时空的秘密 - (EPUB全文下载)

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书籍内容：

时空的秘密
[荷] 霍弗特·席林 著
胡奂晨 译
中信出版集团
目录
序言
前言
第1章 关于时空的开胃菜
第2章 “相对”而言
第3章 检验爱因斯坦
第4章 波之论与棒之争
第5章 恒星的生命
第6章 精密的时钟
第7章 激光探索.
第8章 通向完美之路
第9章 创世故事
第10章 雪地探索
第11章 捉住你了！
第12章 黑魔法
第13章 纳米级科学
第14章 后续问题
第15章 太空入侵者
第16章 冲浪引力波天文学
致谢
序言
爱因斯坦在科学的殿堂中地位独特，且当之无愧。他对时间和空间的洞见彻底改变了我们对引力和宇宙的理解。每个人都能认出海报和T恤上那位和善而又蓬头垢面的智者。不过，爱因斯坦最出色的工作是在他年轻的时候完成的。年仅30岁时，他便享有国际声誉。1919年5月29日，发生了一场日食。由天文学家阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）带领的团队观测了日食期间太阳附近的恒星。观测数据表明，这些恒星偏离了它们原有的位置，其发出的光线在太阳引力场的作用下发生弯曲。这验证了爱因斯坦的重要预言。当该结果被汇报给伦敦的英国皇家学会时，全世界的媒体都对这一新闻进行了报道。“天空中所有的光都是弯曲的，爱因斯坦理论取得巨大成功”成为《纽约时报》最醒目的头条。
爱因斯坦于1915年提出的广义相对论，是纯粹理性思考和深彻领悟的结果。其影响对地球上的我们来说是很微小的。现代导航系统中对时钟的轻微调节会用到爱因斯坦的理论，而对于发射和追踪空间探测器来说，牛顿的理论就够用了。
相比之下，爱因斯坦将空间和时间联结起来的想法——“空间告诉物质如何运动，物质告诉空间如何弯曲”——对很多宇宙学现象都至关重要。但我们很难检验这个理论，它的影响距离我们太遥远了。因此，在提出后将近半个世纪的时间里，广义相对论一直被主流物理学拒之门外。不过，20世纪60年代以来，有关开创宇宙膨胀学说的“大爆炸理论”以及黑洞的证据越来越多，而这二者都是爱因斯坦的关键性预言。
2016年2月，在著名的英国皇家学会会议对这次日食考察的报道约100年后，另一份声明进一步证实了爱因斯坦的理论，这一次是在美国华盛顿特区的新闻俱乐部。LIGO（激光干涉引力波天文台，Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）探测到引力波的存在，这正是霍弗特·席林这本书的主题。他有一个绝妙的故事要讲，其跨度超越一个世纪。
爱因斯坦大胆地设想引力源自空间的弯曲。当受到引力作用的物体改变自己的形状时，它们在空间中激起了阵阵涟漪。当这些涟漪经过地球时，我们的局部空间随之发生“抖动”：被拉伸和挤压。但是这种效应非常微弱，因为引力是一个弱作用力。日常物品间的引力拉伸程度极其微小。如果你挥动两个哑铃，你也会发射出引力波，但仅具有无穷小的能量。即使是行星围绕恒星的运动，或者是一对恒星的相互绕转，它们所发射出的引力波都达不到可探测水平。
天文学家认为，LIGO可以探测到的源一定比普通恒星和行星具有更强大的引力。最好的选择就是涉及黑洞的事件。我们知道黑洞的存在已经将近50年了，大部分黑洞都是比太阳重20倍以上的恒星的残骸。这些恒星明亮地燃烧，在它们爆炸的死亡剧痛中（这是由超新星发出的信号），它们的内部坍缩成一个黑洞。组成这颗恒星的物质与宇宙的其他部分隔绝，在空间中留下一个引力的印记。
两个黑洞在形成一个双黑洞系统的过程中，它们将会逐渐地旋进在一起。随着它们不断地靠近，周围的空间越发扭曲，直到它们合并成一个自旋的黑洞。这个黑洞搅动着空间并发出“鸣叫”，产生更多的波动，直至平静下来成为一个孤独的、静止的黑洞。正是这声“啁啾”——空间摆动加速和增强直到黑洞合并，然后渐渐消失——能够被LIGO探测到。这些“灾难”在我们星系中发生的概率小于每百万年一次，但却能够产生可被LIGO探测到的信号，即使它发生在距地球10亿光年那么远的地方——数百万个星系都比它要近。要探测到最佳信号事件需要灵敏度极高当然也极为昂贵的仪器。在LIGO探测器中，强激光束沿着4公里长的真空管前行，再被管道末端的镜子反射回来。通过分析激光束，我们便有可能测量出镜子间距离的改变，它随着空间的膨胀和收缩而交替地增长和缩短。这个振动的振幅非常之小，约为0.000 000 000 000 1厘米——是一个单原子尺寸的几百万分之一。LIGO项目有两台大约相距3 000公里远的相似的探测器，一台在华盛顿州，另一台在路易斯安那州。单台探测器会记录下微地震事件、驶过的车辆等。为了排除这些假信号，实验人员仅关注同时出现在两台探测器中的信号事件。
许多年来，LIGO没有探测到任何东西。但是科学家们对它进行了改进，并使之于2015年9月再次上线。历经几十年的挫败，这一探索成功了：它探测到了来自10亿光年外的双黑洞合并所发出的那声“啁啾”，这开启了一个全新的科学领域——探测空间自身的动力学。
遗憾的是，令人兴奋的科学主张被误解和夸大是众所周知的，而这本书将讲述这一领域中的这些主张。我自认为是一个很难被说服的怀疑论者，然而LIGO项目团队所宣布的内容——高水准科学家和工程师们数十年努力的成果——是极有说服力的，我期望这一次的理论能够完全令人信服。
这次探测的的确确是一项重大突破，它和2012年引起巨大轰动的希格斯粒子的发现一样，是这个年代最伟大的发现之一。希格斯粒子是粒子物理标准模型的拱顶石，发展了数十年。同样，引力波——空间结构的轻微振动——是爱因斯坦广义相对论的至关重要且独特的结果之一。
彼得·希格斯（Peter Higgs）在55年前预言了希格斯粒子的存在，但是对该粒子的探测及性能的确认必须等待技术的进步。这需要一台巨大的机器——位于日内瓦的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简称LHC）。引力波被预言得甚至更早，但对它的探测却一再推迟，因为这项探索需要检测的效应非常难以捉摸，同样需要规模巨大且精度超高的仪器。
除提供了对爱因斯坦理论的全新的辩护外，这些探测结果也加深了 ............

书籍插图：

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