神秘的宇宙
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作者[美]斯滕·奥登瓦尔德(Sten Odenwald)
出版社华中科技大学
ISBN9787568086080
出版时间2022-11
四部分类子部>艺术>书画
装帧其他
开本16开
定价168元
货号1202753107
上书时间2024-05-31
商品详情
- 品相描述：全新
- 商品描述
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目录
引言................................................................7
宇宙的形式.......................................................8
创世故事..................................................................10
要素一：物质...........................................................12
要素二：自然的基本力............................................16
要素三：隐藏的场和力............................................20
要素四：空间...........................................................22
要素五：时间...........................................................24
要素六：自然律.......................................................26
要素七：多元宇宙....................................................28
探索大爆炸......................................................30
时间零点..................................................................32
真空涨落和量子隧穿................................................34
宇宙发生学..............................................................36
大爆炸......................................................................40
暴胀与可见宇宙.......................................................44
火球辐射..................................................................46
核合成时代..............................................................50
宇宙背景辐射时代结束............................................52
暗物质结构..............................................................54
恒星演化.........................................................56
观测恒星..................................................................58
作为恒星的太阳.......................................................60
恒星的诞生..............................................................64
恒星演化中期...........................................................68
恒星的死亡..............................................................70
超新星......................................................................72
超新星遗迹..............................................................74
黑洞.........................................................................76
黑洞合并——引力波................................................78
引力波宇宙..............................................................80
最早的恒星和星系..............................................82
星族Ⅲ——最早的恒星............................................84
紫外线充斥的宇宙....................................................86
元素富集的超新星....................................................88
年轻的星系..............................................................90
超大质量黑洞的出现与成长.....................................92
星系团开始变得普遍................................................96
活动星系核............................................................100
银河系超星系团和局部宇宙地理............................102
银河系..........................................................106
银河系的基本天体构成..........................................108
从内向外探索银河系的结构...................................110
星族.......................................................................114
银河系的形状.........................................................118
银河系、星系吞噬者..............................................122
行星系统.......................................................124
