科学声音系列:时间的形状+柔软的宇宙+星空的琴弦(套装共3册)

1，喜马拉雅FM、蜻蜓FM、网易云热门主播——科学声音组织成员：科学有故事@汪洁+科学史评话@吴京平，一段堪比好莱坞大片的科学史话，一个神奇的物理世界。跟随作者，你将进入浩瀚的宇宙，去体会一种由科学带来的震撼。

2，《时间的形状：相对论史话》，从理论的角度，展现科学之美、物理之美，黑洞、虫洞、引力波、时间旅行、宇宙起点…… 当种种匪夷所思的物理学知识和你迎面相遇，你的世界再也不是原来的那个世界。

3，《柔软的宇宙：相对论外传》，从科学家的角度，展现人类智慧之美。拉普拉斯、爱因斯坦、朗之万、霍金……一个个光辉闪耀的名字，当揭开神秘面纱和闪耀光环，你会发现，科学家并非生活在真空中，每一个科学发现都和时代背景密切相关。当一次次命运的转折点来临，他们也和普通人一样，面对诸多颠沛流离和人生困惑。当一次次科学发现被揭开，是那么的反复曲折历程坎坷。

4，《星空的琴弦：天文学史话》，用通俗幽默的语言讲述一部与众不同的天文学史。从托勒密到哈勃，从大地的形状到宇宙的尺度，用讲故事的方式历数人类在天文上的重大发现。这是一部人类探索天文的历史，更是一部人类理性崛起的历史。跟随本书，你将回到过去，在那一个个激动人心的天文大发现的历史现场，和科学家们一起感受当时的兴奋，也体会他们探索的艰辛。

《时间的形状：相对论史话》：这是一本很有趣的科普书。跟随作者，你可以进入爱因斯坦的梦境，坐在牛顿老师的课堂，来到星光实验的现场……近距离接触科学的真相。本书上部（前五章）和大家一起回顾物理学走过的坎坷历史，这段历史的精彩程度不亚于任何一段战争史。在伽利略、牛顿等纷纷谢幕之后，爱因斯坦闪亮登场。他就像一位横空出世的大侠，无门无派，但出手即震惊天下，他的绝招就是“相对论”。 后四章是本书的下部，下部比上部更精彩，结构更宏大，故事更神奇，真相更惊人。在下部中，作者细致地剖析时空的真相，带你领略神奇的四维时空奇景，了解整个宇宙的图景，再回到原子的深处见识不可思议的微观世界，看一看当下物理学的新进展——万物理论。

《柔软的宇宙：相对论外传》：这是一段跨越两百年的科学探索史，从拿破仑时代一直到二十一世纪，讲述了相对论的诞生以及在相对论的思想下发展起来的一系列学科。在吴京平老师风趣幽默的叙述中，在一步一步了解“柔软的宇宙”和“弯曲时空”的奇妙过程中，我们有幸与大师相伴而行。

人类从天圆地方的世界中心观，到认识到我们不过是宇宙中的一粒微尘，这中间，经历了怎样的坎坷历程？大爆炸宇宙学、黑洞、虫洞、引力波这些匪夷所思的物理学知识，是如何一步步发展并被验证的？牛顿、爱因斯坦、朗之万、霍金，这些天才的大脑，是如何一步步发现驾驭宇宙的基本力量，苦苦寻找人类社会未来答案的？在这本书中，所有你意料之中和意料之外的认知，都会以一个全新的方式呈现。看完这本书，你会发现，人类的科学认知探索历程，是一个让人“三观尽毁”、脑洞大开的历程。你的世界，将因这本书而颠覆。

《星空的琴弦：天文学史话》从托勒密到哈勃，从大地的形状到宇宙的尺度，本书用讲故事的方式历数人类在天文上的重大发现。今天，在微观上，我们已经可以探测到100亿亿分之一米大小的尺度；在宏观上，已经拍到了距离我们132亿光年的天体图像。人类已经对自己身处的这个宇宙有了一个基本的认识：地球只不过是太阳系中一颗普通的行星，而太阳系也不过是银河系中普通的一个恒星系，而银河系也不过是本星系群中的一个普通的涡旋星系，而本星系群又不过是宇宙中无数个星系群中的普通一员。我们这个宇宙诞生于138亿年前的一次大爆炸，它不但在膨胀，而且在加速膨胀。这些我们已知的天文知识的来源都有着不平凡的经历，一代又一代的天文学家们耗费了毕生的心血，把人类对这个世界和宇宙的认识提升到了一个又一个新的高度。

