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| 編輯推薦： |
这是一部现代时间起源的独特而富有启迪性的科学史巨作，现代版《时间起源》。《爱因斯坦传》作者艾萨克森评价：这是关于爱因斯坦蕞好的著作之一 。
这是一部对相对论演变历史的精彩回顾：作者将相对论的出现与“同时性”问题紧密联系在一起 ，追溯了相对论的发展历程。
这是一本容易读却又深刻的书，在跨学科的融合方面表现得非常好。
以爱因斯坦、庞加莱两位伟大科学家为线索，一步步抽丝剥茧般发现相对论。
中国科学院国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组研究员陈学雷，中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学教授苟利军，剑桥大学科学史和科学哲学系教授哈索克张，畅销书《混沌》作者詹姆斯·格雷克等重磅推荐！
湛庐文化出品。
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| 內容簡介： |
一部现代时间起源的独特而富有启迪性的科学史巨作，现代版《时间起源》，《爱因斯坦传》作者艾萨克森评价：这是关于爱因斯坦蕞好的著作之一。
“时间”究竟是什么？时钟如何同步？怎样绘制出精/确的地图？让我们穿越回19世纪末20世纪初，探寻时间的本质，感受人类伟大智慧的碰撞与融合。
19世纪末的挑战为相对论这一巨大的理论突破提供了不可或缺的现实背景。在现代科学的基石上，有两位巨人正在一步一步地寻找答案：一位年轻的、默默无闻的德国物理学家——爱因斯坦，正在尝试通过电报网络和火车站时钟的协调来测量时间；知名数学家、法国经度局局长——庞加莱，则正在绘制跨越大洲的时间坐标。他们都发现，要理解这个新兴的全球化世界，必/须确定是否存在一个纯粹的时间，其中同时性是绝/对的，时间是相对的。
哈佛大学科学史系、物理系教授，美国科学史与科学哲学领域领军人彼得·伽里森通过罕见的照片、被遗忘的专利和未公开的档案，为读者挖掘到新的信息，讲述了两位科学家引人入胜的故事，他们默默地竞赛着，希望创立一种能够征服时间帝国、解开时间之谜的理论。
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| 關於作者： |
[美] 彼得·伽里森（Peter Galison）
美国科学史与科学哲学领域领军人，哈佛大学科学史系、物理系教授，相对论首/屈一指的解读者；哈佛大学约瑟夫·佩里戈里诺讲席教授；“黑洞倡议”计划创始人之一；主要研究领域为20世纪物理学史。曾获得德国洪堡基金会洪堡研究奖、美国麦克阿瑟基金会“天才奖”、马克斯·普朗克科学奖、亚伯拉罕·派斯物理学史奖、基础物理学突破奖等。著有《图像与逻辑》《实验是如何终结的?》《客观性》《爱因斯坦与21世纪》等著作，其中《图像与逻辑》获得美国科学史学会辉瑞奖，被评为当年科学史领域蕞佳图书。
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| 目錄：
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赞 誉
推荐序 爱因斯坦与庞加莱，驯服时间的人
陈学雷
中国科学院国家天文台宇宙暗物质
与暗能量研究团组研究员
第一章 探寻时间的本质
爱因斯坦的时间
时间同时性，“临界乳光”时刻
站在物理、技术与哲学的交叉路口
第二章 煤炭、混沌和约定：庞加莱的技术与工程
天之骄子
一场矿难里的假设与反假设
混沌时期的探索
以科学的方式进行“自由选择”
第三章 世界地图与时间的新秩序
空间和时间统一标准
时间、火车和电报
