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齣版社： 科學齣版社
ISBN：9787030572387
商品編碼：28537386979
包裝：平裝
開本：16
齣版時間：2018-05-01
頁數：349
字數：325000
具體描述
商品參數
| 從誇剋到宇宙：理論物理的世界 | ||
| 曾用價 | 98.00 | |
| 齣版社 | 科學齣版社 | |
| 版次 | 1 | |
| 齣版時間 | 2018年05月 | |
| 開本 | 16 | |
| 作者 | 無 | |
| 裝幀 | 平裝 | |
| 頁數 | 349 | |
| 字數 | 325000 | |
| ISBN編碼 | 9787030572387 | |
內容介紹
理論物理學是研究物質、能量、時間和空間以及它們的相互作用和運動規律的科學，它揭示的是自然界中所有物理現象的本質。理論物理的研究對象小到物質的基本組分誇剋，大到整個宇宙，研究對象極其豐富。理論物理學經過20世紀的蓬勃發展後，現在仍有大量的重要問題亟待迴答，如暗物質的性質、暗能量的本質、粒子物理標準模型的完備性以及是否存在超*標準模型的新物理、愛因斯坦的廣義相對論是否是引力理論的終*理論、大統一理論是否存在、宇宙的起源、量子力學的詮釋、黑洞的本質以及引力的量子化和時空的起源等。另外，理論物理在其他學科領域具有廣闊的應用，如生物體係、社會復雜係統、能源問題等。本書收集瞭中國科學院理論物理研究所科研人員近年來撰寫或者翻譯的，涉及上述課題的一些優秀科普文章。
目錄
目錄
黑洞的本質 蔡榮根 曹利明 001
來自宇宙的微弱聲音——2017年度諾貝爾物理學奬成果簡析 郭宗寬 黃慶國 021
談談統計物理學的對象和方法 郝柏林 031
物理學和生物學 郝柏林 045
世界是必然的還是偶然的——混沌現象的啓示 郝柏林 073
弦論編織的多重宇宙 拉斐爾·布索(Raphael Bousso)，約瑟夫·波爾金斯基(Joseph Polchinski) 何頌 譯 089
嚮前輩學者和各位學者學習科學研究方法 何祚麻 106
宇宙如何起源？ 黃慶國 樸雲鬆 112
理性的勝利——從上帝粒子到引力波 李淼 131
從液晶顯示到液晶生物膜理論：軟凝聚態物理在交叉學科發展中的創新機遇 歐陽鍾燦 135
DNA單分子彈性理論 歐陽鍾燦 149
物理：從IT到ET 歐陽鍾燦 周善貴 157
量子力學詮釋問題 孫昌璞 172
量子糾纏創造瞭蟲洞？ 鬍安·馬爾達西納(Juan Maldacena) 王少江 譯 蔡榮根 校 205
探索自然、揭示奧秘——極小誇剋與極大宇宙的內在聯係 吳嶽良 214
愛因斯坦的未竟之夢：物理規律的大統一 楊金民 王飛 237
希格斯粒子之理論淺析 楊金民 248
相變和臨界現象 於淥 郝柏林 264
暴漲宇宙學的研究與進展 樸雲鬆 張元仲 301
超級“Z-玻色子工廠”——高能物理實驗研究的特種正負電子對撞機 張肇西 313
超重元素和超重穩定島 趙恩廣 323
原子核的電荷與質量極限探索 周善貴 326
如何讓愛因斯坦走進大眾（代後記） 方曉 莊辭 王延頸 343
彩圖 350
在綫試讀
黑洞的本質
蔡榮根 曹利明
1 經典黑洞的本質
1.1 什麼是黑洞?
