追捕祝融星:爱因斯坦如何摧毁了一颗行星

  • 作者 [美]托马斯·利文森(Thomas Levenson)
  • 译者 高爽
  • 出版社 后浪丨民主与建设出版社
  • 出版时间 2019-11
  • 定价 52.00元
  • 装帧 精装
  • 开本 1/32
  • 页数 232
  • ISBN 9787513925549


追捕祝融星:爱因斯坦如何摧毁了一颗行星

THE HUNT FOR VULCAN

 后浪出版公司

一颗不存在的行星

见证从牛顿力学到广义相对论的科学革命

 

编辑推荐

l  当前唯一一部讲述这颗人类想象中的行星的作品。

l  从天王星到祝融星,从牛顿到爱因斯坦,从万有引力定律到相对论,从细微之处洞察科学如何进步。

l  步入爱因斯坦的世界,跟随爱因斯坦的视角,从头开始理解相对论,打开对宇宙的新认知。

l  记述了历史上两次著名的日全食事件,回到历史现场,使读者切身感受人类在科学道路上永不畏惧、永不停息的精神。

 

媒体推荐

精彩……这是一个迷人的故事,讲述了科学史上一个被人遗忘的事件。

——《华尔街日报》

迷人……这本来是一个关于科学如何发展的故事,但在托马斯·利文森浪漫的笔触下,它几乎成了小说。

——《华盛顿邮报》

作者精彩地讲述了祝融星的故事……从艾萨克·牛顿开始,贯穿科学史,优雅地揭示了科学

思想进化的本质和爱因斯坦所创造的革命性奇迹。

——《自然》

本书抓住了人们不懈追寻这个天体的激动人心之处。

——《科学》

这部作品是一个结构严谨、节奏明快的科学写作范例,精彩而又通俗地记述了数学和物理学与天文观测之间的相互作用。

——《科克斯书评》(星级评论)

利文森巧妙地吸引读者去探索科学家是如何思考和争论的,以及科学是如何发展的。

——《出版商周刊》

 

获奖记录

入围2016年英国皇家学会科学图书奖终选名单

 

名人推荐

一部兼具可读性与启发性的作品,戏剧性地讲述了科学家如何寻找一颗不存在的行星,以及爱因斯坦如何用科学史上最美丽的理论解开了关于这颗行星谜团的传奇。这是一个鼓舞人心的故事,它关乎人们对探索的追求,以及在理解宇宙时所面临的挑战和所获得的喜悦。

——沃尔特·艾萨克森(Walter Isaacson

 

《追捕祝融星》是我读过的最好的科学作品。作品架构精美,历史背景丰富,并且调研极具深度。最重要的是,它所讲述的故事很棒。利文森讲述了真实的科学事业图景,其中既有好的假设和坏的假设,也有一厢情愿的想法,还有激情、人类的自我价值,以及对于认识并理解我们身处其中的这个奇异而壮丽的宇宙的渴望。

——《偶然的宇宙》作者艾伦·莱特曼(Alan Lightman

 

被遗忘的祝融星的故事再也不会不为人知了。托马斯·利文森告诉我们:它来自哪里,它如何消失,以及,为什么它的神韵在今天仍暗藏其间。在这个过程中,我们学到的不仅仅是科学如何运作——无论成败。

——尼尔·德格拉斯·泰森(Neil deGrasse Tyson

 

作为一名作家,托马斯·利文森的高超之处在于,将科学思想的演变放入适当的历史背景中,让我们看到它更为广泛的影响。在这本引人入胜、信息量丰富的书中,利文森优雅地让我们学习了物理定律和在物理学进步中不那么循规蹈矩的方法。

——莉萨·兰德尔(Lisa Randall)(哈佛大学物理学教授,《暗物质和恐龙》作者)

 

《追捕祝融星》是科学写作中的代表性作品。利文森向我们揭开了富有戏剧性的历史事件和现在被人们遗忘的祝融星背后的物理学,同时也向我们展示了科学在现实世界中是如何发展的。在此过程中,他还揭示了我们在努力时——即便是经验十足——无法避免自欺欺人对我们的影响。这本书不仅仅知识丰富、充满激情,并且诙谐风趣——这也是它的深刻之处。