时间改革者的北美“试验田”
从时间进入空间
本初子午线之争
第四章 庞加莱的地图
子午线之争仍未结束
时间十进制，一场时间合理化的“革命”斗争
地图里的帝国雄心
测量地球形状的大型探险
当庞加莱与洛伦兹面对面
大地测量学、哲学和物理学的三重协作
第五章 爱因斯坦的时钟
钟表王国的时间具体化
奥林比亚科学院
爱因斯坦的奇迹年
闵可夫斯基的四维时空
埃菲尔铁塔，向世界各地发送时间信号
在全球范围内建立异步同时性
第六章 寻找时间的位置
天才与全才
两种现代主义
俯视见其上，仰视见其下
致 谢
注 释
参考文献
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| 內容試閱：
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爱因斯坦与庞加莱，驯服时间的人
陈学雷
中国科学院国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组研究员
每个学习相对论的人，都不免产生这样一种疑问：相对论的发明者最初是怎样打破直觉中根深蒂固的“绝对时间”观念的？爱因斯坦曾回答说，一般人小时候就搞懂了时间是怎么回事，此后就不再考虑它了，而他本人却始终搞不明白，于是持续地思索时间的本质，最终获得了更深刻的认识。这一大智若愚的回答固然非常励志，但也使这一发现更显得神秘和遥不可及。
《爱因斯坦的时钟与庞加莱的地图》一书将相对论的发现置于一个更易理解的历史背景之下。爱因斯坦确实在持续地思考时间的本质，但并非仅仅是面壁坐禅式的冥思苦想，而是在专利局中审阅了许多有关时间同步的专利申请，这为他提供了一种从实验观测角度理解时间的视角。实际上，在相对论被提出前的半个世纪里，随着火车和电报的大量使用，究竟怎样定义时间、如何同步不同地区的时间，是一个有重要的现实意义并被广泛研究和讨论的问题。我们今天习以为常的经纬度、统一时间制度和时区制度，并非唯一的选择，而是经过人们在对许多不同方案的激烈争论和许多妥协后才被采纳的，这些争论既涉及科学、技术、历史和方便实用性，又牵扯到国家影响力、政治和商业利益。相对论的另一位发明者数学家——庞加莱，以他在动力学理论中提出的“庞加莱映射”方法和发现混沌现象而著名。不过，一语双关，英文中“映射”和“地图”是同一个词（map），而作为法国经度局的局长，庞加莱也面临着如何划定经纬度和绘制地图的问题。当庞加莱在哲学上提出约定论思想的时候，经纬度和时间制度的争论及解决为他提供了鲜活的例子，并同样引导他更多地从实际操作的角度去理解时间。
基于这些历史背景，爱因斯坦和庞加莱能取得这种革命性的突破，就不那么难以理解了。本书以广阔的视角展示了这段复杂而又有趣的科技史，是一本非常值得一读的科普读物。
第一章 探寻时间的本质
原则上，让一名观察者拿着时钟，站在坐标系原点，对事件进行计时，当收到该事件的光信号后，观察者对手里的时钟进行调时，以这种方法来实现时钟的远程同步……
——爱因斯坦
规则不能普遍适用，何谈严谨；很多小规则适用于特定的情形。这些规则并不是强加给我们的，我们可以根据意愿制定其他规则；如果这些规则没有使物理学、力学和天文学的规律变得更加复杂，那我们就不应该取缔这些规则。我们之所以选择这些规则，不是因为它们是真理，而是因为它们能够给我们提供最大方便。
——庞加莱
