前言 / 1

部分 入門 / 1

第1章 穿越黑洞的旅行 / 2

第二部分 愛因斯坦的狹義相對論 / 23

第2章 和光賽跑 / 24

第3章 重新定義空間和時間 / 41

第4章 一個新常識 / 61

第三部分 愛因斯坦的廣義相對論 / 79

第5章 牛頓的荒謬 / 80

第6章 重新定義引力 / 100

第四部分 相對論的應用 / 127

第7章 黑洞 / 128

第8章 膨脹的宇宙 / 154

結語 你在宇宙中不可磨滅的印跡 / 170

致謝 / 173

譯後記 / 175

次真正接觸到愛因斯坦的相對論是在大學一年級的一堂課中。和其他人一樣，我印像中相對論應該會很難，但聽了教授的講授之後，通過自習，我很快意識到相對論並沒有想像的那麼復雜。至少一旦掌握了相對論，它並沒有使事情變得更復雜，反而讓一切看起來更加簡單。這似乎也很重要 — —我意識到在學習相對論之前誤解了時間和空間的本質。因為我們一生都生活在地球上，在時間裡穿梭行走，所以這與我們在早期教育中所獲得的常識有差距。

一年來，我為初中生和小學生講授了一些相對論的知識，並特意為那些對太空以及科學感興趣的小孩開辦暑期班教相應的課程。我真的非常驚訝他們中那麼多人可以很快抓住其中的關鍵思想。 他們對相對論概念的快速掌握使我發現了一個普遍的現像：對於相對論的知識，大多數成年人心中都擁有著根深蒂固的時間和空間的觀念，相對論似乎與他們的傳統觀念背道而馳。對於那些還沒有持特別的“偏見”想法的孩子，相對論似乎並不那麼奇怪，他們比成人更容易接受這個理論。

幾年之後， 我開始在大學講授天文學入門課程， 相對論成為我教學中不可或缺的一部分，我把當年從教孩子們那裡得到的經驗和方法，運用在課堂中非常奏效。我專注於幫助學生們改變他們對時間和空間的錯誤觀念。這種方法的另一個優點是不需要太多的數學計算，就可以學習相對論。年復一年的教學測評中，每當我問及學生們喜歡哪門課程時，他們都說相對論占據位。我問他們為什麼如此喜歡相對論時，他們常回答的原因是：（1）他們感謝相對論以一種全新且意想不到的方式打開了他們的思維；（2）他們一直認為相對論是一個超出他們理解範圍的理論，因而當發現自己實際上可以理解相對論時心裡非常高興。

多年以來，我一直都在教授天文學的課堂中強調相對論的重要性，並繼續完善我的教學方法。當我的三位朋友馬克·沃伊特 （Mark Voit）、梅根·多納休（Megan Donahue）、尼克·施耐德（Nick Schneider）和我簽署了一份編寫天文學入門教科書的合同後，我們在書中添加了整整兩章的相對論內容。盡管調查顯示很少有教師花費大量時間在天文學課程中為那些非科學專業學生講授關於相對論的知識，但是至少一些事實表明我們加入的這些章節啟發了更多教師在授課中加入這個話題。

這就是本書的目標。希望本書可以幫助讀者了解相對論的基本知識，也希望可以與我之前的學生以及讀者分享我編寫的課本。你會發現這門學科比你想像的更容易理解，也更神奇。同時，我希望你能意識到，相對論對我們非常重要，因為相對論可以讓我們作為廣袤宇宙中生存的人類，更好地認識自己 。時值愛因斯坦發表《廣義相對論》100周年紀念日，我覺得是時候將相對論從晦澀的科學領域中解脫出來，把它引入公眾意識領域。如果這本書有助於實現這一目標，那麼我就感到真正意義上的成功。

傑弗裡·貝內特

於科羅拉多州博爾德

《什麼是相對論》是一本寫得很棒的、可讀性很強的書，是一本介紹狹義和廣義相對論的好書。傑弗裡·貝內特極力避免誇誇其談或“奇觀化”，堅持實事求是，並以清晰易懂且令人信服的方式來呈現它們。

 阿爾貝托·尼克裡斯（哥倫比亞大學）

自從十多年前《宇宙視角》問世以來，我一直在使用傑弗裡·貝內特和他的同事們共同撰寫的這本教科書，很大程度上是因為書中涉及相對論的章節非常出彩。現在能有一本專門講相對論的書真是太棒了!這本書圖文並茂，語言通俗易懂，非常有思想深度地總結了為什麼相對論對構建我們個人關於空間和時間的科學觀是如此的重要。

大衛·J. 赫範德（美國天文學會主席，加拿大奎斯特大學校長）

我讀過很多有關相對論的書籍，但沒有一本和這本書一樣通俗易懂、引人入勝。對於那些想掌握非直觀的狹義和廣義相對論的基本思想的人來說，傑弗裡·貝內特的這本書是個不錯的選擇。這本書簡單明白、生動有趣。

