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出版者:科学出版社

作者:杨大翔

出品人:

页数:162

译者:

出版时间:2004-9

价格:18.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787030138811

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《宇宙深处的低语：暗物质与暗能量的追寻》 内容提要 本书将带领读者踏上一场跨越星系尺度的宇宙探索之旅，聚焦于现代物理学和宇宙学中最引人入胜的两大谜团：暗物质与暗能量。我们不仅会深入探讨它们存在的观测证据——从星系旋转曲线的异常到宇宙微波背景辐射的精细结构，还会详尽解析当前主流的理论模型，如修正牛顿动力学（MOND）、弱相互作用重粒子（WIMPs）以及轴子（Axions）等暗物质候选者。在暗能量方面，本书将追溯宇宙加速膨胀的发现历程，剖析标准Lambda-CDM模型的内涵与局限，并介绍膨胀引力理论（f(R)引力）和精质（Quintessence）场等替代性解释。本书旨在以严谨的科学态度和生动的叙事风格，揭示人类理解宇宙终极命运所面临的挑战与机遇。 第一章：可见宇宙的局限性——引力透镜与星系运动 我们所能用电磁波观测到的恒星、气体和尘埃构成了“重子物质”，这只是宇宙总质能含量的不到5%。剩下的绝大部分，被无形的力量所主宰。本章从最直观的证据入手，阐述为什么科学家们不得不承认“暗”实体的存在。 首先，我们将详细介绍星系旋转曲线的观测事实。在标准的牛顿引力框架下，一个螺旋星系边缘的恒星绕星系中心旋转的速度应该随着距离的增加而减慢，就像太阳系中海王星的速度慢于水星一样。然而，弗里茨·茨威基（Fritz Zwicky）在研究后发座星系团时，以及后来的薇拉·鲁宾（Vera Rubin）在观测独立螺旋星系时发现，外围恒星的轨道速度异常地高，且几乎保持恒定。这种“平坦”的旋转曲线强力暗示，星系被一个巨大的、不可见的质量晕所包裹。 接着，我们将深入探讨引力透镜效应。当光线经过大质量天体附近时，其路径会发生弯曲，如同通过一个透镜。通过分析遥远背景星系图像的畸变程度和数量，天文学家可以“称量”前景星系团的总质量。这些基于引力透镜测得的质量，远超可见物质的质量总和。本章将区分强引力透镜和弱引力透镜，解释如何利用这些效应精确地绘制出暗物质的分布图，展现出暗物质在宇宙网状结构中扮演的“骨架”角色。 第二章：宇宙的创生与“婴儿期”的回响——宇宙微波背景 如果说星系尺度上的异常是“局部”的证据，那么宇宙微波背景辐射（CMB）则是对宇宙诞生之初物质分布的“全局”快照。本章将聚焦于如何从CMB的温度涨落中提取暗物质的指纹。 CMB是宇宙大爆炸后约38万年，光子得以自由传播的那个时刻留下的遗迹。现代高精度卫星（如WMAP和Planck）测得的CMB各向异性，揭示了早期宇宙的密度波动。这些波动的功率谱中，包含了声子振荡的特征峰。这些峰值的高度、位置和间隔，对宇宙中普通物质（重子）、暗物质和暗能量的比例极为敏感。 我们将详细分析重子声学振荡（BAO）的物理机制，解释为什么暗物质的缺乏会导致声学峰的某些特征发生显著变化。通过拟合这些观测数据，宇宙学家得以精确地确定，暗物质占宇宙总能量密度的比例约为26.8%，而重子物质仅占约4.9%。本章还将涉及暗物质在结构形成初期如何通过引力稳定重子物质，防止其在辐射压力下被“抹平”，从而为后续星系的形成奠定基础。 