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出版者:

作者:Calcagni, Gianluca; Papantonopoulos, Lefeteris; Siopsis, George

出品人:

页数:411

译者:

出版时间:2012-12

价格:$ 101.64

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isbn号码:9783642330353

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• 量子引力
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深入探索宇宙的基石：时空、物质与信息 一部关于现代物理学前沿的宏大叙事 本书带领读者踏上一场穿越现代物理学最深层奥秘的探险之旅，聚焦于我们理解物质、能量、时空结构以及宇宙起源与命运的核心理论。我们不讨论量子引力或量子宇宙学中的特定模型，而是深入剖析支撑这些前沿研究的理论基础、实验挑战和哲学意义。 第一部分：时空结构的重新审视 超越牛顿与爱因斯坦的边界 自伽利略和牛顿以来，时间与空间一直是物理学的绝对框架。然而，狭义相对论和广义相对论彻底颠覆了这一认知，将时空视为一个动态的、可弯曲的实体。 1. 经典场论的完备性与局限性 本部分首先回顾爱因斯坦广义相对论的数学框架——黎曼几何在描述引力现象中的强大能力。我们将详细解析张量分析在描述时空曲率上的关键作用，包括测地线方程、里奇张量以及爱因斯坦场方程的几何解释。然而，理论的完美并不意味着其实用性不受限制。我们将探讨在黑洞奇点和宇宙大爆炸的初始瞬间，经典引力理论如何失效，预示着需要更深层次的描述。 2. 拓扑学在时空结构中的角色 时空不仅仅由度量决定，其内在的连通性和形状也至关重要。我们将介绍流形理论、同调论与同伦论的基本概念，并讨论这些拓扑学工具如何在描述奇点、虫洞等极端时空结构时发挥作用。理解拓扑不变量如何可能在不依赖于局部度量细节的情况下，揭示时空的本质属性，是构建更宏大理论的第一步。 3. 惯性系与参考系选择的相对性 狭义相对论的核心在于光速不变和相对性原理。我们将细致分析惯性系的选择如何影响对事件的描述，并探讨在存在引力场的情况下，如何定义“局部惯性系”——这为过渡到更基础的理论提供了必要的桥梁。本节深入讨论洛伦兹群的代数结构及其在物理定律不变性中的核心地位。 --- 第二部分：物质的基石——量子力学的精妙体系 从波函数到量子场论的演进 量子力学是描述微观世界的基石。本书将系统梳理其核心概念，并探究如何将这些概念扩展到描述相互作用的粒子系统。 1. 量子力学的基本公设与非定域性 我们将深入探讨薛定谔方程的物理意义，以及波函数的概率解释。重点将放在量子力学的核心特征：叠加态、测量问题以及不可避免的非定域性。纠缠现象的讨论将超越简单的数学描述，探讨其对信息本质的深刻含义。关于贝尔不等式的实验验证将作为论据，强调经典直觉在微观层面的彻底破产。 2. 粒子与场的对偶性 从描述单个粒子的波函数，到描述大量粒子的量子场论（QFT）。本部分将详细阐述正则量子化方法，如何将经典场（如电磁场）提升为量子算符，从而自然地产生粒子（如光子）。