自然科学总论
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959千字
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2018-03-01
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主编推荐语
奥斯卡获奖影片《星际穿越》科幻剧情的理论之基,原片科学顾问基普·S·索恩最重要著作。
内容简介
1915年,爱因斯坦提出一个理论,把时间和空间结合为一种叫“时空”的东西,它不是平直的,而是被其中的物质和能量弯曲(或卷曲)了。在我们邻近,时空几乎是平直的,在正常情况下不会出现曲率带来的差异。但在宇宙更远的地方,时空弯曲的某些结果比爱因斯坦认识的更加惊人。一个结果是,恒星可能在自身作用下坍缩,使周围空间弯曲从而将自己同宇宙其他部分分裂开来。如何证明这个结果,如何发现坍缩在空间下的黑洞的奇异性质,正是本书的主题。
作者花费15年时间写就了这本介绍宇宙研究历史和发展情况的科普著作,系统地介绍了宇宙物理学的发展历史、代表人物、理论的冲突和科研上的合作与竞争,还介绍了从光学望远镜、射电望远镜到引力波探测仪的不同探测手段的发展过程,以及在不同探测手段下宇宙所展现出来的激动人心的一面。
目录
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版权信息
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总序
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再版序 一个坠落苹果的两面:极端智慧与极致想象
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序
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前言
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导引
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序幕 黑洞之旅
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第1章 空间和时间的相对论
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第2章 空间和时间的卷曲
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第3章 黑洞,发现与拒绝
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第4章 白矮星之谜
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第5章 坍缩是必然的
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第6章 坍缩成什么
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第7章 黄金年代
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第8章 寻找
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第9章 意外发现
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第10章 曲率波
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第11章 实在是什么
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第12章 黑洞蒸发
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第13章 洞里
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第14章 虫洞和时间机器
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尾声
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致谢
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人物
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年表
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名词
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文献目录
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参考文献*
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译后记
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重印后记 在黑洞的地平线上
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重印后记
