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爱因斯坦与万物之理:统一路上人和事

探索世界本源的历程中领略量子力学、相对论、引力波、宇宙大爆炸、黑洞、弯曲时空、虫洞、奇点、平行宇宙、大设计、时间旅行、弦理论、暗物质、暗能量等理论的简约之美。

作者:张天蓉
丛书名:原点阅读
定价:39
印次:1-6
ISBN:9787302420668
出版日期:2016.03.01
印刷日期:2021.07.01

爱因斯坦逝世后,物理学家们在这条统一路上,又走过了一个甲子的历程。六十年的风风雨雨,点点滴滴,理论物理学家们作了些什么?统一之路如今走到了哪里?前途如何?本书作者从介绍牛顿力学、量子力学开始,到数学中的群论、对称守恒原理,再介绍标准模型、规范理论、量子场论、费曼路径积分、费曼图等等,让读者对理论物理中的“统一”大框架,特别是主流物理界公认的“标准模型”,有一个基本认识。最后,也探讨一下统一理论与大爆炸宇宙学、暗物质、暗能量的关系,以及标准模型的困难和局限,简要地介绍包括弦论、M理论、弦网等概念,让读者不仅领略到理论的美妙,科学家的追求,也体会到科学研究的艰辛,激励年轻人对探索自然规律的愿望和好奇心,踏进科学的大门。

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本书定名为《爱因斯坦与万物之理: 统一路上人和事》,其内容叙述的并不主要是爱因斯坦本人的工作和成就,而是记录了众多理论物理学家们在追求探索“统一理论”的道路上留下的足迹。 自古以来,科学家们就追求理论的完美,牛顿力学的经典理论算是实现了物理理论统一的第一座丰碑,法拉第和麦克斯韦将“电、磁、光”三者,统一在一组漂亮而对称的方程式中。爱因斯坦在成功地建立了两个相对论之后,便萌生了“统一大梦”,企图寻找一个能够解释万物的理论,但最后以失败而告终。至今又过去了大半个世纪,数千名物理学家前仆后继地追随爱因斯坦的梦想,探求万物之理。在这条坎坷的统一路上,看起来颇有进展却仍然未得其果。 几十年来,与统一大业有关而发展起来的理论模型不少: 基本粒子标准模型、宇宙大爆炸学说、描写相互作用的规范场、量子引力、超弦理论、1前言爱因斯坦与万物之理: 统一路上人和事超对称、M理论、大统一论、万有理论,哪一个算得上是统一理论呢?都是,又都不是。这所有理论中固然有不少交叉和重复,但即便所有理论的总和,也远远够不上是“万物之理”。 也许所谓的万物之理并不存在!实际上,每提出一个新理论,解决了某些老问题,又往往会产生出许多新的未解之谜。其实这就是科学发展进步的正常途径,寻找万物之理,不过是代表了人类追求探索大自然秘密的一个循环上升而无限逼近的过程而已。 此外,物理学是基于实验和观测的科学,正如著名物理学家温伯格所说: “物理学并不是一个已完成的逻辑体系”。过去和现在不是,将来也不会是。物理理论必须不断地改造和修正,不断地革命,才能符合从实验和观测中得到的新数据。 尽管万物之理难以企及,但是,追求美是人类的天性,追求一个统一的“万物之理”便是这种天性在物理学中的体现。 20世纪80年代初期,广义相对论量子化的研究曾经引人注目,在得克萨斯州大学奥斯丁分校的相对论及理论物理中心,荟萃了研究量子引力的几位大师级人物,其中有: 费曼的老师约翰·惠勒,引力量子化的奠基人布莱斯·德威特,霍金在英国的博士指导教授丹尼斯·夏玛。此外还有属于年轻一辈的几位。后来,又来了诺贝尔奖得主温伯格教授。笔者当年在那儿读博士期间感觉受益匪浅,也亲眼目睹了物理大师们孜孜不倦地寻求“万物之理”的奋斗精神。 几十年一晃而过,几位老一辈的物理学家已经作古,当年的年轻人也人到中年,仍然在继续努力,探索不止。 为此,笔者将这本小书奉献给渴求了解物理统一理论的广大读者们,并以此纪念那些为求万物之理而辛勤耕耘默默奉献的无数物理学前辈们!

