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出版者:Academic Press

作者:Richard S.J. Frackowiak

出品人:

页数:1144

译者:

出版时间:2004-1-26

价格:GBP 150.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780122648410

丛书系列:

图书标签:

• 认知神经科学
• Neuroscience
• 心理学
• fMRI
• 统计
• neuroscience
• 神经科学
• 认知科学
• 大脑功能
• 神经心理学
• 认知神经科学
• 大脑成像
• 记忆
• 学习
• 意识
• 行为神经科学

《宇宙之弦：时空结构与多维探索》 内容概要 《宇宙之弦：时空结构与多维探索》是一部致力于深入剖析当前物理学前沿——弦理论、M理论及其在理解宇宙终极规律和多维空间结构中的应用与挑战的专著。本书并非对已建立的经典物理学进行复述，而是将笔墨聚焦于那些试图超越标准模型、统一引力与其他基本力的宏大理论构架。 全书结构严谨，逻辑清晰，从基础的数学工具介绍开始，逐步深入到高维几何、拓扑学在理论物理中的应用，最终探讨这些理论如何描绘我们所处宇宙的真实面貌，以及它们对未来宇宙学观测可能产生的深远影响。 --- 第一部分：基础的重塑与维度的召唤 (The Foundation Reshaped and the Call of Dimensions) 第一章：超越粒子：经典场论的局限与弦的诞生 本章首先回顾了二十世纪粒子物理学的辉煌成就及其在解释所有自然力（电磁力、强核力、弱核力）方面的成功。然而，引力的“不合作”状态——即量子引力难题——成为物理学无法逾越的鸿沟。我们详细分析了费曼路径积分在处理引力子时遭遇的不可重整化问题。 随后，本书引入了弦理论的核心概念：基本实体不再是零维的点状粒子，而是具有特定张力的、一维的“弦”。这种转换如何自然地包含了引力子（闭合弦的特定振动模式），是本章的重点。我们详细阐述了玻色子弦理论的初步建立过程，特别是其对超对称性的自然需求。 第二章：超对称性与超引力：从十维到十一维的过渡 超对称（Supersymmetry, SUSY）作为连接费米子（物质）与玻色子（力）的桥梁，在本理论框架中并非一个可选的附加条件，而是自洽性（Consistency）的必然要求。本章深入探讨了超对称的数学结构，包括其代数表示和对费米子质量的限制。 在此基础上，本书深入讨论了超引力理论（Supergravity），它成功地将量子引力思想融入了相对论框架，但仍局限于四维时空。然而，对超引力理论的进一步分析揭示了其在更高维度（如十维或十一维）中才能达到最完美的数学一致性。我们详细考察了五种不同的十维超引力理论，并指出它们统一的必要性。 第三章：几何的语言：卡拉比-丘流形与紧致化 弦理论对额外维度的存在提出了无法回避的要求。如果宇宙存在六个或七个额外的空间维度，它们必然是“卷曲”起来的，即被紧致化（Compactified）。本章专注于描述这些卷曲空间的几何形状。 卡拉比-丘（Calabi-Yau）流形因其零第一陈类和卡拉比度量的存在，成为最主要的候选几何空间。本书以严谨的微分几何语言，详细介绍了这些复杂的多维空间（通常是六维）的拓扑不变量，如霍奇数。我们分析了紧致化如何影响我们能观测到的四维物理学：额外的维度越小、几何结构越复杂，其对低能物理常数的“泄露”效应就越精细。 --- 第二部分：M理论的统一与对偶性革命 (M-Theory Unification and the Duality Revolution) 第四章：五种弦理论的殊途同归：M理论的兴起 在二十世纪九十年代初，人们发现五种看似不同的超弦理论（I型、IIA型、IIB型、异构I型和异构II型）之间存在着深刻的联系。本章聚焦于“第二次超弦革命”，核心是爱德华·威滕提出的M理论概念。 M理论被假定为所有五种弦理论的更基础、更统一的理论，存在于十一维时空中。