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湛庐“科学大师”书系(10册)-电子书下载

人文社科 4周前 (07-15) 54次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

简介

李·斯莫林讲量子引力
围绕“时间和空间的本质是什么”以及“观察者与他们观察到的系统有着怎样的关系”两个问题,李·斯莫林介绍了目前宇宙学研究领域对于量子引力理论的三条主要研究路径:相对论(产生了圈量子引力理论)、量子理论(产生了弦理论)和从基本原理出现形成新的理论(黑洞热力学)。 量子引力理论是人类试图构建“万物理论”的一个重要尝试。在《李·斯莫林讲量子引力》中,李·斯莫林用简单明了的术语向我们解释科学家所理解的量子世界,还讲述了科学发现背后的迷人故事,风格独特、笔触清晰,直击宇宙深层问题,让我们得以预见量子引力理论令人瞩目的未来发展。 关于量子引力理论,没有人能比李·斯莫林讲得更好!世界知名理论物理学家、圈量子引力理论创始人李·斯莫林科普力作,带你穿梭时空,走入量子引力的世界!
理论最小值:经典力学
《理论最小值:经典力学》是理论物理学家、弦论创始人莱昂纳德·萨斯坎德联合物理爱好者乔治·拉保夫斯基的全新作品。全书的结构简洁,语言优雅,是一本经典物理学的入门书。在国外一经上市,就得到了广大师生的追捧。 萨斯坎德和乔治·拉保夫斯基善于运用清晰的逻辑一步步让读者对他们所讲述的内容进行理解,他们通过11讲,讲述了经典物理学的本质,揭示了运动、动力学、能量、最小作用量、对称性和守恒定律以及角动量、电力与磁力等关键原理与概念。旨在引领读者去欣赏理论物理之美,深入浅出,层层推进,引人入胜。
量子力学的真相
春天的早晨,从窗户涌进来的空气带着花园里的清新气息,这个 “奇迹”是如何发生的? 分子如何被微风吹动,又如何经鼻子转化成令人感到愉悦的气味? 每天早晨醒来的“我”是谁 ?当这个“我” 睁开双眼时,周围的宇宙又是什么? …… 在这个量子力学的时代,关于我们的存在以及我们与这个世界之间关系的这些基本的问题,仍是未解之谜。而爱因斯坦和其他现实主义者相信:量子力学理论是不完备的。 在《量子力学的真相》一书中,斯莫林教授用3幕故事带领我们走进量子力学的世界,了解那些自量子力学诞生以来就一直困扰着人们的概念问题和严重分歧。第一幕他会讲述我们在探究量子力学发展轨迹时所需的基本的量子力学概念。第二幕他将带我们追溯了从 20 世纪 50 年代开始的现实主义量子力学方法的复兴,并且阐述它们的优缺点。斯莫林认为:正确且完备的量子力学理论不仅能够解决量子引力的问题,还能给出一套完整的宇宙学理论。第三幕斯莫林将介绍包括自己在内的当代物理学家为构建现实主义的万物理论所付出的努力。 继畅销书《时间重生》后,当代物理学领军人李·斯莫林量子理论新见解,欢迎大家来到量子力学的新世界。斯莫林教授用3幕故事带领我们走进量子力学的世界,了解那些自量子力学诞生以来就一直困扰着人们的概念问题和严重分歧。
人类的起源
