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從誇剋到宇宙：理論物理的世界
	曾用價	98.00
	齣版社	科學齣版社
	版次	1
	齣版時間	2018年05月
	開本	16
	作者	無
	裝幀	平裝
	頁數	349
	字數	325000
	ISBN編碼	9787030572387

內容介紹
理論物理學是研究物質、能量、時間和空間以及它們的相互作用和運動規律的科學，它揭示的是自然界中所有物理現象的本質。理論物理的研究對象小到物質的基本組分誇剋，大到整個宇宙，研究對象極其豐富。理論物理學經過20世紀的蓬勃發展後，現在仍有大量的重要問題亟待迴答，如暗物質的性質、暗能量的本質、粒子物理標準模型的完備性以及是否存在超*標準模型的新物理、愛因斯坦的廣義相對論是否是引力理論的終*理論、大統一理論是否存在、宇宙的起源、量子力學的詮釋、黑洞的本質以及引力的量子化和時空的起源等。另外，理論物理在其他學科領域具有廣闊的應用，如生物體係、社會復雜係統、能源問題等。本書收集瞭中國科學院理論物理研究所科研人員近年來撰寫或者翻譯的，涉及上述課題的一些優秀科普文章。

目錄
目錄
黑洞的本質 蔡榮根 曹利明 001
來自宇宙的微弱聲音——2017年度諾貝爾物理學奬成果簡析 郭宗寬 黃慶國 021
談談統計物理學的對象和方法 郝柏林 031
物理學和生物學 郝柏林 045
世界是必然的還是偶然的——混沌現象的啓示 郝柏林 073
弦論編織的多重宇宙 拉斐爾·布索(Raphael Bousso)，約瑟夫·波爾金斯基(Joseph Polchinski) 何頌 譯 089
嚮前輩學者和各位學者學習科學研究方法 何祚麻 106
宇宙如何起源？ 黃慶國 樸雲鬆 112
理性的勝利——從上帝粒子到引力波 李淼 131
從液晶顯示到液晶生物膜理論：軟凝聚態物理在交叉學科發展中的創新機遇 歐陽鍾燦 135
DNA單分子彈性理論 歐陽鍾燦 149
物理：從IT到ET 歐陽鍾燦 周善貴 157
量子力學詮釋問題 孫昌璞 172
量子糾纏創造瞭蟲洞？ 鬍安·馬爾達西納(Juan Maldacena) 王少江 譯 蔡榮根 校 205
探索自然、揭示奧秘——極小誇剋與極大宇宙的內在聯係 吳嶽良 214
愛因斯坦的未竟之夢：物理規律的大統一 楊金民 王飛 237
希格斯粒子之理論淺析 楊金民 248
相變和臨界現象 於淥 郝柏林 264
暴漲宇宙學的研究與進展 樸雲鬆 張元仲 301
超級“Z-玻色子工廠”——高能物理實驗研究的特種正負電子對撞機 張肇西 313
超重元素和超重穩定島 趙恩廣 323
原子核的電荷與質量極限探索 周善貴 326
如何讓愛因斯坦走進大眾（代後記） 方曉 莊辭 王延頸 343
彩圖 350

在綫試讀
黑洞的本質
　　蔡榮根 曹利明
　　1 經典黑洞的本質
　　1.1 什麼是黑洞?
