【原】三位物理巨擘打造的廣義相對論百科全書，成就了一部教科書傳奇 | 展卷

返樸 2025-11-30 發(fā)布于北京

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1973年，由J. A. Wheeler（惠勒）、K. S. Thorne（索恩）和C.W. Misner（邁斯納）三位物理學巨擘撰寫的《引力》一經出版，旋即成為備受矚目的探索愛因斯坦廣義相對論的殿堂級著作。此書問世50余年來長銷不衰，滋養(yǎng)了幾代物理學者，被譽為“引力領域的圣經”“廣義相對論領域的《費曼物理學講義》”。

中科院學者、書評人李泳先生援引本書2017年版的序言介紹說，50多年前，作者惠勒教授深感相對論教科書太陳舊，計劃寫一本以物理學家的“物理的、視覺化的和直觀的語言”來呈現(xiàn)相對論的新書。他本想寫得質樸、真實而不夸飾，結果卻背離初心，成就了一個教科書傳奇，贏得很多綽號，如電話簿（開本大且頁碼多）、大黑書（外觀莊重）、引力圣經（內容經典）等等。

這本擁有巨大影響力的著作，無論是相對論的核心框架、微分幾何的現(xiàn)代工具，還是脈沖星、類星體等天體現(xiàn)象的應用解析，皆以大師視角娓娓道來，堪稱理論物理與天體物理領域的“終極指南”，其簡體中文版歷經多年，終于近日面世。

《引力》（湖南科學技術出版社，2025年11月）

撰文 | 趙崢（北京師范大學物理與天文學院）

湖南科技出版社剛剛出版了《引力》（《Gravitation》）一書的簡體中文版。

此書作者的原意是寫一本完備的廣義相對論（他們稱其為“幾何動力學”）教材，然而成書后的宏大規(guī)模，使其成為了廣義相對論領域的一部百科全書。這部書的三位作者是世界頂級的三位相對論專家。

此書的內容涵蓋了相對論的全部數(shù)學基礎和物理內容，介紹了廣義相對論研究的所有重要前沿，在理論物理和天體物理界有著廣泛而深遠的影響。

作者中的惠勒教授（J. A. Wheeler）是20世紀中葉相對論和理論物理界公認的領軍人物。索恩教授（K. S. Thorne）和米斯納教授（C.W. Misner）則在廣義相對論、黑洞物理、宇宙學和引力波等領域有大量研究成果。例如米斯納發(fā)現(xiàn)了黑洞的超輻射，索恩對引力波和時空隧道作了深入的探討。特別要提到的是，索恩于2017年，由于對直接觀測到引力波的貢獻，和另外兩位學者一起，榮獲了諾貝爾物理獎。

上世紀80年代，筆者曾在北京大學的一間教室里，聽過惠勒教授的報告，并在1984年與米斯納教授有過短暫的通信交往。彼時在出國學習潮的鼓動下，我曾把自己的幾篇研究黑洞輻射的論文寄給米斯納教授，詢問能否得到他的資助，去他那里進修。他很快回信，問我是想讀博士，還是做博士后。不久又來信說，由于我沒有博士學位，不能做博士后。如果我愿意去讀博士，他可以立刻給我資助。我想，如果讀博士，先要通過博士資格考試，然后再作畢業(yè)論文，大概至少需要三、四年時間。自己的孩子還小，長期兩地生活困難會很大。當時我還不知道家屬可以隨同前往，于是謝絕了他給的學習機會?；叵肫饋?，這是我人生中最大的失誤。他們那里是世界廣義相對論研究的一個中心，而且他們的工作和我的研究領域高度相符。去那里，很可能會有大展宏圖的機會?？上翌^腦糊涂，錯失了這次難得的良機。

這部書先簡要介紹了平直時空中的狹義相對論及其所用的基本概念和數(shù)學工具，以及狹義相對論在其他物理分支中的應用，然后用主要篇幅介紹描述彎曲時空中動力學的廣義相對論。

作者先介紹了描述彎曲時空的數(shù)學工具，微分幾何與張量分析。例如時空度規(guī)、聯(lián)絡、時空曲率、測地線、畢安基恒等式等。而且同時用古典微分幾何和現(xiàn)代的整體微分幾何作了介紹，以便讀者容易理解和掌握。然后介紹廣義相對論的物理基礎——等效原理，核心公式——愛因斯坦場方程。指出廣義相對論的全部內容可以歸結為：“物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動。”

在介紹了廣義相對論在熱力學、電動力學等經典物理分支中的應用之后，用大量篇幅介紹了相對論星體、宇宙演化和引力波等內容。

作者先介紹了愛因斯坦場方程的第一個嚴格解（史瓦西解）所描述的靜態(tài)球對稱星體，當外部是真空時的時空彎曲情況，簡述了恒星演化中必須用廣義相對論取代牛頓力學才能正確描述的中子星（脈沖星）、超新星爆發(fā)、類星體及超大質量星體。然后用廣義相對論描述了宇宙的產生和演化，以及宇宙中星系的形成和演化。