达尔文的人类进化“一揽子”学说主导学术界100年,却在20世纪80年代被证伪。那么,在1000万年的进化过程中,人类究竟如何胜出—— 是东非大裂谷的出现,导致了某种灵长类动物离开大树、用两足行走吗? 古人类遗址中发现的兽骨,来自先祖打来的猎物还是拣来的腐尸? 拉斯科洞穴中摄人心魄的野兽壁画,是巫师在癫狂的仪式中创作出来的吗? 150万年前的直立人就已经能够流利地交谈了吗? “意识”这个生命的奇迹,从欺骗行为、埋葬仪式中可否寻到蛛丝马迹? 理查德·利基以直立人骨架“图尔卡纳男孩”这一20世纪古人类学最重要的发现为起点,清晰明了地勾画了人类进化的四大阶段:700 万年前人科的起源;两足行走的猿类的“适应性辐射”;250 万年前人属的起源;现代人的起源。除此之外,《人类的起源》还将带领我们利用有限的证据,提出种种出人意料的假说,推断人类的艺术、语言和心智起源之谜。 《人类的起源》属于湛庐文化重磅推出的“科学大师书系”图书之一。“科学大师书系”精选了宇宙学、物理学、生物学、计算机科学、认知科学等领域的10本经典著作,其作者既是世界一流的思想者,又是文采斐然的科普作家——理查德·道金斯、贾雷德·戴蒙德、丹尼尔·丹尼特、马丁·里斯等等。这些书将直接送你站上大师的肩膀。
性的进化
男性为什么不哺乳? 人类为什么会为了享乐而不是生育而性交? 为什么只有人类女性会经历更年期? 为什么人类男性会成为数不多的照顾后代的哺乳动物之一? …… 关于人类性征的进化,没有人比贾雷德·戴蒙德更有资格做出解释。本书力图解释人类的性行为是如何演变为现在的模式的,包括女性的绝经期、人类社会中男性的角色、离群性交、为取乐而非传宗接代的性交,以及女性乳房早于发挥喂乳功用时的隆起等。通过一个个有趣的案例,戴蒙德帮助我们梳理了人类性征进化历程的多个方面,写出了一部迷人的、令人惊叹的经典之作。 《纽约时报》畅销书。作者运用科学推理的写作方法,带令读者踏上了一场探索人类性征进化的绝妙旅程。从一个谜团到另一个谜团,在抽丝剥茧般的叙述下,讲述有关人类的性与爱的永恒主题!
宇宙的起源
回答现代宇宙学家必须面对的终极问题,用简明扼要的文字详述宇宙诞生的奥秘,一本人人读得懂的宇宙学科普著作。 所有你关心的宇宙学话题:宇宙大爆炸、时间的起点、宇宙的基本粒子、宇宙探测、新的宇宙研究视角、各类宇宙模型(宇宙的构成、静态宇宙模型、循环宇宙模型、恒稳态宇宙模型、膨胀宇宙模型)……都可以在本书中找到! 世界著名宇宙学家约翰·巴罗经典之作,被译成28种语言、风靡多个国家和地区,深受世界各地读者的喜爱与追捧! “科学大师书系”经典再现。中国科学院院士、复旦大学教授金力,科技创新研究者、清华大学教授陈劲,世界著名哲学家、《直觉泵和其他思考工具》作者丹尼尔·丹尼特重磅推荐!
宇宙的最后三分钟
你想过世界末日的场景吗?宇宙将会在怎样的场景下走向末日?是遭遇小行星撞击,还是遭遇彗星撞击,又或是银河系遭遇另一个星系的撞击?在《宇宙的最后三分钟》,保罗·戴维斯将为你介绍关于宇宙未来的最新理论,带你破解宇宙终结之谜。一本人人读得懂的宇宙学科普著作。 所有你关心的宇宙未来的话题:小行星撞击、热力学第二定律、宇宙诞生的最初三分钟、恒星的末日、黑洞、引力辐射、太空移民、外星智慧生命、循环宇宙模型……你都可以在本书中找到! 著名物理学家保罗·戴维斯经典之作,人人读得懂的宇宙学科普著作,是每一个关心宇宙和人类未来的人不可错过的一本大师级作品。
基因之河
基因从何而来?它又将走向何方?理查德·道金斯以其特有的智慧和对复杂事物条分缕析的能力让我们得以直面这些谜题。《纽约时报》将他的写作风格描述为“那种让读者感觉自己像个天才的写作”。 《基因之河》是理查德·道金斯在继《自私的基因》之后的又一经典作品,一本以现代生物学观点来解释生命进化过程的科普读物。道金斯将生命的进化过程比作一条基因之河,在时间长河中,基因相互碰撞和重组,不断分叉,不断消亡。值得一提的是,道金斯还在书中分析了实现生物信息在宇宙范围内爆炸需要跨越的各个可能门槛,让我们得以对生命未来会走向何方有所想象。
