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美纳尔逊，黎明，戴陆如 著

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• 信息论
• 生命科学
• 交叉学科
• 系统生物学
• 计算生物学
• 纳米生物学

店铺： 天泰尚图书专营店

出版社： 上海科学技术出版社

ISBN：9787532386222

商品编码：27261722439

包装：平装

出版时间：2006-12-01

基本信息

书名：生物物理学：能量、信息、生命

定价：97.00元

作者：(美)纳尔逊 ,黎明,戴陆如

出版社：上海科学技术出版社

出版日期：2006-12-01

ISBN：9787532386222

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：

商品重量：0.999kg

编辑推荐

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内容提要

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本书不仅以轻松有趣的方式扼要介绍了大量与主题密切相关的生物学、软物质等学科的知识要点，而且作者不惜花费相当篇幅，用深入浅出的语言，结合实例生动地阐述了如何从具体的生物学现象出发提出恰当的物理问题，并进而选择恰当的数学工具解决问题。对初涉研究的学生而言，这种贯彻全文的学“问”式教学理念无疑更具趣味性和启发性，同时更能培养一种难能可贵的开放式求知态度和持久的学习热情。
本书采用了多种版式体例，使不同知识点之间形成了多层次、多线索的丰富联系，显得一目了然、主次分明。这种精心编排，不仅使本书既高屋建瓴又具体而微的风格更加鲜明，而且也更加实用。对意欲从事交叉学科研究的读者而言，本书完全有资格作为的入门教材。即便不是专门从事生物物理学研究的读者，由于本书的内容及行文兼具科普读物的特点，相信也能从阅读中获得相当多的乐趣和领悟，并得到基本的物理学训练（尤其是在热力学和统计物理方面）。这或许是本书深受不同领域众多师生喜爱的原因。

目录

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致学生
致指导教师
致谢
第Ⅰ部分 谜、隐喻及模型
章 预备知识
1.1 热
1.2 生命如何产生有序
1.3 题外活：广告、哲学与语用学
1.4 如何在考试中表现更好（以及如何发现新的物理定律）
1.5 物理和化学中的其他关键思想
小结
拓展
习题
第2章 细胞内部结构一览
2.1 细胞生物学
2.2 分子类别清单
2.3 跨越鸿沟：分子器件
小结
拓展
习题
第Ⅱ部分 扩散、耗散及驱动
第3章 分子的舞蹈
3.1 生活中的概率
3.2 理想气体定律解密
3.3 题外话：遗传现象的启示
小结
拓展
习题
第4章 无规行走、摩擦与扩散
4.1 布朗运动
4.2 题外话：爱因斯坦所扮演的角色
4.3 其他类型无规行走
4.4 关于扩散的更多知识
4.5 函数、导数与“地毯下的蛇”
4.6 扩散概念用于考察生物学
小结
拓展
习题
第5章 慢航道中的生命：小雷诺数世界
第6章 熵、温度与自由能
第7章 细胞内的熵力
第8章 化学力和自组装
第Ⅲ部分 分子、机器、工作机制
第9章 大分子的协同变构
0章 酶与分子机器
1章 嵌膜机器
2章 神经冲动
后记
译后记
附录A 符号及单位
附录B 数值
引用说明
参考文献
索引