　　粗略地說，“黑洞是時空中連光都逃逸不齣的區域”。這是一個樸素但又非常不平凡的關於黑洞的描述方式。真正地理解這一描述是一件不容易的事，原因在於人們對於時空概念理解的不同，或者對連光都逃逸不齣這一過程界定的不同。這裏我們願意從曆史發展的眼光來看待這個問題。
　　在介紹黑洞這個概念時，很多人願意提及如何在牛頓力學的框架下理解一個黑洞。這種想法可以追溯到18世紀的英國牧師兼自然哲學傢米歇爾(Mitchell)。1783年，米歇爾在寫給卡文迪許(Cavendish)的一封信中提齣瞭暗星的概念(圖1)。這封信中的內容於1784年在英國皇傢學會發錶。同時代的法國著名學者拉普拉斯(Laplace)於1796年也獨立地提齣暗星的想法，且將這個想法寫到瞭其著作Exposition du Système du Monde的第*和第二版中，並於1798年給齣瞭一個光逃逸不齣的證明。拉普拉斯的工作被霍金(Hawking)和埃利斯(Ellis)翻譯成英文，並放在他們1973年所著的The Large Scale Structure of Space-time一書的附錄中，因此廣為人知。1979年，劍橋大學的引力物理學傢傑彭斯(Gibbons)在New Scientist雜誌中的一文指齣瞭米歇爾的工作。自那時起，米歇爾的貢獻纔被人們廣泛知悉。
　　圖1 米歇爾寫給卡文迪許的信中關於暗星的部分
　　拉普拉斯關於暗星的討論基於牛頓引力理論和光的粒子學說：如果星體錶麵光子的動能小於它的引力勢能，光子便不能夠逃逸到無限遠處。由此可以很容易得到質量為M的星體成為暗星時的*大半徑為R=2GM/c2，其中c是光速，G是牛頓常數。這就是所謂的暗星，也是迄今為止人們能夠發現的人類關於黑洞*早的一個認識。需要指齣的是：這個半徑恰好是愛因斯坦廣義相對論中所預言的施瓦西黑洞的施瓦西半徑。但這隻是一個巧閤。事實上，在同時代的學者看來，拉普拉斯等人的討論存在著明顯的漏洞，即需假定光速不依賴於參考係。但這和牛頓力學中任何物體的速度(包括光速)是一個相對的量相衝突。在牛頓力學框架下，總有一些物理過程(例如星體錶麵附近速度很大的電子發射光)使得光子的速度超過c，並可以逃逸到無限遠處天文學傢的望遠鏡(圖2)。在牛頓力學的框架下，物理信號可以以無限大的速度運行，因此牛頓理論所在的時空中不存在信息逃逸不齣的區域，即不存在真正黑洞的概念。當然我們現在知道光速不依賴於參考係是狹義相對論的一個基本假設。可見，若希望理解黑洞，相對論性的時空觀是必要的。
　　圖2 米歇爾和拉普拉斯的暗星。牛頓時空中不存在真正意義上黑洞的概念
　　在牛頓時代或更早，人們關於時空的認識是接近日常生活的。先知告訴我們：在這些時空中時間和空間是分離的(這是一種典型非動力學的，人為加入的“背景結構”)，每一個時刻都存在一個三維的空間。
　　時間和空間的分離意味著我們需要兩套度量，分彆來衡量時間的間隔和空間的間隔。牛頓引力理論就是建立在這樣的時空之上，相應的引力場方程是一種典型的橢圓方程，即泊鬆方程。因此牛頓引力理論中沒有引力波的概念。而引力相互作用是一種超距作用，物理信號的傳播速度可以是無限大。雖然牛頓引力理論在物理上簡單直觀，但其數學結構是相對復雜的。除瞭需要引入兩套退化的度規，人們還需要額外的聯絡結構。而且這種聯絡結構並不能由這兩套度規確定。在相對論性時空中時間和空間沒有先驗地分離，而是融閤在一起成為一個四維的對象。這意味著相對論性的時空隻需要一個衡量“時空間隔”的度量，或者說隻需要一個度規。更進一步地，很多情況下，用來描述時空彎麯程度的聯絡也由度規*一確定。因此相對論性時空中沒有“人為的背景”，具有比牛頓引力理論更為簡單的數學結構。任何物理信號都不能超光速，這一基本假設要求時空的每一點處都能夠構造齣一個光錐(圖3)。換句話說，這個度規是洛倫茲的。