六个数
作为权威的物理学家,作者以深刻的洞察力用六个数将宇宙学中看似无关的众多发现联系在一起,回答了一个人类追问了千百年的问题:我们从何处来?到何处去? 书中讲述的六个神奇数字决定了宇宙的基本特性。如果其中任何一个数字稍微有所不同,就不会产生星体,不会出现生命,更不可能有人类。现代宇宙的一切都取决于这六个数字的精密调协,而这无疑是一个物理世界的惊人巧合。
丹尼尔·丹尼特讲心智
说起心智,可能会有很多疑问:心智是什么?人类的心智与动物心智有什么不同?我们如何确定非人动物、植物乃至微生物有没有心智?探究心智的方法是什么?复杂的机器能够产生感知吗?本书综合哲学、人工智能与神经科学方面的前沿知识,带领读者探索心智的本质。

部分摘录:
什么是时间和空间 这本书要讨论的问题是物理学所有问题中最简单的一个:“什么是时间和空间?”然而,这个问题也是最难回答的问题之一。科学的进步可以用理论的革新来衡量,因为革新总会产生新的理论解释。我们现在就正处于这样一场革新之中,若干关于空间和时间的新思考、新观念已经涌现出来。借此,希望这本书能成为这个领域的最前沿报道。我写这本书的目的就是希望能用通俗易懂的语言来传递这些新观念,使任何有兴趣的读者都能了解这些令人激动的科学新发展。
我们很难去思考空间和时间,因为它们是所有人类经历的背景。事物总会在某处,事情也都发生在某一时间点上。因此,正如一个人可以不质疑本国文化而在其规则中生活,我们也可以在不了解时间和空间的本质的情况下正常存在。但在每个人的一生中,总会有一个瞬间想到关于时间的问题:时间会永远继续下去吗?有没有最初的瞬间?会有最后一刻吗?如果有最初的瞬间,那么宇宙是如何形成的呢?在那之前又发生了什么?如果没有最初的瞬间,这是否意味着所有的事情以前都发生过?空间也是一样:它是无边无际的吗?如果空间有尽头,那么尽头的另一端又有什么呢?如果没有尽头,我们能数得清宇宙中的所有物体吗?
我相信人类自诞生以来,就一直在思考这些问题。如果数万年前那些在洞穴里作画的古人,在晚餐后围坐在篝火旁时,没有互相讨论这些问题的话,那我倒会感到惊讶。
在过去100多年的时间里,人们已经知道物质是由原子构成的,而原子又是由电子、质子和中子构成的。这给我们上了重要的一课——人类的感知能力尽管有时令人惊异,但大多数时间却相当粗糙,以至于无法直接看到大自然的构成要素。人们总是需要新的工具才能看到最微小的东西。显微镜让我们看到构成人类和其他生物的细胞,但是要想看到原子,还需要放大1 000倍。现在,电子显微镜可以做到这一点了。并且,借助其他工具,如粒子加速器,我们还可以看到原子核,甚至是构成质子和中子的夸克。
所有这些发现都如此神奇,也使我们提出了更多的问题:电子和夸克是构成物质的最小单位吗?或者它们本身也是由更小的实体组成的?人们继续探索的时候,是否总能找到更小的东西,或者是否存在最小的单元?我们可能会以同样的方式探索空间:空间似乎是连续不断的,但这是真的吗?一定体积的空间能被划分成任意多个部分吗?或者存在一个最小的空间单位吗?有最小的距离吗?同样,我们也想知道,时间是无限可分的吗?有最小的时间单位吗?存在一个最简单的事件吗?