——朱诺·迪亚斯(Junot Díaz

 

托马斯·利文森精彩地讲述了牛顿、爱因斯坦和失踪的祝融星的故事,展现了在决定宇宙命运时观测和计算之间的冲突。

——肖恩·卡罗尔(Sean Carroll),《宇宙终极粒子》作者

 

著者简介

托马斯·利文森(Thomas Levenson),美国麻省理工学院研究生科学写作项目的教授和主任。他还为美国公共广播公司(PBS)、英国广播公司(BBC)和其他媒体大量撰稿,曾获得美国国家研究院传播奖、皮博迪奖(Peabody Award),以及美国科学促进会的西屋科学记者奖。除本书外,还著有《牛顿与伪币制造者:科学巨匠鲜为人知的侦探生涯》《爱因斯坦在柏林》《为测量而测量:科学的音乐史》《冰期:气候、科学和地球上的生命》。

 

译者简介

高爽,德国海德堡大学天文学博士,北京河马星空教育科技有限公司创始人,曾任北京师范大学天文系讲师。他是优秀的天文工作者、科普作家,热衷于科学传播工作,具十年科普写作与讲座经验,译著有《天文之书》《科学需要讲故事》《宇宙》等。在得到app上开设了课程《天文学通识30讲》。人称“河马老师”。

 

内容简介

水星是距离太阳最近的行星,在几个世纪的观测中,人们发现水星轨道存在轻微的扰动。这与牛顿理论所预言的行星行为有些许偏差。为了解释这种现象,根据牛顿万有引力定律,法国天文学家勒威耶进行了计算,于1859年提出假设:水星轨道内尚有一颗未被人们发现的行星。他还以罗马神话中火神的名字(Vulcan)为之命名(对应中文译名即“祝融星”)。此后,人们开始疯狂地寻找这颗行星,但除了一位乡间业余天文学家声称目击了它之外,没人能再次证实它的存在。1915年,爱因斯坦的广义相对论体系构建完成,首先解决的问题就是解释水星轨道的扰动现象。自此证实:祝融星并不存在。

 

目  录

译者导读............................................................... i

前言................................................................................... iv

第一部分 从牛顿到海王星(16821846年) .......... 1

1 “牢不可破的世界秩序” ...................... 3

2 “快乐的思想” .................................... 14

3 “这颗星没在星图上” ........................ 27

  “太不可思议了” ................................ 43

第二部分 从海王星到祝融星(18461878年) ........ 51

4 38 .................................................. 53

5 扰动质量 ............................................ 68

6 “搜索将圆满结束” ............................ 78

7 “躲藏了这么久” ................................ 91

  “解决问题的特殊方法” .................... 110

第三部分 从祝融星到爱因斯坦(19051915年) ... 123

8 “最快乐的思想” ............................... 125

9 “帮帮我吧,我快要疯了” ............... 139

10 “欣喜若狂” ..................................... 157

后记:“渴望看到……先定的和谐” ............................. 171

  .................................................................................. 180

  .................................................................................. 185

参考文献 .............................................................................. 205

插图来源 .............................................................................. 216

出版后记 .............................................................................. 217

 

译者导读

科学的历史,毫无疑问是人类历史的组成部分。但科学史作为特定类型的专门史,在历史学专业的本科教育乃至研究生课程中,所占比例极少。有关科学史的教育和研究,反倒是哲学专业感兴趣的主题。这样的事实意味着,科学的历史与社会史、政治史、科学研究本身,都有着显著的差别,对科学史的理解往往需要借助人与自然的关系、人类的认知模式、知识和学习的方法等哲学内容。

