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出版者:

作者:Fraser, Gordon 编

出品人:

页数:556

译者:

出版时间:2009-8

价格:$ 42.93

装帧:

isbn号码:9780521140027

丛书系列:

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• 物理学
• 量子力学
• 相对论
• 宇宙学
• 科学普及
• 现代物理
• 物理前沿
• 科学史
• 哲学
• 科普读物

《新物理学》 目录 前言 第一章：时空的织锦——从牛顿到爱因斯坦的飞跃 1.1 惯性与绝对时空：牛顿的宇宙观 1.2 光速的谜团：麦克斯韦方程组与以太假说 1.3 狭义相对论：时空统一与运动的相对性 1.3.1 光速不变原理与洛伦兹变换 1.3.2 时间膨胀与长度收缩 1.3.3 质能等价：E=mc²的深刻含义 1.4 广义相对论：引力作为时空弯曲 1.4.1 等效原理与引力场的几何化 1.4.2 时空弯曲的观测证据：光线偏折与水星近日点进动 1.4.3 黑洞的预言与宇宙学的开端 第二章：量子世界的微观奏鸣曲——粒子、波与概率的交响 2.1 量子现象的萌芽：黑体辐射与光电效应 2.1.1 普朗克的量子假说：能量的离散化 2.1.2 爱因斯坦的光量子理论：光子的提出 2.2 物质波的革命：德布罗意的物质波假设 2.2.1 电子衍射实验：粒子性的波动证据 2.2.2 波粒二象性：微观粒子的本质 2.3 波函数与薛定谔方程：描述量子态的数学语言 2.3.1 波函数的统计解释：概率波的含义 2.3.2 薛定谔方程：量子系统的演化规律 2.4 不确定性原理：测量的极限与量子实在 2.4.1 海森堡不确定性原理：位置与动量的不可兼得 2.4.2 量子测量的测量性：观察者效应 2.5 量子叠加与量子纠缠：超越经典直觉的奇妙现象 2.5.1 量子比特：信息处理的新维度 2.5.2 量子隧穿效应：跨越能量壁垒 第三章：粒子家族的谱系——标准模型的构建与挑战 3.1 基本粒子的分类：费米子与玻色子 3.1.1 夸克：构成质子与中子的基石 3.1.2 轻子：电子、中微子与它们的伙伴 3.1.3 玻色子：传递相互作用的信使 3.2 四种基本相互作用：强、弱、电磁与引力 3.2.1 强相互作用：束缚夸克的“胶水” 3.2.2 电磁相互作用：电荷与光子的游戏 3.2.3 弱相互作用：放射性衰变的驱动力 3.2.4 引力相互作用：宇宙的宏观塑造者 3.3 标准模型：描述粒子物理学的宏伟蓝图 3.3.1 粒子属性的数学表达：量子数与对称性 3.3.2 希格斯机制与希格斯玻色子：质量的来源 3.4 标准模型的成功与局限：未解之谜的诱惑 3.4.1 暗物质与暗能量：宇宙的隐藏成分 3.4.2 中微子质量的起源：标准模型之外的线索 3.4.3 引力子的缺失：量子引力学的召唤 第四章：宇宙的宏大图景——宇宙学与结构的起源 4.1 宇宙的起源：大爆炸理论的证据 4.1.1 宇宙膨胀：哈勃定律的观测 4.1.2 宇宙微波背景辐射：大爆炸的余辉 4.1.3 轻元素的丰度：大爆炸核合成的印证 4.2 宇宙的演化：从早期宇宙到星系的形成 4.2.1 宇宙的温度与密度变化 4.2.2 物质的聚集与结构的形成 4.2.3 星系的形成与演化：宇宙的建筑师 4.3 宇宙的未来：膨胀、收缩还是寂灭？ 4.3.1 宇宙学常数与宇宙加速膨胀 4.3.2 暗能量的主导地位 4.3.3 不同的宇宙终极命运预测 4.4 宇宙学中的基本问题：宇宙的平坦性、视界性与单调性 4.4.1 暴胀理论：解决宇宙学难题的可能方案 4.4.2 宇宙的精细调节问题：我们为何存在于此？ 