第三章：暗物质的身份危机——粒子物理学的候选者 既然我们确定了暗物质的存在和其质量效应，下一个迫切的问题是：它究竟是什么？本章将转入粒子物理学的范畴，审视最有希望的几个理论候选者。 我们首先讨论WIMPs（弱相互作用重粒子）。这是过去几十年间，理论物理学家最青睐的模型，它通常与超对称性（Supersymmetry）理论联系在一起。WIMPs的质量预计在GeV到TeV量级，并能以极低的概率与普通物质发生相互作用。本书将介绍三种主要的实验探测策略： 1. 直接探测：大型地下实验室（如XENONnT、LZ实验）如何试图捕捉暗物质粒子撞击超纯净探测器晶体或液态惰性气体所产生的微弱闪光或电离信号。我们将讨论背景噪声的抑制技术和探测器的灵敏度极限。 2. 间接探测：利用太空望远镜（如费米伽马射线空间望远镜）寻找暗物质粒子在星系中心或矮星系中湮灭或衰变时产生的特征性高能粒子，如伽马射线、反质子或正电子。 3. 产生探测：在大型强子对撞机（LHC）中，尝试通过高能粒子对撞，以“缺失的能量”信号来间接创造并检测暗物质粒子。 随后，我们将转向其他极具竞争力的模型，例如轴子（Axions）。这些质量极轻的粒子最初是为了解决强核力中的CP问题而提出的，但后来被发现可能是完美的冷暗物质候选者。本章将介绍如ADMX（轴子暗物质实验）等利用强磁场将轴子转化为微波光子的独特探测方法。此外，我们还将简要回顾其他前沿猜想，如原始黑洞（Primordial Black Holes）和中微子质量排序的潜在影响。 第四章：宇宙加速的奥秘——暗能量的崛起与反思 如果说暗物质的谜团在于“它是什么”，那么暗能量的谜团则在于“它在做什么”——它正在以一种反引力的方式推动宇宙加速膨胀。本章将详细回顾这一世纪发现及其理论挑战。 发现过程始于对遥远Ia型超新星的观测。这些“标准烛光”的亮度被用来精确测量它们到我们的距离，从而确定宇宙膨胀的速度历史。1998年，两组独立的团队发现，遥远的超新星比预期的要暗，意味着宇宙的膨胀正在加速，而不是像之前预期的那样因引力而减速。 我们随后深入探讨Lambda-CDM模型的核心：宇宙学常数（Lambda）。这个常数代表了真空本身的能量密度，它保持恒定，随着宇宙膨胀，其密度不会下降。然而，当理论粒子物理学计算真空能时，得出的数值比观测值高出惊人的$10^{120}$倍，这是现代物理学中最大的理论与观测不一致，被称为“宇宙学常数问题”。 第五章：挑战标准模型——暗能量的替代方案与未来展望 面对宇宙学常数问题的尴尬，理论物理学家们提出了许多替代暗能量的机制。本章将探讨这些“动态”的暗能量模型，以及更根本地挑战爱因斯坦广义相对论的尝试。 1. 精质场（Quintessence）：这是一个动态的标量场，其能量密度和压力随时间演化，而非像宇宙学常数那样固定不变。本书将解释如何通过观测未来宇宙的膨胀率（即状态方程参数$w$是否偏离-1）来区分精质场与真空能。 2. 修正引力理论（Modified Gravity）：这类理论认为，在极大的尺度上，爱因斯坦的引力定律本身需要修正。我们将介绍$f(R)$引力和张量-矢量-标量引力（TeVeS）等模型。这些理论试图在不引入额外物质的情况下，解释加速膨胀。 3. 大尺度结构与“幽灵”能量：本书将讨论最新的精密测量，如通过重子声学振荡（BAO）的演化来追踪$w$值的历史变化，以及未来对暗能量空间分布的探测（如DESI、Euclid任务）将如何限制这些理论模型的有效性。 最终，本书将以一个发人深省的总结收尾：暗物质和暗能量构成了我们宇宙的主体，但对它们的理解仍处于萌芽阶段。追寻这些“宇宙深处的低语”，不仅是对自然界最基本成分的探索，也是对人类认知极限的一次终极挑战。