這部書詳細介紹了引力塌縮與黑洞的形成。不僅講解了史瓦西黑洞視界內外的特點、視界本身的性質，而且介紹了用解析延拓得到的克魯斯卡時空。進而講解了轉動、帶電的克爾——紐曼黑洞，以及如何從這類黑洞中提取能量。書中比較詳細地介紹了彭羅斯和霍金對黑洞和宇宙學的研究?；?/span>金得到的黑洞面積定理和黑洞熱輻射揭示出彎曲時空和熱力學之間可能存在重要的實質聯(lián)系。同時介紹了彭羅斯最先提出，然后他與霍金一起共同研究的奇點定理。這一定理的不可思議之處在于，它似乎表明時間一定有開始和結束。時間有沒有開始和結束，自古以來只有極少數(shù)人談論，而且都是些不食人間煙火的哲學家和神學家?，F(xiàn)在居然有物理學家對此發(fā)表看法，說在合理的物理條件下，時間一定有開始和結束。簡直太神奇了，筆者曾花了大量時間思考、探索這一問題。

然后，作者又詳細討論了引力波產生、傳播的機制和可能的檢測手段。

應該說明，本書用大量篇幅討論的廣義相對論的三個重要研究領域，引力波、宇宙學和黑洞物理，恰在最近幾年中連續(xù)獲得了諾貝爾物理獎。其中引力波的直接探測獲得了2017年的諾貝爾獎，物理宇宙學獲得了2019年的諾貝爾獎，黑洞物理及其觀測獲得了2020年的諾貝爾獎。黑洞物理研究獲獎的是彭羅斯，沒有霍金。因為霍金已去世，諾貝爾獎只發(fā)給活人不發(fā)給死人，所以霍金與諾貝爾獎擦肩而過。這是霍金的遺憾，也是諾貝爾獎的遺憾。不過，有人猜測，諾貝爾獎評委會原本就不想給霍金頒獎，因為他批評過諾貝爾獎的評審。認為諾獎評委會對于脈沖星的發(fā)現(xiàn)頒獎不公，只給了老師休伊士，沒有同時頒給對這一發(fā)現(xiàn)作出實質量性貢獻的學生貝爾。據說諾獎評委會有一個傳統(tǒng)：不給批評過自己的人授獎。

最后，這本書介紹了進一步檢驗廣義相對論的一些實驗，例如檢驗等效原理，檢驗引力場中光線和雷達波的偏折效應，檢驗引力紅移效應，以及檢驗萬有引力常數(shù)G是否是一個嚴格的常數(shù)等等。

在這本書的末尾，附有詳細的內容索引和文獻資料，以供讀者參閱。

值得一提的是，這本書的最前面附有一張照片，照片中的圖象是著名的蟹狀星云，以及中國《宋史》中的一段文字：“（客星）至和元年五月已丑出天關東南可數(shù)寸歲余稍沒”?！翱托恰?/span>就是超新星，“至和元年”即公元前1054年，這是人類歷史上有明確記錄的第一顆超新星。后來發(fā)現(xiàn)，蟹狀星云的中心有一顆小暗星。研究表明，蟹狀星云由氣體和塵埃組成，至今仍在以1100公里/秒的速度膨脹。倒推回去，它恰是從1054年由小暗星處開始爆發(fā)的。所以，可以斷定，蟹狀星云是那次超新星爆發(fā)的產物，中心的小暗星則是超新星爆發(fā)后的殘骸。特別重要的是，后來又進一步發(fā)現(xiàn)，這顆小星是一顆脈沖星，也就是中子星。這一發(fā)現(xiàn)，支持了中子星由超新星爆發(fā)而形成的理論。這是中華民族對天體物理和廣義相對論研究作出的一個重要貢獻。

本書譯者李新洲教授是我的朋友，他在廣義相對論和量子物理方面做過很多研究，后來又花費極大精力翻譯此書，為廣義相對論在中國的傳播作出了重要貢獻。可惜他英年早逝，未能看到此書的出版。筆者在此對他表示深切的敬意。

湖南科技出版社對廣義相對論和理論物理在中國的傳播和科普作出過很多貢獻。在他們出版的全國聞名的第一推動叢書中，就包含了霍金的《時間簡史》、《果殼中的宇宙》，彭羅斯的《皇帝新腦》，以及他們二人合寫的《時空本性》。還有索恩的《黑洞與時間彎曲》，以及其他很多優(yōu)秀的科普讀物。

這次，他們又出版了《引力》一書的中文版。相信這部介紹廣義相對論的百科全書，必將進一步促進中國的理論物理和天體物理的傳播和研究。

筆者想順便提一下發(fā)生在2008年的一件往事。當時為了慶祝劉遼教授80大壽，我們準備為曾經錯劃為右派，后來仍不屈不撓為中國的廣義相對論研究和傳播作出過重要貢獻的劉遼先生出版一本科研文集。然而，我們聯(lián)系了幾個出版社，均要收取不菲的出版費，使我們遇到很大困難。湖南科技出版社的孫桂均女士在得知此事后，把這一情況反映到他們出版社。湖南科技出版社決定盡力支持《劉遼文集》的出版，幫了我們很大的忙。筆者在此對他們再次表示深切感謝。

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