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圖書介紹


大宇之形


[美] 丘成桐史蒂夫納迪斯 著



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发表于2024-12-25

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店鋪: 鳳凰新華書店旗艦店
齣版社: 湖南科學技術齣版社
ISBN:9787535794482
商品編碼:26458738820
包裝:平裝-膠訂
開本:32
齣版時間:2018-01-01

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具體描述


內容介紹
廣義相對論研究巨大尺度的物體──例如星體、甚至整個宇宙;量子力學研究甚至整個J小尺度的奇妙現象──如原子SJ。弦理論 (String Theory) 則企圖成為兩者間的橋梁。   從微細的“弦”振動開始,弦理論認為我們生活在一個十維的SJ中,其中四維是我們日常生活感知的時空,另外六維呢?物理學傢發現,1976年齣現的“卡拉比-丘流形” (Calabi-Yau Manifolds),一個純粹的數學幾何結構,正好可以用來刻畫六維空間的內在形狀!   本書中,丘成桐細說從古希臘時代柏拉圖等幾何學傢、到愛因斯坦、卡拉比以及丘成桐自己的研究、他對幾何學未來的看法等等;敘述瞭他幾十年來所有成J的來龍去脈以及心路曆程。讀者可以深切瞭解近代數學和物理學研究的重要進展,更體會到*流科學傢的研究精神。

關聯推薦

這是菲爾茲奬得主,華人數學傢丘成桐的科普佳作,主要講述瞭他的思想演化,同時引介瞭眾多現代數學傢。

1976年,年方27歲的丘成桐解決瞭微分幾何中的一個ZM難題“卡拉比猜想”,其結果被稱為“卡拉比-丘流形”,後來被應用在物理學的弦理論中,成為描述宇宙空間的理論基石。1979年,他又證明瞭每個符閤愛因斯坦方程的解都具有正總質能量,確認平直時空的穩定性。因此,他的研究橫跨數學和物理兩大領域。

讀者可以與物理學傢的弦論經曆相互參照,看到數學與物理的相互影響和促進。

2018年新版的《*推動叢書》全新設計瞭版式和封麵,簡約個性,提升瞭閱讀體驗,讓科普給你更多想象。

隨書附贈價值39.6元由汪潔、吳京平掰開揉碎,帶你懂科學好書的《經典科普解讀課》**券。

 
目錄
目錄: 中文版序 希望年輕人能理解數學之美,以及我做學問的精神 英文版序 數學,是一場波瀾壯闊的冒險! 序麯 從柏拉圖到宇宙未來的形貌 D1章 想象邊緣的宇宙 D2章 自然秩序中的幾何 D3章 打造數學新利器 D4章 美到難以置信:卡拉比猜想 D5章 證明卡拉比(是錯?是對?) D6章 弦論的DNA D7章 穿越魔鏡 D8章 時空中的扭纏 D9章 迴歸現實SJ D10章 CY卡拉比一丘

目錄:

 

時空統一頌
中文版序 希望年輕人能理解數學之美,以及我做學問的精神
英文版序 數學,是一場波瀾壯闊的冒險!
序麯 從柏拉圖到宇宙未來的形貌
D1章 想象邊緣的宇宙
D2章 自然秩序中的幾何
D3章 打造數學新利器
D4章 美到難以置信:卡拉比猜想
D5章 證明卡拉比(是錯?是對?)
D6章 弦論的DNA
D7章 穿越魔鏡
D8章 時空中的扭纏
D9章 迴歸現實SJ
D10章 CY卡拉比一丘
D11章 宇宙解體(想知道又不敢問的SJ末日問題)
D12章 尋找隱藏維度的空間
D13章 數學·真·美
D14章 幾何的終結?
後記 每天吃個甜甜圈,想想卡拉比一丘流形
終麯 進入聖堂,BB幾何
龐卡萊之夢
附錄1 瞭解三個重要概念:空間、維度、麯率
附錄2 名詞解釋
附錄3 原文注釋
索引
譯後記 對麯撫弦好時光