直到大约100年前,这些问题才有了一套公认的答案,这也构成了牛顿物理学的理论基础。直到20世纪初人们才认识到,这个体系虽然对科学和工程学的许多发展有很大的推动作用,但在回答关于空间和时间的基本问题时,却是完全错误的。随着牛顿物理学被推翻,这些问题终于有了新的答案。这些答案来自新的理论,主要是爱因斯坦的相对论(theory of relativity),以及尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)、沃纳·海森堡(Werner Heisenberg)、埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)等人提出的量子理论(quantum theory)。但这仅仅是这场革新的起点,因为这两个理论都还不够完善,不足以作为物理学的新基础。虽然这两个理论都非常有用,能够解释许多事情,但每一个都是有限且不完善的。
量子理论的提出是为了解释为什么原子是稳定的,它并没有像牛顿物理学一样在描述原子结构时土崩瓦解。量子理论也解释了许多物质和辐射的性质。量子理论与牛顿理论适用的范围不同,虽然不是唯一的,但量子理论主要适用于分子及更小的单位尺度。相比之下,广义相对论(general relativity)是一个关于空间、时间和宇宙的理论。与牛顿理论相比,广义相对论适用于更大的尺度,所以许多证实广义相对论的观测都来自天文学。然而,当广义相对论遇到原子和分子的行为时,它似乎就失效了。同样,量子理论似乎与爱因斯坦的广义相对论对空间和时间的描述不相容。因此,人们不能简单地将这两者结合起来,构建一个理论来同时解释原子和太阳系,再到整个宇宙。
要解释为什么很难将相对论和量子理论结合起来并不困难。任何物理理论都不仅仅是一种关于世界上存在着什么粒子和力的记载。当我们环顾四周,开始描述所看到的东西之前,必须对自己做的科学研究做出一些假设。人们都会做梦,大多数人在醒着的时候,可以毫不费力地将梦与自身的真实经历区分开来。人们都会讲故事,大多数人也都坚信事实和虚构之间是有区别的。因此,基于梦、故事与现实之间的不同关系的假设,我们会以不同的方式谈论它们。这些假设可能因人而异,因文化而异,而且会被各类艺术家作为主题修改。但是无论有意或无意,如果它们没有被阐明,就可能会导致混乱和迷茫。所以,先阐明这些假设非常重要。
同样,不同物理理论对其所观测到的现象和事实所做的基本假设也是不同的。如果不仔细地解释这些假设,在我们试图比较不同理论对世界的不同描述时,就会产生混乱。
本书的讨论主要从两个非常基本的问题展开,其所依据的理论各不相同。其一是空间和时间的本质是什么。牛顿物理学给出了一个答案,广义相对论则给出了另一个答案,后文会详细介绍。值得注意的是,爱因斯坦彻底地改变了人们对空间和时间的理解。
其二是观察者与其观察到的系统有什么关系。这里必须存在某种关系,否则观察者甚至不会意识到这个系统的存在。但是,对于观察者和被观察对象之间的关系,不同理论的假设差异很大。特别是,量子理论对这个问题所作出的假设与牛顿物理学完全不同。
然而,量子理论虽然彻底改变了观察者与被观察对象之间关系的假设,却没有改变牛顿物理学对时空本质的解释。爱因斯坦的广义相对论则正好与之相反,在广义相对论中,空间和时间的概念发生了根本性的变化,而牛顿物理学对观察者与被观察对象之间关系的看法则被保留下来。每个理论似乎都有正确的一面,并且都保留了与另一个理论相矛盾的旧物理假设。
因此,相对论和量子理论只是革新中的第一步,在长远的未来,这场革新必将持续下去。要完成这场革新,我们必须找到一个能够把相对论和量子理论的观点汇集在一起的新理论。这一理论必须以某种方式融合爱因斯坦所倡导的时空概念以及量子理论所秉持的关于观察者与被观察对象关系的看法。如果做不到,那就必须摒弃这两个理论,并找到新的答案来解释什么是空间和时间,以及观察者与被观察对象之间的关系。
新的理论暂时还未完成,但它已经有了一个名字:量子引力理论(quantum gravity theory)。这是因为该理论的一个关键部分涉及将量子理论向引力理论扩展,而量子理论是理解原子和基本粒子的基础。我们现在普遍从广义相对论的角度理解引力,认为引力实际上是空间和时间结构的一种表征。这是爱因斯坦最令人惊讶也最美丽的顿悟,对于这一点,后文会进一步论述。我们现在面临的问题,用基本物理学的行话说,是将爱因斯坦的广义相对论与量子理论统一起来,这种统一的产物就是量子引力理论。
