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出版者:McGraw-Hill Science/Engineering/Math

作者:Thomas Moore

出品人:

页数:306

译者:

出版时间:2002-06-04

价格:$ 53.39

装帧:Paperback

isbn号码:9780072291520

丛书系列:Six Ideas That Shaped Physics

图书标签:

• 物理
• 教科书
• 物理学
• 科学史
• 思想实验
• 量子力学
• 相对论
• 热力学
• 电磁学
• 经典物理学
• 科学哲学
• 物理学史

《宇宙的织锦：探索宏观与微观世界的理论基石》 导言：在无限的尺度间追寻终极的秩序 自人类仰望星空，对世界本源的好奇心便未曾停歇。我们试图理解那些在最微小尺度上驱动物质的规则，以及在最宏大尺度上支配星系运动的引力。本书并非对既有经典物理学理论的简单回顾，而是一次深入的、跨越尺度的思想探险。我们将聚焦于那些在过去一个世纪中，彻底重塑了我们对实在（Reality）理解的、革命性的理论框架，探究它们如何从抽象的数学构建，演变为描述自然界基本运作方式的强大工具。 本书的篇幅将集中于描绘现代物理学的两大支柱——广义相对论的几何学与量子场论的概率性——是如何在各自的领域内取得无与伦比的成功，以及它们在面对彼此时的深刻矛盾。此外，我们将详细剖析支撑这些理论的基础性概念，它们是如何揭示出宇宙比我们直觉所能想象的更为奇异和精妙的结构。 第一部分：时空的新几何——引力与宇宙的动态结构 第一章：从牛顿的绝对时空到爱因斯坦的弯曲几何 牛顿的万有引力定律统治了数个世纪，它将引力描述为瞬时、超距的作用力。然而，随着对高速运动和精确测量的深入研究，这一经典图像开始显现裂痕。本章将详尽阐述爱因斯坦的广义相对论（General Relativity, GR）。我们不会仅仅停留在公式的罗列上，而是深入理解其核心哲学：引力不是一种力，而是由物质和能量决定的时空（Spacetime）的几何弯曲。 我们将详细探讨爱因斯坦场方程的含义，分析这些方程如何解释水星轨道的反常进动，以及光线在强引力场中的弯曲现象——这是对经典力学世界观的彻底颠覆。本章还将介绍黑洞的数学解，从史瓦西半径到事件视界，以及它们作为时空极端曲率的预测。我们甚至会触及对引力本身性质的探索，比如引力波的产生机制及其被探测的意义，这标志着我们首次能够“聆听”宇宙的剧烈事件。 第二章：宇宙学的黎明与膨胀的证据 广义相对论不仅解释了局部的引力现象，它也为理解整个宇宙的命运提供了框架。本章聚焦于宇宙学模型的构建。我们将回顾弗里德曼、勒梅特等人的工作，他们如何将爱因斯坦的方程应用于均匀、各向同性的宇宙，从而导出了膨胀宇宙的预测。 重点讨论“大爆炸”理论（The Big Bang Theory）的观测基础：宇宙微波背景辐射（CMB）的发现及其作为早期宇宙“快照”的重要性；星系的红移观测如何确立了哈勃定律，证明宇宙正在加速膨胀。本章还会深入解析标准宇宙学模型（Lambda-CDM Model）中的两个神秘组成部分：暗物质（Dark Matter）和暗能量（Dark Energy）。我们将检视支持它们存在的各种证据链，从星系旋转曲线到宇宙大尺度结构的形成，并讨论我们目前对这些非重子、非相互作用成分的理解局限性。 第二部分：微观世界的奇特领域——量子力学的革命 第三章：能量的离散化与概率的崛起 如果说广义相对论描述了宇宙的宏大结构，那么量子力学（Quantum Mechanics, QM）则统治着原子及亚原子粒子的行为。本章将追溯量子概念的诞生历程，从普朗克对黑体辐射的解释，到玻尔的原子模型。我们将详细剖析能量的量子化这一概念，理解光子（Photons）作为电磁辐射能量包的本质。 随后，我们将转向量子力学的核心表述。重点介绍薛定谔方程，理解其作为描述波函数随时间演化的基本工具，以及波函数 $Psi$ 本身所代表的物理意义——它编码了系统所有可能状态的概率幅。本章将详细阐述哥本哈根诠释（Copenhagen Interpretation），包括波函数“坍缩”的概念，以及测量问题所带来的深刻哲学困境。 第四章：粒子与场的交汇——量子场论的构架 单纯的非相对论性量子力学无法描述高速粒子和粒子产生/湮灭的现象。因此，我们需要一个能够融合相对论和量子的框架，即量子场论（Quantum Field Theory, QFT）。本章将构建这一理论的基础。 我们将解释，在QFT中，粒子不再是基本实体，而是特定量子场（如电子场、电磁场）的激发态。我们深入探讨狄拉克方程，它是对电子的相对论性描述，并成功预言了反物质的存在。随后，我们将介绍微扰论和费曼图（Feynman Diagrams），这是计算粒子相互作用概率的强大工具。这些图示不仅仅是计算捷径，它们提供了一种直观的方式来理解基本力的传递机制，即通过虚粒子（Virtual Particles）的交换实现。 第三部分：力的统一与前沿的挑战 第五章：电磁力与核力的量子描述——标准模型的建立 基于量子场论的成功，物理学家们构建了描述除引力外所有已知基本相互作用的框架——粒子物理学标准模型（The Standard Model, SM）。本章将系统地介绍标准模型的三大支柱： 1. 量子电动力学（QED）：对电磁相互作用的精确描述，这是迄今为止最成功的物理理论之一，其预测精度极高。 2. 量子色动力学（QCD）：描述强核力，即夸克（Quarks）和胶子（Gluons）之间的相互作用，解释了质子和中子的内部结构，以及“夸克禁闭”现象。 3. 电弱理论（Electroweak Theory）：成功地将电磁力和弱核力统一起来，并解释了希格斯机制（Higgs Mechanism），通过希格斯玻色子（Higgs Boson）的场激发，赋予了W和Z玻色子质量。 本章将详细分析标准模型的构成、它成功解释的现象，以及它固有的局限性，例如无法解释引力、中微子的质量，以及暗物质的存在。 第六章：理论的冲突与未来的边界 本书的最后一部分将直面现代物理学面临的根本性挑战：广义相对论与量子力学的不可调和性。在极高能量密度（如黑洞中心或大爆炸的最初时刻）下，我们需要一个能够同时描述时空几何和量子涨落的“量子引力”理论。 我们将探讨试图弥合这一鸿沟的领先尝试。重点介绍弦理论（String Theory）的基本思想，即基本实体是微小的、振动的弦，以及这一理论如何自然地在数学中包含了引力的量子描述，但同时也引入了额外的空间维度。我们还将简要概述圈量子引力（Loop Quantum Gravity, LQG）等替代方案，它们试图在不依赖额外维度的情况下，将时空本身进行量子化。 结语：永恒的探索 我们对宇宙的理解是一个不断演进的过程。本书展示了人类思维如何通过精密的数学和大胆的想象力，从观察到的现象中提炼出支配物质和能量的根本定律。虽然我们已建立了描述宏观和微观世界的强大理论，但这些理论间的裂缝，以及那些未被解决的谜团——如暗能量的本质——持续驱动着下一代物理学家去探索那未知的边界，揭示宇宙深层次的统一性。

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