上帝如何设计世界:爱因斯坦的困惑:the world Einstein's enigma9787302396093
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作者张天蓉著
出版社清华大学出版社
ISBN9787302396093
出版时间2014-06
装帧平装
开本32开
定价35元
货号8473334
上书时间2024-11-29
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作者简介
张天蓉，女，科普作家，美国得克萨斯州奥斯汀大学理论物理博士，现住美国芝加哥。研究课题包括广义相对论、黑洞辐射、费曼路径积分、毫微微秒激光、集成电路EDA软件等。发表专业论文三十余篇。2008年出版科普小说《新东方夜谭》；2010年11月出版悬疑小说《美国房客》。2012年开始，在科学网发表一系列科普博文，其文风深入浅出。趣味盎然，亦保持科学的严谨性，深得读者喜爱。是第六版《十万个为什么》物理卷参编者之一。已出版科普读物：《蝴蝶效应之谜：走近分形与混沌》《世纪幽灵：走近量子纠缠》《电子，电子？谁来拯救摩尔定律？》《数学物理趣谈：从无穷小开始》《喷头下的世界：漫谈3d打印》。
目录
1 时间空间之谜
1. 牛顿点亮的火把
2. 电磁交响曲
3. 寻找以太
4. 相对性原理
5. 什么是“同时”？
6. 万有引力
7. 量子革命
2 黎曼几何
1. 几何几何
2. 迷人的曲线和曲面
3. 爬虫的几何
4. 爱因斯坦和数学
5. 矢量的平行移动
6. 阿扁的世界
7. 测地线和曲率张量
3 相对论佯谬知多少
1. 双生子佯谬
2. 同时的相对性
3. 闵可夫斯基时空中的固有时
4. 四维时空
5. 匀加速参考系上的Alice
6. 飞船佯谬
7. 质能关系E=mc2
4 引力和弯曲时空
1. 等效原理
2. 圆盘佯谬和场方程
3. 实验证实
4. 时空中的奇点
5. 霍金辐射
6. 黑洞的战争
5 茫茫宇宙
1. 宇宙常数的故事
2. 大爆炸模型
3. 永不消失的电波
4. 探索引力波
5. 暗物质
6. 引力透镜
7. 暗能量
8. 路在何方？
内容摘要
霍金辐射
物理学的专业词汇中，恐怕很难找出别的术语，能比“黑洞”一词更深入公众之心，黑洞又和那个轮椅上歪歪倒倒的传奇人物霍金的名字连在一起。因此，两者都广为人知。40年之前，英国物理学家史蒂文·霍金将量子论引入黑洞的经典理论【30】，提出hawking
radiation的观点。而2014年1月，据说这位著名科学家在一篇文章中否定了自己对黑洞的看法，认为黑洞不存在。但是仔细研究了一下霍金的文章之后【31】，感觉霍金的原意与媒体渲染下造成的公众影响大相径庭。
量子力学和相对论是上世纪物理学的两项重大成果。100年左右的历史中，大量实验事实和天文观测资料分别在微观和宏观世界验证了这两个理论的正确性。然而，当这两个理论碰到一起的场合，却总是水火不相容，这其中的根本原因，都得归罪于“引力”（gravitation）这个桀骜不驯的家伙。从1687年牛顿发表万有引力定律，到爱因斯坦1915年的广义相对论，直到现在……。几十上百年来，一代又一代的理论物理学家们，倾注了无数心血，花费了宝贵光阴，至今仍然对它的本质知之甚少，难以驾驭。所幸的是，需要同时用到两个理论来解决引力问题的场合不多，可以说是非常之少。在研究宇宙和天体运动的大尺度范围内，广义相对论可用于解决引力问题，而在量子理论大显神通的微观世界中，引力非常微弱，大多数情况都可以对其效应不予考虑。然而，有两个例外的情况，必须既要用到量子力学，又要应用引力理论。它们之中的一个是宇宙的开始时刻，即大爆炸的起点；另一个就是黑洞。在这两种情况下，尚未被物理学家统一在一起的引力和量子，便打起架来了。霍金对黑洞问题发表的最新说法，便是为了解决理论上的矛盾而提出的一种方案。