理解狄拉克方程如何成功地将量子力学与狭义相对论结合，并预言了反物质的存在，是本节的亮点。 3. 规范场论：描述基本相互作用的语言 现代粒子物理学的支柱是规范场论。我们将解释规范不变性的数学要求如何严格地决定了相互作用力的形式，从描述电磁力的U(1)规范群，到描述强核力和弱核力的更复杂的对称群。规范玻色子（如光子、W和Z玻色子）作为力的传递者，其作用机制将通过拉格朗日密度和费曼图进行清晰的阐述。 4. 连续谱与能级化 在自由粒子的描述中，能量本征态可以形成连续谱。然而，当粒子被束缚（例如在原子中）时，能量会量子化。本部分将探讨这种能级化的物理根源，以及它如何导致了光谱的离散结构，这是原子理论的决定性特征。 --- 第三部分：信息、熵与物理学的统一趋势 从热力学到基础理论的桥梁 信息论和统计力学在物理学中扮演着越来越核心的角色。它们不仅描述了宏观系统的复杂性，也开始触及微观理论的根本假设。 1. 统计力学与热力学箭头的建立 热力学第二定律——熵增原理，是描述时间演化方向的唯一非对称定律。我们将从玻尔兹曼的微观统计基础出发，探讨熵如何与微观状态的数量相关联。理解为什么在时间反演对称的微观定律下，宏观世界却表现出不可逆性，是理解宇宙演化的关键。 2. 黑洞热力学：信息与引力的交汇点 黑洞不仅是广义相对论的解，它们也展现出明确的热力学性质。我们将探讨贝肯斯坦-霍金熵的概念，即黑洞的熵与其视界面积成正比。这暗示着引力场的信息容量是有限的，并提出了信息是否能真正从黑洞中“丢失”的深刻难题。 3. 基础物理中的信息概念 信息不再仅仅是通信理论中的概念，它被认为是物理实在的基本组成部分。我们将考察信息论方法如何应用于描述量子系统的相干性、纠缠度，以及它们在描述复杂多体系统时提供的替代视角。基础物理定律是否本质上是关于信息处理的？本书将引导读者思考这一前沿课题。 --- 第四部分：实验的极限与未来的展望 挑战现有理论的观测窗口 任何理论的有效性最终都依赖于实验验证。本部分关注当前和未来实验物理学如何试图揭示超出标准模型和经典引力的现象。 1. 寻找新的对称性和粒子 高能加速器物理学致力于寻找超对称性、额外维度的迹象，以及超出标准模型预测的新粒子。我们将回顾当前实验的精度，以及它们对我们现有理论框架施加的限制。例如，暗物质和暗能量的观测证据，明确指出我们对宇宙中绝大多数物质和能量的理解仍是缺失的。 2. 引力波天文学的全新视野 引力波的探测开启了一个全新的“聆听”宇宙的窗口。我们将讨论引力波信号（如双黑洞并合）如何作为极端时空背景下物理定律的探针。这些观测不仅验证了广义相对论在强场区域的准确性，也为未来探测量子效应留下了理论上的参照点。 3. 宇宙微波背景辐射的精细结构 作为宇宙大爆炸的“余晖”，CMB的各项异性包含了早期宇宙的丰富信息。对这些极微小温度涨落的精确测量，不仅校准了我们的宇宙学参数，也为检验任何关于极早期宇宙演化的模型提供了最直接的约束。 结论：未完待续的物理学史诗 本书并非提供最终答案，而是系统地梳理了人类在理解时空、物质和信息这三大支柱上所取得的非凡成就，以及当前理论面临的根本挑战。我们所处的是一个知识爆炸的时代，现有理论的成功清晰地勾勒出了下一个伟大突破可能出现的方向。读者将带着对物理世界更深刻、更严谨的认识，准备好迎接即将到来的科学革命。