量子引力理论将提供关于空间和时间本质的新答案,但这不是全部。量子引力理论必须是关于物质的理论,所以它必须包含20世纪获得的对基本粒子及其支配力量的全部解释。量子引力理论也必须是一个宇宙学的理论,它会回答现在看来非常神秘的关于宇宙起源的问题,例如宇宙大爆炸究竟是最初的时刻,还是仅仅是一个与以前存在的世界不同的世界的过渡。它还可以告诉我们生命的出现是不是必然,人类的存在是否仅仅是一场幸运的意外。
在步入21世纪之时,科学界最具有挑战性的问题莫过于完成这一理论。大多数人可能会想,这是否太难了?它是否会因为某个数学问题或意识的本质问题而永远无法得到解决?一旦你看到问题的宏大,那么持有这种观点并不奇怪,甚至许多优秀的物理学家也深以为然。二三十年前,当我在大学里开始研究量子引力理论时,一些老师就告诉我,只有傻瓜才会研究这个问题。的确,那时很少有人认真研究量子引力。
我在研究生院的导师西德尼·科尔曼(Sidney Coleman)试图说服我去做别的研究。当我不肯放弃时,他告诉我,他给我一年时间进行该研究,如果一年后我不能取得进展,他就分配给我一个更具有可行性的基础粒子物理项目。然后,他帮了我一个大忙:请这个领域的先驱之一斯坦利·德塞(Stanley Deser)关照我,他们两人一起做我的导师并分担对我的监督职责。德塞是当时被称为超引力的新引力理论的提出者之一,几年来,超引力似乎解决了许多以前其他方法无法解决的问题。另外,在我读研究生的第一年,我还有幸听到了另一位学者的演讲,他对探索量子引力做出了重要贡献,这位学者就是杰拉德·特·胡夫特(Gerard’t Hooft)。我从他们的工作中学习到了重要的一课——如果能够忽视所有怀疑并继续坚持,就有可能在一个似乎不可能解决的问题上取得进展。毕竟,人们已经发现了原子的构成,因此引力和量子之间的关系对我们来说也并不是问题。如果这是个问题,那一定是因为在我们的思维中,存在至少一个,也可能是几个错误的假设。而且,这些假设涉及空间和时间的概念,以及观察者和被观察对象之间的关系。
我当时很清楚,在找到量子引力理论之前,我必须首先分离出这些错误的假设。这个过程得以推动是因为有一个根除错误假设的策略,即尝试构建理论,然后找出它失效的点。在此之前,我们进行的所有研究迟早都会进入死胡同。这也许打击了很多人,但这是必要的工作,而且在一段时间内,做好这些工作就足够了。
现在的情况已全然不同。虽然我们还没有完全达成目标,但在这个领域工作的人很少会怀疑目前人们已经取得的巨大进展。自20世纪80年代中期以来,我们就开始寻找把量子理论和相对论结合起来的方法,而这些方法与之前所有的尝试都不同,并没有走向失败。因此我们可以说,在过去几年中,量子引力理论的大部分问题已经得到解决。
我们取得的进展导致量子引力的研究突然变得时髦起来。几十年前,从事这方面工作的只有少数先驱,现在,这个领域的工作者已经发展成为一个庞大的群体,他们全职地致力于攻克量子引力某个方面的难题,即分割成不同的群体,探求不同的方法,如弦、圈、扭量(twistors)、非交换几何和拓扑学(topology)。不过,这种过度的专一化产生了不良后果。在量子引力研究的每个领域,都有一些人确信自己的方法是解决问题的唯一关键。遗憾的是,他们中大多数人并不了解那些让人振奋的成果得益于其他方法。甚至在某些情况下,专注于某种方法的工作者似乎并没有意识到,他们认为困难的问题已经完全被采取另一种方法的研究者解决了。也就是说,许多从事量子引力某些方面研究工作的人,对这个领域的视野不够宽广,因此不能及时了解量子引力研究取得的所有进展。
量子引力理论似乎与目前的癌症研究或进化论研究有些相似,这一点并不令人惊讶。因为这个问题很难解决,就如同不同登山者用不同的办法登顶处女峰,不同的研究者可以尝试不同的方法。当然,其中一些方法最终将完全失败。但是,至少在量子引力理论的研究中,最近有好几种方法似乎真正发现了时间和空间的本质。
在我写这本书的时候,最引人注目的进展是把通过不同方法获得的不同经验汇集起来,以便将它们纳入一个单一的理论,即量子引力理论。虽然该理论还没有完全建立起来,但确实有了很大进展,这是后文论述的基础。

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