广义相对论的核心是引力场方程。方程的一边是物质的能量动量张量，另一边则是由四维空间的曲率及其导数组成的爱因斯坦张量。著名美国物理学家约翰惠勒曾经用一句话来概括广义相对论：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动”【32】。这句话的意思就是说，时空和物质通过引力场方程联系到了一起。这种联系可以利用图1来说明。左图中，极重的天体使得周围空间弯曲而下凹，这种下凹的空间形状又影响了这个天体以及周围其它物体的运动轨迹。
还可以进一步用一个日常生活中容易理解的现象来作比喻：一个重重的铅球放在橡皮筋繃成的弹性网格上，使橡皮筋网下陷。然后，另外一些小球掉到网上，它们将自然地滚向铅球所在的位置。如何解释小球的这种运动？牛顿引力理论说：小球被铅球的引力所吸引。而广义相对论说，是因为铅球造成了它周围空间的弯曲，小球不过是按照时空的弯曲情形运动而已。
两个图则表明：天体质量越大，空间弯曲将会越厉害。大到一定的程度，蹦蹦网被撑破而形成了一个东西全往下掉再也捡不起来的“洞”，即黑洞。
在上世纪70年代以前，物理学家一直沿用黑洞的上述广义相对论模型。但是，黑洞的引力是如此之巨大，尺寸又是如此之小，对引力的量子理论跃跃欲试的理论物理学家们，自然而然地将手伸进了这个迷宫。70年代初，理论物理学家Jacob
Bekenstein研究了黑洞的熵及其热力学性质；史蒂芬霍金则提出黑洞也有辐射，即霍金辐射。
霍金认为，在黑洞的事件视界边缘，由于真空涨落，将不断发生粒子反粒子对的产生和湮灭。因为处于视界边缘，很大的可能性，这两个粒子中的一个将掉入黑洞，另一个则表现为像是黑洞的辐射。由于这种被称之为霍金辐射的现象，黑洞将不断地缓慢地损失能量。最终的结果会导致所谓的“黑洞蒸发”而消失不见。
真空涨落产生的粒子反粒子对，有点像上一节所举例子中的艾丽丝和鲍勃。只不过正反粒子对是凭空随机产生的，不像两个活人，是父母生出来的。但它（他）们符合的经典运动图像可以类比。
既然霍金开了一个头，将量子论引入了黑洞研究中，人们便蜂拥而至。然而，至今40年过去了，除了遭遇到许多困难，提出了几个悖论之外，可以说成果甚少。
首先，黑洞由星体塌缩而形成，形成后能将周围的一切物体全部吸引进去，因而黑洞中包括了大量的信息。而根据“霍金辐射”的形成机制，辐射是由于真空涨落而随机产生的，所以并不包含黑洞中任何原有的信息。但是，这种没有任何信息的辐射最后却导致了黑洞的蒸发消失，那么，黑洞原来的信息也都全部丢失了。可是量子力学认为信息不会莫名其妙地消失。这就是黑洞的信息悖论。
此外，形成“霍金辐射”产生的一对粒子是互相纠缠的。量子纠缠态是量子理论最基础的概念之一，已经被各种实验所证实。处于量子纠缠态的两个粒子，无论相隔多远，都会相互纠缠，即使现在一个粒子穿过了黑洞的事件视界，也没有理由改变它们的纠缠状态，这点显然与相对论预言的结果相矛盾。
黑洞战争
理论物理学家们一直为解决信息悖论及与黑洞相关的其它问题而努力，提出了各种方案和理论。
美国斯坦福大学教授伦纳德·萨斯坎德（Leonard Susskind，1940年－）是一个幽默风趣的美国理论物理学家，颇有理查德·费曼的风格。据萨斯坎德自己回忆，因为高中时候是一个“坏小子”而大学阶段学了工程，后来才立志成为一个理论物理学家。萨斯坎德是弦论的创始人之一，他著有一本《黑洞战争》【48】，精彩地描述了物理学界30年来有关黑洞本质特性的一场论战。论战中的一方是萨斯坎德和1999年诺贝尔物理奖得主，荷兰物理学家赫拉德·特霍夫特，另一方则是公众熟悉的霍金。
如上一节中介绍的，霍金提出了霍金辐射以及黑洞蒸发的理论，造成信息悖论。然而，萨斯坎德等意识到，这种观点不符合量子力学，将使物理学陷入危机。而萨斯坎德等认为，并非理论本身有问题，而是由于霍金对量子论的概念有错而造成的危机。
