引言 宇宙深处泛涟漪———从引力波谈宇宙学/ / 1
Chapter 1 去宇宙逍遥/ / 8
1. 从地球出发/ / 9
2. 太阳的生命周期/ / 16
3. 群星灿烂也不灿烂/ / 22
4. 钱德拉塞卡J限/ / 28
5. 天上有个好莱坞/ / 34
6. 河外星系知多少/ / 43
Chapter 2 牛顿的宇宙/ / 50
1. 永恒而稳定的宇宙图景/ / 51
2. 夜空为什么黑暗/ / 54
3. 引力佯缪/ / 61
4. 热寂说佯谬/ / 64
Chapter 3 有关无限的数学悖论/ / 68
1. 悖论、佯谬知多少? / / 69
2. 芝诺带你走向无穷小/ / 74
3. 希尔伯特旅馆悖论/ / 77
4. 缸中之脑/ / 82
5. 无限猴子定理/ / 87
Chapter 4 学点相对论/ / 89
1. 狭义相对论/ / 90
2. 广义相对论/ / 95
3. 引力场方程/ / 98
4. 相对论的实验验证和应用/ / 101
5. 不同的内蕴几何/ / 104
Chapter 5 探测引力波/ / 107
1. 宇宙学中的基本测量/ / 108
2. 探测引力波——时空的涟漪/ / 112
3. 电磁波和引力波/ / 115
4. 引力波速度为何等于光速/ / 123
5. 韦伯——探测引力波的先驱/ / 126
Chapter 6 黑洞物理/ / 132
1. 史瓦西解和黑洞/ / 134
2. 黑洞无毛/ / 137
3. 霍金辐射/ / 141
4. 宇宙中的恒星黑洞/ / 144
5. 超大黑洞和J小黑洞/ / 147
6. 双黑洞和引力波/ / 150
Chapter 7 哈勃定律/ / 156
1. 欲上九霄揽银河,浩瀚星海任遨游/ /157
2. 光——探索宇宙的利器/ / 163
3. 膨胀的宇宙/ / 171
4. 超光速的困惑/ / 177
5. 宇宙的形状/ / 183
Chapter 8 大爆炸模型/ / 190
1. 为宇宙膨胀建造模型/ / 191
2. 浑沌开窍宇宙诞生/ / 196
3. 霍伊尔的坚持/ / 201
4. 微观SJ的秘密/ / 204
5. 从夸克到宇宙/ / 209
6. 宇宙如何演化/ / 214
7. 探寻宇宙的D一束光/ / 223
8. 隐藏宇宙奥秘的古老之光/ / 230
Chapter 9 大爆炸的迷团和疑难/ / 237
1. 对大爆炸的误解/ / 238
2. 视界疑难/ / 245
3. 平坦性疑难/ / 251
4. 磁单J子疑难/ / 258
5. 上穷碧落下黄泉,暗物诡异不露面/ /263
6. 宇宙常数解疑难,捕风捉影论真空/ /268
Chapter 10 暴胀的宇宙/ / 274
1. CJ暴胀补缺陷/ / 275
2. 对称破缺,真空相变/ / 280
3. 平行宇宙似科幻/ / 284
参考文献/ / 288
前 言 2016年2月11日,星期四,上午10点30分,是一个在物理学界值得纪念的日子,美国的激光干涉引力波天文台,(LaserInterferometerGravitationalwaveObservatorg,LIGO)与加州理工学院、麻省理工大学等各处的专家们,在华盛顿召开了新闻发布会,向全SJ宣布于2015年9月14日1次直接探测到了引力波的息【1】。公众称之为GW150914事件,全SJ都为之振奋,天文界和物理界的专家们更是激动不已。为什么GW150914事件如此震动科学界? 物理学家们对探测引力波期待已久,而这个事件中探测到的引力波J是来自宇宙深处的时空涟漪。我们说这个涟漪泛起于宇宙的J深、J远处毫不夸张,因为它们发生于13亿年前,来自于距离我们13亿光年之遥的两个“黑洞”的碰撞。