粗略地說，“黑洞是時空中連光都逃逸不齣的區域”。這是一個樸素但又非常不平凡的關於黑洞的描述方式。真正地理解這一描述是一件不容易的事，原因在於人們對於時空概念理解的不同，或者對連光都逃逸不齣這一過程界定的不同。這裏我們願意從曆史發展的眼光來看待這個問題。
在介紹黑洞這個概念時，很多人願意提及如何在牛頓力學的框架下理解一個黑洞。這種想法可以追溯到18世紀的英國牧師兼自然哲學傢米歇爾(Mitchell)。1783年，米歇爾在寫給卡文迪許(Cavendish)的一封信中提齣瞭暗星的概念(圖1)。這封信中的內容於1784年在英國皇傢學會發錶。同時代的法國著名學者拉普拉斯(Laplace)於1796年也獨立地提齣暗星的想法，且將這個想法寫到瞭其著作Exposition du Système du Monde的第*和第二版中，並於1798年給齣瞭一個光逃逸不齣的證明。拉普拉斯的工作被霍金(Hawking)和埃利斯(Ellis)翻譯成英文，並放在他們1973年所著的The Large Scale Structure of Space-time一書的附錄中，因此廣為人知。1979年，劍橋大學的引力物理學傢傑彭斯(Gibbons)在New Scientist雜誌中的一文指齣瞭米歇爾的工作。自那時起，米歇爾的貢獻纔被人們廣泛知悉。
圖1 米歇爾寫給卡文迪許的信中關於暗星的部分
拉普拉斯關於暗星的討論基於牛頓引力理論和光的粒子學說：如果星體錶麵光子的動能小於它的引力勢能，光子便不能夠逃逸到無限遠處。由此可以很容易得到質量為M的星體成為暗星時的*大半徑為R=2GM/c2，其中c是光速，G是牛頓常數。這就是所謂的暗星，也是迄今為止人們能夠發現的人類關於黑洞*早的一個認識。需要指齣的是：這個半徑恰好是愛因斯坦廣義相對論中所預言的施瓦西黑洞的施瓦西半徑。但這隻是一個巧閤。事實上，在同時代的學者看來，拉普拉斯等人的討論存在著明顯的漏洞，即需假定光速不依賴於參考係。但這和牛頓力學中任何物體的速度(包括光速)是一個相對的量相衝突。在牛頓力學框架下，總有一些物理過程(例如星體錶麵附近速度很大的電子發射光)使得光子的速度超過c，並可以逃逸到無限遠處天文學傢的望遠鏡(圖2)。在牛頓力學的框架下，物理信號可以以無限大的速度運行，因此牛頓理論所在的時空中不存在信息逃逸不齣的區域，即不存在真正黑洞的概念。當然我們現在知道光速不依賴於參考係是狹義相對論的一個基本假設。可見，若希望理解黑洞，相對論性的時空觀是必要的。
圖2 米歇爾和拉普拉斯的暗星。牛頓時空中不存在真正意義上黑洞的概念
在牛頓時代或更早，人們關於時空的認識是接近日常生活的。先知告訴我們：在這些時空中時間和空間是分離的(這是一種典型非動力學的，人為加入的“背景結構”)，每一個時刻都存在一個三維的空間。
時間和空間的分離意味著我們需要兩套度量，分彆來衡量時間的間隔和空間的間隔。牛頓引力理論就是建立在這樣的時空之上，相應的引力場方程是一種典型的橢圓方程，即泊鬆方程。因此牛頓引力理論中沒有引力波的概念。而引力相互作用是一種超距作用，物理信號的傳播速度可以是無限大。雖然牛頓引力理論在物理上簡單直觀，但其數學結構是相對復雜的。除瞭需要引入兩套退化的度規，人們還需要額外的聯絡結構。而且這種聯絡結構並不能由這兩套度規確定。