通俗地说,我们今天对这个世界和我们自身的理解,构成我们常说的三观;而三观的形成和变化,很大程度上是科学发展促成的,这一点在有文字记载的历史阶段尤为明显。结构稳固而转动精密的仪器让人类获得了优质的行星位置数据,严谨完备的数据推理出了行星运动的定律(所以自然应该符合秩序),定律所描述的椭圆轨道和太阳位置打破了根深蒂固的地心说传统(所以运动才是主旋律),望远镜的光学能力再次给人类呈现前所未见的宇宙深处(所以我们未知的远远超过已知的)……在本书所讲述的故事发生之前,人类已经凭借着天文学的进步一次又一次地革新了自己的三观。在此基础上,伟大的牛顿登上舞台,为人类带来了最耀眼的光芒。是牛顿的光,让人类可以用简单的数学公式描绘宇宙的规则。从我们身边的一颗苹果,到遥远的哈雷彗星,这一切物体的运动过程都可以被我们掌握,而领会这些知识并不十分困难。在今天的中国教育体系里,17岁的少年应该已经掌握了三大定律和万有引力定律的基本概念,并将其应用于常见环境的计算中。高考物理试卷上全是这样的题目。

你看,人类记忆中的科学和三观按理说是充满了变革的。人类(社会)不会因此养成盼望变革、接纳变革的习惯吗?本书试图用非虚构写作的方式,讲述历史细节,从而回答这个问题。恰恰和大部分人的想象相反,科学界(以天文学和物理学为代表)可能是人类社会中最保守、最不愿意接受变革的群体。

2017822日,美国境内可以观测到日全食。国内不乏自费前往观测的天文爱好者,其中也有不少人计划借此机会重复一项历史上著名的科学实验。这项实验,曾经刷新了人们

对时空观念的认识,也塑造了今天人们对科学本质的理解,这一实验的影响范围甚广。在介绍近代以来的物理学、天文学发展史的资料中,在入门的教科书上,总能见到这个实验。本书是科学史非虚构写作的优秀作品,自然不可能对如此重要的实验视而不见。实际上,作者正是用这个实验给全书画了句号。

在我们心目中,早已习惯科学故事具有这样一种框架:伟大的科学家提出了革命性的新思想,没有人接纳他;个别的英雄单枪匹马突破封锁,终于验证了这一切。人们最终接纳了新思想,战胜了传统的束缚。

但事实,是这样简单吗?实验已经过去了100年,争吵却没有停止。

 

前言

1915年11月18日,柏林

一个从西郊来的男人正在赶路,他的目的地是城中心。这个男人的头发通常总有一些蓬乱(这头蓬乱的头发未来将和他本人一样出名),但今天却因为一场公开讲座而被收拾得相当服帖。他走上菩提树下大街,这条大街穿过勃兰登堡门,向东一直延伸到施普雷河。他径直走进菩提树下大街8号,这里通往普鲁士科学院。

这是一战打响后的第二年,秋天的一个星期四。科学院的成员们赶来聆听一场学术讲座。这个系列讲座一共有四场,这一天进行的是第三场。这个系列讲座的主讲人是他们的一位新同事,这位尚年轻的男子走到房间前方,掏出他的笔记——仅仅是几页稿纸,就开始了演讲。

 

这位年轻人便是阿尔伯特·爱因斯坦,当天的演讲以及随后一周进行的又一次演讲,成就了这位20世纪最伟大的天才。我们现在把他的这些思想称为广义相对论:这是关于引力的理论,也是宇宙学的基础。宇宙学是把宇宙作为一个整体,研究它的诞生和演化的学科。爱因斯坦的结果标志着孤独思考者的胜利:他战胜了同行的偏见与怀疑,也超越了历史上最著名的科学家,艾萨克·牛顿爵士。

虽然爱因斯坦的理论横扫一切,但在18日那天的演讲中,他只重点讲了一个小东西:水星。这是当时已知的最小行星。具体说来,他讲的是水星轨道原因不明的微小异常——科学家观测到水星的轨道不太稳定。但是直到爱因斯坦的演讲之前,关于水星轨道的异常现象,科学家一直没有合理的解释。