跟随作者，我们将回到过去，在那一个个激动人心的天文大发现的历史现场，和科学家们一起感受当时的兴奋，也体会他们探索的艰辛。

汪洁：科普作家，科普自媒体人。各大网络电台热门科普栏目《科学有故事》主播，全国各科技馆及大、中、小学人气嘉宾。著有《时间的形状：相对论史话》，获国家图书馆文津图书奖。新浪微博：@科普斯坦汪洁 微信公众号：科学有故事 喜马拉雅人气电台：科学有故事。

吴京平，北京人，生于军工科研大院，玩着天文望远镜听着相声评书长大，做过广告公司的美术总监，干过资深人机交互设计师，现为专职科普作家，全国首档科学秀主播，科学声音组织成员。在中国科技馆、上海天文馆等全国各科技馆举行的讲座极受欢迎。在喜玛拉雅、蜻蜓、网易云音乐等以“科学史评话”为名开播专辑《行星传奇》《地球的刻度》《物种起源》《量子力学外传》《伟大的试验》《宇宙大爆炸》等，单辑收听量均在百万以上。

《时间的形状》目录

序／001

前言／003

第一章不得不说的废话

关于相对论的谣言粉碎机／002

你必须了解的四个概念／003

第二章伽利略和牛顿的世界

相对性原理／010

伽利略变换式／016

史上最牛炼金术士牛顿／021

牛顿的绝对运动观／023

牛顿水桶实验中的绝对时空观／026

第三章光的速度

伽利略吹响冲锋号／032

光速测量大赛／035

惊人的发现／038

科学史上最成功的失败／041

第四章爱因斯坦和狭义相对论

两朵乌云／048

巨星登场／050

第一个原理：光速不变／052

第二个原理：物理规律不变／055

环球快车谋杀案／058

同时性的相对性／065

时间会膨胀／068

空间会收缩 ／079

速度合成／083

质速神剑／086

光速极限／089

质能奇迹／092

四个搞脑子问题／095

《柔软的宇宙》目录

第1章见证奇迹的时刻／004

第2章以太？／016

第3章一代宗师／025

第4章电气时代／037

第5章收缩假设／045

第6章两朵乌云／055

第7章物理学的奇迹年／064

第8章双生子佯谬／078

《星空的琴弦》目录

前言科学精神比科学知识更重要／001

一大地的形状／007

二日月星辰的变化／014

三古代天文学之大成／022

四中国古代天文学思想／030

五哥白尼单挑托勒密／037

六天空立法者开普勒／047

七伽利略的证明／058

八牛顿的天体力学／067

九恒星不恒／075

十天文学第一问题／083

十一失踪的行星／088

十二初窥银河／093

第14章大耳朵的发现

黑洞够不够黑，这的确是个问题！令大家大跌眼镜的是，这个黑洞居然会辐射粒子。让我们回到上世纪六十年代来回望一下那段脑洞大开的研究史吧！

因为微波背景辐射被找到了，这是很明显的证据。伽莫夫他们提出的大爆炸学说现在已经在风头上压过了稳恒态宇宙模型，但是霍伊尔还是不相信这个理论的，一度曾经有所动摇，但他后来又反水了，提出了新的稳恒态模型。不过大家对他的理论已经普遍兴趣不大了，当年那个崇拜他的超级粉丝霍金（图14-9）也已经长大成人。他打算报考霍伊尔的研究生，但是很遗憾，霍伊尔的学生太多，就把霍金调剂给了另外一位老师丹尼斯·夏玛。霍金这孩子很聪明，十七岁考进了牛津大学，还当上了赛艇队的舵手，是个风华正茂，才智出众的年轻人。可是，在牛津的最后一年里，他开始变得笨拙，时常摔跤，人们注意到，这个学生身体出现了问题。

在考入剑桥大学之后，他的身体越来越差，讲话开始含混不清。父母带他去做了检查，他得了“肌萎缩性脊髓侧索硬化症”，俗称“渐冻人”，医生预言他活不过两年。但是，他还是挺过来了，尽管他的生活空间越来越小，身体能活动的部分越来越少，后期他全身几乎都不能动弹，但是这不妨碍他的大脑已经在思考那最深邃最遥远的宇宙尽头。这就是他的使命，不是吗？

