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这是物理学家李淼写给孩子的关于相对论的普及读物。爱因斯坦的相对论是科学史上的瑰宝，它推动了20世纪的科技革命，给我们的世界带来了翻天覆地的变化。它改变了我们对时间、空间、物质、运动等的认知，它一系列梦幻般的预言一一应验，包括近年来被探测到的引力波。在本书中，淼叔从这一举世瞩目的事件讲起，将引力、时空、光速等不易理解的概念，用故事的方式讲给孩子。书中也有大量精彩插图，配合各种有趣的思想实验，带孩子了解这一对现代物理影响巨大的领域。

第1讲 引力波是怎么探测到的？

第2讲 光速是怎么影响时空的？

第3讲 引力是怎么产生的？

第4讲 相对论都有什么用？

李淼，中山大学天文与空间科学研究院院长及筹建人。

1982年毕业于北京大学天体物理专业，1984年获中国科技大学理学硕士学位。1989年赴丹麦哥本哈根大学玻尔研究所学习，1990年获哲学博士学位。1990年起先后在美国加州大学圣塔芭芭拉分校、布朗大学任研究助理教授，1996年在芝加哥大学费米研究所任高级研究助理。1999年回国，任中国科学院理论物理研究所研究员、博士生导师。

身为大物理学家的李淼也活跃于科普领域，他的《给孩子讲量子力学》《给孩子讲宇宙》深受读者欢迎，也获得各大奖项青睐。

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2017年10 月3 日，2017 年诺贝尔物理学奖尘埃落定。它被颁给了美国物理学家雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什，以表彰他们领导建设激光干涉仪引力波天文台（简称LIGO），进而首次直接探测到引力波的伟大成就。

事实上，爱因斯坦于1915 年就提出了广义相对论；这是他一生中提出的伟大的理论，我在后面会详细为你介绍。仅仅在一年之后，也就是1916年，他就用这个理论预言了引力波的存在。但直到整整100 年后，也就是2016 年，人们才能真正地探测到它。你看，是不是很奇怪？众所周知，20 世纪科技发展日新月异。那为什么要花整整100 年，才能揭开引力波的神秘面纱？这节课，我就来为你解答其中的奥秘。

首先，我来讲讲什么是引力波。让我们做个思想实验。想象一个很大的池塘，里面有非常平静的水面。如果往这个池塘里扔一颗小石子，原本平静的水面立刻会泛起波纹，或者说涟漪。这些涟漪会一圈圈地向外扩散，从而让整个池塘的水面都随之波动。如果原来的水面上还漂浮着一艘小木船，那它就会随水波而上下起伏。

现在，我们把这个池塘的水面想象成时空本身，也就是时间和空间的总称。广义相对论认为，有质量的物体可以让时空本身发生弯曲。而当有质量的物体发生剧烈运动的时候，它就可以像那颗小石子一样，让时空本身也泛起涟漪。这些涟漪同样会向外传播，从而让远方的物体也随之起伏。这种时空的涟漪就是引力波。

那要是引力波传到地球，会造成什么影响呢？答案是，它会使与其传播方向垂直的空间发生周期性的形变。换句话说，当引力波经过的时候，与之垂直的空间会不断地收缩或扩张：横向收缩，纵向就扩张；横向扩张，纵向就收缩。由于空间本身在形变，置身于其中的物体自然也会跟着形变。也就是说，当引力波传来的时候，小到一把尺子，大到整个地球，都会发生周期性的伸缩。

可能有些小朋友会担心：“要是引力波传来的时候，把我们拉坏了该怎么办？”其实完全没有担心的必要。这是因为引力波使物体发生形变的比例特别小。到底小到什么地步呢？大概只有十万亿亿分之一。打个比方：如果你的尺子长达1000 千米，也就是从北京到上海的直线距离，那引力波大概能使它变动一千万亿分之一米，相当于一个原子核的直径。如果你的尺子长达10 万光年，也就是我们银河系的直径长度，那引力波大概能使它变动1 米。

其实，这正是科学家要花整整100 年才能探测到引力波的原因：因为它实在太微弱、太难测了。事实上，就连爱因斯坦本人都不相信人类能测到引力波。更夸张的是，他甚至一度想要否定引力波的存在。下面，我就来讲讲这段有趣的往事。