1915年为止,水星这种不安分的行为已经被发现了六十余年了。在这期间,天文学家在探索水星古怪行为的道路上越走越远。一切工作都建立在牛顿引力理论的经典框架内(这是科学革命最伟大的胜利),对此最早、看上去也最明显的解释是,在太阳的烈焰附近隐藏着一颗全新的行星,它产生了足够大的引力,使水星偏离了“正确”的轨道。

行星由于受到干扰而偏离轨道是个完全合理的假设。事实上,的确存在这样的先例,最初看起来不合逻辑,但最终被证明是正确的。随着水星轨道问题变得众所周知,业余爱好者和职业天文学家都热衷于在太阳的光芒中探寻和辨认这颗“潜伏”着的行星。在二十多年的时间里,它被反复发现了十多回。人们计算了它的轨道,根据古老记录中无法解释的天象还原了它的历史,甚至还赋予了它名字:祝融星(Vulcan[1]

然而,唯一的问题是:

这颗行星,从来都不存在。

 

本书讲述了祝融星的故事:它的身世、诞生,它在热切的追捕者眼中古怪而又难以捉摸的经历,它被打入炼狱的日子,以及最终在19151118日命定爱因斯坦之手。

初见之下,这似乎有些许讽刺,似乎这是一个关于19世纪天文学家的愚蠢和维多利亚时代的绅士们执着地追逐一个谬误的故事。但祝融星的故事绝不只是一场荒唐可笑的事件,它有着更深刻的内涵。它触及了科学发展的真正核心,与我们在学校里学到的全然不同。

理解物质世界是一项艰巨的事业,它带来一个关键问题:如果某些观测现象不能用人类现有的知识体系加以解释,我们该何去何从?标准答案是:我们需要修正科学理论以解释那些新的事实。毕竟,科学才是精确认识事物的唯一利器。所有的科学结论,即便是那些最受人们欢迎的,最终都将接受事实的检验。在人们对科学方法的常见描述中,任何有悖于实证结果的理论都是站不住脚的,人们需要建立新的理论来解释这些实证结果。

但是人们难以改变已经根深蒂固的理论观念,牛顿理论便是典型的例子。数十年里,传统的引力理论如此强大,以至于观测者们冒着视网膜被烧穿的危险、前仆后继地在太阳附近寻找祝融星。并且,仅仅是水星轨道异常这样与流行科学图景相反的事实,还不足以撼动牛顿理论的大厦。纵观人们对祝融星的探索历史便能发现,如果不是在极度紧迫或者存在另一种“替补”理论的情况下,没有人会心甘情愿地放弃强大、优美,或者仅仅只是熟悉且实用的理论概念。

 

在一战爆发后,第二年11月的第三个星期四,爱因斯坦终结了祝融星的历史。为了提出这个全新的引力图景,爱因斯坦花费了近十年光阴。在新图景中,物质和能量告诉空间和时间如何弯曲,而空间和时间告诉物质和能量如何运动。在那个星期四下午,爱因斯坦向同事展示了他的证明:考虑相对论效应后,水星貌似“偏离”,实则遵循它的自然轨道。这个结果在经过一系列的数学推理后浮现出来,是客观事物服从于数学的完美结果。

在此背景下,祝融星成为广义相对论的第一个测试对象,它的命运决定了爱因斯坦的理论是否真正洞察了我们这个宇宙的某些运行方式。但要做到这一点,也就是通过古怪的广义相对论来预测祝融星的命运,需要大胆而又精细的推理:爱因斯坦奋斗了八年多才了结了这颗幽灵之星。这一部分故事充分展现了一个思考者需要具备多强的能力,才可以在前人的智慧之上独自做出伟大的发现。

通常,爱因斯坦是一个相当冷静的人,但在这一件事上,他极为激动。他告诉朋友,当完成水星轨道计算、看到正确的数字出现在一长串单纯的推理之后,发现自己的方程轻而易举地就解决了水星的运动问题时,他整个人仿佛被击中了。他感到心跳加速:“好像有什么东西从身体里迸发出来。”


