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相对论之路(爱因斯坦诞辰140周年巨献,学习广义相对论zui佳的入门书)

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商品详情

编辑推荐

² 这是一本独一无er的以手稿的魅力演绎爱因斯坦通向广义相对论的智力史,哪怕是外行,你也能像欣赏名画那样,透过精美的手稿复制摹本和详细的历史背景,了解爱因斯坦是如何建立广义相对论的。

² 对于热衷于科学史的读者,你可以通过手稿,从数学路径到物理路径,查看爱因斯坦的思想轨迹,体会这一伟大创造力的真正魅力。同时对20世纪早期的理论物理学革命的来龙去脉,也勾画出丰富多彩的画卷。

² 这也是学习广义相对论*的入门书,它讲述了爱因斯坦为什么会创立广义相对论,他遇到了哪些困难,走过什么弯路,又如何得以解决,以及未来面临哪些挑战。

 

内容简介

本书收录了爱因斯坦《广义相对论基础》这一光辉论文的全部手稿复制摹本,伴之以逐页逐段的注释、它的历史语境以及对未来的影响,并附有论文的全部译文。讲述了爱因斯坦如何完成从狭义相对论飞跃到广义相对论,展现了一个人的头脑所能造就的*复杂的智力成就。

本书所讲述的故事是科学*重要的转折点之一,慕名者众而知其者寡。本书尝试用一种易于接受的方式,为广大读者讲述这一进展过程。适合所有对相对论理论感兴趣以及热衷于现代科学史的读者阅读和收藏。

作者简介

哈诺赫•古特弗罗因德(Hanoch Gutfreund)耶路撒冷希伯来大学荣休教授,爱因斯坦档案馆学术主任。参加了爱因斯坦狭义相对论1912年手稿精美摹本的出版工作,该摹本含有重构狭义相对论发展的一些缺失环节。

于尔根•雷恩(Jürgen Renn)德国马克斯·普朗克学会科学史研究所所长,曾著有《广义相对的起源》。他是爱因斯坦1912年苏黎世笔记的主要编辑,这是一份重构广义相对论发展的关键文献。

目  录

出版按语

梅纳希姆·本-萨松, 马丁·斯特拉特曼

前言

约翰·施塔赫尔

手稿的魅力

爱因斯坦通向广义相对论的智力史

手稿注释

下述用楷体标记的标题是爱因斯坦手稿原件中的标题;标题中注释页编码与原摹本页一致.

广义相对论基础

A.关于相对论公设的基本考虑

§1.审视狭义相对论

p. 1:为什么爱因斯坦要yue狭义相对论?

p.2:经典时空概念错在哪里?

§2.相对论公设需要扩展

p. 3: 为什么爱因斯坦看到了其他人没想到的困难?

p.4: 爱因斯坦zui得意的想法是什么?它是如何产生的?

§3.时空连续统,表述自然普遍规律的方程的广义协变要求

p. 5: 为什么爱因斯坦引力理论需要非欧几何?

p.6: 坐标在新引力理论中起什么作用?

p. 7:广义协变性的意义是什么?

§4. 时空中四个坐标与测量的关系

p. 8: 时空的几何是什么?

p.9:爱因斯坦何时意识到引力必须由复杂的数学表达式来描述?

B.广义协变方程的数学辅助

§5.逆变4矢量和协变4矢量

p. 10:为什么需要张量、矢量和标量?

p.11:爱因斯坦何时意识到他需要更精深的数学方法?

§6.二秩和高秩张量

p. 12:从电磁理论得到了什么启迪?

§7.张量的乘法

p.13: 如何通过不同的张量运算产生新的张量?

p.13: 在寻找引力的相对论性理论过程中,爱因斯坦的探索准则是什么?

p. 14: 爱因斯坦构造引力场方程的策略是什么?

§8.基本张量gμν的一些性质

p.15: 为什么说度规张量是基本张量?

p. 16: 为什么说苏黎世笔记是物理学史上独特的文献?

p.16: 在弯曲空间中怎样测量体积?

p.17: 方便的坐标选择如何使理论得到简化?

p. 17:坐标条件和坐标约束之间的区别是什么?