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黑洞蒸发的原理,还是搞不懂
花了快 2 个月的时间,终于将这本将近 100 万字的书看完了。虽然已经出版接近三十年了,基普索恩在 1994 年所着的这本《黑洞与时间弯曲》仍然可以被视作科普作品的典范。这本书用非常生动而且便于理解的语言阐述了广义相对论,白矮星,中子星,黑洞的基本知识。但是它同时又没有失去它的科学性。其中对于很多关键的科学概念,本书还使用了非常具有想象力的方法,进行了准确而又生动的解释。书的开头是一段科普故事。故事里面,主人公(“你”)领导一条宇宙飞船,为了尽量接近黑洞的事件视界对其进行探索,就不断的深入宇宙,去寻找超大质量的黑洞。最后,“你” 的飞船在离开地球约 20 亿光年远的地方,找到了一个质量达到太阳的 15 万亿倍,称为 “巨人” 的大黑洞。那里,“你” 可以让 “你” 的飞船接近到飞船接近其视界的地方(根据作者的说法是到达了周长仅为 1.0001 视界周长的轨道上),对黑洞进行了观察和测量。不过,此时如果 “你” 返回地球的话,时间至少已经过去 40 亿年了,地球是否还存在也难以保证了吧。所以,“你” 决定寻找一个合适的旋转黑洞。在黑洞周围,“你们” 建立了一个环状世界,那里 “你们” 的后代可以利用从旋转黑洞中提取的能量,生活很久很久。这段故事不仅仅是简单的交代了我们在黑洞周围可以看到什么东西。同时,它也阐明了基普索恩的基本世界观。正如基普索恩在后来参与指导的电影《星际穿越》里面的人物,如布兰德教授所言,在星际旅行中,最重要的不是个人的生命,而是人类作为一个物种的延续。所以,在电影中布兰德教授认为可以使用所谓 “计划 B” 向外星球散布部分人类火种是完全可以接受的,即使这个意味着大部分地球上的人最后还是会由于地球环境的恶化而灭绝。而在本书里面,“你” 在遥远的宇宙进行探索之后,“你” 的家园已经是几十亿年之后了,“你” 也永远不可能再见到家人了。但是,这个从基普索恩角度讲并不是一个悲剧。因为他的情感,就像《星际穿越》里面的布兰德教授那样,是对人类的,而不是对个体或者家庭的。所以,电影里面的布兰德教授其实就是基普索恩本人的投影。其实,基普索恩的朋友,比如卡尔萨根以及斯蒂芬霍金实际上也是同样的价值观。所以也可以认为,布兰德教授是那一代科学家的缩影。回到本书上面来。本书在开头的科幻故事之后,基本上讲述的是一个黑洞概念从发现到发展的科学发现史。在现代物理和天文学中扮演重要角色的人物,比如爱因斯坦,钱德拉塞卡,奥本海默,惠勒,霍金,彭罗斯以及索恩本人都一一登场了。书中讨论这些人物并不是简单的讲述人物故事,而实质上是根据这些人物所涉及的事件阐述了关键的物理概念的发展过程。比如,在奥本海默与惠勒的故事,索恩不仅仅描述了这两个人的矛盾和争论,更是说明了黑洞的概念是如何成熟的。比如,奥本海默是如何证明了中子星必然有一个质量上限,大质量恒星的塌缩为何是不可避免的,以及塌缩最终会产生光都跑不出来的事件视界。而惠勒从一开始怀疑到最终承认了塌缩的必然性,以及他认为广义相对论与量子力学有可能在黑洞奇点处统一的猜测。最后,惠勒还预言了可能会有某种机制可以把黑洞的质量转变成辐射从而释放回我们的宇宙。而这一点则在后来霍金有关黑洞具有熵以及其必然蒸发的理论中得到了支持。黑洞的故事还和核武器的研发密不可分。黑洞理论的创始人奥本海默本人就是美国曼哈顿计划的领导人,而惠勒也是曼哈顿计划的参与人。而同样在苏联,黑洞研究的巨人比如泽尔多维奇也是苏联核武器项目的负责人之一。而且,为了计算氢弹爆炸原理的计算模拟同样可以用来研究星球的塌缩。而战后由于核武器政策的分歧,导致奥本海默(他主张限制核武器)与惠勒的分道扬镳。总之,核武器发展与黑洞理论建立这两个故事的线索是互相交错的。本书的一个特别的优点就是很多重要概念被解释得非常清楚,这个在很多其它科普书里面是不具备的。比如,大质量物体周围的时空会被弯曲。但是,我们的空间是三维的(如果加上一维时间那就是四维时空),所以这种弯曲显然是无法用直观的方法展示出来的。通常我们得用一个二维的嵌入图来展示这个过程。但是大部分科普书籍对于嵌入图的本质都阐述不清。一般都将它描述为 “把我们实际上的三维空间想象成二维空间,这样空间的弯曲就可以用图表示了”。然而,这个说法实质上是不确切的。确切的说法是,如果你要想象一个星球附近的空间的弯曲,你可以想象在那个星球的赤道上取出一个平面。这个平面必然是二维的。然后你把这个平面放入一个想象中的平直三维 “超曲面” 之中(这个 “超曲面” 虽然是三维的,但是并不是我们实际生存的三维空间)。在里面,从星球赤道取出的二维平面由于星球的质量存在因此会弯曲,而弯曲的形式则在这个二维平面中以一个碗状结构显示出来。这个才是嵌入图的正确定义,书里面的第 117 页对其有详细描述。据我所知,这个是我唯一一次在科普书中看到这么确切的有关嵌入图的定义。
关于致密天体的最佳科普
索恩的大名因引力波探测的成功及担任科幻大片《星际穿越》(Interstellar)的科学顾问而达巅峰,但他最优秀的科普是这本 1994 年的书,这本书以一次虚拟的星际旅行为开篇,翔实、严谨,并且不失生动地介绍了科学家们研究白矮星、中子星、黑洞等致密天体的历史,其中穿插了他本人作为研究者亲历过的见闻。
对相对论的一次深入普及
该书作者索恩近年来可谓大红大紫。他先是在科幻大片《星际穿越》中担任制片,然后又因为主持引力波项目获得了诺贝尔奖。这本书不仅是对相对论的一次深入普及,也让你了解各种物理学界的八卦轶事,比如 “虫洞” 概念的由来,霍金的打赌等等。
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出版方
湖南科学技术出版社
湖南科学技术出版社,系中南传媒旗下子公司。出版社以“弘扬科学精神,推动科技发展”为出版宗旨,推出一大批高品位、高格调、重实用、讲实效的科技佳作,如《时间简史》《医学临床“三基”训练》等。