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乐享宇宙(除此之外你别无选择)/科学新悦读文丛

  • 定价: ¥59
  • ISBN:9787115543905
  • 开 本:16开 平装
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  • 出版社:人民邮电
  • 页数:170页
  • 作者:(西)阿尔瓦罗·德...
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  • 2020-12-01 第1版
  • 2020-12-01 第1次印刷
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导语

  

    自相对论和量子力学诞生以来,科学家们以其非凡的才智和超人的想象力为我们描述了一幅愈发让人觉得不可思议的宇宙图景。在本书中,知名物理学家阿尔瓦罗·德·鲁朱拉博士以幽默的语言讲述了现代物理学和宇宙学领域取得的激动人心的研究成果。小至亚原子世界,大至可观测宇宙,这本书将带领你快乐地在微观与宏观世界之间穿行,让你领略暗物质、引力波、反物质、中子星、超新星、黑洞、宇宙膨胀、时间旅行等宇宙奇迹。

内容提要

  

    这是一本快速了解宇宙学和粒子物理学基本概念和前沿研究进展的通俗读物。本书从亚原子粒子和天体宇宙两个极端尺度进行介绍,内容涉及暗物质、引力波、宇宙背景辐射、反物质、玻色子、力的统一、黑洞、大爆炸、宇宙膨胀、宇宙未来的命运等。为了便于读者更好地理解这一奇妙而又高深的领域,作者尽量采用通俗的语言和各种类比进行描述,并搭配了大量有趣的插图。我们可以从中体验到宇宙之美和物理学之美。
    本书适合对天文学和物理学感兴趣的读者阅读。

媒体推荐

    人类历史上最伟大、最美妙的故事不是游吟诗人唱出来的,也不是剧作家和作家写出来的,而是科学讲出来的;科学所讲的故事,其恢弘壮丽、曲折幽深、惊悚诡异、恐怖神秘,甚至浪漫和多愁善感都远超出文学故事。
    ——刘慈欣,科幻作家,《三体》作者
    从大爆炸、宇宙膨胀到错综复杂的量子物理,阿尔瓦罗-德-鲁朱拉博士带领我们进行了一次激动人心的旅行。他告诉我们已经知道了多少,还有多少我们尚不知道。他那独特的幽默风格和出色的洞察力将给我们带来非凡的阅读体验。
    ——巴里·巴里什,诺贝尔物理学奖得主,加州理工大学教授
    这本书涵盖了超级广泛的科学尺度:从粒子理论到宇宙学。阿尔瓦罗·德·鲁朱拉博士以其出色的洞察力和想象力将这些高深的科学理论讲述得通俗易懂,向我们展示了一幅奇妙的宇宙图景。
    ——谢尔顿·李·格拉肖,诺贝尔物理学奖得主,波士顿大学教授

目录

第1章  把物理作为一种艺术形式
第2章  把科学当作一种体育运动
第3章  麻烦的单位问题★
第4章  科学的方法
第5章  三个相对论
第6章  一次快速宇宙旅行
第7章  基本作用力及其“携带者”
第8章  迄今为止发现的所有基本粒子
第9章  量子力学插曲
第10章  理解相对论和量子力学
第11章  自旋、统计学、超新星、中子星和黑洞
第12章  平行世界
第13章  一段有关“R2QFT”的插叙★★
第14章  力的统一
第15章  一段插叙:基础科学有用吗
第16章  再谈双生子
第17章  宏观物理学的一些工具
第18章  引力波辐射的发现
第19章  对引力波的直接探测
第20章  微观物理学的一些工具
第21章  LHC及其探测器
第22章  希格斯玻色子及其真空场
第23章  现今的粒子和引力的标准模型
第24章  宇宙膨胀
第25章  寻找宇宙化石
第26章  宇宙中的反物质在哪里
第27章  再谈宇宙背景辐射
第28章  “旧”大爆炸理论的问题★★
第29章  暴胀
第30章  标准模型的局限和奇异之处
第31章  基本相互作用的离散对称★★★
第32章  暗物质
第33章  “结构”的起源
第34章  宇宙的命运
第35章  重提以太
第36章  碰撞
第37章  尽管我们承认自己无知
术语解释

