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出版者:

作者:Penrose, Roger

出品人:

页数:960

译者:

出版时间:2010-12

价格:$ 346.91

装帧:

isbn号码:9780199219377

丛书系列:

图书标签:

• 物理学
• 数学
• 宇宙学
• 黑洞
• 相对论
• 量子力学
• 认知科学
• 意识
• 科学哲学
• Penrose

好的，这是一份为一本名为《宇宙的几何与时空奥秘》的图书撰写的详细简介。请注意，此简介将完全聚焦于本书可能涵盖的主题，而不提及任何关于罗杰·彭罗斯本人的著作内容。 --- 宇宙的几何与时空奥秘：从黎曼到量子引力的新探索 导言：重塑我们对现实的理解 自人类开始仰望星空，对宇宙本质的追问便从未停歇。我们生活在一个由时空构成的宏大剧场中，然而，我们对这个剧场的几何结构、其演化规律以及微观粒子的相互作用的理解，仍处于不断深化和修正的过程中。本书《宇宙的几何与时空奥秘》旨在带领读者深入现代物理学的最前沿阵地，探索那些定义了我们宇宙结构的基本数学框架，以及试图将这些框架统一起来的宏伟理论。 本书的叙事线索将围绕两个核心支柱展开：一是广义相对论所揭示的宏观时空几何；二是试图在量子层面描述引力的挑战与机遇。我们不满足于停留在经典物理学的舒适区，而是要勇敢地穿越那些已知的边界，直面时空奇点、黑洞视界、量子涨落以及多维空间的复杂性。 第一部分：时空几何的精妙构造 本部分将构建理解现代宇宙学的数学基础，着重阐述微分几何如何成为描述引力的语言。 第一章：黎曼几何的复兴与度量张量的威力 我们将从介绍十九世纪数学家伯恩哈德·黎曼对流形概念的突破性工作开始。流形——一个在局部看起来像欧几里得空间的拓扑空间——是描述弯曲时空的理想载体。重点阐述度量张量（Metric Tensor）在定义时空距离和角度中的核心作用。我们将详细剖析如何利用度量张量来计算测地线（Geodesics），即物体在弯曲时空中自然遵循的路径，这直接导向了“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动”的物理直觉。 第二章：爱因斯坦场方程的深刻内涵 本书将详尽解析爱因斯坦引力场方程——广义相对论的基石。我们不仅会审视其代数结构，更会深入探究其解的物理意义。重点分析静态球对称解（如史瓦西解），它们首次在数学上揭示了黑洞存在的必然性，并引入了视界（Event Horizon）的概念，一个信息无法逃逸的边界。此外，还将探讨动态解，如弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FLRW）度规，它是描述均匀、各向同性膨胀宇宙的标准模型，为现代宇宙学奠定了坚实的数学框架。 第三章：引力波：时空涟漪的探测 时空并非一成不变的背景，而是可以像水面一样被扰动。本章聚焦于引力波的理论预测及其最近的实验观测。我们将解析双星系统（如双黑洞或双中子星并合）如何产生强大的时空扰动，以及这些波如何在传播中携带关于源头的关键信息。对LIGO/Virgo等探测器原理的介绍，将展示如何将抽象的数学概念转化为可被人类感官捕获的物理信号。 第二部分：时空的极端区域与奇异性 引力理论在极端条件下，如高密度和高曲率区域，会展现出其最引人入胜但也最具挑战性的一面。 第四章：黑洞的拓扑结构与信息悖论 我们将深入黑洞的内部结构，超越经典的事件视界。探讨克尔黑洞的复杂性，包括其内部的奇点（Singularity）以及潜在的内视界（Inner Horizon）。本章还将聚焦于物理学界悬而未决的黑洞信息悖论——根据量子力学，信息不应被摧毁，但根据经典广义相对论，落入黑洞的信息似乎永远丢失了。这迫使我们必须寻求超越现有理论的全新视角。 第五章：宇宙大爆炸的起点：奇点理论 时间从何而来？本书将回顾对宇宙起源的数学描述——大爆炸奇点。我们将考察奇点是如何在广义相对论的框架内自然出现的，并讨论彭罗斯-霍金奇点定理如何证明在一定物理假设下，时空必然存在边界。这一部分强调，奇点的存在本身就是对现有物理定律完备性的一个明确宣告——我们需要一个更基础的理论来描述宇宙的“零点”。 第三部分：时空几何的量子化尝试 广义相对论在宏观尺度上无与伦比的成功，与其在微观量子世界中的失败形成了鲜明的对比。本书的后半部分致力于探索如何调和这两大物理学支柱。 第六章：量子场论与时空背景的冲突 在标准模型中，粒子被视为量子场论的激发态，它们在固定的、平坦的（伪欧几里得）背景时空中演化。然而，引力意味着时空本身是动态的，并由物质能量决定。本章分析了尝试将量子场论应用于弯曲背景时所遇到的困难，特别是如何定义“能量”和“真空”的概念，以及重整化方法在引力理论中的失效。 第七章：圈量子引力：时空的基本“原子” 作为量子引力的主流候选理论之一，圈量子引力（Loop Quantum Gravity, LQG）的核心理念是将时空本身进行量子化。我们将探索LQG如何运用惠勒-德维特方程（Wheeler-DeWitt Equation）的某些思想，通过引入自旋网络（Spin Networks）和自旋泡沫（Spin Foams）来描述时空结构。其惊人的预测是：空间并非连续的，而是由离散的、基本的“量子体积”单元构成的，这彻底颠覆了我们对空间连续性的直觉。 第八章：弦理论的维度与对引力的统一描述 本书另一条重要的统一路径是弦理论（String Theory）。我们将介绍弦理论如何用一维的“弦”来取代点状粒子，并探讨这种替换如何自然地导出了引力的量子描述，即闭合弦的激发态对应于引力子（Graviton）。重点讨论超对称（Supersymmetry）的角色，以及为了理论自洽，数学上要求额外空间维度（如紧致化的卡拉比-丘流形）存在的必要性。通过对这些高维几何的探索，我们期望能将引力与其他三种基本力统一起来。 结论：展望未知的统一蓝图 《宇宙的几何与时空奥秘》的终点并非答案，而是更深刻的提问。我们已经看到了，描述宏观宇宙的黎曼几何与描述微观世界的量子力学在逻辑上存在深刻的断裂。本书通过对黑洞、奇点以及量子引力尝试的全面审视，意图揭示出：真正的宇宙理论必须是一种背景独立的理论，一个能够自我一致地描述时空如何从量子涨落中“涌现”出来的框架。 我们期待的物理学新范式，将不再把时空视为容器，而是将其视为宇宙中的一个动态参与者，一个由几何、量子信息和基础结构编织而成的复杂实体。这本书是对人类智慧的赞歌，它颂扬了我们用纯粹的数学工具去探究宇宙最深层秘密的勇气与决心。 ---

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