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  • 作者简介:

    张天蓉,女,科普作家,美国得克萨斯州奥斯汀大学理论物理博士,现住美国芝加哥。研究课题包括广义相对论、黑洞辐射、费曼路径积分、毫微微秒激光、集成电路EDA软件等。发表专业论文三十余篇。2012年开始,出版一系列科普著作,其文风深入浅出,趣味盎然,亦保持科学的严谨性,深得读者喜爱。是第六版《十万个为什么》物理卷参编者之一。已出版科普读物:《蝴蝶效应之谜:走近分形与混沌》《世纪幽灵:走近量子纠缠》《电子,电子!谁来拯救摩尔定律?》《上帝如何设计世界:爱因斯坦的困惑》《数学物理趣谈:从无穷小开始》。

  • 为什么爱因斯坦最后三十年似乎一无所获?
    他晚年所追求的“统一理论”到底是什么?
    科学牛人们在物理学统一大业上都做了哪些努力?
    人类未来会创造一个放之四海而皆准的“万物之理”吗?

    二十世纪初物理界的两场革命,带给了我们相对论和量子理论。如今,物理学需要新一轮的革命,将两者结合统一在一起。这种微观和宇观的统一,是否能为物理学以及其他科学的统一之路,开辟出一条新的路径?相信科学家们将继续努力,让我们期待欣赏大自然更高一层次的“简约之美”!

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  • 引言:物理理论的简约之美

    第一篇:从牛顿到爱因斯坦

    1. 统一路上话牛顿

    2. 法拉第和麦克斯韦的忘年交

    3. 时间空间成一统

    4. 惯性、引力、与几何

    5. 突破维数的疆界

    6. 外尔-苏黎世一只孤独的狼

    第二篇:奇妙的量子世界

    1. 普朗克放出量子精灵

    2. 薛定谔的紧箍咒

    3. “不确定”的海森堡

    4. 哥本哈根的灵魂

    5. 狄拉克玩数学

    6. 泡利-上帝的鞭子

    7. 自旋的奥秘

    8. 造物者的灵符

    9. 费曼的游戏

    10. 粒子和场

    第三篇:对称和群论

    1.   少年天才创群论

    2.   奇妙的旋转

    3.   何谓“李代数”

    4.   数学才女论守恒

    5.   对称破缺之谜

    第四篇:粒子动物园

    1.   追寻世界的本源

    2.   从炼金术到周期率

    3.   原子模型

    4.   粒子家族大爆炸

    5.   基本粒子知多少

    第五篇:标准模型

    1.  规范理论之诞生

    2.  杨-米尔斯理论

    3.  上帝是个左撇子?

    4.  俘获上帝粒子

    5.  弱电同道

    6.  夸克世界五彩缤纷

    第六篇:大爆炸、统一论、及其它

    1.  观察时间的起点

    2.  世界为什么是这个样?