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我一直认为，物理学最迷人的地方在于它能够用简洁的数学语言描述出极其复杂和宏观的现象。从牛顿的万有引力定律到爱因斯坦的广义相对论，再到量子力学对微观世界的颠覆性认识，每一次理论的飞跃都极大地拓展了我们对宇宙的认知边界。而“量子引力”和“量子宇宙学”这两个词语，本身就充满了令人兴奋的想象空间。它意味着我们正在尝试将这两个最成功的物理学理论——描述宏观引力的广义相对论和描述微观世界的量子力学——融合在一起，去理解那些极端条件下的物理过程，比如宇宙大爆炸的瞬间，以及黑洞的内部。我非常好奇书中是如何处理这两个理论之间的不兼容性的，以及有哪些最新的研究成果能够提供一些线索。我希望书中不仅仅是理论的介绍，更能包含一些实验观测上的进展，哪怕是间接的证据，也能为这些理论提供支撑。毕竟，物理学最终还是要回到观测和实验上来。

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这本书的封面设计就散发着一种深邃而引人入胜的气息，黑色的底色上，抽象的星系图案和复杂的数学符号交织在一起，仿佛在预示着一场关于宇宙最深层奥秘的探索。拿到手里，纸张的质感也相当不错，有一种沉甸甸的厚实感，让人联想到其中蕴含的知识分量。虽然我并非该领域的专业研究者，但对量子力学和广义相对论的交叉点一直抱有极大的好奇。我常常在想，当我们试图用量子理论去描述引力，或者用引力的视角去审视宇宙的起源和演化时，会涌现出怎样令人惊叹的景象。这本书的名字，"Quantum Gravity and Quantum Cosmology"，恰恰击中了我的兴趣点，它承诺着一次穿越时空、探索宇宙最基本构成单元的奇幻旅程。我期待它能够以一种既严谨又不失启发性的方式，向我揭示那些隐藏在黑洞信息悖论、宇宙大爆炸奇点背后的深刻理解。我希望它不仅仅是堆砌枯燥的公式和理论，更能通过生动的比喻和清晰的逻辑，让我这个门外汉也能窥见物理学前沿的璀璨光芒。或许，通过这本书，我能更深刻地理解我们所处的这个宇宙，它究竟是如何从无到有，又将走向何方。

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对于我这样一个对宇宙学和基本粒子物理学有着浓厚兴趣的普通读者而言，一本好的书籍能够激发我更深入的思考，甚至改变我对世界的基本看法。这本书的书名，"Quantum Gravity and Quantum Cosmology"，就足以让我产生强烈的求知欲。我常常在想，宇宙究竟是怎么开始的？它为什么会以现在的样子存在？黑洞究竟是宇宙中的“漏网之鱼”，还是某种更深层物理规律的体现？我希望这本书能够提供一些关于这些终极问题的最新见解。它是否会介绍一些目前被广泛接受的宇宙学模型，比如暴胀理论，并解释量子引力在其中扮演的角色？它是否会深入探讨黑洞信息悖论，并提供一些可能的解决方案？我期待书中能够以一种引人入胜的方式，将这些前沿的科学问题呈现给读者，并引导我们去思考。

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这本书的书名，"Quantum Gravity and Quantum Cosmology"，仿佛打开了一扇通往宇宙最深处的大门。我一直以来都对物理学，特别是那些试图解释宇宙最基本规律的理论，有着浓厚的兴趣。我希望这本书能够以一种引人入胜的方式，介绍量子引力理论的最新进展，以及它如何帮助我们理解黑洞的本质，比如视界处的量子效应，或者信息悖论的潜在解决方案。同时，对于量子宇宙学，我期待它能够揭示宇宙在大爆炸之初的量子状态，以及这些量子效应是如何塑造了我们今天所观测到的宇宙结构。书中是否会讨论一些关于宇宙弦、宇宙泡或者其他前沿模型，并解释它们在理解宇宙演化中的作用？

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从我个人的阅读习惯来看，一本优秀的学术书籍，不仅仅在于其内容的深度，更在于其逻辑的清晰和结构的合理。一本关于量子引力和量子宇宙学的著作，必然会涉及大量的数学工具和抽象概念。我希望这本书能够有清晰的脉络，从最基础的概念讲起，逐步深入到复杂的理论模型。例如，在讨论量子引力时，书中是否会首先回顾广义相对论和量子场论的核心思想，然后指出它们在结合时遇到的困难？在讲述量子宇宙学时，是否会从标准宇宙学模型出发，然后引入量子效应来解释早期宇宙的特性？我特别关注书中对“奇点”问题的处理，无论是宇宙大爆炸的奇点，还是黑洞内部的奇点，它们都是广义相对论失效的地方，而量子引力理论有望解决这些问题。我希望书中能有对不同处理方法以及相应预测的比较。

