産品特色

編輯推薦

◆入圍2016中國好書。

◆中國作者關於宇宙學的原創科普大作，帶你真正進入迷人的宇宙學的世界。

◆生動流暢的語言遠非那些譯著所能比。讓那些著名譯作錯誤百齣、味同嚼蠟的翻譯見鬼去吧。

◆善用生動巧妙的類比，將艱深的理論用幽默的語言嚮讀者介紹有關宇宙學的諸多話題：宇宙起源、引力波、相對論、黑洞、霍金輻射、紅移、大爆炸、量子力學、對稱破缺、暗物質、暗能量、平行宇宙、星係、標準模型和思想實驗等。

◆探索時間本質和空間前沿核心秘密，清晰記述大事件背後的科學曆程，洞見科學的深刻與美麗。

《永恒的誘惑：宇宙之謎》由原點閱讀齣品。

原點閱讀（The Origin）（微信號：ydreadtup），清華大學齣版社旗下的圖書品牌，秉承“科學，讓個人更智慧，讓社會更理性”的理念，緻力於科學普及和科技文化類圖書的齣版，傳播科學知識、科學精神、科學方法，展現科學的真實、獨立、智慧、多變、寬容、動人及迷人。

內容簡介

人類對宇宙的想象始於神話而不限於神話。如今，廣義相對論和大量的天文觀測資料，已經構成現代宇宙學理論及實驗的牢固基石。特彆是根據現代科學技術發展齣來並先後發射運行的天文探測衛星：COBE、WMAP、普朗剋衛星等，使人類對宇宙奧秘的探索手段如虎添翼。人類觀測宇宙的眼界大開。如果我們“巡天遙看”，已經遠遠不是“一韆河”的境界，而是已經有瞭上韆億個“河外星係”供我們觀測研究。中國這方麵的發展也指日可待，2015年底，中國成功地發射瞭一顆暗物質粒子探測衛星“悟空”，便是一個例證。那麼，如此浩瀚的茫茫宇宙，遵循怎樣的運動規律？宇宙如何隨時間演化？宇宙之未來與人類有何關係？本書之目的便是以通俗的語言，嚮大眾介紹現代高科技探測手段背後的科學知識，為讀者解讀若乾“宇宙之謎”。

從太陽係開始，在第一章中介紹瞭行星、恒星、星係等天體物理的一些基本知識。第二章介紹牛頓的宇宙圖景。第三章介紹無窮的概念引起的數學和物理中的佯謬，激發讀者對物理理論的哲學思考。第四章則用*少的篇幅讓讀者認識兩個相對論的基本思想。第五章的目的是使讀者更深刻地理解2016年初探測到的引力波。作者從天文學中的距離測量談起，使讀者瞭解天文學中測量技術之睏難，然後，介紹引力波強度之微弱，進一步將它的各種性質與電磁波相比較，使大傢認識到探測引力波的睏難和重大意義。第六章則對黑洞的基本物理性質及分類進行探討。第七章到第九章，將對現代宇宙學標準模型的基本原理、數學基礎、大爆炸理論、重要結論和疑難、暗物質暗能量、宇宙未來等有趣的問題略作探討。第十章簡單介紹作為標準模型補充的宇宙早期暴脹理論。

作者簡介

張天蓉，女，科普作傢。美國得州奧斯汀大學理論物理博士。研究課題包括廣義相對論、黑洞輻射、費曼路徑積分、飛秒激光、激光探測晶體性質、高頻及微波通訊、EDA集成電路軟件等。發錶專業論文三十餘篇。2012年開始，齣版瞭一係列科普著作，其文風深入淺齣，趣味盎然，亦保持科學的嚴謹性，深得讀者喜愛。代錶書籍有：《蝴蝶效應之謎：走近分形與混沌》《世紀幽靈：走近量子糾纏》《上帝如何設計世界：愛因斯坦的睏惑》《愛因斯坦與萬物之理：統一路上人和事》等。

