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出版者:Elsevier Science Ltd

作者:Hosono, H. (EDT)/ Mishima, Y. (EDT)/ Takezoe, H. (EDT)/ MacKenzie, K. J. D. (EDT)

出品人:

页数:474

译者:

出版时间:2006-5

价格:$ 254.25

装帧:HRD

isbn号码:9780080449647

丛书系列:

图书标签:

• 纳米材料
• 材料科学
• 纳米技术
• 化学
• 物理
• 工程
• 生物医学
• 环境科学
• 催化
• 传感器

《无尽的边界：探索物理宇宙的极限》 简介 《无尽的边界：探索物理宇宙的极限》是一部深度聚焦于现代物理学前沿领域，特别是宇宙学、高能粒子物理学以及量子引力理论的综合性著作。本书旨在为具备一定科学素养的读者，提供一幅关于我们所处宇宙宏大图景和微观世界深层结构的清晰而富有洞察力的画卷。它不仅仅是知识的堆砌，更是一次思想的探险，带领读者深入到那些挑战人类直觉、考验现有理论框架的未知疆域。 本书的结构围绕着三个核心支柱展开：宇宙的起源与终结、物质的基本构成与相互作用、以及时空本身的本质。我们力求用最严谨的科学语言，同时辅以生动的比喻和历史背景，来阐述那些塑造了我们理解现实的复杂概念。 --- 第一部分：宏观的谜团——宇宙的起源、演化与命运 本部分将带领读者从可观测宇宙的边缘出发，回溯至“奇点”的边缘。我们首先回顾了标准宇宙学模型——Lambda-CDM模型的成功之处，包括宇宙微波背景辐射（CMB）的精确测量，以及大尺度结构形成对冷暗物质（CDM）的有力支持。 第一章：从大爆炸到暴胀的黎明 本章深入探讨了标准大爆炸模型的若干难题，特别是视界问题、平坦性问题和磁单极子问题。随后，我们将重点剖析“暴胀理论”（Inflation）。暴胀不仅仅是一个修补模型，它作为解决早期宇宙不均匀性的一个优雅框架，成功地将量子涨落放大为宇宙早期的密度扰动。我们将详细讨论暴胀的动力学机制，以及如何利用其预测的原初引力波的特征（如张量-标量比 $r$），与未来的观测（如普朗克卫星后续数据或下一代原力学望远镜）进行比对。此外，还会探讨“永恒暴胀”的可能性及其带来的多重宇宙（Multiverse）概念的哲学与物理学影响。 第二章：暗物质的幽灵 暗物质占据了宇宙物质总量的绝大部分，但其本质至今仍是一个谜。本章系统梳理了支持暗物质存在的强大引力证据：从星系旋转曲线、星系团的引力透镜效应，到重子声学振荡（BAO）。随后，我们将深入比较主流的候选者——弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的实验搜索进展，包括地下氙探测器（如XENONnT、LZ）的灵敏度提升，以及轴子（Axions）的间接和直接探测尝试。本章不回避主流模型可能存在的局限性，并简要介绍了替代性的引力修正理论（如MOND）在特定尺度上的表现和挑战。 第三章：暗能量与宇宙的加速膨胀 对宇宙加速膨胀的发现是20世纪末物理学最重大的突破之一。本章聚焦于暗能量——驱动这种加速膨胀的神秘力量。我们将剖析宇宙学常数（$Lambda$）的概念，并探讨“精调问题”（Fine-Tuning Problem）——为什么真空能量的观测值比量子场论的理论预测低了惊人的 $10^{120}$ 倍。我们还将考察更具动态性的暗能量模型，如昆塔（Quintessence）标量场，以及它们如何影响未来的宇宙演化路径——是“大撕裂”（Big Rip）、“热寂”（Heat Death）还是新的稳定态。 --- 第二部分：微观的基石——粒子、规范场与相互作用 第二部分将镜头聚焦于构成万物的基本粒子，深入探讨标准模型（Standard Model, SM）的结构、成就及其不可避免的局限性。 第四章：标准模型的辉煌与裂痕 本章详细解析了描述三种基本力（电磁力、弱核力和强核力）的量子场论框架。