第五章：前沿探索与未来展望——物理学的未竟之路 5.1 量子引力学的探索：统一的理论之路 5.1.1 超弦理论：维度与振动的奇思妙想 5.1.2 圈量子引力：时空的离散化 5.1.3 量子信息与量子计算：信息时代的物理学 5.2 物理学在生命科学与信息技术中的应用 5.2.1 生物物理学：生命的物理规律 5.2.2 量子信息技术：未来的计算与通信革命 5.3 物理学与其他学科的交叉：跨越界限的智慧 5.3.1 经济学与社会学中的物理学模型 5.3.2 哲学中的物理学反思 5.4 物理学家面临的挑战与责任：探索未知，造福人类 5.4.1 科学伦理与负责任的创新 5.4.2 激发下一代科学家的热情 结语 --- 前言 物理学，作为探索宇宙最基本规律的科学，其发展历程是一部充满智慧、想象与不懈探索的史诗。从古希腊哲学家对自然现象的朴素观察，到牛顿力学体系的建立，再到爱因斯坦相对论的诞生，以及量子力学对微观世界的深刻揭示，物理学不断地拓展着我们对宇宙的认知边界。 《新物理学》一书，旨在带领读者深入探索这些革命性的理论，理解它们如何颠覆了我们习以为常的经典观念，并揭示了一个更为奇妙、更为深邃的物理世界。本书并非一本艰深的学术专著，而是以清晰流畅的语言，力求将复杂的概念呈现给广大对科学感兴趣的读者。我们将从时空的弯曲与时空的统一性开始，步入量子力学纷繁复杂的概率世界，进而了解构成宇宙万物的基本粒子及其相互作用，并最终将目光投向浩瀚的宇宙，审视它的起源、演化与终极命运。本书相信，理解物理学的基本原理，不仅能满足我们对未知的好奇心，更能帮助我们更好地认识自身在宇宙中的位置，并为未来的科技发展奠定坚实的基础。 第一章：时空的织锦——从牛顿到爱因斯坦的飞跃 物理学史上最伟大的范式转变之一，莫过于牛顿经典力学向爱因斯坦相对论的过渡。在牛顿的宏大构想中，空间和时间被视为独立、绝对且均匀存在的背景，无论观察者是谁，他们测量到的时间和空间距离都应是相同的。这种“绝对时空”的观念，配合万有引力定律，成功地解释了行星运动、物体下落等一系列现象，构筑了经典物理学的辉煌基石。然而，到了19世纪末，电磁学的蓬勃发展，特别是麦克斯韦方程组对光的电磁本质的精确描述，以及对光速恒定性的观测，开始挑战牛顿的时空观。如果光速在任何参照系下都保持不变，那么“绝对”的空间和时间似乎就难以维系。 爱因斯坦，这位20世纪最伟大的物理学家，以其非凡的洞察力，在1905年提出了狭义相对论。他摒弃了以太的假说，大胆地提出“光速不变原理”作为两条基本公设之一，另一条则是“相对性原理”，即所有惯性参照系中的物理定律都相同。基于这两条看似简单的公设，爱因斯坦推导出了颠覆性的结论：时间和空间不再是独立的绝对实体，而是相互关联，形成了一个统一的“时空”整体。运动的物体会经历“时间膨胀”（运动时钟走得更慢）和“长度收缩”（运动物体在运动方向上变短），并且质量与能量之间存在着深刻的联系，用著名的方程 E=mc² 精确表达。这一方程不仅揭示了核能的巨大潜力，也深刻地改变了我们对物质和能量的理解。 然而，狭义相对论只适用于惯性参照系，即没有加速的运动。引力，这一支配着宇宙宏观结构的最基本的力量，在狭义相对论中似乎被遗忘了。直到1915年，爱因斯坦提出了广义相对论。他意识到，引力并非一种“力”，而是时空几何的弯曲。物质和能量的存在会使周围的时空发生形变，而物体之所以沿着特定轨道运动，是因为它们在弯曲的时空中沿着“测地线”（最短或最长路径）前进。这一革命性的思想，将引力描述为一个几何现象，并通过爱因斯坦场方程精确地表达出来。广义相对论成功地解释了牛顿理论无法解决的水星近日点进动问题，并在1919年的日食观测中得到了验证，天文学家发现太阳引力确实会使经过其附近的光线发生偏折。广义相对论的预言，如黑洞的存在，也成为现代宇宙学研究的基石。 第二章：量子世界的微观奏鸣曲——粒子、波与概率的交响 当物理学的触角深入原子和亚原子世界时，我们遇到了一个与宏观世界截然不同的领域——量子世界。在这个微观尺度上，粒子行为不再遵循牛顿的确定性轨迹，而是展现出令人费解的概率性和波动性。19世纪末，一系列实验现象，如黑体辐射和光电效应，无法用经典物理学解释，促使科学家们寻求新的理论框架。 马克斯·普朗克在1900年提出的“量子假说”，认为能量不是连续的，而是以一份一份的“量子”形式传递，每份能量的大小与辐射的频率成正比。这个看似微小的假设，却开启了量子革命的大门。