黑洞碰撞、时空涟漪、13亿年前……这些如梦幻、如诗歌一般的语言,突然转化成2016年春天到来之前的D一声惊雷。大概连天国里的爱因斯坦也会止不住开怀大笑起来吧,没想到啊,人类真的探测到了引力波。那是爱因斯坦在100年之前,建立了广义相对论一年后的一个精彩预言!天地广阔,乾坤永恒;茫茫宇宙,万物之谜,这些对人类好奇心的永恒诱惑,又何止让人类探寻了100年!不过,谈到引力波和黑洞,倒是让笔者回想起了30多年前在美国得克萨斯大学奥斯汀分校读博的日子。我D年博士论文的课题是有关引力波在黑洞附近的散射问题,ZM物理学家、引力理论专家约翰?惠勒是我的博士论文WY会成员之一。记得在D时的一次讨论会上,有人提到何时能探测到引力波的问题时无人作声,只有惠勒笑嘻嘻、信心满满地说了一句“快了”。我D时只知道推导数学公式,对探测引力波的实验一无所知,但惠勒这句“快了”在脑海中却记忆颇深,也从此关心起引力波是否真正存在以及何时能探测到的问题。1993年,传来了两位美国科学家获得诺贝尔物理学奖【2】的消息。他们便是因为研究双星运动,即两颗双中子星相互围绕着对方公转,而间接证实了引力波的存在。笔者D时便立即想起了惠勒的话,心想:果然“快了”!2000年,听说惠勒早年的一个学生,J是和惠勒一起合作《引力》这本书的加州理工学院教授基普? 索恩(Kip Thorne,1940年—),几年前启动了一个叫LIGO 的项目,专为探测引力波。1999年10月的“PhysicsToday”有一篇文章是关于此项目,笔者看了之后,脑海里又浮现出“快了”这句话。2007年,在加利福尼亚州偶然碰到一个原来一起在相对论中心学习的同学,他在某天文台做天体物理研究。谈及引力波,他也说“快了”,因为LIGO将在一年后再次升级,升级完成后J“快了”。2014年,又一次传来探测到引力波的消息。由于普通物体,甚至太阳系产生的引力波都难以探测,所以科学家们便把目光转向浩渺的宇宙。宇宙中存在质量巨大又FC密集的天体,如黑矮星、中子星,或许还有夸克星等。超新星爆发、黑洞碰撞等事件将会产生强大的引力波。此外,在大爆炸初期的暴胀阶段,也可能辐射强大的引力波。2014年有人提出哈佛大学设在南J的BICEP2探测器探测到了引力波,但这种“控测到”指的并不是直接的接收,而是大爆炸初期暴胀阶段发出的“原初引力波”在微波背景辐射图上打上的“印记”。但是,后来证实这是一次误导,是一次由尘埃物质造成的假“印记”【3】。据索恩所言,至少有一半的观测信号事实上是由星际尘埃导致的,而是不是WQ由尘埃所致目前还不清楚。直到2016年初LIGO的发布会,才正式宣告人类真正接收到了引力波。D初惠勒的这句“快了”,兑现起来也至少花了30多年,爱因斯坦J更不用说,已经整整等待100年了!探测到引力波对基础物理学意义非凡,它再一次为广义相对论的正确性提供了坚实的实验依据。为天体物理和现代宇宙学研究,开启了一扇大门,必将掀起相关领域的研究热潮,或许导致一场革命也说不定。宇宙学是Z古老的学科,也是Z现代的学科。从物理的观点来解释宇宙,称为物理宇宙学。物理宇宙学是一门年轻科学。从远古时代开始,人们J对茫茫宇宙充满了猜测和幻想:诗人和文学家们仰望神秘的天空,用诗歌和故事来表达抱负、抒发情怀;哲学家们哲思深邃、奇想不断;科学家们却要探索宇宙中暗藏的秘密。尽管人类的天文观测历史已经有几千年,但是将我们这个浩瀚宏大、D一无二的宇宙作为一个物理系统来研究,继而形成了一门称之为“宇宙学”的现代学科,却只是近100年左右的事情。这个推动力来自理论和实验两个方面:爱因斯坦的广义相对论和哈勃的天文观测结果。近年来,随着科学技术的进步,物理宇宙学从神话猜想发展到有了理论模型,至今已经发展成为一门精准的实验科学。