作者介绍

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文摘

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序言

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《量子纠缠与宇宙拓扑学：超越经典视界的探索》 导言： 在二十一世纪的科学前沿，我们正面临着一系列深刻的挑战，这些挑战不仅关乎我们对物质世界基本构成的理解，更触及了空间、时间和信息在最微观层面上的本质属性。本书《量子纠缠与宇宙拓扑学：超越经典视界的探索》旨在深入探讨两个看似遥远却在基础物理学中紧密交织的前沿领域：量子信息理论的核心——量子纠缠，以及描述时空宏观几何结构的宇宙学——宇宙拓扑学。 本书并非对现有物理学教科书的简单补充，而是一次跨越学科边界的认知远征。我们力求在严格的数学框架内，揭示量子力学深层非定域性如何与宇宙尺度上的结构形成产生意想不到的联系。本书面向具备扎实高等数学基础和初步量子力学知识的读者，旨在引导他们超越麦克斯韦方程组和爱因斯坦场方程的经典范式，进入一个充满奇特现象和深刻哲学意涵的超验领域。 第一部分：量子纠缠的非定域性与信息悖论 第一章：量子纠缠的精确数学描述 本章首先回顾了希尔伯特空间、张量积空间以及可分离态与纠缠态的严格定义。我们将重点分析贝尔不等式及其在实验中被不断证实的物理意义。不同于仅关注其应用性的介绍，本章着重于如何利用密度矩阵和冯·诺依依曼熵来量化纠缠的程度，特别是针对多体系统中的“纯纠缠”与“混合纠缠”的区分。我们还将探讨冯·诺依依曼熵在描述系统信息丢失方面的局限性，并引入纠缠熵的张量网络表示法，为后续的几何化奠定基础。 第二章：纠缠的动力学与退相干机制 纠缠并非永恒不变。本章深入研究了开放量子系统理论，阐述了环境耦合如何导致纠缠的衰减，即退相干现象。我们详细分析了主要的退相干模型，包括随机波包演化模型和碰撞模型，并讨论了如何通过特定的拉普拉斯算符或哈密顿量结构来模拟和抑制退相干效应。关键部分将聚焦于“量子时间”的概念，探讨在快速退相干极限下，量子态的演化是否仍遵循薛定谔方程的普适性。 第三章：纠缠与时空几何的初探 这是本书从微观信息走向宏观几何的桥梁。我们引入了“ER=EPR”猜想，即爱因斯坦-罗森桥（虫洞）等价于爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）对。本章将详细解析如何通过AdS/CFT对偶性框架，将边界CFT中的纠缠结构映射到体AdS空间中的几何曲率和测地线距离。我们将运用张量网络（如MERA）来模拟黑洞视界面附近的量子信息流，并探讨信息保真度与视界面面积之间的联系，挑战我们对“时空距离”的直观理解。 第二部分：宇宙拓扑学的几何基础与现代观测 第四章：黎曼几何与广义相对论的回顾 为了理解宇宙的整体结构，我们必须重温广义相对论的几何语言。本章并非泛泛而谈，而是侧重于适用于宇宙学模型的特定概念：弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FLRW）度规的推导与分析。我们着重探讨了曲率张量、里奇张量以及标量曲率的物理意义，并明确区分了空间曲率（由物质能量密度决定）与拓扑结构（决定空间是否可观测的整体连接性）。 第五章：可观测宇宙的拓扑结构 宇宙的拓扑结构决定了光线如何穿越空间，并影响着我们在大尺度结构观测中可能看到的重复图像。本章系统梳理了拓扑空间的基本定义，如基本群、同调群和同伦群。我们详细讨论了若干重要的宇宙拓扑模型，例如三维环面（T³）、庞加莱十二面体空间（Poincaré Dodecahedral Space）以及更复杂的纤维化空间。我们分析了如何通过寻找宇宙微波背景（CMB）中的“冷点”或重复的结构来检验这些拓扑假设，并评估现有观测数据对这些模型的约束。 第六章：高维空间与弦理论的拓扑影响 在超越标准FLRW模型的探索中，我们转向高维理论。本章探讨了弦理论和M理论中紧致化空间（如卡拉比-丘流形）对低能物理常数和拓扑结构的影响。我们将分析Calabi-Yau流形的霍奇数如何与粒子物理的性质相关联，以及它们在描述宇宙演化中的潜在作用。此外，还将涉及拓扑弦理论的概念，探究在不同紧致化方案下，拓扑不变量如何维持其在不同背景下的稳定性。 第三部分：量子信息、引力与时间的本质 第七章：量子引力的拓扑表述尝试 本部分试图整合前两部分的主题。我们审视了圈量子引力（LQG）中“自旋网络”和“自旋泡沫”的概念，这些结构自然地蕴含了离散化的时空拓扑。我们对比了LQG如何通过对几何的量化来自然地处理宇宙大爆炸奇点，并探讨了其在描述量子信息在弯曲时空中的传播问题上的优势。 第八章：黑洞热力学与信息丢失的终极辩论 黑洞是引力与信息交汇的极端实验室。本章深入分析了霍金辐射的半经典推导，并详细阐述了信息悖论的最新进展。我们将讨论防火墙悖论和软毛理论，重点分析这些理论如何通过改变视界面附近的量子态结构来维护信息守恒，以及这是否需要对量子纠缠的定义进行修正。我们还将探讨信息在量子引力背景下“存储”于哪种拓扑结构中。 第九章：时间的拓扑流与量子信息流的统一视角 本书的终极思考集中于时间本身。如果时空几何是纠缠的产物，那么时间的箭头和方向性是否也源于信息的不可逆演化？本章将结合“热力学箭头”与“量子退相干”的时间对称性破缺，探讨“热力学时间”的拓扑含义。我们推测，我们所感知的“时间流逝”可能仅仅是系统在特定拓扑空间中对最大化纠缠态的局部探索过程的宏观体现。 结论： 《量子纠缠与宇宙拓扑学》的篇幅虽有限，但其野心在于勾勒出一个统一的物理愿景：即宇宙的几何结构（拓扑）与物质信息（纠缠）并非相互独立，而是同一枚硬币的两面。本书的结论并非提供最终答案，而是提出了一系列强有力的、需要通过未来实验和理论突破来验证的新问题，邀请读者继续深入探索这片超越经典物理视界的广袤疆域。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书的过程，更像是一次对“生命”这一概念进行哲学性解构和重构的旅程。它摆脱了传统的分类学或功能学的桎梏，将生命的本质剥离到最纯粹的物理学元素——能量的流动与信息的编码。书中的案例选择极其高明，它们跨越了从噬菌体到大型哺乳动物的尺度，但核心的物理原理却惊人地一致。这种尺度不变性，让我对生命形式的普遍性有了新的敬畏。作者的行文节奏稳健，不急不躁，总能在关键的转折点给出具有高度概括性的论断，让人不得不停下来，审视自己已有的知识结构是否需要修正。这本书的伟大之处，在于它没有试图“神化”生命，而是将其置于自然界最根本的物理定律之下，揭示了生命秩序的诞生，其实是宇宙熵增过程中的一种局部、暂时的、但极其美丽的“反叛”。