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在綫試讀
D1章 想象邊緣的宇宙(部分) 對數學傢而言, 維度指的是一種“自由度”, 也J是在空間中運動的D立程度。 在我們頭上飛來飛去的蒼蠅可以嚮任何方嚮自由移動, 隻要沒有碰到障礙, 它J擁有三個自由度。 但維度是不是J隻有那麼多? 望遠鏡的發明以及隨後多年以來的不斷改良,幫助我們確認瞭一項事實:宇宙比我們能看到的還要浩瀚、廣大。事實上,目前所能得到的ZJ證據顯示,宇宙將近四分之三是以一種神秘、看不見的形式存在,稱為“暗能量”(dark energy),其餘大部分則是“暗物質”(dark matter),再剩下來構成一般物質(包括我們人類在內)的,隻占百分之四。而且物如其名,暗能量和暗物質在各方麵都是“暗的”:既看不見,也難以測度。 我們所能看見的這一小部分的宇宙,構成瞭一個半徑大約137億光年的球體。這一球體有時被稱為“哈勃體”(Hubble volume),但是沒人相信宇宙的整體範圍隻有如此而已。根據目前所得的ZJ數據,宇宙似乎是無窮延伸的——不管我們嚮哪個方嚮看去,如果你畫一條直綫,真的可以從這裏一直延伸到永恒。 不過,宇宙仍有可能是彎麯而且有界限的。但即使如此,可能的麯率也會FC微小,以至於根據某些分析顯示,宇宙必然至少有上韆個哈勃體那麼大。 Z近發射的普朗剋太空望遠鏡,或許會在幾年內揭露宇宙可能比一百萬個哈勃體還大,而我們所在的哈勃體隻是其中之一而已。我相信天文物理學傢的這一說法,也瞭解有些人可能會對上麵引述的數字有不同意見,但無論如何,有個事實是不容辯駁的:我們目前所見到的,不過是冰山一角。 而在另一個J端,顯微鏡、粒子加速器以及各種顯影儀器持續揭露宇宙在微小尺度上的麵貌,顯現瞭人類原先無法觸及的SJ,像細胞、分子、原子,以及更小的物體。如今我們不再對這一切感到驚訝,WQ可以期待望遠鏡會嚮宇宙的更深處探索。另一方麵,顯微鏡和其他儀器則會把更多不可見之物轉為可見,呈現在我們眼前。

D1章 想象邊緣的宇宙(部分)

對數學傢而言,

維度指的是一種“自由度”,

也J是在空間中運動的D立程度。

在我們頭上飛來飛去的蒼蠅可以嚮任何方嚮自由移動,

隻要沒有碰到障礙,

它J擁有三個自由度。

但維度是不是J隻有那麼多?

 

望遠鏡的發明以及隨後多年以來的不斷改良,幫助我們確認瞭一項事實:宇宙比我們能看到的還要浩瀚、廣大。事實上,目前所能得到的ZJ證據顯示,宇宙將近四分之三是以一種神秘、看不見的形式存在,稱為“暗能量”(dark energy),其餘大部分則是“暗物質”(dark matter),再剩下來構成一般物質(包括我們人類在內)的,隻占百分之四。而且物如其名,暗能量和暗物質在各方麵都是“暗的”:既看不見,也難以測度。

我們所能看見的這一小部分的宇宙,構成瞭一個半徑大約137億光年的球體。這一球體有時被稱為“哈勃體”(Hubble volume),但是沒人相信宇宙的整體範圍隻有如此而已。根據目前所得的ZJ數據,宇宙似乎是無窮延伸的 ——不管我們嚮哪個方嚮看去,如果你畫一條直綫,真的可以從這裏一直延伸到永恒。

不過,宇宙仍有可能是彎麯而且有界限的。但即使如此,可能的麯率也會FC微小,以至於根據某些分析顯示,宇宙必然至少有上韆個哈勃體那麼大。

Z近發射的普朗剋太空望遠鏡,或許會在幾年內揭露宇宙可能比一百萬個哈勃體還大,而我們所在的哈勃體隻是其中之一而已。我相信天文物理學傢的這一說法,也瞭解有些人可能會對上麵引述的數字有不同意見,但無論如何,有個事實是不容辯駁的:我們目前所見到的,不過是冰山一角。

而在另一個J端,顯微鏡、粒子加速器以及各種顯影儀器持續揭露宇宙在微小尺度上的麵貌,顯現瞭人類原先無法觸及的SJ,像細胞、分子、原子,以及更小的物體。如今我們不再對這一切感到驚訝,WQ可以期待望遠鏡會嚮宇宙的更深處探索。另一方麵,顯微鏡和其他儀器則會把更多不可見之物轉為可見,呈現在我們眼前。

Z近幾十年間,由於理論物理學的發展,再加上一些我有幸參與的幾何學進展,帶來瞭一些更令人驚訝的觀點:宇宙不僅超齣我們所能看見的範圍,而且可能還有更多的維度,比我們所熟悉的三個空間維度還要多一些。

D然,這是個令人難以接受的命題。因為關於我們這個SJ,假如有件事是我們確知的,假如有件事是從人類開始有知覺時J知道,是從開始探索SJ時J曉得的,那J是空間維度的數目。這個數目是三。不是大約等於三,而是恰恰J是三。至少長久以來我們是這樣認定的。但也許,隻是也許,會不會還有其他維度的空間存在,隻不過因為它太小,以至於我們無法察覺呢?而且盡管它很小,卻可能扮演FC重要的角色,隻是從人們習以為常的三維視野無法體認到這些罷瞭!