前言

  

    大多数人,包括他们中的大多数科学家,之所以熟悉一些体育项目的规则和近期比赛的结果,可能是因为他们自己参与过这些项目,或者只是因为关注这些体育赛事。大多数科学家也会在他们的行业中进行实践,即使不自己动手,也会认为关注科学的发展是很有趣的。我们对体育和科学或者“大多数科学家”和“大多数人”的类比就到这里为止了。
    大多数非科学工作者不会坚持认为理解我们恰好所在的宇宙或者只是试图去理解它也是非常有趣的。对于科学文章来说,“我什么都弄不懂”可不是什么少见的反应。在我看来,主要的原因不是科学有多无聊或者高深莫测,更普遍的情况是科学没有得到很好的普及。
    但即使是在一个幼儿园里,孩子们也会被教给一些“科学方法”:做实验并从结果中得出结论。具体来说,可以给一群非常小的孩子一架天平、一个水壶、一种用来测量液体体积的厨房用具和不同类型的球(比如网球、高尔夫球、乒乓球、台球……),这个实验的主要目的是找出什么使得这些球浮起来或沉下去。
    结果有点让人惊讶:孩子们很快就弄明白了大小不是问题,关键是某些和质量相关的东西。如果他们不是还在蹒跚学步的小孩子,那么稍微给他们一点提示,或者给他们一些同样大小而质量不同的球,他们甚至有可能发现答案与质量和体积之间的关系(二者之比是密度)有关。游戏更有效率,而且如果是以小组的形式进行的,则能让孩子们了解到合作的益处。游戏还可以给孩子们带来很多乐趣、有用的思考方式,使孩子们获得基于好奇心和建设性疑问的解决问题的方法。
    上面这段话并非基于科学家非常热衷的思想实验,而是来自真实世界中的孩子们所参与和操作的很多“实验”的结果。有一个成功而资金并不充裕的教育项目,由美国诺贝尔物理学奖获得者利昂·莱德曼发起,被称为“动起手来”(Hands On)。这个项目采用了“尝试-错误-再尝试”的教学方法,并特别对芝加哥的“问题街区”的小孩进行了测试。该项目已经从美国传到了法国等国家,它在法国被称为“动手玩面团”,由诺贝尔物理学奖获得者乔治·夏帕克发起。
    在中学甚至大学阶段也存在类似“动起手来”这样的主动学习项目。在这一教学阶段,存在的问题可能是老师自己并不是很擅长教学,至少卡尔·威曼是这么认为的。卡尔·威曼同样是诺贝尔物理学奖获得者,他积极从事这一阶段的教学活动。在该阶段,关键是抛弃过时的、强调不断重复和死记硬背的教育方式,代之以更有建设性的方法。
    本书不是为(特别小的)孩子而写的,也不是为物理学家而写的。本书是为任何有兴趣了解当前我们对宇宙的基本科学认识的人而写的,不管他受过什么样的教育。“宇宙”一词在这里指的是从最大的天体(宇宙本身)到最小的物质(基本粒子,它们的性质不需要通过更小的组成部分就能解释)的所有可观测的对象。在这个领域已经出版了许多著作,那么为什么要再写一本呢?因为试图认识宇宙的那些尝试真的很有趣,我无法抵挡分享它们并表达出我个人所体验到的这份愉悦的冲动。
    某些读者也许对数学比较敏感。别怕,我只会用到很少的代数『即用符号来表示概念(比如E=mc2)或者概念之间的关系(比如不等号≠、约等号≈、正比号∝、大于号>)]和算术[即加减乘除四则运算和幂运算(比如103,也叫10的立方,等于1000)]知识。我可能偶尔也会用到平方根和向量,但一定会进行提醒。
    另外,还有3项事先的提醒。对于每个稍微涉及代数知识或不可避免有些难懂的章节,我都会在标题中标注一个、两个或三个星号进行提醒。读者可以根据自己的喜好跳过不看。一些脚注包含技术性的说明,以满足有相当知识储备的读者的需要。在全书的最后附有术语解释,因为很多在一处出现而又在后文中被用到的概念和名词读者在阅读时很难全部记下来,比如费米子、玻色子以及第10章中各种力的名字。

