从夸克到宇宙：理论物理的世界 中国科学院理论物理研究所 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030572387

商品编码：28537386979

包装：平装

开本：16

出版时间：2018-05-01

页数：349

字数：325000

商品参数

从夸克到宇宙：理论物理的世界
	曾用价	98.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2018年05月
	开本	16
	作者	无
	装帧	平装
	页数	349
	字数	325000
	ISBN编码	9787030572387

内容介绍
理论物理学是研究物质、能量、时间和空间以及它们的相互作用和运动规律的科学，它揭示的是自然界中所有物理现象的本质。理论物理的研究对象小到物质的基本组分夸克，大到整个宇宙，研究对象极其丰富。理论物理学经过20世纪的蓬勃发展后，现在仍有大量的重要问题亟待回答，如暗物质的性质、暗能量的本质、粒子物理标准模型的完备性以及是否存在超*标准模型的新物理、爱因斯坦的广义相对论是否是引力理论的终*理论、大统一理论是否存在、宇宙的起源、量子力学的诠释、黑洞的本质以及引力的量子化和时空的起源等。另外，理论物理在其他学科领域具有广阔的应用，如生物体系、社会复杂系统、能源问题等。本书收集了中国科学院理论物理研究所科研人员近年来撰写或者翻译的，涉及上述课题的一些优秀科普文章。

目录
目录
黑洞的本质 蔡荣根 曹利明 001
来自宇宙的微弱声音——2017年度诺贝尔物理学奖成果简析 郭宗宽 黄庆国 021
谈谈统计物理学的对象和方法 郝柏林 031
物理学和生物学 郝柏林 045
世界是必然的还是偶然的——混沌现象的启示 郝柏林 073
弦论编织的多重宇宙 拉斐尔·布索(Raphael Bousso)，约瑟夫·波尔金斯基(Joseph Polchinski) 何颂 译 089
向前辈学者和各位学者学习科学研究方法 何祚麻 106
宇宙如何起源？ 黄庆国 朴云松 112
理性的胜利——从上帝粒子到引力波 李淼 131
从液晶显示到液晶生物膜理论：软凝聚态物理在交叉学科发展中的创新机遇 欧阳钟灿 135
DNA单分子弹性理论 欧阳钟灿 149
物理：从IT到ET 欧阳钟灿 周善贵 157
量子力学诠释问题 孙昌璞 172
量子纠缠创造了虫洞？ 胡安·马尔达西纳(Juan Maldacena) 王少江 译 蔡荣根 校 205
探索自然、揭示奥秘——极小夸克与极大宇宙的内在联系 吴岳良 214
爱因斯坦的未竟之梦：物理规律的大统一 杨金民 王飞 237
希格斯粒子之理论浅析 杨金民 248
相变和临界现象 于渌 郝柏林 264
暴涨宇宙学的研究与进展 朴云松 张元仲 301
超级“Z-玻色子工厂”——高能物理实验研究的特种正负电子对撞机 张肇西 313
超重元素和超重稳定岛 赵恩广 323
原子核的电荷与质量极限探索 周善贵 326
如何让爱因斯坦走进大众（代后记） 方晓 庄辞 王延颈 343
彩图 350