§9.测地线方程 粒子的运动

p.18: 什么是弯曲空间中的“直线”?在引力作用下粒子如何运动?

p.19: “克利斯朵夫记号”的几何意义与物理意义是什么?

p. 19: 在引力场分量的早期认识中,爱因斯坦的“致命偏见”是什么?

§10.用微分构造张量

p.20: 测地线作为可能的“zui直线”以及它与“仿射联络”之间的关系

p.21: 张量在相邻点如何改变?或者如何通过微分从给定张量产生新张量?

p. 22: 爱因斯坦广义相对论数学形式的几何背景是什么?

§11. 一些特别重要的情形

p.23: 纲领理论作为走向广义相对论的中间步骤

p.24: 什么是矢量场的散度?矢量场的其他概念又是什么?

p. 25: 广义相对论中能量动量守恒的数学形式是什么?

§12. 黎曼-克利斯朵夫张量

p.26: 黎曼-克利斯朵夫张量的几何意义是什么?

p.27: 推测的引力张量是什么?它为什么被丢弃了?

C.引力场理论

§13.粒子在引力场中的运动方程  引力场分量的表达式

p. 28: 爱因斯坦何时开始对纲领理论失去信心?

p. 28: 粒子如何在引力场中运动?

§14.无物质的引力场方程

p. 29:爱因斯坦的zuida挑战是什么?

§15. 引力场的哈密顿函数 能量动量定律

p.30: 拉格朗日形式是什么?它在广义相对论发端时的作用是什么?

p.31: 没有物质时能量动量守恒原理意味着什么?或者,引力场可以是自身的源吗?

p. 31: 爱因斯坦的主要竞争者是谁?

p.32: 怎样才能将没有物质的场方程推广到含有物质?

§16. 引力场方程的普遍形式

p. 33: 终于得到了引力场方程!

§17. 普遍情形下的守恒律

p. 34:守恒原理是怎样以一种爱因斯坦在理论发展早期阶段未曾预料的方式得到满足的?

§18. 物质能量动量定律作为场方程的推论

p. 35:物理守恒定律来自自然界中的对称性吗?

D.物质现象

§19. 无摩擦绝热流体的欧拉方程

p. 36:物理学中已建立的理论,诸如流体力学、电磁学,如何纳入到新的引力理论中?

§20. 自由空间的麦克斯韦电磁场方程

p.37: 麦克斯韦是怎样用数学方程表示电磁定律的?这些方程又如何受到引力的影响?

p.38: “以太”在前相对论物理中起什么作用?为什么爱因斯坦zui终认为没有以太的空间是难以想象的?

p. 39: 冯•劳厄起到了什么关键作用?

E. 

§21. 作为一级近似的牛顿理论

p. 40: 理论的有效性如何由实验检验?

p.40a: 作为事后思考,爱因斯坦想要澄清和强调的是什么?

p.41:牛顿极限下,度规张量是什么样子的?

p. 41: 爱因斯坦为什么会感到惊喜?

p. 42: 天文学家如何能帮助确认理论的一些预言?

§22. 静态引力场中的尺和钟行为,光线的弯曲,水星轨道的近日点运动

p. 43: 引力场中尺的长度和钟的速率是怎样的?

p.43: 有可行的广义相对论的替代理论吗?

p.44: 什么观测使爱因斯坦一举成名天下闻?

p. 45:水星近日点运动的解释:从失望到胜利

附录:基于变分原理的理论表述

§1. 引力和物质的场方程

p. A1: 为什么爱因斯坦决定不将这个附录包含在手稿《广义相对论基础》中?

p.A1: 爱因斯坦使用了一个哈密顿(拉格朗日)形式——既不同于希尔伯特的形式,也不同于他自己先前的形式

p. A2: 为什么爱因斯坦zui终决定发表这个附录的修正形式?洛仑兹和希尔伯特起了什么作用?

§2. 广义协变性要求的形式推论

p. A3: 满足守恒原理不需任何限制吗?