随后，爱因斯坦将普朗克的量子概念应用于光，提出了“光量子”或“光子”的假说，成功解释了光电效应，即光照射金属表面时会激发出电子，而这一过程似乎是“粒子”撞击的结果。 路易·德布罗意在1924年更进一步，提出了“物质波”的假设，认为不仅光，所有物质粒子，如电子，也具有波动性。这一大胆的猜想在1927年的电子衍射实验中得到了证实，科学家们观察到电子像波一样发生衍射和干涉。至此，“波粒二象性”成为量子力学的核心概念：微观粒子同时表现出粒子和波的特性，具体呈现哪种特性取决于它们的相互作用和观察方式。 描述这种量子世界的工具是“波函数”，通常用希腊字母 $psi$ 表示。埃尔温·薛定谔在1926年提出的“薛定谔方程”，就是描述波函数如何随时间演化的基本方程。波函数本身并没有直接的物理意义，但其模的平方 $|psi|^2$ 代表了在某个位置找到粒子的概率密度。这就是量子力学的“统计解释”，它意味着我们无法精确预测一个粒子在某一时刻的准确位置和动量，只能给出其出现的概率。 沃纳·海森堡在1927年提出的“不确定性原理”，进一步加深了我们对量子世界的认识。该原理指出，我们不可能同时精确地测量一个粒子的位置和动量。测量一个量（如位置）越精确，对另一个量（如动量）的测量就越不确定。这并非由于测量仪器的限制，而是微观粒子本身的内在属性。 量子世界中最令人着迷的现象之一是“量子叠加”。一个量子系统可以同时处于多种可能状态的叠加态，直到被测量时，它才会“坍缩”到其中一个确定的状态。更令人惊叹的是“量子纠缠”，两个或多个粒子可以处于一种特殊的关联状态，无论它们相距多远，一个粒子的状态变化会瞬间影响到另一个粒子。这些奇特的量子现象，正在深刻地改变着信息技术、计算科学等领域。 第三章：粒子家族的谱系——标准模型的构建与挑战 在探索物质最微小的组成部分时，物理学家们发现了一个由基本粒子和四种基本相互作用构成的精妙宇宙。粒子物理学领域的“标准模型”，正是对这个微观世界的全面描述。根据自旋和统计性质，基本粒子被分为两大家族：费米子（自旋为半整数，如电子、质子）和玻色子（自旋为整数，如光子、希格斯玻色子）。 费米子又被细分为“夸克”和“轻子”。夸克是构成质子和中子等复合粒子的基本单元，它们有“上”、“下”、“粲”、“奇”、“顶”、“底”六种“味”。每种夸克都带有三种“色荷”，这是强相互作用的来源。轻子家族则包括了我们熟知的“电子”，以及与之相关的“电子中微子”，以及“缪子”及其“缪中微子”，还有“陶子”及其“陶中微子”。 基本粒子之间的相互作用，标准模型将其归结为四种基本力：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。强相互作用是由“胶子”传递的，它负责将夸克束缚在一起形成质子和中子，并维持原子核的稳定。电磁相互作用则由“光子”传递，它支配着电荷之间的相互作用，是我们日常生活和大多数化学反应的基础。弱相互作用与放射性衰变和某些核反应有关，由“W”和“Z”玻色子传递。虽然引力在宏观宇宙中占据主导地位，但在粒子物理学的尺度上，它的强度非常微弱，标准模型中尚未成功纳入引力子。 标准模型最辉煌的成就之一，是成功地描述了除引力之外的各种粒子及其相互作用。它解释了粒子质量的来源——“希格斯机制”。在这个机制中，宇宙被一种遍布空间的“希格斯场”充满，粒子在穿过这个场时获得质量，而“希格斯玻色子”就是这个场的量子激发。2012年，科学家们在欧洲核子研究中心（CERN）发现了希格斯玻色子，这是标准模型的一个重大胜利。 然而，标准模型并非完美无缺。它成功预测了许多实验结果，但同时也留下了一些重要的未解之谜，指向了物理学的新前沿。例如，标准模型无法解释“暗物质”和“暗能量”的存在，它们构成了宇宙的大部分。此外，中微子质量的微小值也超出了标准模型的预测范围，暗示着可能存在比标准模型更基本的理论。同时，如何将引力纳入量子框架，实现“量子引力”的统一理论，仍然是理论物理学面临的巨大挑战。 第四章：宇宙的宏大图景——宇宙学与结构的起源 物理学不仅探索微观世界的奥秘，也试图理解宇宙的宏大结构和演化。现代宇宙学的大厦，很大程度上建立在爱因斯坦的广义相对论和一系列革命性的观测之上。