在线试读
黑洞的本质
　　蔡荣根 曹利明
　　1 经典黑洞的本质
　　1.1 什么是黑洞?
　　粗略地说，“黑洞是时空中连光都逃逸不出的区域”。这是一个朴素但又非常不平凡的关于黑洞的描述方式。真正地理解这一描述是一件不容易的事，原因在于人们对于时空概念理解的不同，或者对连光都逃逸不出这一过程界定的不同。这里我们愿意从历史发展的眼光来看待这个问题。
　　在介绍黑洞这个概念时，很多人愿意提及如何在牛顿力学的框架下理解一个黑洞。这种想法可以追溯到18世纪的英国牧师兼自然哲学家米歇尔(Mitchell)。1783年，米歇尔在写给卡文迪许(Cavendish)的一封信中提出了暗星的概念(图1)。这封信中的内容于1784年在英国皇家学会发表。同时代的法国著名学者拉普拉斯(Laplace)于1796年也独立地提出暗星的想法，且将这个想法写到了其著作Exposition du Système du Monde的第*和第二版中，并于1798年给出了一个光逃逸不出的证明。拉普拉斯的工作被霍金(Hawking)和埃利斯(Ellis)翻译成英文，并放在他们1973年所著的The Large Scale Structure of Space-time一书的附录中，因此广为人知。1979年，剑桥大学的引力物理学家杰彭斯(Gibbons)在New Scientist杂志中的一文指出了米歇尔的工作。自那时起，米歇尔的贡献才被人们广泛知悉。
　　图1 米歇尔写给卡文迪许的信中关于暗星的部分
　　拉普拉斯关于暗星的讨论基于牛顿引力理论和光的粒子学说：如果星体表面光子的动能小于它的引力势能，光子便不能够逃逸到无限远处。由此可以很容易得到质量为M的星体成为暗星时的*大半径为R=2GM/c2，其中c是光速，G是牛顿常数。这就是所谓的暗星，也是迄今为止人们能够发现的人类关于黑洞*早的一个认识。需要指出的是：这个半径恰好是爱因斯坦广义相对论中所预言的施瓦西黑洞的施瓦西半径。但这只是一个巧合。事实上，在同时代的学者看来，拉普拉斯等人的讨论存在着明显的漏洞，即需假定光速不依赖于参考系。但这和牛顿力学中任何物体的速度(包括光速)是一个相对的量相冲突。在牛顿力学框架下，总有一些物理过程(例如星体表面附近速度很大的电子发射光)使得光子的速度超过c，并可以逃逸到无限远处天文学家的望远镜(图2)。在牛顿力学的框架下，物理信号可以以无限大的速度运行，因此牛顿理论所在的时空中不存在信息逃逸不出的区域，即不存在真正黑洞的概念。当然我们现在知道光速不依赖于参考系是狭义相对论的一个基本假设。可见，若希望理解黑洞，相对论性的时空观是必要的。
　　图2 米歇尔和拉普拉斯的暗星。牛顿时空中不存在真正意义上黑洞的概念
　　在牛顿时代或更早，人们关于时空的认识是接近日常生活的。先知告诉我们：在这些时空中时间和空间是分离的(这是一种典型非动力学的，人为加入的“背景结构”)，每一个时刻都存在一个三维的空间。
　　时间和空间的分离意味着我们需要两套度量，分别来衡量时间的间隔和空间的间隔。牛顿引力理论就是建立在这样的时空之上，相应的引力场方程是一种典型的椭圆方程，即泊松方程。因此牛顿引力理论中没有引力波的概念。而引力相互作用是一种超距作用，物理信号的传播速度可以是无限大。虽然牛顿引力理论在物理上简单直观，但其数学结构是相对复杂的。除了需要引入两套退化的度规，人们还需要额外的联络结构。而且这种联络结构并不能由这两套度规确定。在相对论性时空中时间和空间没有先验地分离，而是融合在一起成为一个四维的对象。这意味着相对论性的时空只需要一个衡量“时空间隔”的度量，或者说只需要一个度规。更进一步地，很多情况下，用来描述时空弯曲程度的联络也由度规*一确定。因此相对论性时空中没有“人为的背景”，具有比牛顿引力理论更为简单的数学结构。