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出版者:Springer Berlin Heidelberg

作者:Walter Greiner

出品人:

页数:375

译者:

出版时间:2008-10-10

价格:USD 25.00

装帧:Paperback

isbn号码:9783540780465

丛书系列:

图书标签:

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《宇宙的基石：物质的微观奥秘》 简介： 自古以来，人类便对构成我们所处世界的最基本元素充满了好奇。从古希腊哲学家们朴素的“原子”猜想，到现代科学不断突破的疆界，我们对物质本质的探索从未停止。本书《宇宙的基石：物质的微观奥秘》并非专注于某个特定理论模型，而是将目光投向了驱动我们理解物质微观世界的整体科学图景，一次次挑战直觉，一次次革新认知的宏大叙事。 我们将一起踏上一段穿越时空的科学之旅，从经典物理学的辉煌奠基，到量子革命的颠覆性浪潮，再到粒子物理学的精细描摹，最终触摸到宇宙诞生之初那令人难以置信的能量密度。本书旨在以通俗易懂的语言，展现科学家们如何通过精巧的实验设计，严密的数学推导，以及跨越维度的想象力，一步步揭示物质最深层的秘密，解开原子核的奥秘，理解构成宇宙的基本粒子以及它们之间错综复杂的作用力。 第一章：点亮微观之光——经典物理学的遗产与局限 在人类探索微观世界的早期，经典物理学，特别是牛顿力学和麦克斯韦电磁学，为我们构建了一个清晰而和谐的宏观世界图景。我们看到了行星在引力作用下的优雅轨道，理解了电荷的运动如何产生磁场，也学会了利用这些规律制造机器，操控自然。然而，当我们将目光聚焦于那些肉眼无法企及的微小尺度时，经典理论的局限性开始显现。黑体辐射的“紫外灾难”，光电效应无法解释的光的粒子性，以及原子光谱的离散谱线，都像一道道难题，摆在了当时最顶尖的物理学家面前。这些看似孤立的现象，却预示着一个全新的物理时代的到来，一个需要彻底颠覆我们对能量、动量和空间理解的时代。本章将回顾经典物理学的伟大成就，并深刻剖析那些迫使物理学走向革命的“异常”现象，为理解后续的量子革命埋下伏笔。 第二章：量子跃迁——颠覆认知的革命 量子力学的诞生，无疑是20世纪最伟大的科学革命之一。它以一种近乎哲学的方式，挑战了我们根深蒂固的决定论和直观感受。普朗克的量子假说，爱因斯坦对光电效应的光子解释，玻尔原子模型的行星轨道类比与量子化能级，以及德布罗意的物质波概念，都为量子世界的构建奠定了基石。海森堡的测不准原理，以一种深刻的方式揭示了微观粒子固有的不确定性，即我们无法同时精确测量一个粒子的位置和动量。薛定谔方程则为我们提供了描述量子系统演化的数学框架，尽管其解往往是概率性的，却能准确预测大量粒子的宏观行为。波函数塌缩、量子叠加、量子纠缠等奇特的量子现象，不断挑战着我们的常识，也催生了信息科学、量子计算等前沿领域。本章将带领读者走进这个充满概率、不确定性和奇异现象的量子世界，理解量子理论如何成功解释那些经典物理学束手无策的微观谜题。 第三章：原子之心——核力的呼唤 当量子理论的光芒照亮了原子之外的电子云，科学家们自然而然地将目光投向了原子内部更加神秘的区域——原子核。原子核为何能够如此稳定地聚集起带正电的质子，使其不受库仑斥力而散开？这一问题的答案指向了一种全新的、比电磁力更强大的吸引力——核力。本章将深入探讨核力的性质，包括其短程性、强相互作用性以及对重子（如质子和中子）的吸引作用。