§3. 哈密顿函数G的性质

p.A3: 1916:艰苦奋斗和崭新开始的一年

p. A4: 爱因斯坦起到了科学传教士的作用

p. A5: 在个人磨难与国家灾难之中的科学创造力

注释页的注记

附言:好戏还在后头

广义相对论的起源与形成年表

与爱因斯坦思想有关联的物理学家、数学家和哲学家

进一步阅读材料

广义相对论基础

哈密顿原理和广义相对论

索引

前  言

序言

 

本书展示了爱因斯坦1916年广义相对论典范论文的手稿摹本,它可以看成是一个人的头脑所能造就的zui复杂的智力成就。

为了引导缺少专业知识的读者顺利阅读爱因斯坦的论证,每一页爱因斯坦手稿都伴有短文,提供了广泛的知识和历史背景。解释性文本适用于特定页面上的主题和相关历史背景。不同类型的评论是由排版风格来区分的。为了不打断流畅阅读每页短文,与每页内容有关的参考文献信息和进一步阅读建议放在本书zui后。

在手稿复印件之前,是一篇综合的历史导论,解说了广义相对论如何演化成一个成熟的理论。导论和伴随手稿的文字本质上讲述的是同样的故事,但是它们的风格不同,方式也不同,有时还在不同的层次上进行阐述。希望这种双重方式,有助于读者见仁见智,从不同角度去欣赏进展,也有助于读者或车或舟,选择喜爱的追随途径。

以爱因斯坦的手稿作为背景来讲述这个故事,其优点已经在开场白“手稿的魅力”中解释了。在这个开场白中,也讲述了手稿如何从它的诞生地柏林移送到耶路撒冷的希伯来大学,在那里jiu保存下来。

跟随手稿之后的是一个附言,描述了理论完成的余波,以及直接的宇宙学蕴涵。爱因斯坦在1916年所发表的工作,实际上并不代表他在广义相对论一些问题上的zui后观点。为了帮助读者在1905年到1932年之间的发展中定位,我们提供了一条时间线,这个时间段覆盖了广义相对论的创始和形成岁月。为使读者具备更扎实的科学背景,本书还附加了爱因斯坦1916年论文的英译本。

另一个有用的部分是汇集了与爱因斯坦思想相关的科学家和哲学家,其中包括了他们的肖像和生平简介。这个汇集清楚地表明了正文所传达的信息:当爱因斯坦为创造新的引力理论的挑战而努力奋斗时,他与朋友和同事之间维持了一个广泛联系交流的网络。我们感谢卡斯塔内蒂(Giuseppe Castagnetti)撰写了这些简历,同时感谢希尔基(Beatrice Hilke)在肖像方面给予的协助。

本书所讲述的故事是科学史上zui重要的转折点之一,慕名者众而知其者寡。本书尝试用一种易于接受的方式,为广大读者讲述这一进展过程。

我们特别选择用劳伦·陶丁(Laurent Taudin)的卡通画来作为文字的插图,以创造轻松的氛围、轶闻的趣味。我们感谢劳伦的创造性,也感谢他惊人的把握主题精髓的能力。

我们感谢普林斯顿大学出版社的格纳里希(Ingrid Gnerlich),在他引导下,我们通过了本项目的各个不同阶段,也感谢普林斯顿大学出版社聘请的匿名审阅人,我们采纳了他们的建议。特别感谢我们的同事和朋友爱森斯塔特(Jean Eisenstaedt)、舒尔曼(Robert Schulmann)和舒茨(Bernard Schutz),他们一丝不苟地审读了手稿的早期版本。特别感谢我们的朋友詹森(Michel Janssen)和施塔赫尔(John Stachel),他们的建议对改进正文十分有益。

我们感谢希伯来大学爱因斯坦档案馆工作人员的帮助,特别感谢格罗斯(Roni Grosz)主任、沃尔夫(Barbara Wolff)和贝克(Chaya Becker)。我们也感谢爱因斯坦论文项目(Einstein Papers Project)的主编科莫斯-布克沃尔德(Diana Kormos-Buchwald),她允许我们从《爱因斯坦全集》已出版的各卷中广泛引用,同时也感谢她个人在我们工作中一直给予的鼓励。