我们将审视基本费米子（夸克和轻子）的家族结构，以及传递相互作用的规范玻色子（光子、W和Z玻色子、胶子）。希格斯机制的引入，成功解释了规范玻色子和费米子质量的起源，这是标准模型最后的也是最关键的拼图。然而，本书也清晰地指出SM的“裂痕”：它无法解释引力、暗物质、暗能量、中微子质量，以及夸克和轻子的质量层级问题（Flavor Problem）。 第五章：超越标准模型：新物理学的蓝图 面对SM的不足，物理学家们提出了许多“新物理学”（BSM）的框架。本章侧重于对最受欢迎的扩展理论的严谨介绍。 超对称性（Supersymmetry, SUSY）： 理论上可以解决希格斯玻色子的“等级问题”，并为暗物质提供了一个自然的候选者（如最轻的超对称伴侣 LSP）。我们将讨论不同类型的SUSY破缺机制，以及LHC实验对轻量级超对称粒子的排查进展。 额外维度理论： 探讨将时空维度扩展到四维以上（如Kaluza-Klein理论，或Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali (ADD) 模型）如何解释引力的弱化（即为什么引力比其他力弱得多）。 大型统一理论（GUTs）： 探讨将强核力、弱核力和电磁力在极高能量下统一的数学尝试，及其对质子衰变速率的预测。 第六章：中微子：质量之谜的钥匙 中微子是标准模型中唯一具有质量的费米子，其质量的微小性和质量起源是连接高能物理和宇宙学的关键桥梁。本章深入探讨中微子振荡的现象，解释了其质量的不可避免性。我们将详细分析“跷跷板机制”（Seesaw Mechanism），该机制推测存在极其沉重的右手中微子，并解释了这种机制如何自然地与宇宙中的“重子物质-反物质不对称性”（Baryogenesis）联系起来，为我们为何存在于一个物质主导的宇宙提供了潜在的解答。 --- 第三部分：时空的终极结构——量子引力与信息 本书的最后部分探索了物理学中最具挑战性的领域：如何将描述微观世界的量子力学与描述宏观引力（时空）的广义相对论统一起来。 第七章：引力的量子化困境 广义相对论是描述大尺度时空几何的成功理论，但当试图用量子场论方法处理引力时，会遇到不可重整化的无穷大。本章将阐述为什么引力子（Graviton）的量子场论在普朗克尺度下失效。我们将回顾爱因斯坦的场方程的几何本质，并将其视为一种“有效场论”（Effective Field Theory），而非终极理论。 第八章：弦理论：万有理论的尝试 弦理论是目前最有希望的量子引力候选者。本章将介绍弦理论的基本思想——将点状粒子替换为一维的“弦”，以及这一替换带来的深刻后果：引力子自然地出现在谱系中。我们将讨论超弦理论的五种类型，它们如何通过“对偶性”统一，并引入了“M理论”的概念，即所有五种超弦理论可能都只是一个更高维度理论在不同边界条件下的投影。同时，本书也会客观地讨论弦理论面临的实验验证困境，例如需要极高能量的普朗克尺度，以及“景观理论”（Landscape）带来的预测能力分散问题。 第九章：黑洞热力学与信息悖论 黑洞是广义相对论和量子力学的交汇点，是检验量子引力理论的终极实验室。本章首先复习贝肯斯坦-霍金熵和霍金辐射的概念，解释了黑洞具有温度和熵。随之而来的是著名的“黑洞信息悖论”：落入黑洞的信息是否真的永远丢失了，从而违反了量子力学的幺正性原则？本章将探讨近年来基于 AdS/CFT 对应关系（全息原理）提出的解决方案，例如虫洞、火墙（Firewall）争议，以及量子纠缠在信息逃逸机制中所扮演的关键角色。 --- 结语：未竟的探索 《无尽的边界》最终将读者带回起点，但视角已然改变。我们认识到，人类对物理宇宙的理解仍处于一个激动人心的过渡阶段。从暗物质的本质到量子引力的终极形态，从宇宙暴胀的精确参数到信息在黑洞中如何被编码，每一个问题都指向下一个伟大的物理学突破。本书的结论在于，科学的边界并非静止不变，而是随着我们想象力的拓宽和实验技术的进步而不断后退，宇宙的边界，正如其名，是无尽的。

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