还好，他没有成为霍伊尔的研究生，霍伊尔常年在外，在校园之内停留的时间都不多。很难说会有多大精力去带学生，毕竟人家事务繁忙。夏玛老师则不同，他能实实在在地在学校里面好好培养呵护自己的学生，特别是霍金这样身有残障的年轻人。老师虽然自己还是偏向稳恒态宇宙，但是他鼓励霍金有自己的想法。夏玛是狄拉克的学生，说起来，狄拉克是霍金的师爷，也正拥有着名声最大的教职—剑桥大学卢卡斯数学讲座教授。当初牛顿也担任过这个教职，还是国王亲批的。若干年后，霍金也将担任这个教职，一干就是几十年……

在剑桥上学期间，夏玛老师时常带着学生们外出听讲座，结识各个领域的专家学者，霍金撑着不便的身体也跟着一起去。有一次碰到儿时的偶像霍伊尔讲学，霍金发现一个错误，不依不饶地大喊：“那个量是发散的！”，闹得霍伊尔下不来台。偶像又怎样呢？吾爱吾师，吾更爱真理！

夏玛老师的一大功劳便是把彭罗斯（图14-10）拉来入伙，从数学领域跳过来研究相对论和宇宙学。早在二十世纪五十年代，夏玛老师在餐馆里碰上了彭罗斯，彭罗斯就显示出了非凡的天分。后来彭罗斯和霍金也成了很好的朋友，在夏玛老师的带领下研究广义相对论。彭罗斯比霍金大了十一岁，大约就是李白与杜甫的年龄差距。彭罗斯本行是数学家，在拓扑学领域有很深的功底，他把拓扑学引入了广义相对论的研究。美国的物理学家对拓扑学并不重视，苏联人也不重视。郎道是苏联物理学界的学霸，他的入学考试号称叫“郎道势垒”，难度简直变态，能考进去的都是人尖。但是郎道不考拓扑学，因此另辟蹊径的任务就落到了英国人身上。法国人干什么去了？天知道！

这个拓扑学又是个什么学科呢？大家都玩过七巧板或者是拼图吗？理论上讲，这也算是拓扑学。拓扑学关注位置关系，不关心大小。曾经有个笑话，有个老板想造一个动物园，这就需要去抓很多动物，然后把动物关在笼子里。这需要一大笔钱，老板就问各位专家，有没有省点钱的办法。大家面面相觑，最后有个拓扑学家发言了，他说不用去抓野生动物，动物已经被抓住了。你想啊，一般的动物园都是动物们关在笼子里，人在外边看，现在我们把空间关系翻转过来：把人放在笼子里，动物放在外边，这不是一样的效果嘛！老板大受启发，于是世界上第一个野生动物园诞生了。果然是把人关在笼子里，动物在外边自由自在地溜达。

故事当然是当个段子来听，但拓扑学的思维告诉你空间的位置关系是个很深奥的东西，特别是高维空间内的拓扑结构。数学上著名的“梅比乌斯带”和“克莱因瓶”，倒是给人比较直观的感受。

梅比乌斯带（图14-11）是个弯曲的二维面，在三维空间里面反扭了一下。这是一个没有正反面的二维空间，纯粹只有一个面。你拿一支笔来涂颜色的话，可以不抬笔全部涂满。我们假想有一种二维的小人，生活在这种二维空间之内。他就会发现，当他转一圈返回出发点的时候，居然成了原来的镜像，完全颠倒过来了，不过不要紧，他再跑一圈就正过来了。感受到拓扑学的魅力了吧！

克莱因瓶（图14-12）是另外一种情况：这是一个有限无边的面，但是它也只有一个面。因为克莱因瓶是三维的，要想实现只有一个面，必须有第四个维度来帮忙，就如同梅比乌斯带一样。二维空间，要想实现只有一个面，就必须在第三个维度里面反扭一下。我们平时生活在三维空间里，感受不到第四个维度。因此你只能想象一下，克莱因瓶下面那个交叉的地方其实并不交叉，因为，瓶子尾巴是通过另外的维度接上瓶口的，这需要强大的脑补能力，暂时就别瞎想了，拓扑学匪夷所思的地方还多着呢。

爱因斯坦的广义相对论在战后已经成为了物理学家们必须要了解的一门学问，不像战前，了解的人并不多。但是对于奇点，大家意见并不统一，一个质量最够大的恒星真的能够一步步塌缩成为一个点吗？这个点究竟是怎么样的一种存在？那个早在第一次世界大战的战壕里被计算出来的史瓦西解就可以描述一个最简单的一种黑洞，这个黑洞是个静态球对称，而且不旋转不带电的黑洞。不久以后，带电的RN黑洞也被计算出来了。相对来讲，带电的RN黑洞只比史瓦西黑洞复杂了一点儿。到了60年代初，随着对大爆炸以及恒星塌缩过程的研究。奇点问题已经绕不过去了。究竟在塌缩的恒星之中，能不能生成奇点呢？大家众说纷纭。

