā)了愛因斯坦，但他自己并未搞清啟發(fā)了愛因斯坦什么。當愛因斯坦感謝他在討論中幫助了自己時，他感到茫然。愛因斯坦在這篇創(chuàng)建相對論的劃時代論文的最后感謝了貝索對自己的幫助和有價值的建議。貝索十分激動，說：“阿爾伯特，你把我?guī)нM了歷史�！�
愛因斯坦1922年在日本京都的一次演講中曾提到他與貝索的這次討論。討論使他認識到兩個地點的鐘“同時”，并不像人們通常想象的那樣，是一個“絕對”的概念。物理學中的概念都必須在實驗中可測量，“同時”這個概念也不例外。而要使“同時”的定義是可測量的，就必須對信號傳播速度事先要有一個約定。由于真空中的光速在電磁學中處于核心地位，愛因斯坦猜測應該約定（或者說“規(guī)定”）真空中的光速各向同性而且是一個常數(shù)，在此基礎上來校準兩個異地的時鐘，即定義異地時間的同時。研究表明，在約定光速并承認光速的絕對性（光速不變原理）的基礎上定義的“同時”將是一個相對的概念。我們看到，定義兩個地點的鐘同時，必須首先約定光速各向同性而且是一個常數(shù)。要在做相對運動的所有慣性系中，都用對光速的同一個約定來定義異地時鐘的“同時”，則必須假定光速是絕對的。愛因斯坦曾經(jīng)與貝索等人一起閱讀過龐加萊的書《科學與假設》，還可能閱讀過他的另一篇文章《時間的測量》。在這些著作中龐加萊議論過時間測量與光速的內(nèi)在聯(lián)系。龐加萊猜測，要測量時間，要校準不同地點的鐘，可能首先要對光速有一個約定。
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