精彩页(或试读片断)

  

    第1章
    把物理作为一种艺术形式
    如果上帝创造宇宙时咨询过我,我会建议他搞简单点。
    ——卡斯蒂利亚王国的阿方索十世(1221-1284)
    这位国王的这段话是用来评论精确、普及面很广而又非常复杂的托勒密太阳系模型的。在这个模型中,行星以非常复杂的轨道绕地球运转,而不是绕着太阳运转。这位杰出的国王、智者阿方索十世有很好的直觉:事实的确更简单!
    对科学家来说,“简单”的同义词是“美”,例如描述宇宙的方程之美。但是,为那些不一定很懂数学的读者写物理科普书的第一条准则就是不写任何方程。但可能有个例外,即E=mc2。这个方程经常被错误地解释。谁能忍住打破这个规则的诱惑?为了掩盖我的“不轨行为”,我打破这个规则写了另外一个方程,见图1。
    在图1中,黑板上的神秘涂鸦是广义相对论的爱因斯坦场方程。这个简单的公式包含了“物理学家所知道的全部知识”的很大一部分——在一个基本水平上。它说引力是由引力场的特征来描述的,并融人了方程的左边,也就是等号的前面。引力的“源”(等号右边的部分)是任何有质量和/或能量以及动量的物质。这个方程描述或者预言了(除了那些不可思议的精度之外)广为人知的砸到牛顿头上的苹果、GPS卫星里钟表的行为、行星的轨道(包括水星轨道及其近日点的奇怪“提前”)、星光由于太阳的引力而出现的偏折、恒星和星系的运动、黑洞的存在、双脉冲星辐射的引力波以及黑洞的并合……一直到宇宙的膨胀。谁会不承认从简洁的意义上说这是一种美的行为?
    在图l中,右上角黑板上的内容是爱因斯坦追加的,后来他认为这可能是他最大的错误。然而,后来人们发现这可能是他的主要贡献之一。这可不是那么容易说的哦。符号∧的意思是宇宙常数。它被加到图中的另一个方程中,可以被诠释为“真空的能量密度”。如果∧不是零,那么真空就不是真的空,就像我们将在第22章第一部分详细论述的那样。目前,宇宙常数是对当前宇宙加速膨胀这一观测事实的最简单解释。对一个正的∧,宇宙中的“一大块”真空将引力互相推开,因此产生了加速。这难道不是很“美丽”,或者至少可以说是让人着迷的吗?
    恰好有个深奥的问题还没有严谨的答案:为什么自然的基本法则是优美且简洁的?一位诺贝尔物理学奖得主(不像我在序中的做法那样,我在这里略去他的名字)有一个不太确定的答案:看看我们的星球就足以下结论,如果有什么人创造了宇宙,她肯定是胡乱做的;否则的话,你要如何解释,例如,许多国家的政局情况?你大概注意到了这位诺贝尔奖得主是一位女权主义者,因为他假设造物主是一位女神。这位女神恰好有不错的品位,我指的是周末的活动,在休息时她应该会去读上一周的物理学文献。当她碰到了一些无法抗拒的美丽东西时(我已经给出了一个例子),她确定那就是真相。这里指不可避免的自然法则。因为这位女神是万能的,新的自然法则变成永远正确的了……它甚至在应用到过去时也无法被打破。
    正确的答案总是最简单的说法,这一情况并不仅仅存在于科学中。“简单的说法”依据的是奥卡姆剃刀原理,这个原理由英国苦行修道士和哲学家奥卡姆的威廉(约公元1287-1349)提出。在许多场合,特别是在科学领域,从复杂的假设中区分出更简单的因素的工具并不需要像剃刀那么锋利,甚至一个汤勺就可以了,见图2。一个清晰的例子就是行星运行轨道的日心说观点和更复杂的地心说观点,后者认为地球是宇宙的中心。
    P1-3