黑洞的确是一个令物理学家们着迷而又困惑的研究对象。物理学家霍金似乎已经成了大众心目中“黑洞”一词的代表，将他视为研究黑洞的最高权威。然而，你可能没有听说过，霍金因为对黑洞问题的理解上3次与物理学界的同行们打赌，但有趣的是，每次都以霍金输掉赌局而告终。
在当今世界上研究引力理论的众多物理学家当中，美国理论物理学家基普·索恩（Kip
Stephen Thorne，1940- ）（《星际穿越》电影的科学顾问）被认为是权威之一。索恩是加州理工学院教授，和费曼一样，他也是当年约翰·惠勒在普林斯顿大学的博士学生之一。索恩喜欢以黑洞问题为目标与人打赌，而且每次都赢。除了其中的三次赢了霍金之外，还有最早一次是赢了印度裔美国物理学家、诺贝尔物理奖得主钱德拉塞卡，那次，他们是就黑洞稳定性的问题打赌。
由此可知索恩对黑洞概念功底之深。1997年，索恩与霍金就以上所述的黑洞信息丢失问题打赌。霍金认为黑洞蒸发后信息没有了，而索恩和普雷斯基尔认为黑洞可以隐藏它内部的信息。三人打赌的赌注是一本百科全书。
黑洞信息悖论实质上也是因为广义相对论与量子理论的冲突而产生的，霍金站在广义相对论一边，萨斯坎德等则站在量子论一边，索恩和普雷斯基尔其实都算是引力方面专家，不过，他们独具慧眼，将赌注下到了萨斯坎德一边。
萨斯坎德和特霍夫特从计算黑洞熵而悟出了一个全息原理，从而解释了信息悖论。全息原理认为，信息不会丢失，黑洞的边界储存了进到黑洞中的包括物质组成和相互作用的所有信息。
另外，萨斯坎德热衷于互补原理。类似于量子力学中认为光“既是波又是粒子”互补的观点，萨斯坎德认为黑洞内外的两个观测者观察到的现象也是互补的。比如说，故事中的Alice可以既在黑洞内，又在黑洞外。不要非得取其一，完全可以同时“既是此又是彼”，是互补的两者。换言之，物质落入黑洞的过程，完全可以用边界上的量子理论来理解和描述。物理学家们使用全息原理直接计算出了多种黑洞的熵，计算表明霍金蒸发并非随机的，其中包含了进入黑洞的物质的所有信息。全息原理的成功，使得霍金本人也认输了。
2004年一次广义相对论和引力国际会议上，霍金宣布，黑洞的演化是符合因果律的，并没有丢失信息，他承认输掉了这场赌赛。
2013年，美国加州大学圣芭芭拉分校四位理论物理学家（AMPS）发表了一篇论文：《BlackHoles：Complementarityor Firewalls？》【33】。文章的四个作者，以理论物理学家约瑟夫玻尔钦斯基（Joseph
Polchinski）为首。他们提出“黑洞火墙”悖论。（作者注：Firewall可以翻译成防火墙，但在这儿的意思不是“防火”的墙，而是“着火”的墙，故翻为“火墙”）。他们认为，在黑洞的视界周围，存在着一个因为霍金辐射而形成的能量巨大的火墙。当量子纠缠态的粒子之一，或者说爱丽丝，穿过视界掉到这个火墙上的时候，并不是像广义相对论所预言的，悠悠然什么也不知道，毫无知觉地穿过视界被拉向奇点，而是立即就被火墙烧成了灰烬。原来的量子纠缠态也在穿过视界的瞬间便会立即被破坏掉。
这篇论文把矛盾集中到了黑洞的边界—事件视界（Event Horizon）上。就此争论表态，霍金于2013年8月份在加州圣巴巴拉卡维利理论物理研究所召开的一次会议上发表了讲话。而霍金2014年1月22日发表的文章便是基于这个会议发言。
为了解决这个矛盾，霍金提出了一个新的说法，认为事件视界不存在，而代之以一个替代视界叫做apparent horizon（表观视界），认为这个所谓的表观视界才是黑洞真正的边界。并且，这一边界只会暂时性地困住物质和能量，但最终会释放它们。因此，霍金没有否定黑洞的存在，只是重新定义了黑洞的边界。
黑洞问题争论的实质，是广义相对论和量子理论产生的矛盾。只有当有了一个能将两者统一起来的理论，才能真正解决黑洞的问题。