這個想法雖然令人難以接受,但從過去一個世紀的曆史得知,一旦離開日常經驗的領域,我們的直覺J不管用瞭。如果運動速度FC快,狹義相對論告訴我們,時間J會變慢,這可不是憑直覺可以察覺到的。另外,如果我們把一個東西弄得FCFC小,根據量子力學,我們J無法確知它的位置。如果做實驗來判定它在甲門或者乙門的後麵,我們會發現它既不在這兒也不在那兒,因此它沒有JD的位置,有時它甚至可能同時齣現在兩個地方!換言之,怪事可能發生,而且必將發生。微小、隱藏的維度可能J是怪事之一。

如果這種想法成真,那麼可能會有一種邊緣性的宇宙,一處捲摺3 在宇宙側邊之外的地域,超齣我們的感官知覺,而這會在兩方麵具有革命意義:單僅是更多維度的存在 ——這已經是科幻小說一百多年來的注冊商標 ——這件事本身J夠令人驚訝,足以列入物理學SS的Z重大發現瞭。而且這樣的發現將會是科學研究的另一起點,而非終點。這J好像站在山丘或高塔上的將軍,得益於新增加的垂直嚮度,而能把戰場上的局勢看得更清楚。D從更高維的視點觀看時,我們的 物理定律也可能變得更明晰,因而也更容易理解。

 

從蒼蠅的SJ看維度的意義

我們都很熟悉三個基本方嚮上的移動:東西、南北、上下(或者也可以說是左右、前後、上下)。不管我們去哪裏 ——不論是開車上雜貨店或是飛到大溪地 ——我們的運動都是這三個D立方嚮的某種基本組閤。我們對這三個維度太過熟悉,以至於要設想另一個維度,並且指明它確切指嚮哪裏,似乎是不可能的。長久以來,似乎我們所見的即是宇宙的一切。事實上,早在兩韆多年前,亞裏士多德在《論天》( On the Heavens)中J論稱:“可在一個方嚮上分割的量,稱為綫;如果可在兩個方嚮上分割的量,稱為麵;如果可在三個方嚮上分割的量,則稱為體。除此之外,再無其他量。因為維度隻有三個。”公元150年時,天文學傢、數學傢托勒密嘗試證明不可能有四個維度,堅持認為不可能畫齣四條相互垂直的直綫。他主張,D四條垂直綫“根本無法量度,也無法描述”。然而,與其說他的論點是嚴格的證明,還不如說是反映瞭人們沒有能力看到並描繪四維空間的事實。

對數學傢而言,維度指的是一種“自由度”(degree of freedom),也J是在空間中運動的D立程度。在我們頭上飛來飛去的蒼蠅可以嚮任何方嚮自由移動,隻要沒有碰到障礙,它J擁有三個自由度。現在假設這隻蒼蠅降落到一個停車場,而被一小塊新鮮柏油黏住。D它動彈不得時,這隻蒼蠅隻有零個自由度,實質上被限製在單一點上,亦即身處於一個零維的SJ。但這小東西努力不懈,經過一番奮鬥後從柏油中掙脫齣來,隻可惜不幸翅膀受瞭點傷。不能飛翔之後,它擁有兩個自由度,可以在停車場的地麵上隨意漫步。然後,我們的主角察覺到有掠食者(或許是一隻食蟲的青蛙),因此逃進一根丟棄在停車場的生銹排氣管,蒼蠅此時隻有一個自由度,暫時陷入這根細長管子的一維,亦即綫狀的SJ。

但維度是不是J隻有那麼多?一隻蒼蠅在天上飛,被柏油黏住,在地上爬,逃進一根管子裏 ——這是否J囊括瞭一切可能性?亞裏士多德或托勒密應該會迴答“是”,對一隻沒有高度冒險精神的蒼蠅而言,或許也確是如此,但是對D代數學傢來說,故事並沒有J此結束,因為他們通常不認為有什麼明顯理由隻停留在三個維度。我們反而相信,想要真正理解幾何學的觀念,像是麯率或距離,需要從所有可能的維度,從零維到 n維來理解它(其中 n可以是FC大的數)。如果隻停留在三維,我們對這個概念的掌握J不算完整,理由是:比起隻在某些特定情境纔適用的斷言,如果大自然的定律或法則在任何維度的空間中都有效,那麼它的理論威力更大,也可能更基本。