    3.  暗物质和暗能量的启示

    4.  群星灿烂

    5.  顽固的引力

    6.  轮椅上的奇迹

    7.  威滕的菲尔茨奖

    8.  期待革命

  • 1. 观察时间的起点

    从远古时代起,人类就开始了对天体运行及宇宙起源的探索和思考,无论是西方旧约中的上帝创世纪,还是中国神话中的盘古开天地,都将天地宇宙描述成是处于永恒的运动和变化之中。既然宇宙并非静止不变,那么,它是否有一个起点和终点?它是如何演化成我们现在所观察到的这种形态的?
    100多年前,大多数宇宙学家们认为宇宙是均匀而各向同性、没有开始没有结束。但是,1929年天文学家哈勃的观测事实改变了人们的观点,证明我们的宇宙正在膨胀。所有的星系都在远离我们而去,星系和星团间彼此的距离在不断增大。
    科学家们根据所观测到的宇宙膨胀数据,认为宇宙起源于大约137亿年之前的一次大爆炸,那时候,宇宙中的所有质量都集中在一个几何尺寸很小的“原生原子”上,我们现在所感受到的时间和空间结构,包括我们人类自身,就是从这个“奇点”爆炸而产生的。大爆炸理论并不完善。但它是迄今为止能够解释更多的天文现象而被物理学家天文学家普遍接受的宇宙演化理论。
    本书介绍的物理学统一理论,与宇宙学中的“大爆炸”理论又有什么关系呢?两者看起来好像迥然不同,研究对象的尺度更是天壤之别。统一理论研究的大多数是微观世界的规律:量子力学、量子场论,基本粒子,相互作用,是往微观方向深入发展下去。而宇宙学研究的是天文数字级别的星球、星系、宇宙演化,宇观尺度的事物。大爆炸理论,也只是一个假说,即使是真实的,也是发生在130亿年之前的事情,和我们现在进行的物理统一理论怎么能联系到一块儿呢?
    出乎人们意料之外,这两件事情的确是紧密相连的。
    可以将我们的“统一之路”用能量级别画出来,可知能量越高越走向统一,这也就是人类为什么要花费非常昂贵的经费来建造速度越来越高的加速器的原因,因为那是一条能够带领我们探索自然走向统一的“高能”公路。
    大自然是如此奇妙,巨大浩渺的宇宙,居然是起源于一个小得不能再小的奇点!而现在,理论物理学家们奔向统一孜孜以求的目标,正是指向那个奇点,指向万物之本源--时间的起点。
    我们的现代加速器技术,所具有的能量级别还很低,比发现希格斯粒子的位置稍高一点。人类也许自以为发现了很多大自然的奥秘,现代科技如此发达,统一理论应该指日可待了,看了这张图之后,你可能才恍然大悟,原来我们还差得很远啊!
    我们距离大统一理论及量子引力时代,的确还差得很远。并且中间还隔着一段漫长的未知“沙漠”。那沙漠中会有些什么呢?不探索是不知道的,即使有人弄出一个理论,预言了沙漠中的秘密,也仍然需要实验的验证。因此,人类仍然孜孜不倦地思考、工作,提高加速器的能量,发现更多的粒子,探索那一大片新沙漠。
    不过,话说回来,没有任何人造的粒子加速器能比得过大自然的力量。我们所追求的目标-能量极大的统一高能公路的终点,实际上就是宇宙之初,时间的起点。根据宇宙学的大爆炸理论,宇宙是由一个密度极大温度极高的太初状态演变而来的。在大爆炸开始的最初几分钟内,已经生成质子、中子、中微子等,合成了某些原子核。差不多走到了我们现在高能技术的水平。那么,多研究一些宇宙爆炸早期发生的事情,统一理论将会受益匪浅。因此,有时也将大爆炸理论成为宇宙学中的“标准模型”。
    读者可能会想,大爆炸已经发生了137亿年之久,人们常说,机不可失,时不再来,过去了的就永远过去了。我们又如何去抓回那遥远过去的大爆炸的那短短一瞬间呢?我们现在所看到的,是爆炸发生了137亿年之后的宇宙啊!
    上面的说法不全对,我们现在看到的,只是爆炸发生了137亿年之后的宇宙吗?不仅仅是这样。要知道,光线传到我们地球上,是需要时间的。地球距离太阳是8分钟的光程,光线从太阳传到地球需要8分钟的时间。也就是说,我们看到的太阳是它8分钟之前的样子。八分钟很短,太阳的变化可能不大,我们不会因此而感到大惊小怪。但是,如果考虑一个距离我们很远的星系,那就不能小看这个差别了。
    我们太阳系所在的的银河系,有一个比它大好几倍的邻居,叫做仙女座星系,据说是勉强肉眼可见的最远星系。2005年,天文学家测定它离地球的距离大约为250万光年。那就是说,我们观察到这个星系的形态已经是它250万年之前的样子了。换个角度来说,如果在这个星系中有某一个高等生物观察我们地球的话,他绝对看不见我们地球上如此发达的文明社会,他观察到的应该是250万年之前的地球,顶多可能看到几个原始人吧。
    因此,我们观测到的天体越遥远,我们便可能窥探到越古老的过去。通过观察遥远的星系,我们有可能研究星系,以至宇宙,最早期的形成过程。
    此外,大爆炸之后发生的许多现象,也在现在的宇宙中留下一些蛛丝马迹。微波背景辐射就是最典型的例子。物理学家认为,微波背景辐射是大爆炸后38万年左右那段时间遗留下来的辐射热,是来自宇宙初期的“最古老的光”。对这种“背景光”的研究和测量,给予我们很多宇宙早期的信息。
    近些年被天文学家们观测到并确认存在的暗物质和暗能量,使人们困惑,但也是大自然提供给我们的重要信息,对这两类未知物质的探索、研究、直到最后破解,必将使我们在统一的大道上迈进一大步。

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