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对于一个刚刚接触遗传学实验的初学者来说，这本书无疑是一本宝藏。它不仅提供了丰富的实验内容，还注重理论知识与实践操作的结合。书中附带的详细参考文献和推荐阅读列表，也为我进一步深入学习提供了方向。我迫不及待地想把书中的这些实验应用到实际的实验室操作中，亲手验证这些神奇的遗传现象。

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这本书的图文并茂，是我非常喜欢的一个特点。书中不仅仅有详细的文字描述，还有大量的精美插图、图表和照片。这些视觉化的元素，极大地帮助我理解实验步骤和实验结果。例如，在讲解细胞有丝分裂时，书中提供了不同时期的细胞图像，并清晰地标出了染色体的状态，让我对细胞分裂过程有了更直观的认识。

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除了实验操作本身，这本书还非常注重对实验结果的分析和讨论。书中为每一个实验都提供了详细的分析方法，并且针对可能出现的结果给出了相应的解释。这不仅能帮助我理解实验现象背后的遗传学原理，还能培养我独立分析和解决问题的能力。我记得有一个实验，要求我们分析果蝇的遗传系谱，通过观察不同世代的表型比例，来推断遗传方式，这个过程让我充分感受到了推理的乐趣。

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这本书给我最大的感受是，遗传学并非遥不可及的神秘科学，而是一门可以通过实践来探索和理解的学科。作者用生动形象的语言和清晰易懂的图示，将复杂的遗传学概念和实验操作一一呈现。我相信，无论是对于希望夯实理论基础的学生，还是对于渴望动手实践的科研爱好者，这本《遗传学实验》都能提供宝贵的指导和启发。

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我一直对分子遗传学的技术充满兴趣，尤其是PCR和凝胶电泳。这本书中关于PCR的部分，详细讲解了PCR的原理，包括DNA变性、退火和延伸这三个关键步骤，以及 Taq酶的作用。书中还介绍了不同类型的PCR，例如巢式PCR、反转录PCR等，并且探讨了影响PCR扩增效率的各种因素，如引物设计、退火温度、Mg2+浓度等。这让我不仅了解了技术本身，还学会了如何根据具体的实验目的来优化PCR条件，这是一个非常重要的技能。

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我一直对遗传学实验的严谨性和精确性感到着迷，这本《遗传学实验》的开篇给我留下了深刻的印象。作者似乎非常注重实验的可操作性和安全性，在介绍实验器材和试剂的时候，不仅仅是列出清单，而是详细地说明了它们的特性、用途以及在使用过程中需要注意的细节。例如，在讲解如何配制和使用缓冲液时，书中不仅给出了详细的比例和步骤，还解释了不同pH值对实验结果可能产生的影响，以及如何通过调整缓冲液来优化实验条件。这种细致入微的讲解，让我这个初学者也能感受到一丝底气。

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我非常欣赏这本书在实验方法上的创新性。除了传统的实验方法，书中还介绍了一些近年来发展起来的新技术，例如CRISPR-Cas9基因编辑技术。虽然这些技术可能相对复杂，但书中以非常易懂的方式进行了介绍，并且提供了相关的实验案例，让我对这些前沿技术有了初步的了解。这种与时俱进的态度，让这本书在众多遗传学实验书中脱颖而出。

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书中的实验设计非常有代表性，涵盖了孟德尔遗传规律的验证、连锁与重组的分析、以及一些重要的分子遗传学技术。我尤其对书中关于基因连锁与重组的实验印象深刻。书中提供了一些经典的案例，通过分析不同性状的组合频率，来计算基因之间的连锁距离。这种通过数据分析来揭示遗传规律的方式，让我深深体会到了科学的严谨和逻辑性。

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这本书的结构安排非常合理，从基础的显微镜操作、染色技术，到更复杂的DNA提取、PCR扩增，再到基因克隆和基因表达分析，循序渐进，层层递进。我特别喜欢其中关于DNA提取的部分，书中详细介绍了不同生物材料（如植物叶片、动物血液、细菌等）的DNA提取方法，并且针对每种方法都提供了详细的操作步骤和注意事项。我还记得其中一个实验，要求我们用洋葱根尖细胞来观察染色体的行为，从取材、固定、压片到染色，每一个环节书中都给出了清晰的图示和文字说明，让我仿佛置身于实验室之中，亲自动手操作一般。

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这本《遗传学实验》在我手中沉甸甸的，封面设计简洁大气，没有花里胡哨的图饰，只以黑白为主色调，中间是书名“遗传学实验”，搭配着一个抽象但又隐约能辨认出DNA双螺旋结构的图案，立刻就吸引了我。翻开书页，一股淡淡的纸墨香扑面而来，这种熟悉的味道总是能让我进入一种沉浸式的阅读状态。我并不是一个专业的遗传学研究者，我是一名对生命科学充满好奇心的大学在校生，一直以来，遗传学这个概念对我来说既神秘又重要，它关乎着生命的起源、延续和变异，是理解生物多样性的钥匙。然而，理论知识的学习总归是有些枯燥的，我更渴望能够通过动手实践来加深理解。

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