对于直接和间接参与的两个机构,本项目欠下了特别的人情债。希伯来大学允许我们使用手稿和其他档案材料,而马克斯·普朗克科学史研究所是本项目的诞生地。我们由衷地感谢这两个机构的支持。

zui后,我们向迪瓦奇(Lindy Divarci)致以zui诚挚的谢意,她给予我们难以估量的编辑援助和专业支持。

媒体评论

 “任何一个爱因斯坦的仰慕者,都乐意有这样一种机会,去欣赏分析这位物理学家关于广义相对论原始手稿摹本的注释。……作者给出了令人信服的论述,以及所附的插图和引证,为本来难以接近的爱因斯坦主要作品,打开了一扇诱人的窗口。”

                                           ——《科学美国人》

 

  “作者提醒我们,手稿极具魅力:这是对伟大思想历程的惊鸿一瞥。”

                                           ——《新科学家》

 

  “古特弗罗因德和雷恩的《相对论之路》,复制了爱因斯坦广义相对论的45页手稿和手写的校正页,伴之以全面的注释、它的历史语境和对未来的联想。本书还含有一个与爱因斯坦工作相关的科学家和哲学家的简历表,以及一些生动的插图。例如在一幅劳伦·陶丁所作的画中,爱因斯坦坐在飞驰的列车上倒咖啡,用以证明运动是相对的。”

                                   —— 南希·索肯,《华盛顿邮报》

 

   “古特弗罗因德和雷恩详细分析了手稿的每一页,逐节逐段地阐述意义,并描述了爱因斯坦导致广义相对论产生的思想过程。……通往广义相对论之路是可以接近的,也是令人愉快的。”

                                   ——汤姆·齐格弗里德,《科学新闻》

 

“一本极好的书,将爱因斯坦原稿摹本、英文译本和内容丰富的注释三结合了。”

                                   ——比尔·康迪,《宇宙杂志》

 

“一位物理学家在阅读爱因斯坦的广义相对论手稿时,必定像一位钢琴家看到巴赫的哥德堡变奏曲草稿的感受一样。人类何等创造力才能产生与此媲美之物?古特弗罗因德和雷恩为论文提供了语境,而英语译文是帮助不能流利阅读德语的读者,去领略论文的全貌。这本书是一件可爱的珍藏品。”

                               ——查理米·伯恩斯坦,阿斯彭物理中心

 

“《相对论之路》讲述了一个可以接近、精确和饶有兴趣的故事,这里是一个关于过去150年的伟大智力旅行的故事。我将此书推荐给任何一位对引力和宇宙状况着迷的人,同时也向所有热衷于现代伟大科学史诗的人推荐此书。”

                                     ——彼得·加利松,哈佛大学

 

 “古特弗罗因德和雷恩编撰了一本引人入胜的书,一本真正的入门书。该书介绍了爱因斯坦创建广义相对论时,所经历过的漫长而错综复杂的旅程。这是一本在数十年科学史研究基金背景下的精华之作。我们发现不仅爱因斯坦本人的论文,得到了简洁明了的阐述,而且对20世纪早期整个一代科学家发起的理论物理学革命的来龙去脉,也勾画出丰富多彩的画卷。”

        ——黛安娜·科莫斯·布克瓦尔德,爱因斯坦全集项目,加州理工学院

 

 “这是一本令人着迷的书,它以优雅的方式为爱因斯坦广义相对论百年庆*。爱因斯坦手稿的复制摹本,赏心悦目,令人感叹!古特弗罗因德和雷恩出色地为非专业人士做引导,介绍了爱因斯坦的全部论证,并将工作放在更为宽泛的知识层面和历史语境之上。”

         ——大卫·凯泽,《嬉皮士如何挽救物理学:科学、反文化和量子复兴》一书的作者

 

 “本书引导你进入一个神奇的发现之旅。它的核心之处是对爱因斯坦广义相对论手稿的阐述,这是爱因斯坦在191511月取得决定性突破后不久手写的稿件。在古特弗罗因德和雷恩精彩介绍和富有洞察力的评述中,他们讲述了爱因斯坦如何发现了他的新时空和引力理论的,使得理论本身与爱因斯坦艰难的历程永远活在广大读者心中。”

                  ——迈克·詹森,明尼苏达大学

 

 


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