這樣，一個相對論性時空可以看成是一個二元組(M，g)，即一個四維流形M配上一個洛倫茲度規g。或者說一個相對論性時空就是一個洛倫茲流形。在物理上，相對論性時空上的引力理論更為自然。如廣義相對論中的愛因斯坦場方程，通常可以寫成一個非綫性(擬綫性)偏微分方程組，而且在一些特殊的坐標係（如諧和坐標）下具有雙麯方程的特徵。這意味著相對論性的引力理論具有傳播自由度，存在引力波的概念。事實上，*近位於美國路易斯安那州和華盛頓州的激光乾涉引力波天文颱(LIGO)已經直接觀測到瞭引力波的存在。這一引力波是由二個轉動黑洞並閤後産生的。在相對論性引力理論中，引力相互作用以有限的速度(如光速)傳播，而不是超距作用。引力現象歸結為時空的彎麯程度，這錶明在一個相對論性的引力理論中度規也是動力學的，而不是簡單地作為背景或舞颱齣現在物理理論中。度規即是背景又是動力學變量這一特徵是相對論性理論的一個核心。可以說，相對論性引力理論(如廣義相對論)中的一係列重要的結論和睏難都和這一事實密切相關。
　　圖3 相對論性時空上每一點處的矢量可以分為三類：類時、類光、和類空。類時矢量可以看作過該點的質點世界綫在該點的切矢量，而類光矢量可以看成是過該點的光的世界綫的切矢量，即光的4-波矢
　　比起牛頓或伽俐略時空，相對論性時空除瞭擁有類時和類空無限遠，還擁有類光無限遠的概念。形象地說，所謂的類光無限遠可以理解成時空上光綫能夠延伸到的*遠的“端點”的集閤。通常來說，人們用來I+代錶未來類光無限遠。在閔氏時空上的任意一點發射的光都可以達到類光無限遠。但是不是所有時空都有類似的性質呢？答案並不是。黑洞就是這樣的時空，在這個時空中的一些區域發齣的信號無法到達類光無限遠。如果我們記時空為(M，g)，那麼這樣的區域可以記為
　　B=M-I-(I+)
　　這就是時空上的黑洞區。其中I-(I+)代錶未來類光無限遠I+的過去。簡而言之，所謂的黑洞區就是時空上連光都逃逸不齣的區域。需要強調的是：這裏的時空是相對論性的時空，而光逃逸不齣指的是光不能夠到達未來類光無限遠。黑洞區域的邊界稱為“黑洞事件視界”(event horizon)。因此人們常說：所謂的“黑洞事件視界是時空未來類光無限遠過去的邊界”。事件視界這個詞*早由奧地利物理學傢倫德勒(Rindler)於1956年在宇宙學的研究領域內引入。當然他研究的是所謂的觀測者的事件視界，不同於我們這裏的黑洞事件視界(圖4)。1969年英國數學物理學傢彭羅斯(Penrose)將這一概念發展成所謂的“絕對事件視界”，也就是我們這裏的黑洞事件視界。當然黑洞事件視界也可以理解為一族逃逸到無限遠處的觀測者共有的事件視界。因此我們也可將黑洞區定義為MI－(R），其中R是上述的所有觀測者所形成的集閤。黑洞事件視界是時空中的類光超麯麵(時空的3維子流形)，也就是說它的母綫是類光麯綫。
　　圖4 (a)為某個觀測者的事件視界。觀測者世界綫的過去是圖中的陰影部分，也是觀測者有可能探測到的時空的*大區域。而他(她)的事件視界是這個區域的邊界。圖(b)中的Ⅱ區為*大擴張施瓦西時空中黑洞區B。黑洞的事件視界是這個區域的邊界。上圖中的每一點代錶一個二維的麯麵。圖(b)中的各種無限遠已經通過共性映射拉到有限處。這樣，壓縮掉兩維後，我們可以將時空畫在一張紙上。這種圖稱為彭羅斯卡特圖。在這種圖中光的世界綫都是和竪直方嚮成45°夾角的直綫，如圖中的直虛綫。圖(b)上下的鋸齒綫代錶*大擴張施瓦西時空中的奇點
　　1.2 廣義相對論中黑洞的小曆史
　　1915年愛因斯坦建立瞭廣義相對論。這是一種典型的相對論性引力理論，時空度規滿足的引力場方程就是著名的愛因斯坦場方程。20世紀60年代以前，人們關於廣義相對論的研究主要集中在
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