真正的时间永远不会仅仅通过时钟来揭示，牛顿对此深信不疑。即使是出自钟表大师之手的顶级时钟，也只能以更高级的方式苍白地反映绝对时间，因为绝对时间不属于人类世界，而是属于“上帝的感觉”。牛顿认为，潮汐、行星、卫星等宇宙中的万事万物都处在单一的、不断流动的时间之河里，它们在这一普遍背景下运动或变化着。在爱因斯坦的光电世界中，不存在这样一种“全球都能听到的嘀嗒声”，也就是我们所说的“时间”，除非参照关联时钟的确定性系统，否则我们没有办法以有意义的方式定义时间。当一个时钟系统相对于另一个时钟系统运动时，两个系统中的时间以不同的速率流逝：在相对静止的时钟系统中的观察者看来同时发生的两件事，在相对运动的时钟系统中的观察者看来却并非如此。这时，times（许多个时间）取代了time（单一的时间）。这一结论冲击了牛顿物理学的坚实基础，爱因斯坦也清楚地认识到了这一点。因此，他在自己晚年所撰写的《爱因斯坦自述》（Autobiographical Notes）中，诚挚地向牛顿致歉，对自己的相对论打破了时空的绝对性进行了反思。他写道：“牛顿啊，请原谅我吧！在您的时代，您找到了唯一的道路， 一条只有思想境界崇高、富有创造力的人才有可能找到的道路。”
在这一场时间观念的剧变中，存在着一个非同寻常但又很容易表述的观点。自此以后，这个观点一直在物理学、哲学和技术领域处于核心地位。这个观点认为，要谈论时间，谈论远程同时性（simultaneity），则必须进行时钟同步，而要想使两个时钟同步，只能先启动其中一个，向另一个时钟发出信号，根据信号到达的时间进行调时。还有什么比这更简单的呢？有了这种程序上的时间定义，相对论的最后一个难题就迎刃而解了，从而永远地改变了物理学。
本书讲述的就是这种时钟同步程序。虽然看起来很简单，但我们的主题，即时钟同步，既非常抽象，又非常具体。当时的世界正处在世纪之交，时间的同时性和物质性是理论物理学关注的焦点，这与我们当前的世界大不相同。在那个世界里，理论物理学的最高目标被迫切追求现代化的野心所驱动，要在全球铺设传输时间信号的电缆，进而设计火车线路和绘制世界地图。在那个世界里，工程师、哲学家和物理学家相互碰撞；纽约市市长谈论着时间传统，巴西的皇帝在大洋彼岸等待着按欧洲时间发出的电报的到来；两位顶尖科学家——亨利·庞加莱和阿尔伯特·爱因斯坦，将同时性推向了物理学、哲学和技术领域的十字路口。
爱因斯坦的时间
1905年，爱因斯坦发表了狭义相对论论文《论动体的电动力学》（On the Electrodynamics of Moving Bodies）。这篇论文引起了持续反响，成为20世纪最著名的物理学论文。这篇论文最为瞩目的特点是爱因斯坦推翻了绝对时间。按照人们通常的理解，爱因斯坦的论点从根本上偏离了古老而实用的经典力学的轨道。这篇论文也因此成为革命性思想的典范，论文中的观点被认为在本质上脱离了与世界的实际的、直观的联系。爱因斯坦从哲学和物理学的双重角度重新思考了同时性的概念，爱因斯坦的理论揭示了现代物理学与经典物理学在时空观念上存在无法调和的分歧。
在这篇论文的开篇，爱因斯坦就宣称，当时经典力学对电动力学的解释存在不对称性，但这种不对称性并不存在于自然现象中。1905年前后，几乎所有物理学家都认同这样一种观点：光波就像水波或声波一样，一定是某种物质的波。就光波或者构成光的、振荡的电场和磁场而言，所谓的某种物质就是无所不在的“以太”，即爱因斯坦在狭义相对论论文中提到的“光媒介”。
19世纪末，大多数物理学家认为以太是他们那个时代伟大的思想之一。他们期待着一旦人们能正确地理解以太，并使其直觉化和数学化，那么以太将能引导科学对热、光、磁和电现象形成统一的认识。然而，爱因斯坦正是因为以太的概念才反对不对称性的。