我们将了解原子核的组成，即由质子和中子构成的核子，以及它们之间存在的强核力，正是这种力量将原子核牢牢地束缚在一起，构成了物质存在的最基本单元。我们还会触及原子核的结构模型，例如液滴模型，它将原子核比作一滴微小的液体，解释了其结合能的规律；以及壳层模型，它将核子比作独立运动但受到平均势场约束的粒子，成功预测了原子核的幻数和稳定性。对原子核内部结构的理解，直接关联到核能的释放，以及元素周期表中元素的生成和演变。 第四章：粒子宇宙——基本粒子的家族 原子核的构成，并非物质世界的终点，而是又一个更深层次探索的起点。随着粒子加速器的不断发展，科学家们发现，质子和中子并非基本粒子，而是由更小的粒子——夸克——组成的。本章将带领读者进入粒子物理学的殿堂，介绍构成物质世界的基本粒子家族。我们将认识夸克，包括六种“味”（上、下、粲、奇、顶、底），它们是构成质子、中子等强子（重子和介子）的基本构件。同时，我们还会了解轻子家族，其中最熟悉的就是电子，以及与之相关的中微子，它们在宇宙的演化中扮演着重要角色。更重要的是，我们将探讨传递基本相互作用的规范玻色子，如传递电磁力的光子，传递强核力的胶子，以及传递弱核力的W和Z玻色子。最后，我们不能不提的是希格斯玻色子，它赋予了基本粒子质量，是标准模型中不可或缺的一环。理解这些基本粒子及其相互作用，是构建我们所见宇宙万物的基础。 第五章：宇宙的熔炉——元素起源的奥秘 宇宙并非自始至终都拥有我们今天看到的丰富元素。从宇宙大爆炸最初的能量海洋，到恒星内部的核聚变炉，再到超新星爆发的壮丽终结，元素的起源和演化是一部波澜壮阔的宇宙史诗。本章将追溯宇宙中各种元素的诞生过程。我们将从宇宙大爆炸核合成的时代开始，了解氢和氦等最轻元素的形成。然后，我们将深入恒星的内部，探索“造父变星”的能量来源，即氢聚变成氦，氦再聚变成碳、氧等较轻元素的核聚变过程。我们还将了解，为何有些重元素，如铁，在恒星核心无法通过聚变产生，以及它们是如何在恒星的死亡，特别是超新星爆发的极端条件下，通过中子俘获等过程被合成出来，并播撒到宇宙空间，成为新一代恒星和行星系统的原材料。正是这些历经无数代恒星生死循环的元素，最终构成了地球，以及我们自身的身体。 第六章：探索未知的边界——弦理论与超越标准模型 尽管标准模型在粒子物理学领域取得了辉煌的成就，但它并非完美无缺。暗物质、暗能量的存在，引力在量子尺度下的失效，以及中微子质量等问题，都表明标准模型并非我们对宇宙终极理论的全部认知。本章将展望物理学的未来，介绍当前科学家们正在探索的各种前沿理论，试图超越标准模型，统一物理学的基本力。我们将初步了解弦理论的奇妙构想，它认为基本粒子并非点状，而是微小的振动弦，不同的振动模式对应不同的粒子。我们还将触及量子引力理论的尝试，以及如何将广义相对论与量子力学相结合。对这些前沿理论的介绍，旨在展现人类探索未知宇宙的勇气与智慧，以及我们对最终理解宇宙运行规律的执着追求。 《宇宙的基石：物质的微观奥秘》旨在为读者提供一个全面而深入的视角，去理解构成万事万物的基本原理。从经典物理学的宏伟蓝图，到量子世界的颠覆性革命，再到原子核的内在结构，基本粒子的家族，以及宇宙元素的起源，我们一步步接近物质的终极奥秘。本书不是一本枯燥的教科书，而是一次激动人心的科学探险，它将点燃您对宇宙的好奇心，激发您对科学的敬畏之情，并帮助您更好地理解我们所处这个神奇而复杂的宇宙。

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