苏联科学界相对来讲比较封闭。他们与西方的学术交流还是有的，但是显然没那么通畅，甚至名称术语都不统一：西方叫“塌缩星”，苏联人叫“冷冻星”。倒是美国的惠勒（图14-13）在一次报告上用了“黑洞”这个词汇。大家都觉得这个词不错，很传神地描述了这一类天体的特征，于是黑洞就成了标准的称呼。惠勒的人生跨度很长，三十年代他与玻尔一起工作过，后来在普林斯顿又与爱因斯坦成为同事。麦卡锡横行之时，泰勒要去非美委员会作证，对奥本海默不利，惠勒连夜苦劝无效，氢弹之父告发了原子弹之父，这是科学史上的悲剧。

惠勒后来一直活到了北京奥运会前夕，是哥本哈根时代仅存的大师。他一辈子培养出不少的好学生，比如研究虫洞和引力波的基普·索恩，提出黑洞熵的贝肯斯坦都是他的学生，我们在后文都会提到他们。

彭罗斯进入相对论领域，首先就证明了奇点的问题。彭罗斯用数学证明，奇点必定会出现，特别是黑洞里。这一套数学证明的过程用到了拓扑学，后来霍金把这个结论推广到了宇宙起始的那一刻，宇宙的开端必定有奇点。夏玛老师和彭罗斯以及霍金他们一伙人把剑桥变成了欧洲黑洞研究的老巢。

苏联人对外交流不算多，偶尔也来一趟，哈拉尼科夫做了个报告，栗弗席兹在家坐镇没来。他们认为黑洞里面的奇点并不稳定，在扰动之下可能有问题。当场有人提出了彭罗斯的理论，苏联人大惊失色，他们没听说过有这种理论。更加令人可怕的是他们对拓扑学不熟悉，彭罗斯的玩意看不懂。照理说，苏联人担心也并不是没道理，天体并不是完美的对称形状，同时下落汇聚的时候，能不能准确地同时汇聚到一个点上呢？万一对歪了没打中呢？万一时间对不上，彼此错过了呢？这是很正常的想法。

苏联的泽尔多维奇（图14-14）他们一帮子人当年是搞核弹的，原子弹爆炸也遇到类似问题。核装药是分解成好多块摆在个球面上，周围全是炸药。炸药要极其精确地同时起爆，各个核装药块在爆炸的推挤下，要在千分之一毫秒的时间里齐刷刷地撞到一起，同时中子源点火，时间上不能彼此错过，空间上不能对歪一丝一毫，核弹才能顺利起爆，做不到就只能放个哑炮。原子弹原理讲起来并不复杂，真要做到那可是千难万难。苏联人把核弹计算上用的思路移植到了黑洞塌缩上。当然啦，原子弹去引燃氢弹的过程也是类似的，黑洞计算上也可以借鉴，泽尔多维奇就是苏联研制氢弹的功臣之一，这种办法很可靠，而且大家也都信得过。好多物理学家怀疑彭罗斯他们，惠勒倒是偏向彭罗斯。要是奇点还要考虑量子效应，那又是一个头两个大。

彭罗斯他们没工夫管这些事情，和霍金几个人开始发展这套分析方法，很快，就成了一个非常厉害的体系。他们提出了新的奇点定理，一帮物理学家不得不恶补拓扑学的知识。这种情形在历史上也不是第一次出现了，当年他们也是恶补微分几何、恶补矩阵，现在开始恶补拓扑学。数学家动动嘴，物理学家跑断腿啊！