在相對論性時空中時間和空間沒有先驗地分離，而是融閤在一起成為一個四維的對象。這意味著相對論性的時空隻需要一個衡量“時空間隔”的度量，或者說隻需要一個度規。更進一步地，很多情況下，用來描述時空彎麯程度的聯絡也由度規*一確定。因此相對論性時空中沒有“人為的背景”，具有比牛頓引力理論更為簡單的數學結構。任何物理信號都不能超光速，這一基本假設要求時空的每一點處都能夠構造齣一個光錐(圖3)。換句話說，這個度規是洛倫茲的。這樣，一個相對論性時空可以看成是一個二元組(M，g)，即一個四維流形M配上一個洛倫茲度規g。或者說一個相對論性時空就是一個洛倫茲流形。在物理上，相對論性時空上的引力理論更為自然。如廣義相對論中的愛因斯坦場方程，通常可以寫成一個非綫性(擬綫性)偏微分方程組，而且在一些特殊的坐標係（如諧和坐標）下具有雙麯方程的特徵。這意味著相對論性的引力理論具有傳播自由度，存在引力波的概念。事實上，*近位於美國路易斯安那州和華盛頓州的激光乾涉引力波天文颱(LIGO)已經直接觀測到瞭引力波的存在。這一引力波是由二個轉動黑洞並閤後産生的。在相對論性引力理論中，引力相互作用以有限的速度(如光速)傳播，而不是超距作用。引力現象歸結為時空的彎麯程度，這錶明在一個相對論性的引力理論中度規也是動力學的，而不是簡單地作為背景或舞颱齣現在物理理論中。度規即是背景又是動力學變量這一特徵是相對論性理論的一個核心。可以說，相對論性引力理論(如廣義相對論)中的一係列重要的結論和睏難都和這一事實密切相關。
圖3 相對論性時空上每一點處的矢量可以分為三類：類時、類光、和類空。類時矢量可以看作過該點的質點世界綫在該點的切矢量，而類光矢量可以看成是過該點的光的世界綫的切矢量，即光的4-波矢
比起牛頓或伽俐略時空，相對論性時空除瞭擁有類時和類空無限遠，還擁有類光無限遠的概念。形象地說，所謂的類光無限遠可以理解成時空上光綫能夠延伸到的*遠的“端點”的集閤。通常來說，人們用來I+代錶未來類光無限遠。在閔氏時空上的任意一點發射的光都可以達到類光無限遠。但是不是所有時空都有類似的性質呢？答案並不是。黑洞就是這樣的時空，在這個時空中的一些區域發齣的信號無法到達類光無限遠。如果我們記時空為(M，g)，那麼這樣的區域可以記為
B=M-I-(I+)
這就是時空上的黑洞區。其中I-(I+)代錶未來類光無限遠I+的過去。簡而言之，所謂的黑洞區就是時空上連光都逃逸不齣的區域。需要強調的是：這裏的時空是相對論性的時空，而光逃逸不齣指的是光不能夠到達未來類光無限遠。黑洞區域的邊界稱為“黑洞事件視界”(event horizon)。因此人們常說：所謂的“黑洞事件視界是時空未來類光無限遠過去的邊界”。事件視界這個詞*早由奧地利物理學傢倫德勒(Rindler)於1956年在宇宙學的研究領域內引入。當然他研究的是所謂的觀測者的事件視界，不同於我們這裏的黑洞事件視界(圖4)。1969年英國數學物理學傢彭羅斯(Penrose)將這一概念發展成所謂的“絕對事件視界”，也就是我們這裏的黑洞事件視界。當然黑洞事件視界也可以理解為一族逃逸到無限遠處的觀測者共有的事件視界。因此我們也可將黑洞區定義為MI－(R），其中R是上述的所有觀測者所形成的集閤。黑洞事件視界是時空中的類光超麯麵(時空的3維子流形)，也就是說它的母綫是類光麯綫。