祝融星早已成为过去,几乎完全被今人遗忘。从今天看来,那可能只是科学界的花边新闻,是我们的先辈犯过的又一个错误,而我们现在对它有了更深的理解。但对于如何面对科学中的失败这一问题,在科学革命甫一开始便很棘手,至今依然如此。我们或许,也的确比古人知道得更多,但并不能因此就免于落入思维的窠臼和想象的瓶颈,也不能避免前人的错误。人类具有发现和自我欺骗的双重能力,祝融星的故事就是这样的一个例子。它提供了一个机会,告诉我们认识真实的自然界有多么不容易,改变固有的观念是多么困难。

摒弃经验,拥抱新知。当我们这样做的时候,这便是一个越发有趣的传奇。


出版后记

今年7月初发生的智利日全食,对天文学界而言是一场盛宴。再往前回看2017年,横跨整个美国的超级日食更是吸引了全球各地的天文观测者前去观赏。当然,要是细数从古至今的著名日全食事件,1919529日的那一次绝对不容遗忘。

故事还要从牛顿开始讲起。在爱因斯坦之前,牛顿建立起了整个物理学的基础,人们选择运用牛顿万有引力定律解释宇宙的奥秘。特别是勒威耶运用牛顿定律在“笔尖上”发现了海王星,更证实了这个伟大定律的正确性。水星轨道的异常问题困扰了天文学家多年,勒威耶沿用发现海王星的办法,提出水星轨道内还存在一颗未知的行星—祝融星,于是,人们开始了漫长的猎星之旅。然而这一次,牛顿定律似乎“失效”了。

直到1915年,爱因斯坦提出广义相对论,并首先将其应用于解决水星近日点异常进动。他从计算中可以确认,祝融星并不存在,这个困扰人们多年的问题至此才终于得到解决。而1919年的那次日全食,是广义相对论第一次经过实验得到验证。爱因斯坦曾经说过:“想象力比知识更重要。”在他卓绝的想象力之下,现代物理学的大门就此开启。

本书作者讲述了这段几近为众人所遗忘,却又承上启下的历史。这其中既有对科学家生活和性情的趣味描述,又有对科学工作所涉及的知识的通俗解读,使读者毫不费力地理解引力、时空弯曲和相对论的缘起。此外,我们还能从本书中看到科学工作是如何开展的,以及科学家如何思考问题并解决问题。相对论(包括狭义相对论和广义相对论)已诞生逾百年。科学家于2016年直接探测到引力波,又于今年揭晓黑洞的首张照片,这些发现都确证了广义相对论的预言。大胆质疑、打破传统、勇于想象,这永远是科学不断前进的动力。古往今来,总是有先行者不囿于窠臼,而科学就在这些勇士的脚下不断进步。

 

服务热线:133-6631-2326  188-1142-1266

服务信箱:reader@hinabook.com

后浪出版公司

20198

正文赏读

1

牢不可破的世界秩序

16848月,剑桥

埃德蒙·哈雷(Edmond Halley)刚刚经历了一个悲伤而又焦躁的春天。3月,他的父亲失踪了。在斯图亚特王朝统治的最后几年中,政局混乱,这算不上多么稀奇的事。哈雷的父亲在五个星期之后被发现,当时已经死亡,也没有留下任何遗言。在接下来的几个月里,年轻的哈雷不得不处理麻烦的后事:教区牧师欠他父亲12英镑;作为房地产交易费用的一部分,每年要付给一位女士3英镑;还要收租、安抚托管人。这些痛苦的差事几乎耗费了哈雷整个夏天。最后,他还必须跑到剑桥镇,当面处理一些在伦敦理不清的细节。

这趟旅行起初没有什么快乐可言,但交代清楚那些法律事务之后,意想不到的好运找上了他。早在1月,哈雷遭遇这些变故之前,他巧妙地对天体进行了分析,计算表明,驱使行星围绕太阳运行的作用力满足这样一种性质:力的大小与它们到太阳的距离的平方成反比。但紧接着问题就来了,这个被称为平方反比定律的数学表达,可以解释我们观测到的所有行星的运动轨道吗?