统一路在何方？
谈到物理学史的时候，我们常常说到20世纪初物理学天空中的两朵乌云，一朵发展为量子力学，一朵发展成了相对论。一百多年来，这两个理论分别在理论物理学中的两个极端：微观世界和宇观世界中叱咤风云。然而，当它们碰到一起的时候，却显得水火不相容，似乎弄得物理学家们哑口无言，手脚无措。
历史总是呈现某种螺旋式的循环。有时候，事情转来转去又回到看起来是非常古老的问题。如今我们碰到的问题是：世界是由什么构成的？100多年前，人们就相信所有的物质都是由原子组成的，但那时候对原子结构的细节却还知道很少，直到1911年卢瑟福提出原子的行星模型，才使得人们能够在脑海中对原子勾画出一个具体直观的图像。而这五、六十年来粒子物理的发展，使我们了解到更深层的物质结构。粒子物理的标准模型告诉我们，我们能观察到的所有一切物质，包括地球、太阳、星星，都是由12种基本粒子组成的，其中包括6种夸克和6种轻子，可以将它们分成4个家族。
然而，近年来宇宙学的长足进展，给理论物理学提出了许多新问题。特别是宇宙学家们对宇宙物质成分绝大部分是暗物质和暗能量的新看法，完全是标准模型未曾预料到的。物理学家们好像又回到了100多年之前的困惑，不过这次面对的不是原子，而是暗物质和暗能量。这些奇怪的“暗货”，构成宇宙96%的成分，主宰了宇宙的动力学，关系着宇宙的过去和未来。物理学家接受它们的存在，却不知道它们到底是什么。
科学的规律永远如此，任何时候都有数不清的疑问和困惑。正如人们所说的：疑问和困惑才能启发灵感，危机就是转机和生机。或许，暗物质和暗能量就是新时代天空中的两片乌云，它们有可能引发物理理论新的革命。当感觉“山穷水尽疑无路”时，才有可能迎来“柳暗花明又一村”的景象。
也有学者认为，相对论和量子理论本来就只是20世纪尚未完成的物理学革命的第一步。从这两个理论的研究继而提出的“引力量子”统一理论才是21世纪物理学中真正的难题。只有彻底解决这个问题，才能解决宇宙学中的暗物质和暗能量等等问题。这似乎又有些类似于爱因斯坦后半生所追求的统一之梦，当然，此梦非彼梦，时间已经过去了大半个世纪，无论是在基础物理学的理论方面，还是在宇宙学天文学的实验观测方面，都有了许多爱因斯坦无从预料的进展和结果。不过，追求统一理论的愿望是一致的。也许这是一个只能无限逼近，但却永不可及的遥远目标，是上帝精心策划的造物秘密之一，它让物理学家们前仆后继，孜孜以求，永不放弃，追寻那个渺茫又美丽的梦。不过，物理学家们心甘情愿，义不容辞，因为他们从寻梦中满足了自我，得到了无穷的乐趣。
物理学家们企图从不同的途径来迈向大统一之路，有的人从量子理论开始，想将相对论包括进来，这条路发展出了弦论；有的从广义相对论出发，企图将经典引力理论量子化，然后再修正量子理论；有的人则倾向于干脆放弃原来的两个理论，另辟捷径。这多条道路有时分道扬镳，有时又会聚在一起。无论走哪一条路，起码的要求是既要考虑爱因斯坦理论中
“新颖的时空观”，也得兼顾量子论中的“奇谈怪论”，需要既是物质的理论，又是时空的理论；既能诠释微观粒子的运动，又能解释宇宙演化的历史；能够包罗各种理论，解释所有实验结果，这是一个艰巨的任务。
前进的方向很多，曙光也许就在前方。何时才能到达胜利的彼岸呢，取决于年轻一代科学家的加入和努力。
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原点阅读（The Origin）(微信号：ydreadtup)，清华大学出版社旗下的图书品牌，秉承“科学，让个人更智慧，让社会更理性”的理念，致力于科学普及和科技文化类图书的出版，传播科学知识、科学精神、科学方法，展现科学的真实、独立、智慧、多变、宽容、动人及迷人。
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