由于现代天文观测手段日新月异的发展,宇宙学进入了它的黄金年代,理论发展似乎已经难以跟上大量观测数据积累的速度,各种模型和猜想不断涌现。并且,宇宙学中近十几年来的一系列重大发现对现有物理基础理论也提出了诸多挑战,比如,暗物质和暗能量的研究已经成为现代物理的重要课题。宇宙学可以说已经有过好几次革命:哥白尼的日心说D一次将人类的宇宙观移到地球之外;哈勃通过大型望远镜确定了数不清的星系;而近代的物理宇宙学则让人类开始思考和研究宇宙的起源。近代宇宙学到底研究些什么?有哪些具体的重要进展? 这个领域的发展实在太快,广大民众可能还知之甚少。即使是在学术界,大多数人对近年来宇宙学的事件也只是知其然,而不知其所以然,存在着很多的迷惑和误解(特别是对大爆炸理论)。有些人认为大爆炸是毫无证据的假说,甚至将其称为“西方宇宙学”。然而这不是事实,科学并无东西之分,尽管我们无法直接验证宇宙的“大爆炸”,也不能断定它J一定是宇宙演化历史的正确描述,但是由于航天实验卫星得到的大量数据的支持,主流学界的大多数人已经承认和接受了这个理论。作为一名科学工作者,有必要科普现代宇宙学的知识,让广大民众正确认识大爆炸理论,了解其来龙去脉,以及其中存在的疑难问题。中国是一个古老的文明大国,中国人自古J有谈天说地、思辨宇宙哲学问题的追求和习惯。宇宙到底有多大? 宇宙长什么样子? 宇宙来自何处? 将来如何演变? 宇宙是否也有生有死、有开始有结束?牛顿描述的宇宙与现代的宇宙观有何不同? 宇宙到底有限无限? 无穷大的哲学观点和数学思想给我们的宇宙观造成了哪些佯谬和悖论? 这些互相关联的种种宇宙奥秘,无论对有智慧、有思想的知识界,还是对好奇心强、幻想联翩的青少年,都是一种永恒的诱惑。读完这本小书,你会对上面提出的问题有一些基本的认识。更为重要的是,你可能会产生许多自己的想法,对茫茫宇宙,对这个环绕在我们周围的Z大、Z神秘的未知SJ产生浓厚的兴趣。让我们借助于引力波的阵阵涟漪,走向已经敞开的宇宙学大门。作者将用通俗易懂的语言和深入浅出的例子,带你轻松、愉快地涉足于宇宙学Z前沿。作者1先从太阳系开始,在D一章中介绍了行星、恒星、星系等基本的天体物理知识。D二章介绍牛顿的宇宙图景。D三章介绍无穷的概念引起的数学和物理中的佯谬,激发读者对物理理论的哲学思考。D四章则用Z少的篇幅让读者认识两个相对论的基本思想。D五章的目的。是使读者更深刻地理解2016年初探测到的引力波。作者从天文学中的距离测量谈起,使读者了解天文学中测量技术中的困难。然后,介绍引力波强度的微弱,进一步将它的各种性质与电磁波相比较,使大家认识到探测引力波的困难和重大意义。D六章则对黑洞的基本物理性质及分类进行探讨。D七章到D九章,将对现代宇宙学标准模型的基本原理、数学基础、大爆炸理论、重要结论和疑难、暗物质和暗能量、宇宙的未来等有趣的问题略作探讨。D十章简单介绍作为标准模型补充的宇宙早期暴胀理论。该书的读者定位于文理各个领域的大学本科生和研究生,对天文、数学、物理感兴趣的初高中学生,以及所有爱好科学、渴求了解宇宙历史及本质的广大群众。具有高中数学水平的读者,便可WQ读懂书中内容。但考虑到中国学生的数学能力较强、擅长逻辑思维,书中保留了少量的公式和简单推导,以便某些喜欢数学的读者能从中获益,能够对物理内容得到更深刻的理解。一般读者,则可跳过这些公式,不会影响阅读效果。书中也提到D今宇宙学标准模型存在的许多疑难,启迪人们对宇宙问题的思考。物理学的天空从来J不是晴空万里,20世纪初的两朵乌云掀起了经典物理的革命,从中诞生了相对论和量子论。如今,近代宇宙学天空中的重重疑云和片片暗点又将带给我们些什么呢? 