賽斯·肖斯塔克（“搜尋地外文明計劃”研究所高級天文學家）

貝內特這本書有趣地向讀者展示了什麼是相對論以及相對論揭示出了我們宇宙的哪些本質。

 《出版人周刊》

這是讓人刻骨銘心的對劃時代科學的提煉。

 《書目》

這本書對每一個有頭腦的外行人應該知道的關於時間和空間的內容進行了清晰明了的解釋。

《科克斯書評》

也許這是對愛因斯坦的崇高敬意，因為他對整個科學，尤其是對物理學做出了如此開創性的貢獻。

《Brain Drain》

這是對愛因斯坦思想的精彩介紹，簡單易懂，令人印像深刻。

《精選》

想像一下，有一天太陽神奇地坍縮，雖然保留了原來的質量，但體積卻縮小了很多，成為了一個黑洞，它對地球和其他星球會產生怎樣的影響呢？如果問一下每個人這個問題，包括小學生們，他們都會自信地回答，行星會被“吸進去”。

現在我們做一個設想，假設你是一位未來的星際旅行者。如果你突然發現一個黑洞潛伏在你的左邊，你該怎麼做？問一問你周圍的人，他們都會告訴你要趕快發動引擎，離開那裡，這樣你就能避免被吸進去而徹底消失。

可是我要告訴你一個小秘密，這個秘密對理解相對論來說非常重要：黑洞不會吞噬物體。但如果太陽變成了一個黑洞，地球就會變得非常寒冷和黑暗。然而，如果我們假設這個黑洞的質和太陽的質量一樣大，地球的軌道幾乎不會受到任何的影響。

假設你是一位未來的星際旅行者……首先，你不會在飛船左方突然發現一個黑洞。在旅行前，我們會在地球上以各種方式提前找到黑洞的位置，如果有一天我們真的可以進行星際旅行，就一定會提前在地圖上標記好黑洞的位置。假設萬一在你的地圖上真的沒有標明這個黑洞的位置，那麼當你逐步接近黑洞時，它對你飛船的引力會不斷增加，所以它不會突然出現在你的身邊。其次，除非你剛好直接朝著黑洞飛過去，否則，黑洞的引力會讓你繞著黑洞旋轉，就和我們發射宇宙飛船（如旅行者號和新視野號）去外太陽繫旅行時飛掠過木星一樣。

我知道這可能讓一些人感到非常失望，就像我上中學的女兒和我說的那樣，如果黑洞可以把周圍的東西吞噬進去的話，是一件非常酷的事情 。我隻能在一定程度上來安撫她，“表現得很酷”和“可以吞噬東西”是兩回事。那麼，你可能會想，如果黑洞不能吞噬東西的話，它們會做什麼？

答案有兩個部分，一個看起來平淡無奇，另一個卻令人感到不可思議以至於你再也不會將它誤解為宇宙吸塵器了。它之所以讓我們感到平淡無奇是因為如果我們可以從遠處觀察黑洞的話，黑洞的引力與太空中的其他任何物體的引力沒有什麼不同。這就是為什麼當太陽變成黑洞的時候，不會影響地球的運行軌道，也是為什麼宇宙飛船可以像繞著木星旋轉一樣繞著黑洞旋轉。但當你開始接近黑洞的時候，就可以看出為什麼黑洞讓人感到不可思議了。在那裡，你可以看到時間和空間被戲劇性地扭曲，這也隻能從愛因斯坦的相對論中找到解釋。

現在我們找到了問題的關鍵所在，我寫這本關於相對論的書，是從討論黑洞開始的，雖然幾乎每個人都聽說過黑洞，但隻有你明白愛因斯坦提出的基本觀點之後，纔能了解什麼是真正的黑洞。這本書的一個目的就是幫助你理解黑洞是什麼。與此同時，還有第二個重要的目的。

在學習相對論的過程中，你會發現日常生活中，關於時間和空間的概念，並不能準確地反映宇宙現實。終，你會意識到你是在一種充斥著錯誤常識的環境中長大的，這不能怪你。更確切地說，隻有在情況下，時間和空間的本質纔能更確切地顯示出來，而我們不可能經歷這種的情況。因而，這本書的真正目的是幫你區別現實和伴隨你成長的科幻小說之間的不同。在此過程中，需要考慮時間和空間的深刻含義，愛因斯坦是個了解這個事實的人。

首先，讓我們進行一場想像中的黑洞之旅。這次旅行，將讓你有機會體驗在愛因斯坦思想顯著影響下出現的兩種情況：在接近光速的速度下和在黑洞附近的引力下。現在，我們思考一下你旅行中會遇到什麼事情。先不解釋其中的原因，在之後的章節中，我們再去解釋。