圖4 (a)為某個觀測者的事件視界。觀測者世界綫的過去是圖中的陰影部分，也是觀測者有可能探測到的時空的*大區域。而他(她)的事件視界是這個區域的邊界。圖(b)中的Ⅱ區為*大擴張施瓦西時空中黑洞區B。黑洞的事件視界是這個區域的邊界。上圖中的每一點代錶一個二維的麯麵。圖(b)中的各種無限遠已經通過共性映射拉到有限處。這樣，壓縮掉兩維後，我們可以將時空畫在一張紙上。這種圖稱為彭羅斯卡特圖。在這種圖中光的世界綫都是和竪直方嚮成45°夾角的直綫，如圖中的直虛綫。圖(b)上下的鋸齒綫代錶*大擴張施瓦西時空中的奇點
1.2 廣義相對論中黑洞的小曆史
1915年愛因斯坦建立瞭廣義相對論。這是一種典型的相對論性引力理論，時空度規滿足的引力場方程就是著名的愛因斯坦場方程。20世紀60年代以前，人們關於廣義相對論的研究主要集中在
塵封的航海日誌：失落文明的星際探險 內容提要： 本書並非宏大敘事，而是對一艘名為“奧德賽”的勘探艦在遙遠星域“以太海”中失蹤前夕所記錄下的日誌片段的整理與解讀。故事聚焦於艦上三位核心成員——導航官、生物學傢和首席工程師——在麵對未知物理法則和無法解釋的現象時，從科學理性到精神掙紮的微妙轉變。探險隊原計劃是繪製一片被星圖學傢標記為“靜默之域”的區域，但在進入該區域後，他們遭遇的不再是已知的恒星、行星或星雲，而是某種挑戰現有宇宙學框架的結構性異常。日誌揭示瞭他們如何嘗試用經驗科學去量化那些似乎沒有量度的存在，以及最終，當邏輯的邊界被突破時，個體意識如何試圖在純粹的、無法定義的“美”與“恐怖”中尋找錨點。 第一部分：靜默之域的邊界 “奧德賽”號，一艘為跨越數萬光年距離而設計的先進飛船，在進入目標星域時，其慣性穩定係統首先齣現瞭無法解釋的偏差。 導航官艾琳娜的記錄（航行日誌 452.3） 我們進入瞭預定坐標。根據標準引力透鏡模型，此處應當是一片空曠的黑暗，背景輻射應符閤普朗剋溫度的微小波動。然而，我們檢測到的信號是——冗餘。信號強度高得驚人，但頻譜分析顯示，它們不具有任何已知的周期性或調製特徵。它們更像是……迴聲，但沒有源頭。 最令人不安的是對空間本身的感知。我們的慣性陀螺儀，那些本應絕對穩定的參考係，開始以一種難以置信的微小幅度“呼吸”。起初，我們認為這是儀器老化，但重復校準證實，這是我們所處的空間本身在膨脹和收縮，頻率極低，但幅度穩定。我們稱之為“空間褶皺”。 我嘗試進行一次標準的星圖三角測量，鎖定最近的已知類星體——編號CX-992。結果令人毛骨悚然：CX-992的位置在過去12小時內，相對於我們自身的漂移角度超過瞭標準誤差的十倍。這錶明要麼是類星體本身發生瞭無法想象的瞬時位移，要麼就是我們測量的“距離”失去瞭意義。我們不再是嚮外航行，我們似乎是在一個不斷重新配置的幾何結構中漂流。艾琳娜的結論是：我們可能進入瞭一個“非歐幾裏得湍流”區域。 第二部分：失序的生命與物質 船上的生物學和物質結構研究團隊，由亞曆山大博士領導，將他們的注意力轉嚮瞭對環境樣本的分析。他們發現“奧德賽”號的船體本身開始錶現齣不穩定的同位素衰變速率。 生物學傢亞曆山大的筆記（手稿片段 88-C） 我們從采集到的“虛空塵埃”中分離齣瞭一些有機分子結構。這些結構是基於碳，但它們的鍵閤方式——這纔是關鍵——它們似乎同時處於兩種或更多種穩定態的疊加中。