我们今天所熟知的“大爆炸理论”，并非指一次爆炸，而是描述了宇宙从一个极度炽热、致密的早期状态，经历了一系列演化过程，最终形成我们今天所见的宇宙。 支持大爆炸理论的最有力证据之一，是1929年埃德温·哈勃观测到的“宇宙膨胀”现象。他发现，遥远的星系都在远离我们，且离我们越远的星系，远离的速度越快，这如同一个膨胀的气球表面上的点。紧随其后，1964年发现的“宇宙微波背景辐射”，被认为是早期宇宙炽热状态的“余辉”，它均匀地弥漫在宇宙的各个角落，成为大爆炸理论的又一铁证。此外，早期宇宙核合成理论预测的轻元素（如氢、氦、锂）的丰度，与观测结果的高度吻合，也为大爆炸理论提供了坚实的支持。 从大爆炸的奇点开始，宇宙经历了漫长的演化。在极早期，宇宙的温度极高，基本粒子碰撞频繁。随着宇宙的膨胀和冷却，粒子开始结合，形成原子核，然后是中性原子。物质开始在引力的作用下聚集，形成星系、星系团和更大的宇宙结构。星系的形成和演化，是宇宙宏伟画卷中最壮丽的篇章之一，其中涌现出无数恒星，它们通过核聚变产生能量，并最终可能以超新星爆发的形式结束生命，将重元素播撒到宇宙空间。 关于宇宙的未来，科学界存在几种主要的猜想，取决于宇宙的总能量密度。如果宇宙中的物质和能量密度足够高，引力可能最终使宇宙停止膨胀并开始收缩，走向“大挤压”。但近几十年的观测表明，宇宙的膨胀正在加速，这一现象主要归因于一种神秘的“暗能量”。暗能量似乎具有负压强的特性，正在将时空推开。如果暗能量持续主导宇宙，宇宙的未来可能是“大撕裂”，即宇宙的一切结构都将被撕裂。 宇宙学研究中还存在一些“基本问题”，例如宇宙的“平坦性”问题，即宇宙的几何结构近乎平坦；“视界性”问题，即宇宙的大尺度上为何如此均匀；以及“单调性”问题，即为什么宇宙没有形成更多的结构。为了解释这些现象，物理学家提出了“宇宙暴胀理论”，认为在极早期，宇宙经历了一个极其快速的指数级膨胀阶段，这将有助于解决上述问题。然而，宇宙的精细调节问题——为什么宇宙的物理常数如此恰到好处，以至于能够孕育生命——仍然是哲学家和物理学家共同探讨的深刻谜题。 第五章：前沿探索与未来展望——物理学的未竟之路 尽管物理学取得了辉煌的成就，但科学的探索之路永无止境。《新物理学》的最后一章，将目光投向那些最前沿的未知领域，以及物理学在未来可能扮演的角色。 “量子引力学”是现代物理学最具挑战性的领域之一。将描述宏观世界的广义相对论与描述微观世界的量子力学统一起来，是理论物理学的圣杯。目前，最受欢迎的尝试之一是“超弦理论”，它认为基本粒子并非点状粒子，而是微小的、振动的弦，其不同的振动模式对应着不同的粒子。另一种方法是“圈量子引力”，它试图将时空本身量子化，使其具有离散的结构。 物理学对信息科学和生命科学的渗透也日益加深。生物物理学研究生命的物理原理，从分子动力学到细胞力学。而“量子信息”和“量子计算”则正在开启信息处理的新时代，利用量子叠加和纠缠等特性，实现前所未有的计算能力。 物理学的力量还在于其跨学科的潜力。物理学的方法和模型，如统计力学和复杂系统理论，已被广泛应用于经济学、社会学甚至生物学，帮助我们理解复杂的系统行为。同时，物理学的发展也引发了深刻的哲学思考，关于现实的本质、因果关系以及我们对宇宙的理解。 作为探索未知世界的先驱，物理学家们肩负着重大的责任。科学的进步必须伴随着伦理的考量，确保技术的发展服务于人类的福祉。教育和科普工作也至关重要，旨在激发下一代对科学的热情，培养未来的探索者。 结语 《新物理学》一书，是一次对宇宙奥秘的深入旅程。从时空的织锦到量子的奏鸣曲，从粒子的家族到宇宙的宏大图景，我们得以一窥物理学如何不断挑战人类的认知极限，拓展我们对现实的理解。这些理论不仅仅是抽象的数学公式，它们揭示了支配着我们存在的最基本规律，也为未来的技术革新指明了方向。物理学的魅力在于它的普适性与深刻性，它鼓励我们保持好奇，拥抱未知，并用理性与逻辑去探索那无尽的宇宙。这是一场永无止境的探索，每一个新的发现都将开启更多的疑问，引领我们走向更广阔的科学天地。

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