選擇一個黑洞

如果你要參觀一個黑洞，步需要找到這個黑洞。可能你會認為這是一件很難的工作，因為“黑洞”這個術語，意味著是在黑暗的太空中看不到的東西。這是有一定道理的。根據定義，任何光都逃逸不出黑洞，也就是說黑洞確實是肉眼看不到的黑色。不過，據我們所知，所有的黑洞質量都相當大，至少是太陽質量的幾倍，有時，甚至會更大。因此，原則上可以通過它們對周圍環境的引力影響來探測它們。

有兩種基本的方式可以揭示黑洞的引力的影響。首先，可以通過受其引力影響的可見伴星的繞行軌跡來推測黑洞的存在。 舉個例子，假如你觀察到一顆恆星很明顯地圍繞著另一個大質量物體旋轉，而這個物體卻不像恆星會發光。根據可以用來解釋恆星運轉軌道的理論，這個物體很有可能就是黑洞。

其次，黑洞的存在也可以通過其周圍氣體散發出來的光來揭示。盡管我們常常認為太空完全是處於真空狀態的，但並不是這樣的。即使是在星際空間的深處，你依然可以發現一些遊離的原子。你在天文照片中看到的美麗的星雲，實際上是巨大的氣體雲。黑洞周圍的任何氣體終都會繞著黑洞旋轉。因為黑洞體積小，質量大，離它近的氣體，必定以很高的速度繞著黑洞旋轉。高速移動的氣體往往具有很高的溫度，而高溫氣體會發出高能量的光，如紫外線和X射線。因此，如果你看到一個致密的物體周圍發射著X射線，那麼這個物體很可能是黑洞。你可以在著名的天鵝座X-1黑洞的例子中，看到這兩種方法是如何協同工作的。該黑洞之所以得名，是因為它位於天鵝座，是強X射線的發射源。天鵝座X-1是一個雙星繫統，也就是兩個大質量物體互相環繞。大多數雙星繫統都有兩顆恆星互相環繞，但在天鵝座X-1星繫中，隻能看到一

顆恆星。這顆恆星的軌道告訴我們，第二個物體一定比太陽的質量重15倍，但無論采用任何方式都無法直接發現它。

此外，這顆可見恆星的溫度還不足以產生我們在該繫統中觀察到的X射線，因而X射線一定來自第二個物體周圍的高溫氣體。我們現在掌握了尋找黑洞的兩條重要的線索。一顆恆星繞著一個巨大的但看不見的物體運行，以及這個物體周圍發射著X射線。 這兩個特征表明看不到的物體很小，周圍有非常熱的氣體圍繞它運行。當然，在我們得出看不見的物體是黑洞這一結論之前，必須排除它是小而重的其他類型物體的可能性。我們將在第7章討論如何做到這一點，但目前的證據強烈表明天鵝座X-1確實包含一個黑洞。

現在我們已經知道許多類似的繫統，結合我們對恆星生命的了解，我們知道大多數黑洞是大質量恆星（質量至少是太陽質量的10倍左右）死亡後的殘骸，這意味著它們已經耗盡了在“活”恆星時期保持它們發光所需的燃料。以我們目前的技術，我們隻能識別那些與天鵝座X-1中的黑洞一樣，在雙星繫統中與仍然存活的恆星一起運行的黑洞。其他黑洞，包括那些曾經是單一恆星的黑洞和雙星繫統中兩顆恆星均早已死亡而形成的黑洞，更加難以探測到，因為沒有存活的恆星的軌道可以被我們探測到。另一方面這些黑洞周圍的氣體稀少，很難形成人類可探測的X射線。這些黑洞的數量肯定比我們目前所能探測到的要多得多。我們做出這樣的假設，在你們準備好穿越黑洞的旅行之後，就可以找到更多黑洞。

除了由單個恆星死亡之後的殘骸形成黑洞，還有另一類更為壯觀的位於星繫中心的超大質量黑洞（在某種情況下，這種黑洞位於稠密的星團中心）。這些黑洞的起源至今仍然是一個謎，然而它們龐大的質量相對來說更容易辨認。比如， 在我們銀河繫的中心，我們觀察到恆星圍繞著一個中心物體以非常高的速度運行，中心物體質量是太陽質量的400萬倍，然而其直徑並不比我們太陽繫的直徑大多少。隻有黑洞纔可以解釋為何這麼小的空間裡可以容納這麼大的質量。其他大多數星繫中心似乎也有超大質量的黑洞。在的情況下，這些黑洞的質量是太陽質量的數十億倍。

有了這些黑洞位置的基本情況，我們準備為你的旅行選擇一個目標。原則上，我們可以選擇任何黑洞，但如果我們選擇距離較近、周圍沒有太多氣體干擾的黑洞來開展我們的實驗，你的旅程將會更順利。雖然，我們無法確定這樣的黑洞是否存在，但從統計學上來講，它很有可能存在於距離地球25光年的範圍內。因而，我們發揮一下我們的想像力，來一次距離地球25光年遠的旅行。