原行星盘................................................................126
太阳系以外的行星..................................................128
行星的内部结构.....................................................132
宜居带....................................................................134
类地行星................................................................136
晚期重轰击时代.....................................................138
太阳系..........................................................140
我们的家园：太阳系..............................................142
水星.......................................................................144
金星.......................................................................146
地球.......................................................................148
火星.......................................................................150
木星.......................................................................152
土星.......................................................................154
天王星....................................................................156
海王星....................................................................158
矮行星....................................................................160
行星的卫星............................................................162
小行星....................................................................168
彗星.......................................................................170
陨石和小行星的威胁..............................................172
太空旅行.......................................................176
遥远的探险............................................................178
载人探索................................................................180
星际旅行................................................................182
推进技术................................................................186
结语.............................................................188
延伸阅读.......................................................189
图片来源....................................................190
内容摘要
你有没有想过第一代恒星是如何诞生的?或者思考黑洞周围到底发生了什么?自从人类出现以来，我们一直在探索我们周围的世界。我们对宇宙始终充满好奇，我们也经常会问自己如下问题：太阳和地球是如何形成的？我们宇宙的起源和命运是什么？我们在宇宙中是孤独的吗？本书可以带领读者一一解答这些问题，并将带你踏上一段穿越整个宇宙历史的迷人旅程。本书图文并茂地带领你探索宇宙，了解不同行星如何产生和消失的过程，聚焦于太阳的能量和神秘的太阳黑子等话题，还利用最新的研究成果展示了轨道望远镜拍摄的不同寻常的图像。具体来说，本书主要围绕以下8个方面来详细介绍：①如何建立一个宇宙；②探索大爆炸；③恒星演化；④第一代恒星和星系；⑤银河系；⑥行星系统；⑦我们的太阳系；⑧太空旅行。本书不仅注重文本讲解，更有精美图片和信息图表加持，展现给读者浩瀚的宇宙世界。
精彩内容
宇宙的形式拉丁语中的universum一词最早是由罗马政治家西塞罗（Cicero）在公元前1世纪创造的。如今，我们知道我们的宇宙包括地球上的所有事物、太阳系以及太阳系之外遥远的恒星和星系。它还包含一个广阔的，并可能无限的空间，这一空间已经存在了近140亿年。在人类历史的大部分时间里，宇宙形成的方式是宗教问题。所有的创世故事都有一个共同点：它们必须解释某事物（宇宙）是如何被创造或从无到有的。如今，天体物理学家仍在努力揭开这一令人费解的谜团，他们用现代语言来描述这个谜团：“为什么是有什么而不是什么也没有？”言语中带一丝顽皮和幽默。
宇宙一小部分的哈勃极深场，图像显示了数千个星系，其中最遥远的星系距离地球约130亿光年。在哈勃空间望远镜的最远极限，它只能探测到宇宙大爆炸（后文简称“大爆炸”）后5亿年形成的那些婴儿星系。
创世故事在古代，宇宙中物质的构成是基于亚里士多德（Aristotle）提出的一组基本要素，即土、气、火、水和以太。前4种要素存在于地球上，天空中的行星、恒星和其他“居民”则由一种被称为以太[aether（αιθερ）]的纯净发光物质构成。虽然亚里士多德考虑了5种要素，但在印度的吠陀哲学中，又补充了时间、空间、思想和灵魂等要素。世界上所有的物质都是由这些要素的混合物构成的。探索宇宙的古代哲学家总是发现自己在探索构成万物的基本要素，这些要素在公元前5世纪被希腊人[如德谟克利特（Democritus）]称为atomos（原子），在公元前6世纪被吠陀圣人羯那陀(Kanada)称为parmanu（原子）。
除了了解构成世界的要素外，人们还必须创作故事来解释世界上的特定事物是如何由这些基本要素构成的。在古埃及，阿图姆-拉（Atum-Ra）首先通过说出自己的名字从努恩（Nun）的黑暗水域中创造了自己。他通过这种行为，随着时间的推移将所有其他神灵和地方都创造了出来。随后古巴比伦人也在宇宙水域中创造了他们自己的神：阿卜苏（Apsu）代表淡水，提亚玛特（Tiamat）代表苦涩的咸水。这对神灵随后创造了其他所有神灵，包括最终杀死提亚玛特的马尔杜克（Marduk），他又从提亚玛特的尸体中创造了天与地。同样在中东，犹太教《圣经》中的《创世记》认为宇宙始于混沌中无形的水，上帝利用它创造了天、地和所有生命。
