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宇宙的结构

  • 定价: ¥99.9
  • ISBN:9787534999741
  • 开 本:16开 平装
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  • 出版社:河南科技
  • 页数:266页
  • 作者:(特立尼达和多巴...
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  • 2020-06-01 第1版
  • 2020-06-01 第1次印刷
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导语

  

    《宇宙的结构》这本书最迷人之处在于,它既是一本关于历史的回忆录,又是一本推广物理学的前沿科普著作,还是一本普及爵士乐的轻松读物。斯蒂芬·亚历山大关于宇宙结构和相关历史的研究,和他的人生故事一样,值得一读。

内容提要

  

    我们的宇宙是一首即兴创作吗?宇宙结构与音乐之间有着什么样的秘密联系?我们的宇宙本质上是一个音乐宇宙吗?《宇宙的结构》一书是理论宇宙学家、萨克斯演奏家斯蒂芬·亚历山大的颠覆式新作,他在书中创新地揭示了音乐和宇宙结构之间的秘密联系,非常独特。
    物理与音乐看似是对立的,但在《宇宙的结构》一书中,斯蒂芬·亚历山大将带领我们走过他非凡的探秘旅程——从毕达哥拉斯到爱因斯坦,从爵士乐到理论物理学,从天籁之音到弦理论,并揭示出:宇宙结构的起源实际上可能与爵士乐的即兴演奏有着很大的相似之处,那就是都是一种振动与共振!

媒体推荐

    在《宇宙的结构》这部极具创造力的作品中,斯蒂芬·亚历山大带领我们走过了他非凡的旅程——从爵士乐到理论物理学,从天籁之音到弦理论。
    ——利昂·库珀,物理学家,诺贝尔物理学奖得主
    斯蒂芬·亚历山大带我们一起踏上了他的“孪生探索之旅”:不仅是他探索物理学的旅程,还是他探索爵士乐演奏和作曲的基本原理的旅程。斯蒂芬·亚历山大是一个伟大的故事讲述者,他为我们生动地描绘了那些音乐大师和科学大师的形象,而这些大师们也反过来引导着斯蒂芬进行探索,从而揭示了阿尔伯特·爱因斯坦创造的宇宙中普遍模式与对称性和约翰·柯川的联系。如果你要用一个晚上的时间来思考艺术和科学之间的关系,那就读读这本书吧。
    —— 李·斯莫林,圈量子引力论创始人,畅销书《时间重生》作者
    在科学发现的过程中,直觉和无意识的力量是最为重要的启蒙。身为一流的物理学家和爵士音乐家,斯蒂芬·亚历山大拥有一副独特的“嗓音”。聆听他,你将听到宇宙的音乐。
    ——爱德华·弗伦克尔,加州大学伯克利分校数学系教授
    《宇宙的结构》这本书也可以被称为“物理学的快乐”,而那快乐的源头就是斯蒂芬·亚历山大对宇宙深深的喜爱和无限的好奇心,以及他在探索宇宙的过程中寻获的纯粹的快乐。对他所热爱的爵士乐来说,斯蒂芬·亚历山大是一个充满智慧的即兴演奏者,而他对宇宙的即兴演奏充满了各种设想。很高兴看到这一切。
    ——布莱恩·伊诺,艺术家,作曲家
    乍一看,物理学和音乐似乎并不是对方最显而易见的“伙伴”,但这两个看似不相干的领域事实上却有很多共同点。既是萨克斯演奏家又是理论宇宙学家的斯蒂芬·亚历山大是将这两种角色联系起来的最佳人选。事实上,这本《宇宙的结构》便揭示了“音乐和宇宙结构之间的秘密联系”。这本书融合了扎实的物理学知识和个人轶事,在把现代爵士乐和现代物理学结合起来这方面做得非常出色。
    ——《物理世界》年度最佳书籍短评
    《宇宙的结构》这本书迷人之处在于,它既是一本关于历史的回忆录,又是一本推广物理学的前沿科普著作,还是一本普及爵士乐的轻松读物。斯蒂芬·亚历山大探索了现代宇宙学的前沿,提出了一个令人信服的理念:从最小的物质的粒子到z大的星系团结构,振动和共振都是我们周围物理结构的核心。斯蒂芬·亚历山大关于宇宙结构和相关历史的研究,和他的人生故事一样,值得一读。
    ——《纽约时报》

