宇宙的結構

書籍

宇宙的結構——空間、時間以及真實性的意義》(The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality,2004)[1]哥倫比亞大學弦理論、宇宙學和天體粒子物理研究中心(Institute for Strings, Cosmology, and Astroparticle Physics,簡稱ISCAP)的教授兼副主任布萊恩·格林撰寫的第二本關於理論物理學宇宙學弦理論的書。[2]湖南科學技術出版社出版了其簡體中文版,並歸入其《第一推動叢書》。

The Fabric of the Cosmos
平裝本封面
副標題Space, Time, and the Texture of Reality
中文名宇宙的結構——空間、時間以及真實性的意義
作者布萊恩·格林
譯者劉茗引
類型科普
語言英語
主題理論物理宇宙學弦理論
發行資訊
出版機構克諾夫出版社
出版時間2004年
出版地點美國
中譯本出版機構湖南科學技術出版社
媒介印刷書籍
頁數569頁
系列作品
前作宇宙的琴弦
續作時間邊緣的伊卡洛斯英語Icarus at the Edge of Time
規範控制
ISBN0-375-41288-3
OCLC52854030
杜威分類法523.1 22
LC分類法QB982 .G74 2004

介紹

格林首先提出了一個關鍵問題:「什麼是現實?」或者更具體地說,「什麼是時空?」他着手描述他發現的令人興奮的特徵,這些特徵對於形成由現代科學所描繪現實的全貌是必不可少的。在幾乎每一章中,格林都介紹了基本概念,然後慢慢地達到高潮,這通常是科學上的突破。然後,格林嘗試與讀者進行溝通,通過簡單的類比來幫助解釋科學概念的含義,而又不過分簡化其背後的理論。

格林在序中承認,本書的某些部分在科學家中仍具有爭論。他在正文中介紹了主要觀點,並在尾注中給出了爭論點。正文中作了簡化的要點,會在尾注中包含更完整的說明。

摘要

第一部分:實在性之舞台(Reality's Arena)

第1章,通往實在性之路(Roads to Reality),介紹了該書後面將要出現的內容,例如圍繞經典物理學量子力學宇宙物理學所進行的討論。

第2章,宇宙與桶(The Universe and the Bucket),則以空間為重點。格林提出的問題是:「空間是人類的抽象,還是物理實體?」關鍵的思想實驗是一個旋轉的水桶,旨在讓人們思考一下,在水桶旋轉時,是什麼產生了受力的感覺。後面詳細討論了艾薩克·牛頓恩斯特·馬赫戈特弗里德·萊布尼茨關於這一思想實驗的想法。

第3章,相對與絕對(Relativity and the Absolute),聚焦於時空。現在的問題變成了:「時空是愛因斯坦的抽象還是物理實體?」該章討論了狹義相對論廣義相對論的概念,以及它們對時空意義的重要性。

第4章,糾纏着的空間(Entangling Space),格林探討了量子力學時代的革命,着眼於在量子定律所規範的宇宙中,對物體進行分離和區分的含義。該章研究量子力學,所涉及的概念包括:幾率波干涉圖案、粒子自旋、光子雙縫實驗,以及海森堡不確定性原理。讀者還將了解到,阿爾伯特·愛因斯坦鮑里斯·波多爾斯基納森·羅森對量子力學所提出的挑戰。

第二部分:時間和經驗(Time and Experience)

第5章,冰封之河(The Frozen River),處理的問題是:「時間在流動麼?」本章的重點之一是狹義相對論。彼此相對移動的觀察者對於在給定時刻所存在的事物有不同的概念,因此他們對現實的概念也不同。結論是時間並不流動,因為所有事物同時存在。

第6章,偶然和箭頭(Chance and the Arrow),問道:「時間有箭頭嗎?」讀者發現,不管時間向前進,還是向後退,物理定律都能成立。這種定律被稱為時間反演對稱。該章的主要話題之一是。作者給出了各種類比來說明,熵是如何工作的,及其明顯的悖論。該章的高潮是熵和引力之間的相互關係,以及宇宙的開始必須是最小熵的狀態。

第5章和第6章,僅由前現代物理學來解釋時間。第7章,時間與量子(Time and the Quantum),深入介紹了量子領域中時間的本質。概率在該章中扮演了主要角色,因為它是量子力學中不可避免的一部分。作者回顧了雙縫實驗,以揭示過去的情況。該章還介紹了許多其它實驗,例如延遲選擇的量子擦除實驗。還有一些其它主要問題引起了讀者的注意,例如量子力學和體驗,以及量子力學和測量問題。最後,該章討論了量子退相干這一重要主題,及其與宏觀世界的相關性。

第三部分:時空與宇宙學(Spacetime and Cosmology)

第三部分論述了宇宙的宏觀領域。

第8章,雪花與時空(Of Snowflakes and Spacetime),告訴讀者,宇宙的歷史實際上是對稱的歷史。對稱及其對宇宙演化的重要性是該章所關注的重點。同樣,廣義相對論被認為是時空的延伸結構。宇宙學、對稱性和空間形狀,被以新的方式組合在一起。

第9章,蒸發真空(Vaporizing the Vacuum),介紹了希格斯玻色子的理論思想。該章重點討論了大爆炸之後一秒,關鍵的第一部分。人們認為宇宙中對稱性的數量是這時突然變化的,該過程被稱為對稱性破缺。該章還介紹了大統一理論,並重新審視了熵。