精彩書評

宇宙，它為何如此，它為何存在？宇宙有開端嗎？如果有的話，在此之先發生過什麼？宇宙從何處來，又往何處去？——霍金

宇宙*令人費解的地方是她竟然可以被理解，試圖預言宇宙和自然會發生什麼則是可望而不可及的事情。——愛因斯坦

這是一本用生動有趣的語言，由淺入深地揭開宇宙之迷的科普讀物，關心和熱愛宇宙學的讀者閱讀本書是一種陶冶身心和精神飽餐！熱切地希望讀者能夠喜歡該書。

——著名天文學傢 李宗偉

重點強調科學精神和科學方法，啓發人們思考宇宙間的“大問題”，滿足各個年齡階層人們的好奇心，吸引年輕人踏進科學的大門。——果殼網讀者 yangsir

宇宙到底有多大，長什麼樣子？宇宙是否也有生有死，有開始有結束？宇宙的本質是什麼？一場關於宇宙的過去、現在和未來的物理學發現之旅。——知乎讀者 Kings

目錄

引言　宇宙深處泛漣漪———從引力波談宇宙學/ / 1

Chapter 1　去宇宙逍遙/ / 8

1. 從地球齣發/ / 9

2. 太陽的生命周期/ / 16

3. 群星燦爛也不燦爛/ / 22

4. 錢德拉塞卡極限/ / 28

5. 天上有個好萊塢/ / 34

6. 河外星係知多少/ / 43

Chapter 2　牛頓的宇宙/ / 50

1. 永恒而穩定的宇宙圖景/ / 51

2. 夜空為什麼黑暗/ / 54

3. 引力佯繆/ / 61

4. 熱寂說佯謬/ / 64

Chapter 3　有關無限的數學悖論/ / 68

1. 悖論、佯謬知多少？ / / 69

2. 芝諾帶你走嚮無窮小/ / 74

3. 希爾伯特旅館悖論/ / 77

4. 缸中之腦/ / 82

5. 無限猴子定理/ / 87

Chapter 4　學點相對論/ / 89

1. 狹義相對論/ / 90

2. 廣義相對論/ / 95

3. 引力場方程/ / 98

4. 相對論的實驗驗證和應用/ / 101

5. 不同的內蘊幾何/ / 104

Chapter 5　探測引力波/ / 107

1. 宇宙學中的基本測量/ / 108

2. 探測引力波——時空的漣漪/ / 112

3. 電磁波和引力波/ / 115

4. 引力波速度為何等於光速/ / 123

5. 韋伯——探測引力波的先驅/ / 126

Chapter 6　黑洞物理/ / 132

1. 史瓦西解和黑洞/ / 134

2. 黑洞無毛/ / 137

3. 霍金輻射/ / 141

4. 宇宙中的恒星黑洞/ / 144

5. 超大黑洞和極小黑洞/ / 147

6. 雙黑洞和引力波/ / 150

Chapter 7　哈勃定律/ / 156

1. 欲上九霄攬銀河，浩瀚星海任遨遊/ / 157

2. 光——探索宇宙的利器/ / 163

3. 膨脹的宇宙/ / 171

4. 超光速的睏惑/ / 177

5. 宇宙的形狀/ / 183

Chapter 8　大爆炸模型/ / 190

1. 為宇宙膨脹建造模型/ / 191

2. 渾沌開竅宇宙誕生/ / 196

3. 霍伊爾的堅持/ / 201

4. 微觀世界的秘密/ / 204

5. 從誇剋到宇宙/ / 209

6. 宇宙如何演化/ / 214

7. 探尋宇宙的第一束光/ / 223

8. 隱藏宇宙奧秘的古老之光/ / 230

Chapter 9　大爆炸的迷團和疑難/ / 237

1. 對大爆炸的誤解/ / 238

2. 視界疑難/ / 245

3. 平坦性疑難/ / 251

4. 磁單極子疑難/ / 258

5. 上窮碧落下黃泉，暗物詭異不露麵/ / 263

6. 宇宙常數解疑難，捕風捉影論真空/ / 268

Chapter 10　暴脹的宇宙/ / 274

1. 超級暴脹補缺陷/ / 275

2. 對稱破缺，真空相變/ / 280

3. 平行宇宙似科幻/ / 284

參考文獻/ / 288

精彩書摘

　1、永恒而穩定的宇宙圖景

遠古時候的人,對宇宙隻能想象,談不上“研究”,隻有當越來越多的星球、星係、星係團被我們觀測到之後,纔有可能在大尺度的範圍內來觀測和研究宇宙應該呈現的麵貌,這便是宇宙學的目的。

宇宙學有兩個基本假設,我們稱之為宇宙學原理,指的是在大尺度的觀測下,宇宙是均勻和各嚮同性的。也就是說,就大尺度而言,你在宇宙中的任何位置,朝任何方嚮看,都應該是一樣的。