作者简介

    斯蒂芬·亚历山大,布朗大学物理学教授,主要研究理论宇宙学、量子引力和粒子物理学,荣获美国国家科学基金会杰出青年教授奖(NSF CAREERAward)。曾任教于宾夕法尼亚州立大学、哈弗福德学院和达特茅斯学院。
    爵士乐演奏家,与知名电子乐乐手埃琳·里乌(Erin Rioux)合作制作了自己的第一张专辑,名为《来了》。
    本科毕业于哈弗福德学院,在布朗大学获得博士学位,并在伦敦帝国理工学院和斯坦福大学直线加速器中心进行科学研究。

目录

前言  以爵士之眼,透视物理学之奥秘
第一部分  当物理学与音乐相遇
  01  巨人的步伐
    音符的魔法
    与爱因斯坦相遇
    音乐是一个“物理事件”
    像科学家一般“种下科学”
  02  寻梦物理学,无所畏惧地向最难的问题发起进攻
    库珀的诺贝尔奖之路
    成为物理学家
    探秘伊辛模型
  03  通向宇宙结构的所有河流
    爵士乐,通向实验思想的大道
    宇宙大尺度结构如何而来
第二部分  音乐与那些科学家的故事
  04  弦论,审视美丽宇宙之声
    倾听宇宙的交响曲
    物理之美,数学之美
    与方程式“共舞”,在和弦变化之间“演奏”
  05  毕达哥拉斯之梦
    万物皆存在于数的和谐之中
    从托勒密到牛顿,一场反直觉的探索
  06  伊诺,音乐宇宙学家
    李·斯莫林,还有我的新朋友
    音乐视角中的傅立叶变换
    宇宙是否也是一种即兴创作
  07  在爵士乐中,打破物理学的界限
    即兴创作与物理学
    相对论中的6个音符
  08  无处不在的振动
    牛顿定律:一切孤立物体都有惯性
    宇宙结构,某种振动模式的结果
第三部分  宇宙本身是否就是一件乐器
  09  野心勃勃的物理学家们
    退出物理学界,成为生物学新人
    所有生命都是量子现象
  10  我们生活于其中的空间
    空间远比运动在其中的物质更有趣
    爱因斯坦的方程可以用来描述整个宇宙的时空
    “点燃”宇宙的膨胀
  1l  会发声的黑洞
    黑洞,已知最神秘的天体
    研究黑洞前,我们要知道声音如何在水中运动
    听,黑洞正在“演奏”
  12  声音与静默,宇宙结构的和谐旋律
    一切都要归功于声音振动
    引力与辐射,让声波不断响起
    宇宙是一首音乐吗
  13  马克·特纳的量子头脑之旅
    海森堡不确定性原理
    光子本质上还是一种波
  14  费曼的爵士风
    爵士乐是一种语言
    音符像是在跳一场量子之舞
    费曼的“即兴创作”
  15  宇宙的共振
    声音宇宙的奥秘
    打开了一个潘多拉魔盒
第四部分  我们的音乐宇宙
  16  噪声之美
    聆听来自噪声的音乐
    暴胀场正是我们宇宙的“导体”
    有可替代的暴胀模型吗
  17  音乐宇宙
    宇宙是音乐的
    宇宙之声正是这件乐器,而这件乐器正是宇宙之声
  18  星际空间
    把复杂简单化
    创造一个结构,它终将理解宇宙自身
后记
致谢
注释

前言

  

