在哈拉尔德·弗里奇所著的《改变世界的方程(牛顿爱因斯坦和相对论)》中，作者以爱因斯坦、牛顿和一位名叫哈勒尔的现代物理学家三人对话的形式描述了爱因斯坦的思想，这种形式可以更好地描述一个人在了解相对论的过程中所遇到的困难，更通俗的介绍爱因斯坦的思想，有助于广大读者了解一些现代科学的奇迹，为进一步理解现代宇宙学打好基础。

一个简单的数学方程果真能够改变世界吗？它究竟隐含着如何深邃的物理意义？作者以简明清新、通俗易懂的文笔讲述了狭义相对论的基本思想，其中著名的质能方程幽那。在人们认识自然界的物质结构和性质之中扮演了核心的角色。原子弹爆炸的巨大能量来源正是基于这个方程所描述的物理原理，因此后者通过前者而改变了整个世界。

哈拉尔德·弗里奇所著的《改变世界的方程(牛顿爱因斯坦和相对论)》的主要内容是以虚拟的三人讨论的形式来表述的，参与者包括艾萨克·牛顿、阿尔伯特·爱因斯坦和一位虚构的名叫阿德里安·哈勒尔的理论物理学教授。他们代表了物理学发展的三个不同时代。通过《改变世界的方程(牛顿爱因斯坦和相对论)》中三人之间生动活泼的对话，读者可以切身领会相对论的时空观，比如光速不变性原理、时间延缓和空间收缩。而质能关系的出现则加深了我们对物质世界的理解：核裂变、核聚变、粒子与反粒子的产生和湮没等等不可思议的现象，都是物质和能量之间相互转化的例证。

内容提要

作者简介

中文版序言

英文版序言

引言

第一章 牛顿与真理之海

第二章 牛顿和绝对空间

第三章 邂逅牛顿

第四章 关于光的对话

第五章 牛顿与爱因斯坦相会

第六章 光速乃自然常量

第七章 事件、世界线和佯谬

第八章 时空中的光

第九章 时间延缓

第十章 快μ子寿命更长

第十一章 双生子佯谬

第十二章 空间收缩

第十三章 时空之奇妙

第十四章 质量的时空性质

第十五章 改变世界的方程

第十六章 太阳的能量

第十七章 阿拉莫戈多闪电

第十八章 隐藏在核子中的能量

第十九章 神秘的反物质

第二十章 对基本粒子感到惊奇

第二十一章 物质衰变吗？

结语

引文出处

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术语表

第一章 牛顿与真理之海

正值伯尔尼大学开始放假的7月下旬，哈勒尔教授飞往加利福尼亚大学圣巴巴拉分校去参加一个会议。他提前离开伯尔尼是想途中在伦敦拜访几个朋友。在到达伦敦的当天，他抽空瞻仰了威斯敏斯特教堂里牛顿的陵墓。伫立在纪念碑前，哈勒尔阅读了这样的墓志铭：

人们应该感谢那些生活在他们之中并为全人类增光的人。这句话表达了牛顿的英国同胞对他保持至今的崇敬和赞美。牛顿1642年12月24日诞生于林肯郡的伍尔斯索普——这年(按照儒略历)是他伟大的意大利同行伽利略逝世的一年——牛顿1727年3月20日逝世于伦敦。

牛顿思想对于我们世界观的发展的意义是难以估量的。不论是在牛顿之前还是在牛顿之后，没有一位自然科学家在决定自然科学和技术的发展方向这方面做得如此之多，也许爱因斯坦是个例外。甚至诗人们也对牛顿思想的清晰和敏锐有着深刻的印象，谨以蒲柏(Alexander Pope)的著名诗句为证：

自然和自然律全被黑夜掩藏，

上帝说：让牛顿降临吧！

于是一切都有了光亮。

既然打算在英国度周末，哈勒尔就决定去参观牛顿工作过的地方，剑桥的三一学院，它位于伦敦东北大约50英里(约80千米)处。在一个明媚的夏日星期天，他来到了剑桥。步行不长的一段路穿过这座小城后，他就到达了三一学院。他很快就发现，在主门左边一座小小的朴素建筑就是牛顿曾经长期生活和工作过的地方。

那个星期天早上，在三一学院的大四方院里空无一人。哈勒尔独自坐在四方院中央的喷泉台阶上，沐浴着阳光并享受着宁静。没有一个人打扰他。他只看见一个中年男子，也许是科学家抑或是学院的教员，悠闲地穿过大门走进牛顿的故居。