古人们在创作这些故事时面临的最大挑战可能是来自《梨俱吠陀》中首次提出的：“谁知道这一伟大的创造从何而来？”答案是，即使是“至高天上的至高先见”也可能不知道！然而，千百年来，人们发现此类故事完全可被利用于满足他们自己的需求。只是在过去的100年里，新的认识才使我们能够为我们现在所说的宇宙起源创作一个更好的“故事”。当代人类面临的最大挑战是将我们发现的所有新的基本要素纳入现代的创世“故事”中，并展示它们是如何以合乎逻辑的方式相互关联的。这些要素代表了我们物理世界的7种特定的现象和属性。下面就让我们逐一来看一看吧。
要素一：物质直到15世纪，炼金术士也只成功地识别了亚里士多德提出的5种要素之外的几十种化合物。如今，对自然界基本元素的探索已经不可阻挡地引领人们认识了地球上94种天然元素，还有另外24种是用先进的技术人工合成的元素。几个世纪的科学研究和技术进步也使人们对物质的本质有了深刻的理解，这些物质是由一小部分基本元素组成的，其复杂程度令人眼花缭乱。但是，将物质还原为其最基本成分的过程并没有就此结束。从20世纪初开始，人们还发现原子是由电子、质子和中子组成的。已知相对原子质量最大的元素（Og）于2006年被发现，它包含118个质子、118个电子和176个中子。到20世纪中叶，对质子的研究实验发现，质子本身由更基本的物质组成，称为夸克。随着时间的推移，物理学家发现了6种不同的夸克，它们被赋予了幽默的名字：u夸克（Up）、d夸克（Down）、s夸克（Strange）、c夸克（Charm）、b夸克（Bottom）和t夸克(Top)。人们熟悉的质子和中子只需要6种夸克中的2种，即u和d夸克，每3个为一组，例如，1个质子由3个夸克组合uud构成，而中子则由夸克组合ddu构成。数以百计的其他质量更大的粒子则需要6种夸克组合构成。
在6种夸克之外，排在第二位并且质量小得多的基本粒子家族被称为轻子。电子是我们现代文明的主力，是轻子中最为人所熟悉的，但它要与另一种称为中微子的粒子配对。在放射性衰变过程中，例如当一个中子在大约10分钟后衰变时，中子变成质子并同时释放出一个电子和一个中微子。其他粒子也可以经过衰变释放出额外的、质量更大的轻子，如μ子和τ子，各自被它们自己的伙伴中微子跟随。
反物质是在20世纪30年代发现的，是一种物质形式，它们所带的电荷与夸克和轻子物质相反。例如，带负电荷的电子有一个反物质版本，称为正电子。正电子的质量与电子相同，但带正电荷。电荷为-1/3的d夸克有带+1/3电荷的反物质d夸克。类似地，带+2/3电荷的u夸克有带-2/3电荷的反物质u夸克。这就是为什么没有净电荷的中子也有反粒子，即反中子。中子包含夸克组合ddu，反中子由3个反夸克ddu组成。
粒子及其反粒子的另一个重要特征是当它们聚集在一起时，它们会在能量爆发中消失。阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein）的狭义相对论指出，物质和能量是等价的物理属性，由他的标志性公式E=mc2关联在一起。电子和正电子的结合正好产生两条伽马射线，每条射线携带的能量E=mc2，其中m是电子的质量，c是光速。正负电子对也可以通过使用“粒子加速器”来创造，其中粒子之间的碰撞能量几乎可以“无中生有”地创造正负电子。我们宇宙的基本构成可以简洁地概括为6种夸克、6种轻子和它们的反物质双生粒子。这些发现已经被编入了物理学家的标准模型中，但标准模型还有美中不足之处。
自20世纪90年代以来，天文学家一直在研究星系的运动和我们银河系的自转，发现了大量看不见的暗物质。暗物质与标准模型中出现的物质不同。暗物质似乎是不可见的，不发光，也不会吸收或反射来自恒星的光。想检测到暗物质只能通过它对我们可以看到的事物的引力影响来推断。银河系附近星系的运动，以及银河系内恒星和气体云的运动，向我们揭示了星系周围巨大的暗物质晕的范围。现代研究推测，我们银河系中存在的暗物质的质量大约占银河系质量的93%。在银河系附近的许多星系中也可以探测到暗物质的这种优势。如果没有大量的暗物质，许多星系只会自旋分裂，而不是像今天我们所看到的那样持续存在了数十亿年。
尽管人们经过50多年的努力仍未发现新的夸克或轻子，但对暗物质的探索仍然是当代天体物理学中最激动人心的活动之一。天体物理学家试图利用标准模型中中微子的存在来寻找暗物质。如果一个中微子的质量是一个电子的十万分之一，那么它们的质量和引力就足以用于模拟暗物质。在20世纪80年代和90年代，这是一个令人兴奋的前景，但直到对3种已知类型中微子质量的精确测量才表明它们不足以提供足够的引力。从纯粹的理论角度出发，物理学家采用超对称性这一新原理将标准模型扩展到更高能量，从而找到了暗物质的候选粒子。最有希望的粒子被称为中性微子。在瑞士日内瓦的大型强子对撞机上，尽管进行了长达10年的探索，但仍未发现超对称性或这种新粒子存在的证据。从质量最大的t夸克的质量（约单个质子质量的180倍）到大型强子对撞机探测的极限（单个质子质量的1万倍），在此之间没有检测到新粒子。对于物理学家来说，这片粒子沙漠是令人震惊且前所未见的。大自然似乎已经用尽了物质的形式，所有的物质形式已被我们编入标准模型中了。
要素二：自然的基本力我们宇宙的第二个要素是使物质“做”一些有趣事情的力。如果没有力，宇宙将是太空中由夸克和轻子组成的静态气体。自古以来，人类就知道这些基本力中的第一种，称为电磁力。这是使中国古代水手的磁罗盘工作的力，或是如古希腊人发现的那样，琥珀与皮毛摩擦时会产生使人感到触电的力。
带电粒子拥有从粒子向外辐射的电场，就像车轮中的辐条一样。这一电场将对它遇到的另一个带电粒子产生一个力，如果两个粒子所带的电荷相反，则会产生我们熟悉的吸引力，而电荷相同则产生排斥力。力场也是赋予岩石、山脉、行星甚至人体硬度的因素。当带电粒子运动时，它们也会产生磁场，我们在磁铁之类的东西中经常“看到”这种磁场。在我们的太阳表面，由称为等离子体的带电气体运动引起的磁场会变得非常强大，它们会穿过太阳表面形成太阳黑子。太阳黑子是成对产生的，一个的磁极性为北极，另一个的磁极性为南极，就像玩具磁铁一样。等离子体的运动可以拖动这些磁场，放大它们并使得它们得以影响离太阳更远的区域。
原子中的电子通过长程电磁力维系在一起，但由于原子核中所有质子都带正电荷，它们之间的强烈电磁排斥会导致原子核飞散。为了使夸克结合形成质子和中子，并将这些粒子限制在原子核中，需要非常强的短程力，即强核力。强核力由胶子传递。胶子类似于光子，因为它们都没有质量，但与所有由夸克组成的粒子相互作用。与只有1种类型的光子不同，胶子有8种不同类型。更有趣的是，光子不会相互作用，但胶子会相互作用。这样产生的结果是，光子可以在太空中传播超远距离以产生电磁力，而胶子产生的力会随着一对夸克之间距离的增加而增强。正是胶子的这一特征将夸克限制在质子内，并且将质子和中子共同限制在原子核内。
某些粒子可以衰变成更简单的粒子，这也需要核力。中子在衰变成1个质子、1个电子和1个中微子之前，平均可以存在10分钟。粒子衰变是自然界中被称为弱核力的第三种力的标志。正如电磁力由光子交换携带而强核力由胶子交换携带一样，弱核力由3种称为中间矢量玻色子的粒子携带。如果没有弱核力，恒星将永远无法使氢聚变成氦来支撑自己。此外，超新星将永远无法引爆，无法用碳、氧和铁等新元素来丰富太空。
引力是自然界的第四种基本力，人类在数百万年前就已经知道了这种力，但在400年前才开始详细研究这种力。一个悖论是，引力是自然界中最弱的力，但同时也是最普遍的力。宇宙中从夸克和电子到恒星和星系，无论多小的物质都会产生这种力，而这种力只会造成吸引。引力的本
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