    以爵士之眼,透视物理学之奥秘
    正是直觉告诉我,音乐是直觉的原动力。我的这项发现源自乐感。
    ——爱因斯坦
    (当他被问到有关相对论的问题时)
    我最为珍视类比法,它是我最信赖的导师。
    它们洞悉了自然界中的一切奥秘,但在几何学等域中被忽视了。
    ——开普勒
    人类是独一无二的存在。在宇宙诞生110亿年之后,在被我们称为“地球”的这颗行星上,富含矿物质的海洋充满生机,这种条件刚好适合孕育生命——不断发展、进化的艰难求存者。在宇宙演化的最后一段时期,人类已经成长起来,一边辛勤地耕作,一边大胆地仰视天穹,以探究“我们从哪里来”的大问题。
    每一文化背景下的人都曾沉思:人类是如何诞生的?宇宙又是如何形成的?我们周围的空间是什么?人类来自哪里?无疑,这些我们在孩提时代就问过的问题,在科学界依然是最难回答的。这类问题既出于我们与生俱来的对自我起源的好奇,又出于我们自身知识的局限性。几千年来,我们只能用神话来作答。而从科学革命开始,我们一直在试图抛开神话,让科学家及其所应用的唯实的方法论来回答人类与宇宙的起源问题。虽然现代宇宙学家用复杂的方程和高科技的实验来佐证自己的理论,但他们可以说是我们这个时代的“神话制造者”。虽然我们进行了精确的数学计算与实验,但现代物理学和宇宙学中还是不断出现新的问题,这迫使一些杰出的物理学家制造出某些神话,以解释人类在探索宇宙本质的过程中所发现的令人费解的现象。
    科学家曾竭尽全力向普通读者解释那些构成现代宇宙学基础的概念,但在书中解释这些概念并非易事,因为用通俗的语言来阐释广义相对论、量子力学这些通常用数学语言来描述的学科,实在是困难重重。那些复杂的方程甚至会蒙蔽物理学家的眼睛,以至于想完全理解或是设想出这些公式到底意味着什么,于他们自身而言都是一项艰巨的挑战。这一事实表明,我们需要另辟蹊径,以清晰的物理图像或类比法来呈现宇宙的结构。我发现,在思想交流方面,最成功的书籍必然都找到了最合适的类比法来映现物理学。实际上,类比推理法也是本书阐释的关键。
    《宇宙的结构》这本书将带你进入理论物理研究进程之旅的最前沿。你将看到,与物理定律中固有的逻辑结构相反,在试图展示我们理解中的新远景时,我们通常必须接受一些荒诞且不合逻辑的演示过程,有时这些过程中还充满了缺乏深思熟虑的错误想法。对爵士乐手与物理学家来说,在各自的领域内努力掌握技术和理论固然十分重要,但若是想创新,他们就必须超越自身已经精通的技能。于理论物理而言,创新的关键是类比推理法。正确的类比是一门艺术,在本书中,我将向读者展示它是如何帮助我们开辟新天地,并横贯隐藏的量子世界,直抵宇宙广袤的超结构的。
    在本书中,我将以音乐作为类比,它不仅能帮助我们理解现代物理学和宇宙学中的许多知识,还有助于揭开物理学家面对的一系列最新的谜团。在撰写本书时,通过这种类比思维,我甚至发现了解决早期宇宙学中一个长期存在的问题的新方法。理解这一点的关键是“最初的结构是如何从空无一物、毫无特征的婴儿宇宙中产生的”,这也是宇宙学中一个重大的开放性问题。那些基本的物理定律以错综复杂的方式一起运作,从而创造并维持了宇宙那包罗万象的结构,而宇宙的结构则可以解释我们的存在,这听起来很不可思议——正如乐理的框架催生了从《一闪一闪亮晶晶》到爵士乐萨克斯演奏家约翰·柯川(John Coltrane)的《星际空间》(Interstellar Space)的一切一样。在三位伟人(柯川、爱因斯坦和毕达哥拉斯)的启发下,通过跨学科研究,我终于发现,“绽放”的宇宙那“魔法般的”行为正是建立在音乐的基础之上。
