对爱因斯坦理论的实验进行了全面的论述,可以说,这是一本相对论简史。
在本书中,作者介绍了不少思想实验,同时介绍了参与者和实验情况。你将认识一些绝顶聪明的人,他们设计实验,建造仪器设备,分析得到的数据。
爱因斯坦的理论虽然美丽,但似乎与一些令人挠头的现象存在直接矛盾。随着越来越多的数据从宇宙遥远的角落涌入,一些科学家开始探索爱因斯坦的理论能否提供宇宙的完整图景的可能性。
作者克利福德·威尔写过不少受欢迎的文章和著作,包括《爱因斯坦是对的吗?》(Was Einstein Right ?),这本书在1986年获得许多荣誉。
译者序
广义相对论之虹
人类次宣布探测到引力波,是一个隆冬。那时我过着封闭的寄宿高中生活,在阅读学校下发的作文素材时,一条头版标题攫住了我的目光。这个瞬间,班级里的嘈杂声似乎凝止了,我目不转睛地盯着这个标题:
重大发现,LIGO首次探测到了引力波。
在毫无觉察之间,我经历了半世纪以来广义相对论光的时刻。世界上总有那么一些东西,极其难懂又高不可攀。和无数中国孩子一样,我从小听惯了爱因斯坦半真半假的奇闻逸事。电影里,只有通晓多门语言的神童和身残志坚的人才对高深的理论如鱼得水,而那些看起来和我的生活十分遥远。
他的广义相对论,仿佛早已镶嵌进了这个世界的基本框架。很多书里的口吻似乎都确定无疑:百年不遇的伟大理论已经建好,屹立不倒。种种稀奇的效应,尽管还未被完全验证,却如同西洋镜里的画片若是你觉得有异议,一定是你太土老冒。
尽管从小总是大言不惭说自己想做个科学家,但诚实讲,我不知道这个世界还有什么留给我发挥。高考的重压下,我在桌肚里偷偷看一本旧版天文教材。书中讲述着琳琅满目的天文现象,而关于引力波只有寥寥数语:类似探测还从来没有成功过。
那则关于引力波的报道让我意识到,这宇宙中不确定的东西仍然多如繁星。三年之后,我在天文系的课堂上听老师讲解天体力学。那是天体在引力作用下无休止的复杂运动,广义相对论在其中扮演着不可小觑的角色。随后,我收到导师发来的讨论邮件。在他的办公室里,我看到了即将发表的人类首张黑洞照片。小小的光影之间,是检验广义相对论的前沿阵地。
后来我读到一篇关于相对论致密天体的论文,其中引用莱昂纳德·科恩的歌词:万物皆有裂隙,光芒得以进入。我研究生涯的裂隙时刻,或多或少都和广义相对论的实验有关。而广义相对论本身也同样有裂隙,正因为这些裂隙存在,我们才得以看到一个接一个实验透露的光芒。
在我现在工作的天体物理领域,广义相对论几乎无孔不入。那些星系的炽热心脏活动星系核表现出的许多特征,都需要依赖广义相对论解释。遥远宇宙的空间膨胀,也可用广义相对论推导出的公式描述。广义相对论不再是难以捕捉的鬼火,而是认识这个世界基本的常识和底色。在这个如此依赖广义相对论的世界,了解一些真实世界语境下的广义相对论,也变得越来越必要。
这就是为什么我在翻译的过程中越来越欣赏这本书。它不用那种故作夸张的语气鼓吹广义相对论中那些抽象的概念,反而尽量将其平实道来,如同描摹邻家院落的瓜果蔬菜。更为关键的是,书中还指出这些设想的要害在何处,以及我们该如何去分辨。这就是实验理论与现实关联的地方。
事实上,广义相对论充满了异议。科学家也常常在工作中犯错,在职场上挣扎,与不同身份的人痛苦地打着交道。在检验伟大的理论之时,有时候相当接地气:在飞过我家乡上空的飞机,也许正搭载着测量引力红移的钟表。或者一个简单的实心大铜球或者粗铝柱,就能与时空的起伏共舞。
尤为难得的是,本书包含了众多实验案例和技术细节。有趣的理论预言,也许学过这门理论的人都有所耳闻,但要准确而简练地点明一项实验的亮点,非得是亲身参与过的内行人不可,这从本书致谢中那些鼎鼎大名就可见一斑。书中讨论的技术也非常前沿,横跨若干不同领域。纵观全书,几乎可一览人类尖端的技术成就,包括甚长基线干涉、无拖拽控制、脉冲星时间序列,它们在业内声名卓著,在外界却少被人知晓。受益于出版时间,实验进展较为新时,读者几乎能够感受到那种激动:我们正处在伟大发现的前沿。
少年时代的经历让我知道,一本能让人读懂的科普书是多么重要。本书中的科学内容不算简单,需要许多耐心才能完全理解。为了通俗起见,我在翻译过程中添加了若干译注,有些是对概念的解释,有些是对上下文逻辑推演的补足,还有的是对现状的更新。希望这些注解可以缓解科学的枯燥,为读者留下相对轻松和深入的阅读体验。书中涉及许多新概念、新项目,我在本书中为它们命名的同时,也向全国科学技术名词审定委员会建议了数十个新的标准译名。
后,感谢我的编辑杨波,容忍我在这份翻译处女作上追求完美的拖延和重复修改,并在编辑过程中付出了大量辛劳。还要感谢我的父母,尽管他们一直在文科领域耕耘,却始终支持我的科学探索,并在本书翻译期间给予我坚实的支持。
愿我们都能在生活中找到一丝裂隙,透入广义相对论的这一缕虹彩。
刘丰源
2023年春于北京奥运村
克利福德·威尔(Clifford M. Will)是验证广义相对论、黑洞和引力波的S界领先理论家。1971年,他在加州理工学院获得博士学位,并在斯坦福大学、华盛顿大学和佛罗里达大学任教,目前是该校的杰出教授。
尼古拉斯·尤尼斯(Nicolás Yunes)是伊利诺伊大学的物理学教授。之前,他曾在麻省理工学院和哈佛大学担任美国宇航局爱因斯坦研究员,并在蒙大拿州立大学担任助理教授,在那里他与人共同创立了重力研究所(the eXtreme Gravity Institute)。
译者介绍:
刘丰源,南京大学天文学学士,中国科学院国家天文台天体物理学硕士。