爱因斯坦写道，根据物理学家通常的解释，一块移动的磁铁接近在以太中静止的线圈时所产生的电流，与移动的线圈接近以太中静止的磁铁时所产生的电流是无法区分的。由于以太本身是无法观察到的，所以在爱因斯坦看来，在这个实验中，只能观察到一种现象：当线圈和磁铁靠近时，线圈中产生了电流，连在一起的灯被点亮了就是证据。根据当时的理论，电动力学提供了两种不同的解释，但关键在于线圈或磁铁相对于以太是否发生运动。这两种解释的理论基础是麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组是描述电场和磁场行为的基本方程组，还可以预测带电粒子在电磁场中如何运动。如果线圈移动而磁铁在以太中保持静止，根据麦克斯韦方程组，线圈中的电流在穿过磁场时受力，这股力驱动电流点亮了电灯。反之，如果磁铁移动而线圈保持静止，那么解释就会不同。当磁铁接近线圈时，线圈附近的磁场变强。根据麦克斯韦方程组，不断变化的磁场产生了电场，静止线圈有电流通过，点亮了灯。由此看来，到底属于哪一种解释，具体取决于人们是从磁铁的角度还是从线圈的角度来看待这一场景。
爱因斯坦重新审视了这一实验，他发现实验中只有一种现象：线圈和磁铁相互接近，点亮电灯。在他看来，能观察到的现象必然需要解释。爱因斯坦的目标是提出一个独特的解释，这种解释根本不涉及以太，而是描述了两个参照系，其中一个参照系与线圈一起移动，另外一个参照系与磁铁一起移动，即从两种不同的角度观察同一现象。爱因斯坦认为，这种解释关系到物理学的根本原则：相对性原理。
大约 300 年前，伽利略也曾对参照系提出过类似的质疑。假设有一名观察者身处封闭的船舱里，平稳地在海上航行，伽利略推断，在甲板下的实验室里进行任何机械实验都无法判断船是否在运动：当船匀速行驶时，鱼会在碗里游动，就像碗在陆地上一样；水瓶里的水会一滴一滴地滴到下面的宽口罐里，不会偏离轨迹滴落到地上。人们根本没有办法通过任何力学知识来判断一个房间的状态是“真正”的静止还是“真正”的运动。伽利略断定，这正是他一直想要创造的自由落体定律的基本特征。
在1905年发表的论文中，爱因斯坦以相对性原理在传统力学中的应用为基础，将相对性原理上升为一种基本假设，断言研究对象的物理过程与其发生匀速运动所处的参照系无关。爱因斯坦希望相对性原理不仅包括滴落的水珠、球的弹跳和弹簧的弹跳等力学现象，还包括电、磁和光的各种效应。
爱因斯坦对相对性原理的假设，即“无法判断哪个非加速参照系处于‘真正’的静止状态”，产生了一个额外假设。事实证明，这个额外假设更加令人难以置信。爱因斯坦指出，实验表明光速始终是每秒30万千米，没有其他速度。然后，他假设光的传播速度不变，也就是说，无论光源的运动速度有多快，光经过我们身边时的速度不变，光速始终是每秒30万千米。当然，日常物体是达不到这个速度的。一列火车驶来，列车员将一个邮包扔向车站站台，显然，相对于站台而言，邮包的速度等于火车的速度加上列车员习惯性地扔出邮包所产生的速度。爱因斯坦断定光的情况是不同的。举例来说，当你举着灯笼站在与我有一定距离的地方，我会看到光以每秒 30 万千米的速度从我身边经过。如果你乘坐火车向我驶来，即使火车以每秒15万千米的速度（光速的一半）行驶，我仍然会看到，灯笼的光以每秒30万千米的速度从我身边经过。这就是爱因斯坦的第二个假设，光速与光源运动的速度无关。
与爱因斯坦同时代的人认为，这两个假设似乎都是合理的（至少在某种程度上是合理的）。在力学中，相对性原理不仅自伽利略以来就一直存在，而且多年来庞加莱和其他科学家也对相对性原理应用于电动力学中的问题和前景进行了分析。此外，如果光只不过是精确的、无处不在的以太中激发出的一种波，那么在静止于以太的参照系中，光速与光源的运动速度无关，这一假设就是合理的。毕竟，当声源以合理的速度运动时，声速并不取决于声源的速度，因为声波开始传播后就以固定的速度在空气中移动。
然而，如何使爱因斯坦的这两个假设相协调呢？假设在静止于以太的参照系中，有一束光在闪耀，对于相对于以太运动的观察者来说，这束光的速度与正常的光速相比，不是快就是慢，具体取决于观察者是在接近光源还是远离光源。这种观察方式可以显示出一个人是否真的相对于以太运动，所以，如果观察者可以看到光速的差异，那么不就违反了相对性原理了吗？然而，实际上并没有人测量到这样的差异。即使是精确的光学实验，也无法探测到光在以太中的丝毫运动痕迹。