    大约10年前的一天,我独自坐在马萨诸塞州阿默斯特镇(Amherst)主街上一家灯光昏暗的餐厅里,正为一份物理学报告做准备。突然之间,我产生了一种冲动。我找到了一台投币电话和一本本地的电话簿,并鼓起勇气给尤瑟夫·拉蒂夫(Yusef Lateef)打了个电话。拉蒂夫是一位传奇爵士乐音乐家,刚从马萨诸塞大学阿默斯特分校音乐系退休。但是那个时刻,有件事我必须告诉他。
    ……
    这便是我的生命之旅。我是一个纽约出租车司机的儿子,我父亲来自特立尼达(Trnidad)。十几岁时,我便迷恋上了维克托·魏斯科普夫(Victor Weisskopf)的著作《有幸成为一位物理学家》(Privilege of Being a Physicist)。我的家人则希望我学习音乐。“只有两种事物能赋予生命价值,”诺贝尔奖得主、该书作者魏斯科普夫说,“那就是莫扎特和量子力学。”我热爱莫扎特,但在那时,我对量子力学所知不多。然而,这最终成为一段长久的“爱情”的开端。这段“爱情”成就了我的未来,并且包含了除量子力学与莫扎特之外的许多事物,而宇宙学与柯川将成为这种激情的核心部分。在成为一位物理学家的过程中,我接触到了一些那时预料之外的名字。我为自己铺设了一条融合爵士乐与物理学的非凡之路,最终我成了一位理论物理学家。我能取得这些成就,离不开过去的20年里老师和朋友的指导与认可,其中包括诺贝尔奖得主、超导理论的先驱、热爱音乐的利昂·库珀(LeonCooper),以及奥尼特·科尔曼(Omette Coleman)和布莱恩·伊诺(BrianEno)等热爱物理学的音乐家。他们使我明白了跨学科思维的重要性,以及类比法是扩展知识边界的重要手段。
    领略这些重要人物的思想是我们旅行的一部分;按照乐理的节奏轻叩节拍是我们旅行的一部分;追寻宇宙结构的演化是我们旅行的一部分;在物理学与音乐之间构建类比是我们旅行的一部分;不进行精确的类比,以及清晰地论证问题所需的严格计算,也是我们旅行的一部分。
    如何阅读本书
    《宇宙的结构》这本书将探索现代物理学、相对论宇宙学以及乐理的诸多方面,但读者并不需要具备这些领域的专业知识,因为书中已经包含了这些内容。以我多年的经验来看,通过讲故事的方式来学习是一种既有趣又有效的方法,可以将物理学中的复杂理念传达给读者。本书中的许多故事都包含着意义深远的概念。有时书中会出现一些美丽的方程,但领会某个概念并不需要理解这些方程。如果你遇到一个不理解的方程,我建议你直接跳过它,继续读下去。就我自己的经验而言,只要我定性地理解了一个概念,那么在事后我总能慢慢理解那个方程。尽管如此,我通常还是会用通俗的语言来推导和解释这些方程。
    我邀请你加人一场物理学家与音乐家共舞的盛会;我期待你与我共同探究和质疑;我希望你严肃地对待音乐类比,也许我们可以通过它做出关于宇宙的新发现。让我们来即兴演奏吧!