《时间的形状》前言

我希望这是一本很有趣的书。我认为这本书与传统科普书最大的差别在于，它更像是一本茶余饭后的休闲书，或是一本有点意思的小说。在这本书里，你会看到很多天马行空般的小故事。牛顿带着 Tom和 Jerry 来到一个大水桶里面，观看神奇的水面凹陷；爱因斯坦化身大警长，先是调查了一起环球快车谋杀案，然后又要奔赴云霄电梯处理可怕的超级炸弹，最后又在太空中建造了一个超级大圆盘以展示他那神奇的时空观。虽然这一切看上去不像是正经八百的科普，但我可以很负责任地说，故事里包含的都是些很靠谱的科学真相。很多科学真相用“不可思议”来形容是一点都不过分的，你平常之所以感受不到物理学的神奇，那是因为没有人告诉你很多看似普通的物理现象背后的故事。现在的高中生都会在实验室做一个观察光的双缝干涉图像的实验，这是一个普通得不能再普通的高中光学实验，可是却没有人告诉他们这个实验背后隐藏着的惊天大秘密，这个秘密足以撼动以爱因斯坦为代表的一代科学家苦苦建立起来的物理学信仰。一个简单的光学实验，如果你了解了它藏在最深处的本质，会惊讶地发现：这个世界不再是我们头脑中原来的那个世界了，我们头脑中很多朴素的哲学观念，例如物质决定意识、原因决定结果等等，都将受到空前猛烈的冲击。而且，我确确实实是在讲科学，不是在讲神学或者宣扬神秘主义。

我的这本书大致可分为上下两部分。前五章和大家一起回顾物理学走过的四百多年坎坷历程，这段历史中的悬念，其精彩程度不亚于任何一段战争史，因为物理学的发展本身就是一部精彩的好莱坞悬疑大片。在伽利略、牛顿等巨星纷纷谢幕之后，我们的超级巨星爱因斯坦闪亮登场，而他成为我们的主角的时候不过 26 岁。他就像是一个横空出世的大侠，无门无派，但是一出手就让天下震惊，他的绝招就是“相对论”。后四章是本书的下部，故事更神奇，真相更惊人。在下部中，我将帮你细致地剖析时空真相，带你领略神奇的四维时空奇景。我们先一起去了解整个宇宙时间光锥的终极图景，再回到原子的深处见识一下不可思议的微观世界，最后看一看当下物理学的最新进展—万物理论。你只要随便记住其中的一两段，就能让你在平时和朋友们的吃饭聊天中大放异彩，只是要当心别聊得兴起忘了吃菜，不要发生总是发生在笔者身上的悲剧：话讲完了，菜也被别人吃光了。

看完这本书，也许你对这个世界的看法会大大改观。潮起潮落，斗转星移，这些平常司空见惯的大自然现象在你眼里会突然产生完全不一样的意义。当你晚上抬头仰望星空，看着夜空中的皓月星辰，宇宙在你眼里将会换一番景象，过去的宇宙观一去不复返，一个崭新的宇宙观将在你的头脑中建立起来。

自小到大，你可能一直会有这样的疑问：

时间到底是什么东西？

我们能跨越未来吗？

我们能回到过去吗？

光到底是什么东西？

宇宙到底长什么样？有大小吗？有生死吗？

我们能像星际迷航一样穿梭在银河系吗？

这个世界的物质到底是由什么构成的？

物质可以无限分割吗？

《柔软的宇宙》后记

与大师为伴

这本书讲述了一段跨越两百年的物理学史，这是一个让人“三观尽毁”、脑洞大开的探索历程。

在一步一步了解“柔软的宇宙”和“弯曲时空”的奇妙过程中，我们有幸与大师相伴而行。对这段历程，我有自己偏爱的观察角度。第一个角度是——科学家并非生活在真空中，伟大的发现不是科学家们开脑洞开出来的，每个科学发现都要放到历史大背景中去审视。比如热力学的发展与蒸汽机大规模应用关系密切，电磁学与第二次工业革命以及电气时代的到来密不可分。

1879爱因斯坦出生在德国小城乌尔姆，同年，电学宗师麦克斯韦在英国去世，时间上的巧合颇有点交接班的意味。麦克斯韦去世前一天，美国的爱迪生递交了实用灯泡的专利申请，爱因斯坦的父亲也将与灯泡结下不解之缘。你感觉到了吗？历史总是把千般线索巧妙安排。

至于第二个角度，那就是——科学家也是人，他们也有七情六欲，也有喜怒哀乐，也有错综复杂的人际关系。有人的地方就有江湖，这话说得一点儿不假。你能想到吗？爱因斯坦上大学时经常翘课，而且他是奉子成婚。请不要责怪我太过八卦。他们与我们一样，是活生生的普通人。当世界大战来临之时，他们是各为其主呢？还是捍卫人类的良知与底线呢？科学家们展现出了与丰富的人性侧面。

了解科学知识固然很重要，但这些科学家群体或许更值得我们关注。有人早已故去，有人远在万里之外。虽然他们与我们不在同一个时空，但我们读他们的故事，不就相当于穿越时空，与他们为伴吗？能与大师为伴，是多过瘾的事儿啊！

什么是科学？