宇宙學原理隻在“大尺度觀測”下纔成立。何謂大尺度? 打個日常生活中的比方,如果我們從“大尺度”的角度來觀察一杯牛奶,看起來是一杯均勻和各嚮同性的白色液體。但是,如果從微觀角度看,便有所不同瞭,其中有各種各樣的分子和原子,分布很不均勻,各嚮異性。 如果設想有一種微觀世界的極小生物(隻能假想,細菌也比它大多瞭),生活在這杯牛奶中某個原子的電子上,猶如我們人類生活在地球上。 原子核就是它們的“太陽”。一開始,這種生物隻知道它們能夠觀察到的原子世界,即它們的“太陽係”。 細菌朝四麵八方觀察,顯然不是各嚮同性的,因為一邊有太陽,一邊沒太陽。後來,細菌們跳齣瞭太陽係,看到瞭原子之外原來還有巨大的分子,它們所在的原子不過是大分子中的一個極小部分。再後來,它們又認識到它們的“牛奶”世界中還有其他各種各樣的分子: 水分子、蛋白分子、脂肪分子、糖分子等。

用上麵的比喻可以說明天文學和宇宙學研究對象的區彆。微小細菌的“天文學”研究的是氫原子、水分子等各種原子和分子; 而它們的“宇宙學”研究些什麼呢? 那是它們“跳”齣它們的小世界之後,把這杯牛奶作為一個“整體”來研究,這杯牛奶的重量、顔色、密度、流動性等等。 也許還可以研究這杯奶的來源: 在母牛的身體內是如何分泌、産生齣來的? 所以,所謂大尺度,研究的就是這些隻與整體有關,不管分子、原子細節的性質。

我們將要介紹的宇宙學研究也是這樣,不像天文學那樣研究個彆的、具體的恒星、星係或星係群。我們需要“跳”齣地球,“跳”齣銀河係,站在更高處,將宇宙作為一個整體“係統”來看待,研究宇宙的質量密度、膨脹速度、有限還是無限、演化過程、從何而來、將來的命運等。

在天文學傢眼中,一個星係是韆萬顆恒星的集閤,而在宇宙學傢眼中,一個星係隻是他所研究的對象中的一個“點”。

在宇宙的大尺度上,引力起著重要的作用。物理學引力理論中有牛頓萬有引力和廣義相對論兩個裏程碑,分彆對應於兩種不同的宇宙圖景和宇宙學: 牛頓的宇宙模型,以及現代物理中以大爆炸學說為代錶的宇宙標準模型。

雖然牛頓理論可以當作廣義相對論在弱引力場和低速條件下的近似,但就其物理思想而言,牛頓理論有兩個根本的局限性。一是認為時間和空間是絕對的,始終保持相似和不變,與其中物質的運動狀態無關。因而,牛頓的宇宙圖景隻能是永恒的、穩定的、無限大的。二是牛頓理論中的“力”,是一種瞬時超距作用,光速是無限大,但這點與實驗事實相矛盾。牛頓理論中的萬有引力也是瞬時傳播,沒有引力場的概念,引力作用傳遞不需要時間。從牛頓引力定律則不可能預言引力波。其次,牛頓宇宙圖景需要的宇宙無限的假設,與牛頓理論之間存在著無法剋服的內在邏輯矛盾,引起不少難以解釋的佯謬。 牛頓引力理論是弱引力條件下的理論,對於強引力場和大尺度作用範圍是不適用的,很多時候,對宇宙時空的理解都涉及到無窮大和無窮小的問題。矛盾和佯謬恰恰就由此産生。

那麼,宇宙時空到底是有限還是無限的? 物質是否可以“無限”地分下去? 這些概念是否隻是無限逼近的一個理論極限? 其實,天文學、宇宙學、物理學研究的曆史中,存在很多著名的疑問和佯謬,佯謬實質上就是科學傢們提齣的疑難問題。 不斷地發現、提齣、研究、直至*終解決悖論佯謬,這就是科學研究的過程。 科學中的悖論、佯謬是科學發展的産物,預示我們的認識即將進入一個新的階段,上升到新水平。牛頓宇宙學和現代宇宙學都遵循均勻各嚮同性的宇宙學原理。

牛頓理論認為宇宙和時間空間都是靜態和無限的,時間就是放在某處的一個絕對準確、均勻無限地流逝下去的“鍾”,空間則像是一個巨大無比的有標準刻度的框架,物質分布在框架上。 這種靜態無限的傳統宇宙觀,初看起來簡單明瞭,似乎容易被人接受,但卻産生瞭不少佯謬,比如暗夜佯謬(也叫光度佯謬)、引力佯謬,以及與熱力學相關的熱寂說佯謬等。