评分☆☆☆☆☆

这是一本需要反复咀嚼才能体会其精妙之处的著作，它的结构设计非常巧妙，仿佛在搭建一座宏伟的知识金字塔。从最基础的量子效应在生物催化中的作用开始，逐步攀升到细胞信号网络的拓扑结构分析，每一个章节的逻辑过渡都自然流畅，毫不突兀。我特别喜欢其中对“耗散结构”的探讨，它将热力学第二定律的冰冷无情与生命的有序涌现进行了完美的辩证统一。作者似乎拥有将最晦涩的物理公式“翻译”成直观生物学图像的魔力，使得原本高不可攀的理论变得触手可及。对于那些对生命现象的根本驱动力感到好奇，并且不满足于仅仅停留在表层现象描述的读者来说，这本书简直是如获至宝。它挑战了我们对生命与无序之间界限的传统认知，带来了一股令人振奋的学术清流。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，这本书的阅读体验是极具挑战性的，但这种挑战感恰恰是其价值所在。它不像市面上许多科普读物那样追求轻松愉悦的阅读感受，而是毫不留情地展现了科学探索的艰辛和深度。书中对复杂系统动力学的描述，特别是关于自组织现象的数学模型引入，对于非专业背景的读者来说，可能需要花费大量时间去消化和理解背后的数学逻辑。然而，一旦你跨越了最初的认知障碍，你会发现作者提供的工具和视角是多么强大。它不仅解释了“是什么”，更深入地挖掘了“为什么是这样”，将生命的随机性与必然性统一在了物理规律之下。我合上书本时，脑海中萦绕的不是简单的知识点，而是一幅幅关于生命如何在能量梯度上“跳舞”的动态画面，那种深层次的认知冲击，远超其他任何我读过的相关书籍。

评分☆☆☆☆☆

我必须承认，这本书的文字风格带着一种令人信服的学究气息，它不追求花哨的辞藻，而是用精确、克制的语言构建起一个逻辑严密的论证体系。我最欣赏的一点是，作者始终保持着一种审慎的态度，不轻易下定论，而是展示了当前科学界在解释生命复杂性时所面临的未解难题。例如，它在讨论信息如何在生物体内高效储存和复制时，没有将问题简单化，而是深入探讨了基于量子纠缠或特定拓扑结构的可能性。这种对知识边界的诚实描绘，反而增强了本书的说服力。它更像是一本高级研讨会的讲义，旨在激发读者进行更深层次的思考和质疑，而不是提供现成的答案。对于希望理解生命科学前沿瓶颈的严肃学习者来说，这本书无疑提供了极佳的参照系。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是一场思维的盛宴，它以一种前所未有的深度和广度，将我们习以为常的生命现象置于物理学的宏大框架下进行审视。作者的叙述如同一位经验丰富的向导，带领我们穿梭于复杂的分子机器和宏观的生态系统之间，每一步都充满了洞察力。我尤其欣赏它在概念构建上的严谨性，它没有满足于简单的比喻，而是深入挖掘了能量转换效率、信息熵减等核心物理学原理如何在生物系统中得以体现。读完后，我感觉自己对“活着”这件事的理解被彻底重塑了，那些曾经模糊不清的生物学概念，现在都清晰地映射在了能量流动的轨迹和信息传递的精确性上。它迫使我重新思考，究竟是什么样的物理约束和驱动力，才使得地球上的生命如此复杂而又如此精妙地自我维持。这本书绝不是为初学者准备的快餐读物，它需要专注和思考，但所带来的知识的震撼感是无与伦比的。