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这本书的书名，"Quantum Gravity and Quantum Cosmology"，本身就包含了两个极具挑战性和吸引力的物理学前沿领域。我之所以对此书充满期待，是因为我一直对宇宙的起源和最终命运充满了好奇，而量子引力和量子宇宙学正是解答这些问题的关键。我希望书中能够清晰地阐述量子引力理论是如何试图统一量子力学和广义相对论的，以及它对我们理解宇宙早期阶段（比如大爆炸之后极短的时间内）提供了怎样的洞见。同样，我也期待书中能够深入探讨量子宇宙学，例如它如何解释我们观测到的宇宙的均匀性和各向同性，以及如何处理宇宙的“起点”问题。我尤其希望书中能提到一些关于宇宙弦、量子泡沫或者其他与量子引力相关的概念，并解释它们在当前物理学研究中的地位。

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这本书的书名，"Quantum Gravity and Quantum Cosmology"，直接点出了其核心的研究内容，这让我立刻联想到许多关于宇宙奥秘的探讨。我一直对那些能够解释宇宙最根本规律的理论充满着敬畏之心。我希望这本书能够带领我走进量子引力领域，去理解它如何尝试弥合广义相对论和量子力学之间的鸿沟。特别是关于黑洞的研究，这无疑是量子引力理论最直接的应用场景之一。我期待书中能有关于黑洞辐射、视界附近量子效应等内容的介绍。同时，对于量子宇宙学，我则希望它能解释我们所处的这个宇宙是如何从一个极小的、高密度的量子状态演化到今天这个浩瀚的规模的。书中是否会涉及一些关于“无”的开端，或者宇宙诞生时所经历的“量子涨落”等概念？

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看到"Quantum Gravity and Quantum Cosmology"这个书名，我就知道这绝对是一本能够引发深度思考的书。我一直对“什么是宇宙”以及“宇宙是如何运作的”这些基本问题感到着迷。物理学，尤其是量子引力与量子宇宙学，无疑是解答这些问题的最前沿阵地。我希望这本书能为我描绘一幅宏大的宇宙图景，从最微小的量子层面，到最宏观的宇宙结构。我特别期待书中能够深入探讨量子引力理论，比如弦理论、圈量子引力等，它们的出现是为了解决什么根本性的问题？它们又为我们理解宇宙的起源和黑洞的性质提供了哪些新的视角？同时，对于量子宇宙学，我希望它能帮助我理解宇宙是如何从一个量子态演化成我们今天看到的这个庞大而复杂的宇宙的。

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这本书的出版，无疑为那些长期关注物理学前沿进展的读者提供了一个绝佳的窗口。我印象最深刻的是，许多关于量子引力和量子宇宙学的讨论，常常会触及到一些哲学层面的问题。例如，时间在量子尺度下是否还具有我们通常理解的连续性？空间是否真的可以被“量化”？黑洞的本质究竟是什么，是吞噬一切的终结，还是某种信息转化的奇点？这些问题，往往是许多科幻作品中津津乐道的主题，但在这本书里，它们被置于严格的物理框架下进行探讨，这无疑增加了其吸引力。我特别期待书中能够对一些前沿的理论模型，比如弦理论、圈量子引力等，进行相对通俗的介绍，并阐述它们各自在解释宇宙起源和黑洞现象上的优势与局限。一个好的科普或者学术入门读物，应该能够引导读者一步步深入，而不是一开始就抛出过于晦涩的概念。我希望这本书能做到这一点，让我在阅读过程中，能够逐步建立起对这些复杂理论的直观认识，而不是仅仅停留在概念的层面。

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书名"Quantum Gravity and Quantum Cosmology"让我立刻联想到物理学中最令人振奋和最具挑战性的领域。我一直对探索宇宙的起源和基本构成感到着迷，而量子引力和量子宇宙学正是解答这些终极问题的关键。我希望这本书能够以一种清晰且引人入胜的方式，解释量子引力理论是如何尝试统一量子力学和广义相对论的，以及它如何帮助我们理解黑洞的奥秘，比如黑洞信息悖论的最新进展，或是视界附近的量子效应。同时，对于量子宇宙学，我期待它能深入探讨宇宙在大爆炸之初的量子态，以及这些量子现象如何塑造了我们今天所观测到的宇宙。书中是否会涉及关于早期宇宙的量子涨落，或者宇宙弦等概念，并解释它们在宇宙演化中的作用？

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