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微百科丛书(套装共5册)-电子书下载

简介

各册书从大爆炸后的宇宙模型、时间与空间的存在状态、反物质及弦理论解读、科学家对科技发展与人类前途的探索与反思等国内读者较为感兴趣的几个方面展现了当代宇宙学及物理学方面的一些重要发现、观点和研究成果,对帮助读者以权威、可信的视角看待宇宙的奥秘与神奇以及人类的科学探索有极大帮助,是读者们增长科学知识的不二选择。
《最初三分钟:关于宇宙起源的现代观点》一书是1979年诺贝尔物理学奖获得者史蒂芬温伯格关于宇宙起源早期状态的经典代表作品,该书被评为“改变世界的25本科普书”之一。 《弦理论》一书介绍了当今物理学领域有趣、活跃的研究课题之一“弦理论”,用非专业人士也能明白的类比方法阐释了弦理论、对称理论、超对称理论等,妙趣横生。 《反物质》是一本语言通俗的、从科幻切入现实的反物质认知之书。克洛斯为读者解读狄拉克密码,释疑通古斯大爆炸,剖析反物质武器迷雾。 《虚空》一书解答了“世间万物从何而来”的物理谜题,阐释了当前科学家们对于“无”的认识和讨论,可以激发读者对宇宙之前的虚空世界这一科学领域的思考和探索兴趣。 《宇宙波澜》一书是一代量子力学巨擎弗里曼戴森的经典科学传记,凝聚了他对科技与人类前途的人文思考与省思。

作者介绍

斯蒂文·S.古布泽,《弦理论》作者,普林斯顿大学物理系教授,弦理论研究领域的主要专家之一。 弗兰克·克洛斯,《反物质》《虚空:宇宙源起何处》作者,牛津大学物理学教授,埃克塞特大学研究员。 弗里曼·戴森,《宇宙波澜——科技与人类前途的自省》作者,普林斯顿高等研究院物理学教授。 史蒂文·温伯格,《最初三分钟——关于宇宙起源的现代观点》作者,1979年诺贝尔物理学奖获得者,美国理论物理学家。