第10章,解構大爆炸(Deconstructing the Bang),以宇宙暴脹為重點。廣義相對論和暗能量(斥力)的發現,以及宇宙學常數,都被考慮在內。由標準的大爆炸理論引起的某些問題得到了解決,膨脹宇宙學也給出了新的答案。這些問題包括視界問題英語Horizon problem平坦性問題英語Flatness problem。作者還討論了整個宇宙的物質分佈,包括暗物質和暗能量的概念。

第11章,綴滿鑽石的天空中的量子(Quanta in the Sky with Diamonds),繼續討論膨脹的話題,並且再次討論了時間箭頭。該章介紹了三項主要的發展:星系等結構的形成,產生我們現在所看到的宇宙需要多少能量,以及時間箭頭的起源。

第四部分:起源與統一(Origins and Unification)

第四部分探討了物理學的新理論方面,特別是在作者的領域。

第12章,弦上的世界(The World on a String),根據弦理論向讀者介紹了空間的結構。作者引入了一些新概念,包括普朗克長度普朗克時間,並重新審視了《宇宙的琴弦》中的思想。讀者將了解到,弦理論怎樣填補了廣義相對論與量子力學之間的空白。

第13章,上的宇宙(The Universe on a Brane),擴展了第12章中的思想,特別是M理論,弦理論是該理論的一個分支。該章致力於討論空間和時間,介紹了包括愛德華·威滕保羅·狄拉克在內的許多物理學家的見解。該章的重點是引力及其涉及的額外維度。在該章末尾,有一個簡短的部分專門介紹了循環模型英語Cyclic model

第五部分:真實與想像(Reality and Imagination)

第五部分涉及許多理論概念,包括空間和時間旅行

第14章,上天入地(Up in the Heavens and Down on the Earth),是關於時空的各種實驗。前面章節中的理論被再次提起,例如希格斯理論、超對稱和弦理論。該章描述了一些未來計劃的實驗,以嘗試驗證所討論的許多理論概念,包括暗物質和暗能量的組成,希格斯玻色子的存在,以及額外空間維度的驗證。

第15章,超距傳輸器與時間機器(Teleporters and Time Machines),是關於使用奇妙的方法穿越時空的。當讀者遇到瞬時傳送時,再次接觸了量子力學。時間旅行會造成困惑,例如,通過時間旅行回到過去的想法產生了可能性。該章的結尾聚焦在蟲洞及其背後的理論。

第16章,幻象的未來(The Future of an Allusion),重點在於黑洞及其與熵的關係。該章的主要思想是,時空可能不是宇宙結構的基本組成。

評價

《宇宙的結構》在2005年成為亞馬遜客戶中最受歡迎的科學書籍,並曾登上紐約時報暢銷書榜——自2004年2月10日出版以來,它曾10次進入非小說榜前15名,在4月4日達到其最高排名第3位,後於5月9日退出榜單。[3]它首次印刷了125,000冊,並成為每月之書俱樂部的主要選擇,克諾夫對它期望甚高。[4]截至2020年1月,該書的評論者平均評分為4.6星(滿分5星),在560位評論者中,有400位給了它5星。[5]

改編

Nova英語Nova (American TV program)根據《宇宙的結構》這本書製作了一部同名紀錄片,作為由《宇宙的琴弦》改編的廣受歡迎的紀錄片的續集。該系列由格林主持,還包括了眾多其他著名物理學家的評論,例如馬克斯·泰格馬克等。

該紀錄片系列組成了Nova電視系列片的4集(第39季第5-8集):[6]

  1. 宇宙的結構:什麼是空間?(What is Space?)
  2. 宇宙的結構:時間的幻覺(The Illusion of Time)
  3. 宇宙的結構:量子躍遷(Quantum Leap)
  4. 宇宙的結構:宇宙是唯一的嗎?(Universe or Multiverse?)[7]

出版數據

參見

註釋

  1. ^ The fabric of the cosmos : space, time, and the texture of reality [宇宙的結構——空間、時間以及真實性的意義]. 美國國會圖書館. [2020-06-15]. (原始內容存檔於2020-06-15) (英語). 
  2. ^ ISCAP member list [ISCAP成員列表]. [2006-08-14]. (原始內容存檔於2016-08-08) (英語). 
  3. ^ Adult New York Times Best Seller Lists for 2004 (checked up to July 2005) [《紐約時報》2004年成人暢銷書榜(截至2005年7月)]. Hawes Publications. 2004 [2011-10-04]. (原始內容存檔於2018-06-04) (英語). 
  4. ^ THE FABRIC OF THE COSMOS review [《宇宙的結構》評論]. 出版者周刊. 2004-02-02 [2011-10-04]. (原始內容存檔於2011-11-30) (英語). 
  5. ^ 布萊恩·格林. The Fabric of the Cosmos [宇宙的結構]. 2004. ISBN 0375412883 (英語). 
  6. ^ The Fabric of the Cosmos [宇宙的結構]. Nova英語Nova (American TV program). [2015-07-25]. (原始內容存檔於2015-07-22) (英語). 
  7. ^ Nova. [2016-07-04]. (原始內容存檔於2019-12-14) (英語). 

外部連結