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出版者:Springer Verlag

作者:Hilton, Peter John/ Holton, Derek Allan/ Pedersen, Jean

出品人:

页数:351

译者:

出版时间:2002-1

价格:$ 67.74

装帧:HRD

isbn号码:9780387950648

丛书系列:

图书标签:

• 数学史
• 数学哲学
• 数学普及
• 数学思想
• 数学文化
• 数学认知
• 数学教育
• 科学史
• 人文科学
• 通俗读物

好的，这是一本名为《宇宙的边界》的图书简介，专注于探讨宇宙学前沿的理论和观测成果，内容详实，旨在为读者提供一个深入理解我们所处宇宙的宏大图景。 --- 图书简介：《宇宙的边界：探索暗物质、暗能量与时空尽头的奥秘》 导言：我们身处的宇宙——一场宏伟的未知之旅 人类对宇宙的探索从未停歇。从古希腊的哲思到伽利略的望远镜，再到今天我们捕捉到的引力波和宇宙微波背景辐射，我们对宇宙的理解经历了翻天覆地的变化。然而，每一次进步都揭示出更深层次的谜团。当前，标准的宇宙学模型——ΛCDM（Lambda Cold Dark Matter）模型——虽然取得了巨大的成功，却也明确指出，我们所能直接观测到的普通物质，仅占宇宙总能量密度的不到5%。剩下的95%，是神秘的暗物质和驱动宇宙加速膨胀的暗能量。 《宇宙的边界》正是在这一背景下应运而生。本书旨在带领读者跨越传统知识的藩篱，深入探索当代宇宙学最前沿、最激动人心的领域。它不仅仅是对现有知识的总结，更是一次对未知疆域的理性远征，聚焦于那些挑战我们现有物理学框架的核心问题。 第一部分：黑暗的统治者——暗物质的本质与搜寻 暗物质，这个看不见、摸不着却又主宰着星系结构形成的物质，是本书首先要破解的谜团。我们如何确定它的存在？这种确定性是如何建立在引力效应之上的？ 1. 历史的线索与不可见的引力之手： 本书详述了暗物质发现的历史脉络，从弗里茨·茨威基对后发座星系团的观测，到维拉·鲁宾对旋转曲线的精确测量。我们详细分析了星系旋转曲线、星系团的引力透镜效应以及宇宙大尺度结构形成的计算机模拟，这些都是暗物质存在的关键“签名”。 2. 候选者与实验的较量： 暗物质究竟由什么粒子构成？本书系统梳理了主流的理论候选者，包括弱相互作用大质量粒子（WIMPs）、轴子（Axions）以及更轻的粒子。我们深入探讨了全球范围内正在进行的直接探测实验（如XENONnT、PandaX等）的原理、面临的技术挑战以及它们如何一步步排除特定的参数空间。同时，对间接探测（如寻找高能伽马射线或正负电子对的湮灭信号）和对撞机实验（如LHC）的最新进展也进行了全面回顾。 3. 宇宙中的暗物质分布： 暗物质并非均匀分布。本书运用最新的数值模拟结果，展示了暗物质如何形成宇宙的“骨架”——即“暗物质晕”。我们探讨了暗物质在星系形成、星系团演化中的关键作用，并讨论了“小尺度危机”等模型面临的挑战，这可能暗示着暗物质模型需要修正，或者我们需要更精细地理解普通物质的反馈作用。 第二部分：宇宙的加速器——暗能量的神秘驱动力 如果说暗物质是宇宙的“骨架”，那么暗能量则是驱动宇宙加速膨胀的“发动机”。这个发现是20世纪末最重大的科学突破之一，它彻底颠覆了我们对宇宙命运的传统预见。 1. 超新星的警示： 本书详细阐述了Ia型超新星作为标准烛光在测量遥远距离上的精确性。通过对1998年两个独立研究团队数据的深入剖析，读者将理解观测者是如何得出“宇宙膨胀正在加速”这一惊人结论的。 