部分摘录:
反物质:真实或者虚幻 我父亲以前常说:“当无坚不摧的矛遇到坚不可摧的盾时会怎样?”当然他并不会把这个问题延伸到宇宙论的高度。就像牛顿并不满足于一个运动定律,贝多芬不止步于一首交响曲,我的父亲也有更多的疑问:“如果一种物质会摧毁所有接触它的东西,那么怎么存储它呢?”
一种东西会首先摧毁它的容器,这种观点有一个重要的蕴含:为什么会禁锢于此?当打破牢狱跨越而出,它就可以肆意吞噬周围一切,人挡杀人佛挡杀佛,更别说渺小的人类了。这个力量实在强大,场景如此恐怖,简直是人类的噩梦。
我此前相信的答案是:他的问题只是科幻小说里的桥段。但是我错了。
无坚不摧的力遇到坚不可摧的体——这是一种无限的概念:当两个无限相比较时,哲学家们对这种悖论也十分恼火,只能说:“我的无限比你的无限更大”。然而,这里用来比较的东西是其他的物质,准确地说是所谓的反物质。科幻小说作家对反物质可谓青睐有加,认为它是一种真实存在,而其中的内涵妙不可言。
反物质是物质的一种奇怪的颠倒影像,就像我们所说的半斤八两,只是其中的左变成了右,而正变成了负。就像铸件取出之后模具依然存在,反物质和物质就是实体的阴阳两面。当海边的孩童在坚固的沙滩上挖洞取沙,堆砌成美丽的沙堡,这个沙堡就象征着物质,而沙滩上留下的沙洞象征着反物质。
假设,一个物质存在突然遇到了反物质的自己,它们的参数是完全互补的,最终会相互协调然后消亡。反物质的魅力就在于,它会在一瞬间摧毁物质。反物质顾名思义,真的可以“反”物质。
在80年前,反物质理论被第一次提出。而在75年前,第一个反物质被发现了,那就是“正电子”。
值得庆幸的是,反物质极其罕见,在现实中几乎不存在,而微量的反物质摧毁物质时,反物质本身也被摧毁了。所以我们今天还快乐地生活在这地球上。人们发现的首个反物质,只是摧毁了一个原子里的某个电子而已。我们所见的整个宇宙之中,通常存在的都是物质而非反物质。看起来,反物质似乎在大爆炸初期就被消灭掉了。经过长期的物质与反物质的湮灭之后,剩下的残余部分才形成了今天的物质宇宙。而湮灭的结果就是之后140亿年中遍布宇宙的电磁辐射和“微波本底辐射”。坏女巫死了,物质获胜了;在物质和反物质这两种势均力敌的无限之中,物质的无限更大。
但要是有些反物质逃过一劫,在宇宙的某个角落里潜伏着,又恰恰被在宇宙中漫游的我们遇到了;抑或是宇宙射线鬼使神差地又形成了一些反物质:会发生什么事情呢?一辆卡车大小的反物质,其爆炸威力足以使整个世界动摇。如果真的发生了,反物质就成了我父亲那个问题的真实例子,但是还好它不会扩散,虽然我曾经一度非常担心它有这种能力。反物质确实会摧毁物质,但代价是同时摧毁自己;就像癌细胞,杀死了宿主之后自己也会死亡。我们世界中任何物质的湮灭,都会对应着相同量反物质的消失。湮灭的结果可能是一束射线,也许是伽马射线,从湮灭处以光速向外发射,而反物质的威胁就此解除了。这就是为什么没有反物质存留——至少我们周围没有——的原因:所有的反物质都被摧毁了,获胜的是物质一方。
所以反物质并不是一个恐怖版本的“九号冰(ice-nine)”,这种冰来自库特·冯尼古特(Kurt Vonnegut)的小说《猫的摇篮》(Cat ’s Cradle ),是一种水的形态,它会将遇到的所有液体变成凝冻的固态。小说中它能够首先作用于一个小水坑,接着是小溪、河流,最后将整个世界的海洋都凝冻成“一个巨大的果冻”。而反物质的作用范围是有限的。虽然如此,它会摧毁所接触的任何物质,爆炸释放出的能量远超出我们现有的任何东西。
1.1 反物质会撞上地球吗 如果在宇宙的某个角落存在着反物质,那么你可能会想,某天它会不会撞上地球。如果在地球的40亿年历史中,曾经有反物质撞上过,那么所有的迹象都应该已经消失了。陨石落下会有陨石坑,其中还能找到一些外星物质;但是反物质不行,它会在一瞬间消失掉。反物质来袭的唯一证据只能是其发生的巨大爆炸,但最近的几百万年以来似乎没有发现这种证据。然而,仅仅在一百多年前的1908年6月,发生了一件人类至今无法完全解释的事情,其被反物质爱好者们称为是外星反物质碰撞地球的最近的例子。
在莫斯科以东约1000英里处,北至北冰洋,南至蒙古,从乌拉尔到满洲里,是一片广袤的荒野之地,面积比整个西欧还大。这片遥远大陆的心脏地带是一条隐蔽的河谷——通古斯河,由通古斯人命名。通古斯人是一个小族群,主要靠狩猎熊和鹿以及夏季放牧驯鹿为生。
1908年6月30日,天空晴好,万里无云。早上8时,农民色梅洛夫(Sergei Semenov)正坐在他家的走廊上,突然天空中发生了一场巨大的爆炸。后来他告诉科学家,爆炸形成的火球光亮甚至盖过了太阳,而且又是如此炙热以至于他的衣服“几乎要贴着皮肤燃烧起来”,还将他邻居家的银器熔化了。 [1] 更异常的是,经过科学家之后的调查,这次爆炸发生在距色梅洛夫约60公里之外。另一个农民利奇(Vassili Ilich)说,有一个巨大的火球“摧毁了森林、驯鹿和所有其他动物”。当他和邻居们跑去勘查时,发现驯鹿的一些肢体烧焦了,而其他部分居然完全不见了。
这个炫目的火球在几秒钟之间从东南部移动到了西北部。世界各处都探测到了其引发的震波,空气中的压力波传遍了整个俄罗斯和欧洲。在700公里以外都能看到这次爆炸,其引起的烟尘弥漫在空中,甚至导致太阳光散射到地球的另一面。在约1/4个地球周长之外的伦敦,半夜的天空变得像傍晚一样明亮,而白天则提前来临了。如果这次爆炸发生在美国的芝加哥上空,其光亮可以传播到田纳西、宾夕法尼亚以及多伦多,而发出的声音可以传到东海岸,而向南可以传到亚特兰大,向西可以传到落基山脉。直到两个月后,一切才基本恢复正常。
