13次时空穿梭之旅(精装)

《13次时空穿梭之旅》囊括了世界范围内久负盛名的科学家们对宇宙时空的探索和前沿科学发现，内容为圣诞讲座中13场关于宇宙时空的探索和全新科学发现，配合来自NASA及科学家亲手绘制的科学原理图，以优美的语言和深入浅出的方式，讲述关于这个神秘未知领域的一切。
本书是英国皇家科学院的年度新作，一经出版便登上各大畅销书排行榜的前列，成为英国几乎人手一册的科普书，是欧洲现象级科普读物。这部前沿、科学、易读又有趣的时空探索之书让读者通过阅读简单的文字和精美的图片，用极快的速度了解，关于宇宙时空，我们人类已经探索到什么阶段，满足读者对未知时空的神奇想象力。

时空穿梭是否有可能实现？
宇宙是否真如剥开的洋葱，存在永无尽头的平行空间？
宇宙中能看到两次日落的地方在哪里？
美丽的科学发现是什么？
如何在太空中生存？

本书囊括了世界范围内久负盛名的科学家们对宇宙时空的探索和前沿科学发现，由英国首名抵达国际空间站的宇航员蒂姆·皮克作序，从英国皇家科学院拥有近200年历史的圣诞科学讲座中精心挑选出了13场与宇宙时空有关的讲座，以优美的语言和深入浅出的方式，讲述关于这个神秘未知领域的一切，满足读者的想象力。

科林·斯图尔特（Colin Stuart）：
曾荣获欧洲天文学新闻奖二等奖，英国皇家天文学会成员，科学及天文学作家，曾出版《科学大问题》《为什么宇宙那么重要》等作品。《13次时空穿梭之旅》于2016年出版，本书一经出版便登上各大畅销书排行榜且位居前列，成为英国几乎人手一册的科普畅销书，使科林·斯图尔特一跃成为欧洲备受关注的科普作家。

《13次时空穿梭之旅》就像英国皇家科学院一样了不起，把真实又前沿的时空科普知识带到我们身边。——《卫报》

像巧克力一样引人入胜，营养无限。——《每日邮报》

完美的科普之书。——BBC

前沿、科学、易读又有趣，图文并茂，我们需要这样的科普书满足我们大脑的求知欲。——《星期日泰晤士报》

序
引言

第一章 太阳、月亮以及那些行星
罗伯特·斯塔威尔·鲍尔爵士（Sir Robert Stawell Ball）1881

第二章 一颗陨星的故事
詹姆斯·杜瓦爵士（Sir James Dewar）1885

第三章 太空遨游
赫伯特·霍尔·特纳（Herbert Hall Turner）1913

第四章 穿越时间与空间
詹姆斯·霍普伍德·金斯爵士（Sir James Hopwood Jeans）1933

第五章 生活中的天文学
哈罗德·斯潘塞·琼斯爵士（Sir Harold Spencer Jones）1944

第六章 对宇宙的探索
伯纳德·洛维耳爵士（Sir Bernard Lovell）
弗朗西斯·格雷厄姆-史密斯爵士（Sir Francis Graham-Smith）
马丁·赖尔爵士（Sir Martin Ryle）
安东尼·休伊什（Antony Hewish）1965

第七章 时光机
乔治·波特爵士（Sir George Porter）1969

第八章 行星
卡尔·萨根（Carl Sagan）1977

第九章 起源
马尔科姆·朗盖尔（Malcolm Longair）1990

第十章 宇宙洋葱
弗兰克·克洛斯（Frank Close）1993

第十一章 时间之箭
尼尔·约翰逊（Neil Johnson）1999

第十二章 在空间与时间中漫游
莫妮卡·格雷迪（Monica Grady）2003

第十三章 如何在太空中生存
凯文·方（Kevin Fong）2015

纪实图集
后记
图片说明
作者手记

时间之箭 尼尔·约翰逊 1999

1. 时间旅行是否有可能？
2. 光波的运动有多快？
3. 光阴流逝的差别是如何产生的？
4. 原子跃迁的过程是怎样的？

约翰逊的讲座探讨了一些最精深的问题，也许可以涉及我们对世界的体会。我们是这样长大的：我们理解时间的基本机制，一台时钟的所谓稳定的特性，就是当时间过去一秒，它也会走过一秒。然而物理学中的发现，尤其是过去的20世纪及其前后的发现，让一切都发生了彻底的改变。我们将会看看，改变你感受到的时间的速度是否有可能实现，并正面解决一个或许可以被称作最大难题的难题：时间旅行是否有可能？