这看起来只是个技术问题,但欧洲最聪明的头脑意识到,它将带来一场变革。平方反比定律的确成了科学革命的高潮,在那场漫长的斗争中,数学取代拉丁语成为科学的语言。1684114日,哈雷和两位老友在一次皇家学会会议之后聊了起来。这两位分别是博学的罗伯特·胡克(Robert Hooke)和皇家学会前任主席克里斯托弗·雷恩(Christopher Wren)爵士。当他们把话题转到天文学的时候,胡克宣称他已经得出了指导宇宙万物运动的平方反比定律。雷恩不相信他,因此用一本在今天价值300美元的书作为赌注:哈雷和胡克之中,如果谁能在两个月之内给出这一定律的严格证明,谁就能得到这本书。哈雷很快就承认无法做到,而胡克尽管虚张声势,却也没能在雷恩的截止日期之前提供书面的证明。

事情就卡在了这里,直到哈雷与亲属一起料理完父亲的后事。当时,哈雷就在伦敦东边的剑桥为什么不顺路去剑桥大学呢?在那里至少可以享受一下午讨论自然哲学的乐趣,缓解之前的悲伤与烦躁。哈雷走入圣三一学院,大门的左侧是学院广场,右侧的楼梯把哈雷领到一个房间。在这里面的,正是卢卡斯数学教授艾萨克·牛顿。

对牛顿的大部分同时代人来说,1684年的夏天是一个谜。伦敦的自然哲学家们往往视牛顿为智慧非凡的圣人,但哈雷是牛顿为数不多的熟识的人,更是他寥寥无几的朋友之一。关于牛顿工作的公开记录非常稀有。他的名望基于少数几个杰出的研究结果,这些成果大部分都体现在17世纪70年代初他写给皇家学会秘书的信件中。牛顿暴躁、骄傲,动辄就生气,还记仇。早年间,他与胡克的纠纷让他不愿意再冒险进行烦人的公开辩论;往后的10年间,他的大部分研究成果都没有公开。因此,正如为他立传的传记作家理查德·韦斯特福尔(Richard Westfall)所言,如果牛顿死于1684年的春天,那他为人们所记住的将是他非凡的天赋和古怪的性格,仅此而已。但那些到三一学院巨庭(Great Court)东北角房间访问的人却会发现,这里有一颗热情的、整个欧洲都无人能与之匹敌的头脑。

很久之后,牛顿同另一位朋友提到那个夏天哈雷到访的故事。如果老年牛顿的记忆还不错的话,他当时和哈雷寒暄了好一阵。但最终,哈雷抛出了从1月开始就困扰自己的问题:平方反比会产生什么结果?“假设行星指向太阳的引力与它到太阳的距离的平方成反比”,那么行星的轨道曲线会是什么形状?

椭圆。”牛顿立即回答道。

哈雷“简直呆住了”,他问牛顿为何如此确定。

我计算过。”牛顿回答道。当哈雷要求看一看手稿的时候,牛顿在自己的笔记中翻找起来。但那一天,牛顿表示他没能找到那份笔记。他答应找到之后马上把结果寄给在伦敦的哈雷。几乎可以肯定的是,牛顿当时有所隐瞒。相关的计算后来在他的论文里被发现。当哈雷急切地在房间里等待的时候,牛顿其实可能已经意识到,他原来的设想有错误。

没关系。牛顿重新进行了计算,并且加紧努力。11月,他将满满9页的数学推导寄给了哈雷,标题是《论物体在轨道上的运动》(De motu corporum in gyrum)。这篇论文证明了人们后来熟知的“牛顿万有引力定律”(平方反比关系)。该定律要求,在特定的情况下,天体围绕另一天体运动的轨迹必须是椭圆,太阳系中行星的轨道就是这样。此外,牛顿还进一步地勾画了一般的运动学雏形:一组定律横空出世,它们描述了宇宙万物的运动行为——何时、何地、如何运动。

 


电话咨询
邮件咨询