外太空的某种东西撞上了大气层。之前也发生过类似的事情,亚利桑那州的陨石坑可以证明这一点,它源自一块岩石——准确的说是一颗小行星撞上了地球。然而,著名的通古斯事件却不同,这种不同在其后数年被发掘出来。1927年,捷克斯洛伐克科学家库里克(Leonid Kulik)带领首个探险队进入了这片区域。如果这是一个太阳系的陨石碰撞事件,那么地面上应该有一些陨石掉下的痕迹。但是,现场没有发现任何陨石坑。他们发现,爆炸点的下方是一片巨大的沼泽平原,就像是有1000台推土机瞬间清理了上面的森林,形成了如同伦敦大小的一片平整的地基,而地基的周围是一个环形的炭化的树木群。在炭化群之外,树木像火柴棍一样地散开倒下,应该是被剧烈的飓风似的冲击波刮倒了。该地的生命体完全被摧毁,之后约1/4个世纪一直没能恢复。在此之后,人们曾将当地的土壤挖掘了超过30米深,但是没有找到任何陨石,也没有发现任何陨石落下来的证据。
那些当天撞上地球的东西,都在这薄薄的空气层中消失了。1965年,由一位物理学家、一位化学家、一位地质学家组成的三人小组检查了所有的证据,试图一劳永逸地判定当时到底发生了什么。他们找到了幸存的一些树木,其姿势很好地显示了当时冲击波袭来的轨迹。他们通过这些推算出了风的强度;同时核证,使得能让这些树木燃烧所需要的能量也被计算出来。根据记录,他们还发现地磁场被干扰了,而地震仪也记录下了其引发的地震强度。
他们拿到了爆炸当时的闪光强度和持续时间的报告,并将其引入计算模型之中。通过推算,这次爆炸在数秒之内释放了约1000万亿焦耳的能量,和整个英国一小时消耗的能源量相当, [2] 几乎等同于一次核爆炸。
当然,有人怀疑这次事件本身就是一次人为的核爆炸实验,但在1908年时,很多众所周知的核科学家还没有出生呢。如果真的是物质的内核发生了爆炸,那么必须有一些自然的诱因才行。通过分析爆炸得到的初步证据以及爆炸区域物质的神奇消失现象,和一种假设非常一致:罪魁祸首是一个反物质,其形态大约是1米见方的一块反岩石,它摧毁了包括原子核在内的一些东西。之后的内容中,在我们知道了反物质的一些性质后,我会再次重新审视这些证据。
1.2 强大的反物质 通古斯事件的巨大规模提醒我们反物质的潜在能量不可小视。如果我们随手捡起一个物质当作燃料,那么反物质就是那束可以点燃燃料的星星之火,至少从理论上来说,反物质几乎是一种最好的将物质能量释放出来的方法。
宇宙大爆炸形成的物质结构中包含有巨大的能量,这些能量凝结成粒子,粒子组成原子,原子组成万物。通过释放内部的这些能量,化学反应和核反应可以将物质结构重排。但相比起数十亿年前物质形成的时候禁锢在其中的能量,即使现在最剧烈的爆炸也是微不足道的。
生物就像一个化学工厂,通过碳、氧以及其他元素的化学反应将能量从源物体中释放出来。你的体温变化和爆炸冲击波强度之间的不同主要是其中包含的时间尺度的差异。在我们体内,能量通过发热的方式缓慢释放,使一个正常人的体温保持在37摄氏度左右。当我们体内遇到诸如流感病毒这些入侵者时,体内的反应就会加剧以提供能量来抵御入侵者,结果就会使得体温略微升高,导致发烧。而化学爆炸本质上和体温变化原理没什么不同,它只是发生得快很多。适量的餐食足以提供你身体机能正常运转数小时所需的能量,但如果这个时间被压缩,以至于这些能量在一毫秒内完全释放,结果就会是一次爆炸。
但戏剧性的是,普通的火箭发射,甚至是最剧烈的化学爆炸,其释放出来的能量也只是原子内禁锢能量的十亿分之一而已。原子内部的能量大部分储存在原子核中,当核火花被点燃,就会产生像广岛和长崎经受过的那种能量,在它面前,化学炸药完全不值一提。但即使是原子弹爆炸,释放出来的能量也仅仅是所有禁锢能量的千分之一而已。即使是聚变反应——比如太阳内部反应或者氢弹这种迄今所知的最强爆炸物——也只是用到了物质内部总能量的百分之一。要释放所有的能量,只能通过逆转亿万年能量凝聚成物质的过程,将物质再变成能量。
反物质就能胜任这项工作。一千克反物质的湮灭,释放的能量是一千克TNT炸药爆炸能量的100亿倍,是相同质量核裂变能量的1000倍,核聚变能量的100倍。
科幻小说里的反物质就更有魅力了,它可作为太空飞船的一种超级能源——比如《星际迷航》里面。美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)也曾将反物质当作一种概念性的清洁能源来开展研究。如果广岛和比基尼环礁的核爆炸向我们展示了物质内部能量的千分之一能干什么,那么,根据公式E=mc 2 ,将物质内部的所有能量全部释放出来时,结果将难以想象。
当我们了解了以上这些内容,就不会惊讶于各种反物质的报道了。2004年10月的《旧金山纪事报》发表了一篇文章,叫“美国空军正暗地斥巨资研究如何使用一种剧烈的能源——反物质,它是普通物质的一种可怕的‘反面’,用以制造未来武器”。这篇文章震惊世界,进而以讹传讹,在印度传媒口中甚至变成了不仅仅是美国空军,“很多国家的防卫科学家都在研究反物质武器系统”,这种武器“小到甚至可以用手握住”。

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