约翰逊这样开始了他的第一场讲座：“1999年是非常特殊的一年……因为它不仅是千年之交，同时是皇家科学院成立200年之年。所以，还有什么主题比讨论时间更合适呢……在本系列讲座中，我们将会发现，对于‘时间究竟是什么’这个问题，这200年的科学发展彻底改变了我们的认识……我们将会看到，我们如何通过观察光波，得到了有关时间本身的一些变革性发现。”
我们可以将光想象成一种波，具有上上下下振动的重复性图案，就像我们在海滩上可以看到的那种波浪。然而，光波的传播究竟有多快？约翰逊邀请听众席中一个名叫海伦（Helen）的女孩帮助他做一个验证，道具包括一台微波炉以及一些棉花糖。微波炉发射的微波是一种形式的光，类似无线电波还有我们肉眼能看到的可见光。约翰逊向微波炉中放了一盘棉花糖，而炉中的转盘早已被移除。微波炉的烹饪方式并不均匀，发射出的微波会在一些位点上下移动，这些地方就会蕴含更多能量，但其他部分就不会有这么多，这就在炉内造成了一些“热点”。当棉花糖被取出后，很容易看出，有一些已经被熔化而其他的一些还没有。“真的可以看到一幅图案。”约翰逊说道。相邻两条熔融棉花糖带之间的距离，就等于微波波长的一半。借助一把尺子，海伦计算了糖带之间的距离约为0.12米。将这一结果与微波振动的频率相乘就可以得到速度。幸运的是，微波炉的背后就写有频率数值2450兆赫（每秒24.5亿次振动）。海伦在计算器上将上述两个数字相乘之后，得到每秒2.94亿米的结果。约翰逊展示了一张卡片，上面写的是公认的光速数值，即每秒3亿米。
“事实证明，海伦不仅计算出了光速，她还算出了宇宙中移动速度最快的事物。”约翰逊说，“这个发现的故事实际上是科学中最伟大的革命之一……并且它告诉我们一些事，这些事彻底让时间发生了变革。”这便是阿尔伯特·爱因斯坦的工作。“光速的问题让他很发愁。”约翰逊讲道。爱因斯坦得出结论，认为光速对所有观测者来说都是一样的，“不管你坐在这儿，还是正乘坐大巴回家，又或是你坐在‘进取号’星舰（译注：著名科幻电影《星际迷航》中一艘星舰的名称）上。在他提出这一想法之后，已经被操作过的每一个实验似乎都证实，光速对所有观测者来说都是一样的”。
爱因斯坦有关光速的一些观点，对我们理解时间来说有着意义深远的暗示作用，而我们之所以能看到这一点，还需要感谢另一位志愿者鲁比（Ruby）参与了实证。她盘腿坐在一辆木制的小车上，手中握有一只球，而球的内部有盏灯，代表光线的一个脉冲。她先是上上下下地扔着球，不过随后约翰逊便拉着车在地面上移动，而摄像机镜头一直跟随着球中发出的光。我们看到球正在沿着锯齿形的波状轨迹运动。“某种奇怪的事情发生了——我们看到了与鲁比眼中不同的现象。鲁比坐在推车中，（对她来说）球在不变的距离上运动……上上下下，不管她是固定不动，还是我拉着她运动，都是如此。然而，对我们来说……球不仅会上下运动，也在跟着向前走——它运动的距离更远。”还记得这颗球是代表光的脉动吧？而我们刚刚同意光速对所有观察者来说都是固定的，而速度等于距离除以时间。“那么如果速度保持不变而距离却不同了……那么时间对鲁比和和我们来说就势必不等同了。”约翰逊说道，“现在这问题开始让人大开眼界了。”
“想象一下鲁比还有一个双胞胎姐妹。鲁比乘坐一艘太空飞船离开了很多年，（然后）又回来了。鲁比在太空飞船上计算的时间，与她的孪生姐妹在地球上计算的时间可不同。”对鲁比来说，消逝的时间更短，因此当她回到家时，会发现她现在比她的孪生姐妹要年轻，尽管她们出生在同一天。“光阴流逝的不同，取决于你是如何运动的。”约翰逊说，“这太奇幻了，所以我觉得我们应该仔细验证，看看是不是真的如此。”
英国国家物理实验室的约翰·莱弗蒂（John Laverty）带着他的“同卵双胞胎”来到了现场，那是一对高度精确的原子钟。莱弗蒂在我们面前将它们进行同步，这样就会显示同样的时间，只有四十亿之一秒的误差。“约翰，如果我们带上其中一台钟来一次旅行再带着它回来，那么到最后一场讲座时，我们是否能够证明爱因斯坦的理论？”约翰逊问道。“没错。”莱弗蒂说道。

圣诞讲座是我一直向往的事情，因此凯文·方（Kevin Fong）博士的2015年度有关太空生存的圣诞讲座，我非常开心被邀请参加。能够在距离地球表面400千米的国际空间站中参加这场盛会，是我在此次活动中的亮点。
生活并工作在国际空间站中，是一项非凡的殊荣，也是一段特别的经历。在太空以及重返地球的这段时间里，也许最触动我的事，是我们的身体在调整适应颇为不同的环境时有多么出色。六个月的太空飞行，人的身体会感到吃力——对我们的前庭系统、心脑血管以及免疫系统都会造成改变，而不只是皮肤、肌肉重量、骨密度和视力。然而，落地后仅仅几星期，人类的身体就能完全恢复，尽管骨密度的恢复需要近一年。这些变化的发生也给科学家和科研团队提供了一个很好的机会，得以深入研究人的身体功能是怎么实现的。
自从人类在1961年第一次被送入地球轨道，我们已经学到了大量有关太空旅行的知识，但仍然有很多需要被发现，我们也一直在不断探索。我们需要用这些摆在我们面前的发现去激发下一代科学家和探险家，这非常重要。而要实现这一点，圣诞讲座正是非常理想的方式“Principia”（原理）任务中非常重要的一部分，是成功地延伸教育项目，通过各类活动，覆盖了超过100万在校学生。如果我们打算解决未来的挑战，今天给年轻学生的投资就很关键。
在认识太空的路上我们究竟走了多远？又取得了多少令人惊叹的技术进步，让我们得以探索宇宙？这本书就是一个很好的见证。皇家科学院（Royal Institution）多年来持续向年轻的讲座听众传播前沿科学，这一切也令人感到陶醉。几十年前，对当时的听众而言，探访月球似乎还是非常遥远的梦，而如今我们不仅已经在那里着陆过，就连探索火星的路也在变得越来越现实。我希望这本书可以启发你进入科学的旅程。

——欧洲宇航局宇航员蒂姆·皮克（Tim Peake）