哈勒尔力图想象在牛顿时代这里的事物是怎样一番景象。它也许与现在没有多大差别。几个世纪以来，三一学院不曾有多大改变。牛顿是1661年考上剑桥并入学三一学院的。他的主要兴趣是数学、天文学、化学和(不应忘掉的)神学研究。作为一个学生，牛顿给当时任卢卡斯数学教授[以卢卡斯(Henry Lucas)的名字命名，他给这个席位捐赠了基金]的巴罗(Issac Barrow)留下了深刻的印象。巴罗的学识并不局限于自然科学和数学，他也对语言学和宗教问题保持浓厚兴趣。他曾经是一位传道士，也曾是一位具备拉丁语、希伯来语和阿拉伯语等必备知识的希腊语教授。他也教过光学和数学。

毋庸置疑，巴罗对他的年轻学生牛顿的发展影响巨大。通过巴罗，牛顿不仅渐而通晓那个时代的科学思想，而且他晚年对宗教产生非同寻常的浓厚兴趣也在很大程度上归因于巴罗的引导。特别值得一提的是，巴罗让牛顿了解了斯宾诺莎(Spinoza)和霍布斯(Hobbes)的思想。

23岁那年，牛顿获得了哲学学士学位。他本想留在剑桥研究数学，但因故不得不推迟这个计划。1665年，英国遭到了腺鼠疫的侵袭。当局为了减少这种传染病传播的危险而关闭了所有的大学。牛顿回到了伍尔斯索普他母亲的家，后来事实证明这段时日却成了牛顿最多产的时期。在一年半的时间里，他不仅发展了微分学和积分学的基本思想，还发展了经典力学的基本思想。他系统地阐述了万有引力定律——有质量物体间的普遍吸引——直到250年后，爱因斯坦对这个定律从根本上加以崭新的诠释，它一直是物理学的支柱之一。

牛顿在伍尔斯索普住留期间所萌生的丰富思想，只能归结为他那异常集中的注意力。塞格雷(Emilio Segre)是这样评价牛顿的：“他那特有的天赋乃是这样一种才能，即在他的脑海中总是不停地抓住一个纯粹的智力问题，直到他看透它为止。我想，他的杰出就在于他那与生俱来最强大的、最持久的直觉的力量。任何一个尝试过纯科学或哲学思辨的人都知道，如何才能在你的脑海里瞬时抓住一个问题并运用你的全部注意力去洞察它，而它却如何会在你的关注范围内消失或逃逸，让你觉得脑海一片空白。我相信，牛顿能够在他的脑海里抓住一个问题几小时、几天、几星期不放，直到弄清楚它的秘密。”。

P11-14

1905年，年轻的爱因斯坦改变了我们思考空间、时间和物质的方式。他认识到，要理解为什么光速在所有参考系中都相同，唯一的方式就是假设时间并不像牛顿(Isaac Newton)所认为的那样是绝对的，而是相对的。在运动系统中，时间的流逝是不同的。而且，刚体的长度也不是恒定的，而是变化着的，这种现象被称为洛伦兹收缩(Lorentz contraction)。此外，爱因斯坦还认识到，物质和能量在本质上是相同的。根据他的著名公式E=mc2，质量可以转变为能量。

爱因斯坦并不认为他的公式对描述粒子的相互作用会有用，可是我们已经看到，在适当的时候爱因斯坦的公式甚至还描述了电子及其反粒子(即正电子)湮没成两个光子，或者通过两个光子碰撞而产生一对正负电子。核反应堆中能量的产生也是爱因斯坦公式的直接应用。

在本书中，我以爱因斯坦、牛顿和一位名叫哈勒尔的现代物理学家三人对话的形式描述了爱因斯坦的思想。我之所以选择这种形式是因为，这样可以更好地描述一个人在了解相对论(theory of relativity)的过程中所遇到的困难。在这方面我效仿了伽利略(Galileo Galilei)，他在1632年出版的《关于两大世界体系的对话》一书中采用了类似的形式。

我希望中国读者能喜欢牛顿学习相对论的方法，而且也能用这种方法去学习相对论。爱因斯坦的理论对于我们理解这个世界是非常基本的，每个人至少都应该知道它的主要思想。正因为如此，我希望本书在中国能有许多读者。

哈拉尔德·弗里奇

2004年10月于慕尼黑