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2021-08-18 05:48:02PChome書店

牛津通識課「宇宙篇」重力:擾動時空的主宰者


牛津通識課「宇宙篇」重力:擾動時空的主宰者
作者:提姆西‧克里夫頓(timothy clifton) 出版社:日出出版 出版日期:2021-08-02 00:00:00

<內容簡介>

除了蘋果砸牛頓頭上,
關於重力,你可以知道更多!

打開牛津大學出版社最受歡迎通識讀本,
跟著權威學者穿梭宇宙,
用最簡明的方式了解玄妙的重力!

重力是自然界中四大基本力之一,
是最古老、最弱和最難以量化的力量。
它讓蘋果掉落在地,
它讓具有質量的物體相互吸引,
它型塑了宇宙。

重力的交互作用是宇宙學的研究基礎,
理解重力,
對於探索地球上所有物體的運動、推導天體的運行乃至宇宙的擴張非常重要,
也正是對於重力的研究,
讓愛因斯坦對時間與空間的本質,有了突破性的認識。

本書從亞里斯多德、伽利略、牛頓,聊到愛因斯坦與霍金,
介紹重力理論的歷史演進,
闡述重力如何產生,宇宙如何借助重力支配星體的運行,
對於重力的各種驚人發現,又是如何不斷刷新我們對於時空的認知,
最後介紹在理論物理學中,關於重力的各項先端研究。

透過簡明的敘述與圖表,
快速建立對重力的專業知識框架。

【關於牛津通識課】
牛津通識課(Very Short Introductions,簡稱VSI)是牛津大學出版社(Oxford University Press)的系列叢書,秉持「為所有讀者提供一個可讀性強且包羅萬千的工具書圖書館」的信念,自1995年出版以來,該系列內容涉及歷史、神學、藝術、哲學、文學、醫學、自然科學、政治等數十多種領域,出版近七百本讀物。每一本書對應一個主題,都由該領域公認的專家撰寫,篇幅簡潔精煉,並提供進一步深度閱讀的建議,確保讀者讀完後能建立該主題的專業級知識框架。

VSI系列上市以來取得了極大的成功,已被翻譯為二十五種語言,全球銷量超過一千萬冊,其中許多讀本被選為大學入門教材。

「牛津通識課?宇宙篇」精選重力、行星、光與黑洞四個宇宙學最熱門、最基礎的主題,透過專業簡明的論述與圖表,迅速建立關於宇宙的知識架構。

★目錄:

引言
第一章:從牛頓到愛因斯坦
第二章:太陽系中的重力
第三章:太陽系外的重力測試
第四章:重力波
第五章:宇宙學
第六章:重力物理學的先端研究
結語
延伸閱讀

<作者簡介>

提姆西‧克里夫頓(Timothy Clifton)
重力物理學家,畢業於英國劍橋大學,現任英國倫敦大學瑪麗女王學院的講師。

譯者:胡訢諄
英國愛丁堡大學翻譯研究所畢業。譯作包括《創傷清潔工:與死屍、腐屋、精神疾病交手,擁抱生命中的混亂失序》、《理想的告別:找尋我們的臨終之路》、《下一個家在何方?驅離,臥底社會學家的居住直擊報告》、《嘉年華的誕生:慶典、舞會、演唱會、運動會如何翻轉全世界》等。
譯作指教:hsinchun.hu@gmail.com

★內文試閱:

‧引言

這是一本關於重力的書。重力讓具有質量的物體互相吸引,重力造成蘋果掉落在地,地球的形成也與重力有關。

自然界中四種基本的力,最為人熟悉的是重力,但重力運作的實際方式卻不怎麼明顯。現實中,我們所指的「重力」現象和時間與空間的本質密不可分。意思就是,現代對重力的瞭解,不只告訴我們天體在宇宙中如何運行,也讓我們知道,組成宇宙結構本身的時間與空間,又是如何表現。

本書目的在於向讀者介紹重力的多種面向。首先是關於重力理論的歷史發展,接著概述當今科學家如何理解重力。然後,我們會探討重力的物理現象對於地球、太陽系、乃至宇宙整體的影響。最後介紹在理論物理學中,幾位先鋒對於重力的近期研究。