任何物理信号都不能超光速，这一基本假设要求时空的每一点处都能够构造出一个光锥(图3)。换句话说，这个度规是洛伦兹的。这样，一个相对论性时空可以看成是一个二元组(M，g)，即一个四维流形M配上一个洛伦兹度规g。或者说一个相对论性时空就是一个洛伦兹流形。在物理上，相对论性时空上的引力理论更为自然。如广义相对论中的爱因斯坦场方程，通常可以写成一个非线性(拟线性)偏微分方程组，而且在一些特殊的坐标系（如谐和坐标）下具有双曲方程的特征。这意味着相对论性的引力理论具有传播自由度，存在引力波的概念。事实上，*近位于美国路易斯安那州和华盛顿州的激光干涉引力波天文台(LIGO)已经直接观测到了引力波的存在。这一引力波是由二个转动黑洞并合后产生的。在相对论性引力理论中，引力相互作用以有限的速度(如光速)传播，而不是超距作用。引力现象归结为时空的弯曲程度，这表明在一个相对论性的引力理论中度规也是动力学的，而不是简单地作为背景或舞台出现在物理理论中。度规即是背景又是动力学变量这一特征是相对论性理论的一个核心。可以说，相对论性引力理论(如广义相对论)中的一系列重要的结论和困难都和这一事实密切相关。
　　图3 相对论性时空上每一点处的矢量可以分为三类：类时、类光、和类空。类时矢量可以看作过该点的质点世界线在该点的切矢量，而类光矢量可以看成是过该点的光的世界线的切矢量，即光的4-波矢
　　比起牛顿或伽俐略时空，相对论性时空除了拥有类时和类空无限远，还拥有类光无限远的概念。形象地说，所谓的类光无限远可以理解成时空上光线能够延伸到的*远的“端点”的集合。通常来说，人们用来I+代表未来类光无限远。在闵氏时空上的任意一点发射的光都可以达到类光无限远。但是不是所有时空都有类似的性质呢？答案并不是。黑洞就是这样的时空，在这个时空中的一些区域发出的信号无法到达类光无限远。如果我们记时空为(M，g)，那么这样的区域可以记为
　　B=M-I-(I+)
　　这就是时空上的黑洞区。其中I-(I+)代表未来类光无限远I+的过去。简而言之，所谓的黑洞区就是时空上连光都逃逸不出的区域。需要强调的是：这里的时空是相对论性的时空，而光逃逸不出指的是光不能够到达未来类光无限远。黑洞区域的边界称为“黑洞事件视界”(event horizon)。因此人们常说：所谓的“黑洞事件视界是时空未来类光无限远过去的边界”。事件视界这个词*早由奥地利物理学家伦德勒(Rindler)于1956年在宇宙学的研究领域内引入。当然他研究的是所谓的观测者的事件视界，不同于我们这里的黑洞事件视界(图4)。1969年英国数学物理学家彭罗斯(Penrose)将这一概念发展成所谓的“绝对事件视界”，也就是我们这里的黑洞事件视界。当然黑洞事件视界也可以理解为一族逃逸到无限远处的观测者共有的事件视界。因此我们也可将黑洞区定义为MI－(R），其中R是上述的所有观测者所形成的集合。黑洞事件视界是时空中的类光超曲面(时空的3维子流形)，也就是说它的母线是类光曲线。
　　图4 (a)为某个观测者的事件视界。观测者世界线的过去是图中的阴影部分，也是观测者有可能探测到的时空的*大区域。而他(她)的事件视界是这个区域的边界。图(b)中的Ⅱ区为*大扩张施瓦西时空中黑洞区B。黑洞的事件视界是这个区域的边界。上图中的每一点代表一个二维的曲面。图(b)中的各种无限远已经通过共性映射拉到有限处。这样，压缩掉两维后，我们可以将时空画在一张纸上。这种图称为彭罗斯卡特图。在这种图中光的世界线都是和竖直方向成45°夹角的直线，如图中的直虚线。图(b)上下的锯齿线代表*大扩张施瓦西时空中的奇点
　　1.2 广义相对论中黑洞的小历史
　　1915年爱因斯坦建立了广义相对论。这是一种典型的相对论性引力理论，时空度规满足的引力场方程就是著名的爱因斯坦场方程。20世纪60年代以前，人们关于广义相对论的研究主要集中在