甚至即使你所要對付的問題JX於二維或三維,也可能藉由在各種維度中研究該問題而得到有利的綫索。再迴到我們那隻在三維空間裏嗡嗡飛的蒼蠅,它可以在三個方嚮移動,亦即具有三個自由度。然而,假設還有另一隻蒼蠅在同一空間裏自由移動;它同樣也有三個自由度,整個係統J突然從三維變成六維的係統,具有六個D立的移動方嚮。隨著更多的蒼蠅在空間裏穿梭,每一隻都D立飛行而不與他者相關,那麼係統的復雜度及其維度,也隨之增加。

 

窺探更高的維度

研究高維度係統的好處之一是,可以發現一些無法從簡單場景裏看齣的模式。例如在下一章,我們將討論:在一個被巨大海洋覆蓋的球形行星上,洋流不可能在任何點都朝同一個方嚮流動(例如全部從西流嚮東)。事實上一定會發生的是:一定存在著某些點,海水是靜止不動的。雖然這條規則適用於二維麯麵,但我們隻有從更高維的係統觀察,也J是考慮水分子在麯麵上所有可能運動的情況,纔能導齣這個規則。這是為何我們不斷嚮更高維度推進的原因,希望看看這樣能把我們帶到什麼方嚮並學習到什麼。

很自然的,考慮更高維度的結果之一是更大的復雜度。例如所謂“拓撲學”(Topology)是一門將物體依Z廣義的形狀加以分類的學問。根據拓撲學,一維空間隻有兩種:直綫(或兩端無端點的麯綫)和圓圈(沒有端點的封閉麯綫),此外再無其他可能性。你或許會說,綫也可以是彎彎麯麯的,或者封閉麯綫也可能是長方形的,但這些是幾何學的問題,不屬於拓撲學的範疇。說到幾何學和拓撲學的差彆,前者J像拿著放大鏡研究地球錶麵,而後者則像搭上太空船,從外太空觀察整個地球。選擇何者,要視底下的問題而定:你是堅持要知道所有細節,比方說地錶上的每一峰脊、起伏和溝壑,抑或隻要大緻的全貌(“一個巨大圓球”)便已足夠?幾何學傢所關切的通常是物體JQ的形狀和麯率,而拓撲學傢隻在乎整體形貌。J這層意義而言,拓撲學是一門整體性的學問,這和數學的其他領域恰恰形成明顯對比,因為後者的進展,通常是藉由把復雜的物件分割成較小較簡單的部分而達成。

也許你會問:這些和維度的討論有何關係?如上所述,拓撲學中隻有兩種基本的一維圖形,但直綫和歪歪扭扭的綫是“相同”的,正圓也和任何你想象得齣的“閉圈”,不論是如何彎的,多邊形、長方形,乃至於正方形都是相同的。

二維空間同樣也隻有兩種基本形態:不是球麵J是甜甜圈麵。拓撲學傢把任何沒有洞的二維麯麵都視為球麵,這包括常見的幾何形體,像立方體、角柱、角錐的錶麵,甚至形狀像西瓜的橢球麵。在此,一切的差彆J在於甜甜圈有洞,而球麵沒有洞:無論你怎樣把球麵扭麯變形(D然不包括在它中間剪洞),都不可能弄齣一個甜甜圈來,反之亦然。換句話說,如果不改變物體的拓撲形態,你J無法在它上麵産生新的洞或是撕裂它。反過來說,假如一個形體藉由擠壓或拉扯,但非撕裂(假設它是由玩具黏土做成的),變成另一個形體,拓撲學傢J把這兩個形體看成是相同的。

隻有一個洞的甜甜圈,術語稱為“環麵”(torus),但是一般甜甜圈可以有任意數目的洞。“緊緻”(compact,封閉且範圍有限)且“可賦嚮”(orientable,有內外兩麵)的二維麯麵可以依洞的數目來分類,6/7這個數目稱為“虧格”(genus)。外觀迴異的二維物體,如果虧格相同,在拓撲上被視為是相同的。

先前提到二維形體隻有球麵與洞數不同的甜甜圈麵兩大類,這隻有在可賦嚮麯麵的情況纔成立,本書所討論的通常都是可賦嚮麯麵。比方說,海灘球有兩個麵,即裏麵和外麵,輪胎的內胎也有兩個麵。然而,對於比較復雜的情況,例如單麵或“不可賦嚮”的麯麵如 “剋萊因瓶”(Klein bottle)和“莫比烏斯帶”(Mbius strip),上述說法並不成立。

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