我们探讨了M理论如何通过对偶性（Duality）将这些理论联系起来：T对偶性连接了不同半径的环面上的理论；S对偶性连接了强耦合与弱耦合的理论。M理论的引入，特别是其十一维超引力的结构，为解决早期弦理论中的不一致性提供了框架。 第五章：狄拉尔布兰（D-Branes）：弦的终点与新的边界 弦理论不仅仅是关于弦的理论。D-布兰（Dirichlet Branes，简称D-膜）的引入是理论上的一个里程碑。D-膜是弦可以附着在上面的（开放弦的端点可以固定于其上）高维超曲面。 本章深入分析了D-膜的物理意义、其张量（Tension）以及它们如何影响了场的动力学。我们讨论了不同维度的D-膜（D0、D1...D9）如何构成了超引力场的激发态。更重要的是，D-膜的集合提供了一种理解黑洞熵的微观机制——通过计算附着在D-膜上的弦的数量，成功地再现了霍金-贝肯斯坦的黑洞热力学公式。 第六章：AdS/CFT对应：引力与量子场论的对偶 全书最具革命性的章节之一，专注于反德西特空间/共形场论（Anti-de Sitter Space/Conformal Field Theory, AdS/CFT）对应关系。这一猜想，主要基于D3-膜的配置，提出了一种惊人的等价性：在$N$维时空中的某个特定引力理论（如IIB型弦理论在五维反德西特空间上的近似）与存在于其边界上的$(N-1)$维无引力的共形场论之间存在精确的对偶。 我们详细解释了这种“全息原理”的含义：三维空间中的引力现象可以被映射到其边界上的量子场论的计算中。这种对应关系提供了一个计算强耦合量子场论（如夸克-胶子等离子体）的强大工具，同时也是检验弦理论完备性的关键窗口。 --- 第三部分：探索的边界与未解之谜 (Frontiers of Exploration and Unsolved Mysteries) 第七章：景观（The Landscape）与真空的选择 弦理论的美丽在于其数学自洽性，但其“缺陷”在于其解决方案的过度丰富性。由于卡拉比-丘流形的紧致化方式有惊人的数量（估计高达$10^{500}$种），每一种紧致化都对应一个具有不同物理常数的“真空态”。 本章讨论了“景观”的概念，即所有这些可能的真空态构成的庞大参数空间。我们探讨了人择原理（Anthropic Principle）在解释我们观测到的宇宙常数（如暗能量）时所扮演的角色。同时，我们也批判性地审视了景观理论的科学检验性，以及它如何挑战了传统物理学中“唯一解”的追求。 第八章：黑洞信息悖论与防火墙问题 黑洞仍然是量子引力理论的试金石。本章回顾了信息悖论的经典表述：信息似乎在黑洞蒸发过程中丢失，这违反了量子力学的基本原理（幺正性）。 我们考察了弦理论和AdS/CFT对应如何试图解决这一悖论。特别是，我们深入分析了“防火墙”假说，即在事件视界附近存在一个高能区域，这挑战了爱因斯坦广义相对论的等效性原理。本书将这些争议置于更高维几何和量子纠缠的视角下进行分析，探讨量子信息论在统一引力与量子力学中的潜在作用。 第九章：弦理论的未来：实验验证的可能路径 弦理论的最终挑战在于其缺乏直接的、低能的实验可检验性。本章将讨论理论物理学家正在探索的，即便间接，也可能指向弦理论或其超对称伙伴存在的观测窗口。 这包括对早期宇宙遗迹的搜寻（如宇宙微波背景辐射中的原初引力波特征）、对超对称粒子的间接探测（如大型强子对撞机或未来对撞机可能发现的超对称伴侣）、以及对超小尺度下洛伦兹对称性微小破缺的极高精度测量。本书强调，理论的深刻性需要新的实验范式来匹配。 --- 总结 《宇宙之弦：时空结构与多维探索》旨在为读者提供一个全面、深入且批判性的视角，理解当前理论物理学中最宏大也最具争议的领域。它不仅展示了数学工具的优雅，更揭示了我们对时间、空间和物质本质的理解正在经历的深刻变革。本书要求读者具备扎实的场论基础，并愿意接受一个可能存在十一维、膜结构和全息对应的新宇宙图景。

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