爱因斯坦认为，这是因为对物理学最基本的概念“考虑不全面”。他说，如果能够正确地理解这些基本概念，相对性原理和光速之间就不会存在明显的矛盾。因此，爱因斯坦建议从物理概念的最初阶段着手，思考什么是长度，什么是时间，尤其是什么是同时性。众所周知，电磁学和光学的物理现象依赖于对时间、长度和同时性的测量，爱因斯坦认为，对于这些基本量的基本测量过程，物理学家却没有给予充分的重视。如何使用尺子和时钟为世界上各种现象绘制出精确的时空坐标？当时的主流观点认为，物理学家应该首先关注将物质凝聚在一起的复杂力量。但爱因斯坦认为这种观点已经落后了；相反，研究运动学必须是第一位的，也就是研究在恒定的不受力的运动中如何使用时钟和尺子进行测量。只有弄明白这个问题，才能有效地解决电子的动力学问题，比如电子在电磁力的作用下是如何运动的。
爱因斯坦认为，物理学家只有通过对时间和空间的测量方法进行整理才能确定一致性。进行空间测量需要一个坐标系，按照爱因斯坦的观点，这个坐标系是一个由刚性杆A组成的坐标系统。例如，一个点的位置距X轴2英尺B，距Y轴3英尺，距Z轴14英尺。关于坐标系的表述很容易理解，但接下来就到了令人难以理解的部分——重新解释时间。与爱因斯坦同时代的数学家和数学物理学家闵可夫斯基认为这是爱因斯坦的理论中的关键论点。爱因斯坦指出：“我们必须考虑到，随着时间的流逝，我们做出的所有判断是否还是事件同时发生时所做出的判断。例如，如果我说‘那列火车7点钟到站’，我的意思是指我的手表时针指向7点和火车进站这两件事是同时发生的。”对于在某个时刻同地发生的两件事来说，这种同时性的定义毫无问题。如果我所在的区域附近发生了一件事，比如火车停靠在我身边，我的手表时针正好指向7点，那么这两件事显然是同时发生的。爱因斯坦强调，当我们必须将空间上分离的事件联系起来时，问题就变得复杂了。我们说两个遥远的事件同时发生，到底说的是什么意思？当一列火车在7点钟到达一座车站时，我的手表会显示几点？
对牛顿来说，时间是绝对的，而要解决时间问题，必须明白一点：时间不是且不可能只是“普通”时钟所涉及的简单问题。从爱因斯坦要求使用一种程序来赋予“同时性”一词意义的那一刻起，他就与绝对时间的学说产生了分歧。爱因斯坦用一种看似哲学的方法，即通过思想实验确定了时间定义的过程，尽管长期以来，思想实验被认为与实验室和工业领域无关。
爱因斯坦的问题是如何解决时钟的异地远程同步。“原则上，让一名观察者拿着时钟，站在坐标系原点，对事件进行计时，当收到该事件的光信号后，观察者对手里的时钟进行调时，以这种方法来实现时钟的远程同步……”不过，爱因斯坦又指出，由于光速是不变的，这种时间测量方法会受到位于坐标原点的中心时钟的位置的限制。假设我站在A点附近，远离B点；你正好站在A点和B点的中间位置。
A点和B点都向我发出了光信号，并且我在同一时刻看到了两点的光信号，在这种情况下，我是否可以推断出两点的光信号是在同一时间发出的呢？当然不能。显然，B点发出的信号比A点发出的信号要经过更长的距离才能到达我的面前，但它们在同一时间到达，所以B点的信号一定比A点的信号发出得更早。假设我非要说A点和B点一定是同时发出信号的，毕竟我是在同一时刻收到了这两个信号，那么问题来了，如果你正好站在A点和B点之间的中间位置，就会先看到B点的光，然后看到 A 点的光。为避免歧义，爱因斯坦不想让接收者的所在位置来决定“A点发出光信号”和“B点发出光信号”这两个事件是否具有同时性。作为定义同时性的方法，“我同时收到信号”的说法无异于一场灾难，这种说法无法提供一个连贯的、一致的解释。
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