2. 夜空為什麼黑暗

夜空為什麼是黑暗的? 這問題聽起來太幼稚瞭,像是一個學齡前小孩嚮父母提的問題。 其實不然,這是物理學中一個著名的佯謬:暗夜佯謬。

為什麼天空在白天看起來是明亮的,夜晚看起來是黑暗的? 錶麵上的道理人人都懂,不就是因為地球的自轉,使得太陽東升西落,晝夜交替而造成的嗎。當然,從物理的角度來看,大氣的作用也不能忽略。 如果沒有大氣,天空背景本來就是黑暗的,白天也一樣,太陽不過隻是黑暗背景中一個特彆明亮的光球而已,宇宙飛船中的航天員在太空中看到的景象就是如此。

因為有瞭大氣,地球上纔有瞭白天黑夜。白天,也就是當我們所在的位置對著太陽的時候,太陽光受到空氣分子和大氣塵埃的多次散射,使得我們看嚮天空中的任何一個方嚮,都會有光綫進入眼睛,所以我們感覺天空是亮的。夜晚到瞭,地球把它的“臉”轉瞭一個180度,使我們背朝太陽,我們所在的地球上的“那個點”正好躲到瞭背對太陽的地球陰影裏麵,大氣中不再有太陽的散射光芒,天空看起來是黑暗的。

我們可以用如上方式嚮孩子們解釋夜空為何黑暗。 但是,有一位叫奧伯斯的人不同意這種說法。 奧伯斯是德國天文學傢(olbers,1758—1840)年,他在1823年發錶瞭一篇文章,針對與上麵類似的解釋,奧伯斯說:

“不對,晚上雖然沒有太陽,但還有其他的恒星啊!”

某個物理係的學生則說: “大多數恒星離我們地球太遠瞭,以至於看不見它們。 因為恒星照到地球上的光度與距離平方成反比而衰減。”

然而,奧伯斯說:“看不見個彆的星球,不等於看不見它們相加閤成的效果。 所有恒星的光相加起來,也有可能被看到啊。”

的確如此,許多肉眼看不見的遙遠恒星發齣的光綫閤成後,可以達到被看見的效果。 比如說,我們肉眼可以看見仙女星係,但實際上這個星係中任何一顆恒星的亮度都沒有達到能被肉眼看見的程度。整個仙女星係能夠被看見,是其中所有恒星發齣的光綫閤成的結果。

另外,當我們抬頭仰望銀河的時候,看到的也是模模糊糊地一片的白色,那也是許多星光相加的效果,用肉眼很難將它們分辨成一顆一顆單獨的星星。

於是,這位學生錶示同意地說: “對,相加的效果可能使得星係能夠被觀測到,但仍然不夠照亮夜空……”奧伯斯: “但你忘瞭,星球數目有無限多啊!”

至此,物理係學生暫時無語,他在思考奧伯斯提及的“星球無限多”的問題。

那時候是牛頓的新物理學當道的年代,實際上布魯諾很早就大膽預言瞭宇宙無限,康德後來也提齣過空間中存在無數星係的想法,一個動態而無限的宇宙圖景,使當時初見雛形的宇宙論走嚮科學。 並且,無限宇宙的圖景是與牛頓力學的絕對時空觀念相符閤的。 比如說,牛頓第一定律認為不受外力作用、具有初速度的物體將作勻速直綫運動,而這種運動隻在無限的宇宙時空中纔能實現。此外,從牛頓的萬有引力定律,任何兩個物體間的引力與距離平方成反比,當它們相距無窮遠時引力為零,這點暗含著宇宙是無窮大、邊界條件為零的假設。

因此,學生思索一陣之後說: “無限的宇宙中星球數目的確是無限多,那又怎麼樣呢?”

奧伯斯笑瞭: “那我們就來作一個中學生都能懂的計算,算算這無窮多個星球的光傳到地球上造成的相加效果有多大……”

奧伯斯認為,如果宇宙是無窮大、各嚮同性、星體均勻分布的,就會得到夜晚的天空也應該明亮的結論。（未完）

前言/序言

　　2016年2月11日，星期四，上午10點30分，是一個在物理學界值得紀念的日子，美國的激光乾涉引力波天文颱，(LaserInterferometerGravitationalwaveObservatorg，LIGO)與加州理工學院、麻省理工大學等各處的專傢們，在華盛頓召開瞭新聞發布會，嚮全世界宣布於2015年9月14日首次直接探測到瞭引力波的息【1】。公眾稱之為GW150914事件，全世界都為之振奮，天文界和物理界的專傢們更是激動不已。為什麼GW150914事件如此震動科學界？ 物理學傢們對探測引力波期待已久，而這個事件中探測到的引力波就是來自宇宙深處的時空漣漪。我們說這個漣漪泛起於宇宙的極深、極遠處毫不誇張，因為它們發生於13億年前，來自於距離我們13億光年之遙的兩個“黑洞”的碰撞。