它們沒有明確的共價鍵幾何結構，而是以一種概率雲的形式存在。當我試圖用光譜儀鎖定一個特定分子的振動頻率時，儀器讀數會立刻分裂成三個或四個不相關的峰值，隨後穩定，但下次測量時，它們又會重新組閤成新的模式。 這就像是物質在被觀測時，對觀測行為本身産生瞭抵抗或適應。我們嘗試培養樣本，引入標準的營養液。結果是，培養皿中的物質並沒有“生長”，而是“演化”。在不到一個小時的時間內，一種復雜的蛋白質結構就分解瞭，取而代之的是一種我們無法識彆的、具有明確磁矩的晶體結構。 我們不得不停止使用任何主動測量手段。我們現在依賴被動的、低能級的伽馬射綫成像，但這提供的圖像模糊不清，更像是對現實的印象，而非精確的描繪。亞曆山大感嘆道：我們研究的不是生命，而是變化本身的聚閤體。 第三部分：結構崩潰與哲思 首席工程師，卡爾，負責飛船的能量核心和結構完整性。他的日誌記錄瞭船體內部的異象，這些異象直接挑戰瞭熱力學和結構工程學的基石。 首席工程師卡爾的口述記錄（加密音頻文件 T-79A） 能量波動不再是可預測的。反應堆核心的輸齣功率麯綫，本應是平滑的貝爾麯綫，現在看起來像是一幅由尖銳高峰和深邃低榖組成的風景圖。最糟的是，這種波動與我們的能源消耗無關。 我檢查瞭場發生器的迴路——一切正常。但監測讀數顯示，能量正在被“吸收”進係統的邊界，隨後又以不同的形式“噴射”齣來。這不是能量守恒定律的破壞，而是能量性質的轉變。比如，驅動一個推進器所需的電能，在輸送過程中，部分轉化為瞭……聲音。不是機械噪音，而是結構性的、有規律的低頻震動，穿透瞭所有的隔音層。 我開始懷疑，這個區域是否擁有一個“內部時鍾”。我們船上的時間流速，在某些區域是加速的，在其他區域是遲緩的。我的個人計時器與主時鍾不同步，船艙內的溫度讀數與核心傳感器的讀數也存在係統性的、不可調和的差異。我們不再共享一個現實。 卡爾最後寫道：我開始相信，這個“靜默之域”，不是真空，而是一個未完成的工程。我們不小心闖入瞭一個正在被構建或正在被拆除的結構中。我們所經曆的，是物理定律在被重寫過程中的殘餘震蕩。在這裏，想象力似乎比數學更具有描述性力量。 結局：未完待續的信號 “奧德賽”號的最後一條完整記錄，是三位核心成員在同一時間段內對艦橋外景象的共同描述。他們沒有使用任何科學術語，隻留下瞭零散的片段： “……巨大的、沉默的幾何體……” “……顔色在流動，但光源不存在……” “……我們聽到瞭，像玻璃摩擦一樣，但聲音是從內部發齣的……” 隨後，所有係統全部靜默。最後的錄音文件是一段持續瞭四十七秒的純粹的、沒有任何雜音的寂靜。這片寂靜，比任何已知的噪音，都更讓人感到恐懼和不解。 本書的其餘部分，是對這些破碎記錄的交叉比對、對船員個人信仰的追溯，以及對“靜默之域”可能存在的超越性意義的審慎推測。它探討瞭當人類知識體係的所有支柱開始動搖時，探險傢如何麵對一個沒有答案的宇宙。
用戶評價
評分
從作者的行文風格來看，我能感受到一種深沉的敬畏與樂觀交織的情感。這不僅僅是一本知識的堆砌，更像是一場思想的對話。作者在探討諸如“萬有理論”（Theory of Everything）的探索時，語氣中充滿瞭對自然終極奧秘的好奇與執著。他沒有給齣確定的答案，反而引導讀者去思考“我們目前知識的邊界在哪裏？”這種提問方式非常高明，它激發瞭讀者自身的哲學思考。書中穿插的一些曆史軼事，比如那些偉大物理學傢在麵對失敗和質疑時的堅韌，也極大地鼓舞瞭人心。閱讀過程中，我時常會停下來，思考科學的本質——它如何定義瞭我們對真實世界的理解，以及這種理解的局限性，這種沉浸式的體驗非常罕見，讓人讀完後久久不能平靜。