尘封的航海日志：失落文明的星际探险 内容提要： 本书并非宏大叙事，而是对一艘名为“奥德赛”的勘探舰在遥远星域“以太海”中失踪前夕所记录下的日志片段的整理与解读。故事聚焦于舰上三位核心成员——导航官、生物学家和首席工程师——在面对未知物理法则和无法解释的现象时，从科学理性到精神挣扎的微妙转变。探险队原计划是绘制一片被星图学家标记为“静默之域”的区域，但在进入该区域后，他们遭遇的不再是已知的恒星、行星或星云，而是某种挑战现有宇宙学框架的结构性异常。日志揭示了他们如何尝试用经验科学去量化那些似乎没有量度的存在，以及最终，当逻辑的边界被突破时，个体意识如何试图在纯粹的、无法定义的“美”与“恐怖”中寻找锚点。 第一部分：静默之域的边界 “奥德赛”号，一艘为跨越数万光年距离而设计的先进飞船，在进入目标星域时，其惯性稳定系统首先出现了无法解释的偏差。 导航官艾琳娜的记录（航行日志 452.3） 我们进入了预定坐标。根据标准引力透镜模型，此处应当是一片空旷的黑暗，背景辐射应符合普朗克温度的微小波动。然而，我们检测到的信号是——冗余。信号强度高得惊人，但频谱分析显示，它们不具有任何已知的周期性或调制特征。它们更像是……回声，但没有源头。 最令人不安的是对空间本身的感知。我们的惯性陀螺仪，那些本应绝对稳定的参考系，开始以一种难以置信的微小幅度“呼吸”。起初，我们认为这是仪器老化，但重复校准证实，这是我们所处的空间本身在膨胀和收缩，频率极低，但幅度稳定。我们称之为“空间褶皱”。 我尝试进行一次标准的星图三角测量，锁定最近的已知类星体——编号CX-992。结果令人毛骨悚然：CX-992的位置在过去12小时内，相对于我们自身的漂移角度超过了标准误差的十倍。这表明要么是类星体本身发生了无法想象的瞬时位移，要么就是我们测量的“距离”失去了意义。我们不再是向外航行，我们似乎是在一个不断重新配置的几何结构中漂流。艾琳娜的结论是：我们可能进入了一个“非欧几里得湍流”区域。 第二部分：失序的生命与物质 船上的生物学和物质结构研究团队，由亚历山大博士领导，将他们的注意力转向了对环境样本的分析。他们发现“奥德赛”号的船体本身开始表现出不稳定的同位素衰变速率。 生物学家亚历山大的笔记（手稿片段 88-C） 我们从采集到的“虚空尘埃”中分离出了一些有机分子结构。这些结构是基于碳，但它们的键合方式——这才是关键——它们似乎同时处于两种或更多种稳定态的叠加中。它们没有明确的共价键几何结构，而是以一种概率云的形式存在。当我试图用光谱仪锁定一个特定分子的振动频率时，仪器读数会立刻分裂成三个或四个不相关的峰值，随后稳定，但下次测量时，它们又会重新组合成新的模式。 这就像是物质在被观测时，对观测行为本身产生了抵抗或适应。我们尝试培养样本，引入标准的营养液。结果是，培养皿中的物质并没有“生长”，而是“演化”。在不到一个小时的时间内，一种复杂的蛋白质结构就分解了，取而代之的是一种我们无法识别的、具有明确磁矩的晶体结构。 我们不得不停止使用任何主动测量手段。我们现在依赖被动的、低能级的伽马射线成像，但这提供的图像模糊不清，更像是对现实的印象，而非精确的描绘。亚历山大感叹道：我们研究的不是生命，而是变化本身的聚合体。 第三部分：结构崩溃与哲思 首席工程师，卡尔，负责飞船的能量核心和结构完整性。他的日志记录了船体内部的异象，这些异象直接挑战了热力学和结构工程学的基石。 首席工程师卡尔的口述记录（加密音频文件 T-79A） 能量波动不再是可预测的。反应堆核心的输出功率曲线，本应是平滑的贝尔曲线，现在看起来像是一幅由尖锐高峰和深邃低谷组成的风景图。最糟的是，这种波动与我们的能源消耗无关。 我检查了场发生器的回路——一切正常。但监测读数显示，能量正在被“吸收”进系统的边界，随后又以不同的形式“喷射”出来。这不是能量守恒定律的破坏，而是能量性质的转变。比如，驱动一个推进器所需的电能，在输送过程中，部分转化为了……声音。不是机械噪音，而是结构性的、有规律的低频震动，穿透了所有的隔音层。 我开始怀疑，这个区域是否拥有一个“内部时钟”。我们船上的时间流速，在某些区域是加速的，在其他区域是迟缓的。我的个人计时器与主时钟不同步，船舱内的温度读数与核心传感器的读数也存在系统性的、不可调和的差异。我们不再共享一个现实。 卡尔最后写道：我开始相信，这个“静默之域”，不是真空，而是一个未完成的工程。我们不小心闯入了一个正在被构建或正在被拆除的结构中。我们所经历的，是物理定律在被重写过程中的残余震荡。在这里，想象力似乎比数学更具有描述性力量。 结局：未完待续的信号 “奥德赛”号的最后一条完整记录，是三位核心成员在同一时间段内对舰桥外景象的共同描述。他们没有使用任何科学术语，只留下了零散的片段： “……巨大的、沉默的几何体……” “……颜色在流动，但光源不存在……” “……我们听到了，像玻璃摩擦一样，但声音是从内部发出的……” 随后，所有系统全部静默。最后的录音文件是一段持续了四十七秒的纯粹的、没有任何杂音的寂静。这片寂静，比任何已知的噪音，都更让人感到恐惧和不解。 本书的其余部分，是对这些破碎记录的交叉比对、对船员个人信仰的追溯，以及对“静默之域”可能存在的超越性意义的审慎推测。它探讨了当人类知识体系的所有支柱开始动摇时，探险家如何面对一个没有答案的宇宙。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计真的很吸引人，封面采用了深邃的蓝色调，仿佛将人一下子拉入了浩渺的星空之中。内页纸张的质感也相当不错，印刷清晰，字体大小适中，阅读起来非常舒适。我特别喜欢那种知识点讲解深入浅出的方式，虽然涉及的理论非常前沿和复杂，但作者总能找到非常巧妙的比喻和类比，让那些抽象的概念变得生动起来，即便是对物理学只有一点点基础的读者，也能大致跟上思路。比如，在阐述量子纠缠那一部分时，作者没有直接抛出复杂的数学公式，而是用了一个非常形象的“心灵感应的双胞胎”的比喻，一下子就抓住了读者的注意力。整体而言，这本书的排版和视觉呈现，完全符合一本严肃科普读物应有的水准，让人在阅读过程中感受到一种赏心悦目的体验，绝对是值得收藏的一本佳作。