人类期待着下一个爱因斯坦,期待着宇宙学及物理学的新一轮革命。 媒体评论 精彩评论宇宙,它为何如此,它为何存在?宇宙有开端吗?如果有的话,在此之先发生过什么?宇宙从何处来,又往何处去?——霍金这本书的封面设计就充满了神秘感,深邃的宇宙背景下,点缀着闪烁的星辰,仿佛在低语着古老的秘密。我拿到书的那一刻,就被这股来自宇宙深处的吸引力所笼罩。我一直对浩瀚的星空充满好奇,小时候就喜欢仰望夜空,想象着那些遥远的星球上是否也有生命,它们又是以怎样的方式存在着。这本书的标题——“永恒的诱惑”,恰恰点出了这种对未知宇宙的永恒渴望。我特别期待它能解开我心中那些关于宇宙起源、黑洞、暗物质等一系列我一直萦绕在心头的困惑。我希望它能用通俗易懂的语言,为我描绘出一幅壮丽的宇宙图景,让我不仅仅是旁观者,更能深入其中,感受宇宙的宏伟与神奇。读完后,我相信我一定会对宇宙的认知有一个全新的提升,甚至可能会改变我看待世界的方式。
评分读完这本书,我最大的感受就是知识的海洋是如此的广阔,而我们人类对于宇宙的探索,才刚刚拉开序幕。我尤其被书中关于宇宙膨胀的论述所震撼,那些遥远的星系正在加速远离我们,这个事实本身就充满了哲学的意味。它让我不禁思考,宇宙的最终命运会是什么?是会永远膨胀下去,直到万物寂灭,还是会迎来一次“大挤压”,重新坍缩成一个奇点?书中的一些理论,比如弦理论,虽然听起来有些抽象,但作者用非常形象的比喻将其解释得清晰明了,让我这个没有专业背景的读者也能窥探到其中奥妙。我喜欢这种能够将复杂概念变得易于理解的写作方式。总而言之,这本书给我带来了极大的阅读乐趣,它不仅仅是科普,更是一种智慧的启迪。
评分这本书就像一位慈祥的长者,用他丰富的阅历和深刻的洞察力,为我打开了一扇通往宇宙深处的大门。我被书中关于宇宙生命演化的描述深深吸引,从最初的简单化学反应,到复杂有机物的生成,再到生命的出现,这个过程的漫长与艰辛,让我对生命的存在充满了敬畏。书中还探讨了宇宙中是否存在外星文明的可能性,以及我们如何去搜寻它们。这些设想既充满了科学的严谨,又蕴含着浪漫的想象,让我忍不住去思考,在浩瀚的宇宙中,我们是否是孤独的存在?我希望这本书能够激发更多人对科学的兴趣,特别是对宇宙学的研究。它的价值不仅仅在于知识的传递,更在于它能够点燃我们内心深处的求知欲和探索精神。
评分这是一本让我脑洞大开的书!尤其是关于量子力学部分,虽然我一直觉得这个领域非常难以理解,但作者通过一些生动的实验和理论的阐述,让我对微观世界的奇妙产生了浓厚的兴趣。叠加态、量子纠缠这些概念,以前听起来就像科幻小说,但在这本书里,它们变得触手可及,仿佛我就置身于那个充满不确定性的微观世界。我还在书中看到了关于宇宙时空的讨论,时间真的会像我们感受的那样均匀流逝吗?爱因斯坦的相对论又是如何解释这些现象的?这本书没有给我提供一个标准答案,而是引导我思考,让我自己去探索和发现。这种开放式的解读方式,让我觉得非常有启发性,也让我对科学的理解更加立体和深刻。
评分这本书的写作风格非常独特,它没有枯燥的说教,也没有晦涩的术语,而是将科学知识融入到引人入胜的叙述之中,让我仿佛在听一个关于宇宙的传奇故事。我特别喜欢书中对暗物质和暗能量的解读,它们占据了宇宙的大部分,但我们却对它们知之甚少,这本身就是一种巨大的谜团。作者并没有回避这些未知,而是以一种探索者的姿态,带领我们一步步地去揭示这些神秘的面纱。读完这本书,我感觉自己对宇宙的认知水平有了质的飞跃,那些曾经遥不可及的科学概念,现在变得清晰可见。我强烈推荐这本书给所有对宇宙感兴趣的朋友,它绝对是一次令人难忘的阅读体验,会让你对宇宙的浩瀚与神秘产生无限的遐想。
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