2. 宇宙学常数与宇宙的“真空能”： 爱因斯坦的宇宙学常数（Λ）重新登场，成为描述暗能量最简单的模型。然而，理论物理学对真空零点能的预测值与观测值之间存在高达$10^{120}$的数量级差异，这是理论物理学中最严重、最令人困惑的危机之一。本书对这一“宇宙学常数问题”进行了深入的哲学和物理学探讨。 3. 暗能量的动态探索： 暗能量是否恒定不变？本书介绍了多种替代ΛCDM模型的理论，如标量场模型（如“第五元素”Quintessence）和修改引力理论（Modified Gravity, $f(R)$引力等）。我们考察了未来观测计划（如DESI、Euclid、 रोमन太空望远镜）如何通过精确测量宇宙膨胀历史和物质的增长率，来区分不同的暗能量模型，从而揭示暗能量随时间演化的真实面貌。 第三部分：时空结构的重塑——引力波与宇宙的早期历史 当代天文学的革命性进展之一是引力波的直接探测。它为我们打开了观察宇宙中极端事件的“新窗口”，尤其是在宇宙早期和黑洞合并的剧烈过程中。 1. 观测的里程碑：LIGO/Virgo/KAGRA的成就： 本书详细解析了引力波的产生机制，并深入解读了前几次重大合并事件（如GW150914）的波形特征。我们探讨了这些信号如何帮助我们检验广义相对论的极限，并提供了关于黑洞和中子星质量分布的全新信息。 2. 多信使天文学的兴起： 2017年GW170817（双中子星并合事件）的观测，标志着多信使天文学的黄金时代的到来。本书描述了引力波信号如何与电磁波信号（伽马射线暴、千新星）同步观测，从而揭示了重元素（如金、铂）的核合成过程，并提供了对哈勃常数的独立测量。 3. 宇宙的“婴儿期”： 引力波天文学的终极目标之一是探测早期宇宙的引力波背景——可能是由宇宙暴胀时期产生的原始引力波，或是早期宇宙相变遗留下的信号。本书介绍了利用脉冲星定时阵列（PTAs）搜寻超低频引力波的最新进展，以及未来空间干涉仪（如LISA）在探测超大质量黑洞合并中的潜力。 第四部分：超越ΛCDM——前沿的物理猜想与未来展望 尽管ΛCDM模型取得了巨大成功，但它在解释暗物质的微观性质、暗能量的来源以及大爆炸奇点等问题上仍显不足。本书的最后部分将目光投向了理论物理学最富想象力的领域。 1. 暴胀理论的检验与遗产： 暴胀是解释宇宙平坦性、视界问题和磁单极子问题的关键理论。本书探讨了对宇宙微波背景（CMB）极化B模式的搜寻，以及如何通过测量原初引力波的张量-标量比（r值），来检验不同的暴胀模型。 2. 宇宙的终极命运： 基于现有的暗能量参数，宇宙的命运似乎是永恒膨胀，最终走向“大冻结”（Heat Death）。然而，如果暗能量随时间演化（例如，演变为“幽灵能量”或“再收缩”），宇宙的终局将截然不同。本书模拟了这些极端情景，并讨论了理论物理学家提出的对宇宙学“火劫”（Big Rip）的可能性。 3. 寻找引力理论的替代品： 我们是否需要修正爱因斯坦的广义相对论？本书考察了在星系尺度和宇宙尺度上修改引力的动机，以及这些修改如何试图在不引入大量暗物质或暗能量的情况下，解释观测到的引力效应的差异。 结语：未完待续的探索 《宇宙的边界》旨在提供一个综合的、批判性的视角，展示现代宇宙学是如何在一系列看似无法逾越的障碍前不断取得突破的。从微观粒子的搜寻到宏观尺度的时空几何，本书展示了物理学、天文学和数学如何交织在一起，共同描绘出这个宏伟而又充满未解之谜的宇宙图景。对于渴望了解我们世界最深层奥秘的读者而言，本书是进入这个激动人心前沿领域的理想指南。

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