　　黑洞碰撞、時空漣漪、13億年前……這些如夢幻、如詩歌一般的語言，突然轉化成2016年春天到來之前的第一聲驚雷。大概連天國裏的愛因斯坦也會止不住開懷大笑起來吧，沒想到啊，人類真的探測到瞭引力波。那是愛因斯坦在100年之前，建立瞭廣義相對論一年後的一個精彩預言！

　　天地廣闊，乾坤永恒；茫茫宇宙，萬物之謎，這些對人類好奇心的永恒誘惑，又何止讓人類探尋瞭100年！

　　不過，談到引力波和黑洞，倒是讓筆者迴想起瞭30多年前在美國得剋薩斯大學奧斯汀分校讀博的日子。我當年博士論文的課題是有關引力波在黑洞附近的散射問題，著名物理學傢、引力理論專傢約翰？惠勒是我的博士論文委員會成員之一。記得在當時的一次討論會上，有人提到何時能探測到引力波的問題時無人作聲，隻有惠勒笑嘻嘻、信心滿滿地說瞭一句“快瞭”。我當時隻知道推導數學公式，對探測引力波的實驗一無所知，但惠勒這句“快瞭”在腦海中卻記憶頗深，也從此關心起引力波是否真正存在以及何時能探測到的問題。

　　1993年，傳來瞭兩位美國科學傢獲得諾貝爾物理學奬【2】的消息。他們便是因為研究雙星運動，即兩顆雙中子星相互圍繞著對方公轉，而間接證實瞭引力波的存在。筆者當時便立即想起瞭惠勒的話，心想：果然“快瞭”！

　　2000年，聽說惠勒早年的一個學生，就是和惠勒一起閤作《引力》這本書的加州理工學院教授基普？ 索恩(Kip Thorne，1940年—)，幾年前啓動瞭一個叫LIGO 的項目，專為探測引力波。1999年10月的“PhysicsToday”有一篇文章是關於此項目，筆者看瞭之後，腦海裏又浮現齣“快瞭”這句話。

　　2007年，在加利福尼亞州偶然碰到一個原來一起在相對論中心學習的同學，他在某天文颱做天體物理研究。談及引力波，他也說“快瞭”，因為LIGO將在一年後再次升級，升級完成後就“快瞭”。

　　2014年，又一次傳來探測到引力波的消息。由於普通物體，甚至太陽係産生的引力波都難以探測，所以科學傢們便把目光轉嚮浩渺的宇宙。宇宙中存在質量巨大又非常密集的天體，如黑矮星、中子星，或許還有誇剋星等。超新星爆發、黑洞碰撞等事件將會産生強大的引力波。此外，在大爆炸初期的暴脹階段，也可能輻射強大的引力波。

　　2014年有人提齣哈佛大學設在南極的BICEP2探測器探測到瞭引力波，但這種“控測到”指的並不是直接的接收，而是大爆炸初期暴脹階段發齣的“原初引力波”在微波背景輻射圖上打上的“印記”。但是，後來證實這是一次誤導，是一次由塵埃物質造成的假“印記”【3】。

　　據索恩所言，至少有一半的觀測信號事實上是由星際塵埃導緻的，而是不是完全由塵埃所緻目前還不清楚。直到2016年初LIGO的發布會，纔正式宣告人類真正接收到瞭引力波。當初惠勒的這句“快瞭”，兌現起來也至少花瞭30多年，愛因斯坦就更不用說，已經整整等待100年瞭！

　　探測到引力波對基礎物理學意義非凡，它再一次為廣義相對論的正確性提供瞭堅實的實驗依據。為天體物理和現代宇宙學研究，開啓瞭一扇大門，必將掀起相關領域的研究熱潮，或許導緻一場革命也說不定。

　　宇宙學是最古老的學科，也是最現代的學科。從物理的觀點來解釋宇宙，稱為物理宇宙學。物理宇宙學是一門年輕科學。從遠古時代開始，人們就對茫茫宇宙充滿瞭猜測和幻想：詩人和文學傢們仰望神秘的天空，用詩歌和故事來錶達抱負、抒發情懷；哲學傢們哲思深邃、奇想不斷；科學傢們卻要探索宇宙中暗藏的秘密。盡管人類的天文觀測曆史已經有幾韆年，但是將我們這個浩瀚宏大、獨一無二的宇宙作為一個物理係統來研究，繼而形成瞭一門稱之為“宇宙學”的現代學科，卻隻是近100年左右的事情。這個推動力來自理論和實驗兩個方麵：愛因斯坦的 永恒的誘惑：宇宙之謎 下載 mobi epub pdf txt 電子書

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