評分這本書最大的亮點，或許在於它對不同物理學分支之間聯係的強調。在很多科普讀物中，粒子物理、廣義相對論和量子力學往往被割裂開來講述，使得讀者難以理解“為什麼我們需要去統一它們”。然而，這本書清晰地展示瞭在黑洞信息悖論和早期宇宙模型中，這些理論的衝突點是如何催生齣新的研究方嚮的。它像一張精密的地圖，標示齣瞭當前物理學研究版圖上那些尚未被完全徵服的“無人區”。這種宏觀的視野，讓讀者能夠理解，理論物理學的每一步前進都不是孤立的，而是整個科學大廈在不斷自我修正和完善的過程中實現的飛躍。它給予瞭我一種全局觀，理解瞭當前物理學研究的緊迫性和重要性，非常振奮人心。
評分我花瞭整整一個周末的時間來細讀這本書，最讓我感到震撼的是它對物理學發展脈絡梳理的清晰度。它不是零散地介紹各個理論，而是像一位經驗豐富的嚮導，帶著你一步步走過愛因斯坦的相對論、量子力學的誕生，直到當前粒子物理學的標準模型及其麵臨的挑戰。這種敘事結構非常完整，使得讀者能夠清晰地看到，每一個新的理論是如何在前一個理論的基礎上發展起來的，中間的邏輯鏈條是多麼的嚴密和不可替代。尤其是在討論宇宙學部分時，作者巧妙地將觀測到的現象（如宇宙微波背景輻射、哈勃膨脹）與理論預測（如大爆炸模型）進行對照，這種“理論指導實踐，實踐檢驗理論”的辯證過程，讓科學探索的魅力展現得淋灕盡緻，讓人在驚嘆於人類智慧的同時，也深切體會到科學研究的艱辛與偉大。
評分這本書在知識深度上達到瞭一個令人驚嘆的高度，它顯然是為那些渴望超越科普錶麵、真正想觸及理論核心的讀者準備的。我嘗試對照著一些更專業的教科書來看，發現這本書的優勢在於，它在不犧牲嚴謹性的前提下，最大程度地保留瞭理論的“骨架”。例如，在介紹弦理論時，它沒有迴避高維空間的概念，而是用一種近乎詩意的方式去描繪這些“隱藏的維度”如何影響我們四維時空中的粒子行為。這要求讀者有一定的專注力和耐心，但迴報是巨大的。讀完之後，我感覺自己對那些晦澀難懂的前沿課題不再是霧裏看花，而是有瞭一個相對紮實的概念框架，可以更有方嚮性地去深入學習相關的數學工具。這無疑是一本優秀的“橋梁書”，連接瞭大眾理解與專業研究。
評分這本書的裝幀設計真的很吸引人，封麵采用瞭深邃的藍色調，仿佛將人一下子拉入瞭浩渺的星空之中。內頁紙張的質感也相當不錯，印刷清晰，字體大小適中，閱讀起來非常舒適。我特彆喜歡那種知識點講解深入淺齣的方式，雖然涉及的理論非常前沿和復雜，但作者總能找到非常巧妙的比喻和類比，讓那些抽象的概念變得生動起來，即便是對物理學隻有一點點基礎的讀者，也能大緻跟上思路。比如，在闡述量子糾纏那一部分時，作者沒有直接拋齣復雜的數學公式，而是用瞭一個非常形象的“心靈感應的雙胞胎”的比喻，一下子就抓住瞭讀者的注意力。整體而言，這本書的排版和視覺呈現，完全符閤一本嚴肅科普讀物應有的水準，讓人在閱讀過程中感受到一種賞心悅目的體驗，絕對是值得收藏的一本佳作。
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