我希望透過本書,讓讀者知道什麼是重力,也知道科學家如何藉助對於重力的研究,得到對於時間、空間,以及我們居住的宇宙的本質的精彩結論。

‧摘文

第一章 從牛頓到愛因斯坦(摘錄)

存在於自然界中四種基本的力,目前最弱的是重力,其他三種是電磁力、強核力、弱核力。然而,就長遠的距離來說,重力才是主宰。這是因為唯有重力能夠吸引,也因為重力永遠無法被遮蔽,所以雖然多數的大型物體是電中性,卻永遠不會是重力中性。具有質量的物體之間的重力永遠會將物體拉在一起,而且質量越大重力越大。

感謝像牛頓(Newton)和愛因斯坦(Einstein)那樣的天才,讓我們對重力多少有些瞭解,但是相較於其他力,重力仍持續讓當代科學家感到神祕難解。想知道為什麼會這樣,就讓我們從頭說起,看看重力理論的歷史發展。

重力史前史

假設人類一直知道(雖說是假設,但這幾乎是可以確定的),當我們放開一個物體,它就會往下掉。這麼說來,我們一直意識到重力存在。早期許多思想家的焦點,似乎都放在造成這個運動的原因。

直到十七世紀末前,亞里斯多德(Aristotle)的《物理學》(Physics)在歐洲科學界佔有舉足輕重的地位。他認為物體應該往它們在宇宙中的自然位置移動,並以此解釋重力。他認為這一自然位置取決於該物體的成分。更精確地說,取決於物質中四大元素──土、水、氣、火──各自所占的比例。

亞里斯多德主張,主要由土和水組成的物體應該往宇宙中心移動。對他而言,宇宙中心就在他的腳下。因此,若是往空中丟擲由土做成的物體,必定會往地上移動。他認為土會沉到水底,所以水比土輕,因此所有的水必定在土的上方。同理,因為氣泡在水中會上升,所以氣比水輕,因此氣的自然位置在水之上,而火的自然位置在氣之上。

就當時人們對物質基本成分的瞭解,這個架構提供所觀察的世界某種合乎邏輯的秩序,甚至可以讓人論述物體落下的速度。亞里斯多德主張,物體掉落的速度應與其質量成正比,與穿過的媒介密度成反比。換句話說,亞里斯多德認為兩公斤重的物體落下的速度比一公斤重的快兩倍。

無奈的是,亞里斯多德的理論並不正確。現在我們知道,宇宙並不存在一個讓物體趨向的中心。透過實驗也發現,物體因重力而加速的速率「並不」與其質量成正比。事實上,已經證明所有物體皆以相同速率落下。這個發現是現代理解重力其中一個里程碑,因此需要進一步解釋。

所有物體在重力作用下的加速度相同,這一事實並不直觀。事實上,如果我的左手放開一根羽毛,右手放開一團鐵塊,我不會期待它們同時掉在地上。鐵塊會先著地。所以,「所有物體在重力作用下的加速度相同」是什麼意思?要瞭解這句話,我們必須先瞭解所有作用在這些物體的力。

當我放開羽毛,除了受到重力,它還受到其他力。羽毛開始掉落時,有來自周遭空氣的阻力。阻力延緩羽毛的速度,勝於影響沉重的鐵塊。任何些微的風都會對羽毛產生巨大作用,但對鐵塊的干擾卻是微乎其微。所以,「所有物體在重力作用下的加速度相同」並不適用於我們周圍環境的物體運動,而是在說如果物體僅僅受到重力影響而掉落的情況。換句話說,如果排除其他所有作用,那麼所有物體應該以相同的速率掉落。

對於這個命題的論證通常歸功於伽利略(Galileo)。據說一五九○年,他從比薩斜塔頂端放開不同質量的砲彈,發現無論這兩個砲彈成分為何,它們都以相同的速度掉落。更近期的,而且也許更戲劇性的是,阿波羅號的太空人大衛.史考特(David Scott)也得出相同的結果。史考特站在月球表面,同時放開一根羽毛和一支鐵鎚,由於月球上沒有空氣延緩那根羽毛的運動,所以兩個物體同時落在他的腳邊(如圖1)。今日我們稱這個現象為「自由落體的普遍性」(universality of free fall)。接下來我們將看到,這在牛頓和愛因斯坦的重力理論中,都是重要關鍵。