评分☆☆☆☆☆

我花了整整一个周末的时间来细读这本书，最让我感到震撼的是它对物理学发展脉络梳理的清晰度。它不是零散地介绍各个理论，而是像一位经验丰富的向导，带着你一步步走过爱因斯坦的相对论、量子力学的诞生，直到当前粒子物理学的标准模型及其面临的挑战。这种叙事结构非常完整，使得读者能够清晰地看到，每一个新的理论是如何在前一个理论的基础上发展起来的，中间的逻辑链条是多么的严密和不可替代。尤其是在讨论宇宙学部分时，作者巧妙地将观测到的现象（如宇宙微波背景辐射、哈勃膨胀）与理论预测（如大爆炸模型）进行对照，这种“理论指导实践，实践检验理论”的辩证过程，让科学探索的魅力展现得淋漓尽致，让人在惊叹于人类智慧的同时，也深切体会到科学研究的艰辛与伟大。

评分☆☆☆☆☆

这本书在知识深度上达到了一个令人惊叹的高度，它显然是为那些渴望超越科普表面、真正想触及理论核心的读者准备的。我尝试对照着一些更专业的教科书来看，发现这本书的优势在于，它在不牺牲严谨性的前提下，最大程度地保留了理论的“骨架”。例如，在介绍弦理论时，它没有回避高维空间的概念，而是用一种近乎诗意的方式去描绘这些“隐藏的维度”如何影响我们四维时空中的粒子行为。这要求读者有一定的专注力和耐心，但回报是巨大的。读完之后，我感觉自己对那些晦涩难懂的前沿课题不再是雾里看花，而是有了一个相对扎实的概念框架，可以更有方向性地去深入学习相关的数学工具。这无疑是一本优秀的“桥梁书”，连接了大众理解与专业研究。

评分☆☆☆☆☆

从作者的行文风格来看，我能感受到一种深沉的敬畏与乐观交织的情感。这不仅仅是一本知识的堆砌，更像是一场思想的对话。作者在探讨诸如“万有理论”（Theory of Everything）的探索时，语气中充满了对自然终极奥秘的好奇与执着。他没有给出确定的答案，反而引导读者去思考“我们目前知识的边界在哪里？”这种提问方式非常高明，它激发了读者自身的哲学思考。书中穿插的一些历史轶事，比如那些伟大物理学家在面对失败和质疑时的坚韧，也极大地鼓舞了人心。阅读过程中，我时常会停下来，思考科学的本质——它如何定义了我们对真实世界的理解，以及这种理解的局限性，这种沉浸式的体验非常罕见，让人读完后久久不能平静。

评分☆☆☆☆☆

这本书最大的亮点，或许在于它对不同物理学分支之间联系的强调。在很多科普读物中，粒子物理、广义相对论和量子力学往往被割裂开来讲述，使得读者难以理解“为什么我们需要去统一它们”。然而，这本书清晰地展示了在黑洞信息悖论和早期宇宙模型中，这些理论的冲突点是如何催生出新的研究方向的。它像一张精密的地图，标示出了当前物理学研究版图上那些尚未被完全征服的“无人区”。这种宏观的视野，让读者能够理解，理论物理学的每一步前进都不是孤立的，而是整个科学大厦在不断自我修正和完善的过程中实现的飞跃。它给予了我一种全局观，理解了当前物理学研究的紧迫性和重要性，非常振奋人心。