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后来，《超时空接触》被好莱坞搬上了银幕，成了一部广受好评的科幻电影。索恩大受鼓舞，自己也写了一个利用虫洞进行星际旅行的剧本。通过一个在好菜坞当制片人的前女友的帮助，恩成功地向好菜坞推销了自己的剧本。传奇导演史蒂文・斯皮尔伯格曾对素恩的剧本产生浓厚的兴趣，不过后来因为一些意外没能达成合作。幸好著名导演克里斯托弗・诺兰也对这个剧本感兴趣。经过数年的努力，他们最终合力打造了一部非常卖座的好莱坞大片，那就是前面说过的《星际穿越》

过去光锥和未来光锥构成的沙漏图形，就限定了能与ー个事物发生因果联系的时空区域。明白了这个图形，你就能明白狭义相对论的精髓。事实上，沙漏图形已经成了狭义相对论的徽标。为了纪念相对论诞生100周年，人们把2005年定为“国际物理年”。而这个国际物理年唯一的官方海报，用的就是沙漏的图案。

结合光速不变原理和狭义相对性原理，爱因斯坦证明，对运动速度接近光速的物体而言，伽利略变换不再成立，而必须使用洛伦兹变换。换句话说，如果一个物体的运动速度远远小于光速，它就满足伽利路变换，这时描述它运动规律的物理学理论就是牛顿力学；如果它的运动速度接近光速，它就满足洛伦兹变换，这时描述它运动规律的物理学理论就是狭义相对论。狭义相对论告诉我们，当一个物体的运动速度接近光速时，无论是它的空间还是时间，都不再是固定不变的。

随后，闵可夫斯基用简洁的数学语言重新解释了狭义相对论的物理含义。他发现将时间乘以光速后，就可以增加一条与其他空间轴都垂直的时间轴，从而把三维欧式空间成四维氏时空。这样一来，时间和空间就不再是两种毫无关联的事物，而是同一个事物的两个不同的侧面。这个由时间和空间组合而成的事物，就是“时空”。因此，狭义相对论打破了时间和空间的界限，给人类带来一种全新的时空观。这也是狭义相对论带给人类最大的震撼。

引力是怎么来的？其实就是有质量的物体把它周围的时空给压弯了，而弯曲的时空又对在其中运动的物体产生了引力的效果。时空弯曲就是万有引力之源，这就是爱因斯坦引力，或者说广义相对论最核心的思想。

爱丁顿的巨大敌意使钱德拉塞卡不得不离开恒星结构与演化的研究领域。由于这段痛苦的经历，钱德拉塞卡后来形成了一种独一无二的研究风格：他一生中先后进入7个完全不同的天文学研究领域，然后在每一个领域都做到了世界第一。在50多年后，钱德拉塞卡终于获得了他早该得到的回报：他在19岁那年提出的钱德拉塞卡极限，为他赢得了1983年的诺贝尔物理学奖。

惠勒曾经设想过一个特殊的文明世界。不像我们的世界那样绕着一颗恒星旋转，这个世界其实是在绕着一个黑洞旋转。从理论上讲，生活在黑洞附近有一个最大的好处：当你把各种垃圾进黑洞的时候，黑洞会把它们转化成能量，然后百分之百地返还给你。换句话说，这个文明的能量利用率高达100%，而且还不会产生任何垃圾。这将是一个远超人类、高度发达的文明。

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大物理学家、畅销科普作家李淼教授“给孩子的物理学”系列第三本，带孩子了解科学史上的瑰宝、爱因斯坦的伟大理论——相对论。他以举止瞩目的引力波探测事件切入，巧妙地用科学家的故事、有趣的思想实验，将这一对大学生来说都称得上艰深的主题讲给孩子，让他们了解这一人类文明的至高成就。

书摘插图

书籍介绍

这是物理学家李淼写给孩子的关于相对论的普及读物。爱因斯坦的相对论是科学史上的瑰宝，它推动了20世纪的科技革命，给我们的世界带来了翻天覆地的变化。它改变了我们对时间、空间、物质、运动等的认知，它一系列梦幻般的预言一一应验，包括近年来被探测到的引力波。在本书中，淼叔从这一举世瞩目的事件讲起，将引力、时空、光速等不易理解的概念，用故事的方式讲给孩子。书中也有大量精彩插图，配合各种有趣的思想实验，带孩子了解这一对现代物理影响巨大的领域。