后记

  

    在任何科学发现的背后都有着形形色色的人,与他们精彩纷呈的故事。于我而言,我即兴发挥、不拘一格的道路是由我的物理学和音乐导师们带领的。在过去的30年里,我很荣幸能在吉姆·盖茨的教导下,学习理论物理的秘密。在1969年时还是一个又高又瘦的年轻人的他,穿着喇叭裤、留着一头非洲式的发型走进了麻省理工学院那条“恶名在外”的无限长廊,开始了他成为一位物理学家和宇航员的梦想。那时,年轻的吉姆·盖茨还没有与殁于“挑战者号”航天飞机事故的宇航员罗纳德·麦克奈尔(RonaldMcNair)成为朋友。在那个开创性的时代里,麻省理工学院物理系招收了一批黑人学生,包括雪莉·杰克逊(Shirley Jackson)与罗纳德·麦克奈尔,而这仅在约翰·肯尼迪总统要求立法“赋予所有美国人使用一切向公众开放场所的权利——包括酒店、饭店、剧院、零售店,以及其他类似的场所”,以及“对投票权更大力度的保护”。这些物理学家中的先驱为我们这一代科学家的蓬勃发展铺平了道路。
    此后,吉姆继续他在麻省理工学院的学习生涯,并最终拿到了物理学博士的学位。他的学位论文是麻省理工学院第一篇关于超对称性的学位论文,之后这篇论文成了一本大部头的教科书,即《超对称的一千零一课》(A Thousand and One Lessons in Supersymmetry)。之后,他拿到了哈佛大学的教.ymmetrk职,与迈克尔·佩斯金(正好是我的博士后导师)、爱德华·威腾和沃伦·西格尔(Warren Siegel)共享一间办公室。他们是这个领域中最优秀的代表人物。在那些年中,吉姆与我主要谈论物理学。当我在写这本书的时候,我与吉姆聊到他在哈佛大学度过的那段时光。他说,他与那时的办公室室友成了朋友,并且一直保持同事关系直到今天。然而,那时他被同事们的光芒所掩盖。 1977年,吉姆在哈佛大学工作期间收到了一封意料之外的来自阿卜杜勒·萨拉姆的信,后者彼时由于发现弱力与电磁力之间的统一而刚获得诺贝尔奖不久。萨拉姆是吉姆一代理论物理学家眼中的传奇人物,所以想想大家听到萨拉姆邀请吉姆访问自己团队时的反应吧!当时,萨拉姆正在从事超引力方向的研究,而吉姆是该领域的年轻先行者之一,所以他邀请吉姆加入自己的研讨会。在获得诺贝尔奖之后,萨拉姆建立了国际理论物理中心(ICTP),其任务旨在“发展高水平的科学项目,牢记发展中国家的需求,为各国科学家提供一个用于学术交流的国际论坛”。在这个论坛上,吉姆在自己的职业生涯中首次遇到了来自非洲、欧洲和中东各国以及中国等世界各地的物理学家。他意识到,物理学确实是一桩全球性的事业,而不仅限于欧美——这是主流媒体中常见的误导。 在研讨会结束后,萨拉姆与吉姆共进午餐时,吉姆的脑海中满是点子与问题想要与这位行业领袖分享。这时,萨拉姆蓦然对吉姆说:“总会有一天,人们会像做爵士乐一样来进行物理学研究。” 这是对这种即兴发挥、包容、文化与智力贡献的称为“爵士乐”的音乐多么高的称赞与认可啊!萨拉姆的言论体现出,一位创造了一种像爵士乐一样动感十足、隐喻丰富的音乐文化的天才是如何促进物理学的发展的!学习如何演奏我们称为爵士乐的音乐是一个终生过程。在其有据可查存在的近百年中,这种音乐已发展成一个同时具有智力和艺术要求的系统。例如,比波普爵士乐99.9%是由诸如查理·帕克、迪齐·吉莱斯皮、巴德·鲍威尔、马克斯·罗奇(Max Roach)和瑟隆尼斯·孟克(Thelonious Monk)等伟大之人(仅举此几例)在音乐学院之外发展起来的。在这些艺术家生活的年代,种族歧视还是“事实上的法律”,私刑还在不时被动用。所以,这些音乐为什么可以如此伟大,以至于它后来被称为“美国古典音乐”,很可能是美国产生的最有代表性的艺术形式之一?在经典的《英雄与蓝调》(The Hero andthe Blues)中,温顿·马萨利斯的导师之一艾伯特·默里(Albert Murray)指出,爵士传统的伟大背后是“对抗性合作”。在当时明尼苏达大学即将出版的《默里谈音乐》一书中,默里在与马萨利斯的对话中如此说:让我们从拙作《英雄与蓝调》中借来另一个概念,即“对抗性合作”。在某种意义上,这个词汇自相矛盾,但它总归是一种非常实用的记忆方法。如果你没有足够多的反对意见,那么你就无法向前发展。若想成为一位伟大的冠军,你必须有着同样出色的竞争对手。若想成为一位伟大的屠龙英雄,你要先有龙可屠。然而,即便存在着剧烈的竞争来促进大家的成长,爵士乐音乐家们也怀有包容心——任何人都可以走上舞台展现自我。如果你表现出色,那么下次就还会收到邀约。这一传统也是非常包容的。我曾是最不熟练的乐手,但依然受邀与威尔·卡洪(WillCalhoun)、马克·卡里(MarcCary)与约翰·贝尼特斯(John Benitez)等伟大乐手同台演出(他们都是格莱美奖获得者)。即使我的独奏不是最精雕细琢的,但有时也会妙手偶得一些有趣的,甚至怪异的片段,威尔都会注意到这些想法,并有时会将其结合到另一首歌中。 因此,当我听到萨拉姆的愿景,即会有一天,物理学可能看上去会像爵士乐一样,我是这样解读的:如果有一天,当物理学共同体像爵士乐共同体一样,能够抛弃自身信条、兼容并包来自所有人的贡献时,它将会达到新的高度,以及让我们能够解决曾经认为不可能解决的问题。我将爵士乐与物理学调和的路就是一个活生生的例子,展示了一小群物理学家是如何本着爵士乐传统的精神包容我,并让我与他们一同即兴创作物理学,并同时推动着我超越自己的极限。