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超空間
 叢書名稱: 科學可以這樣看叢書
 作  者: (美)加來道維
 出版單位: 重慶
 出版日期: 2018.06
 進貨日期: 2018/7/6
 ISBN: 9787229130176
 開  本: 16 開    
 定  價: 449
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編輯推薦:

在高維中探索時間旅行,

超弦理論統一十維宇宙,

物理學定律將在高維中得到簡化!



超空間理論認為:我們的宇宙存在於四維時空以外的更高維度;它預言了超空間的精確維度是十維;它可以將所有已知的自然力統一起來;它可以計算時空曲率及打開蟲洞所需的精確能量;它的高級表現形式為超弦理論。

人們總是不斷追問,“我們從哪兒來?”、“我們現處何處?”、“我們將走向哪兒?”科學界普遍認為大爆炸是宇宙的起點,萬物皆起源於大爆炸。科學證明,我們的宇宙現處於膨脹狀態。我們的宇宙是無限膨脹下去直至溫度接近*零度,還是膨脹到某個時刻開始逆向大坍縮直至整個宇宙焚滅?這取決於宇宙臨界密度。

無論宇宙以何種趨勢演化,似乎都難逃終極死亡的命運。人類或者任何智慧生命似乎都難逃終極死亡。超空間為我們提供了一種方式:掌握了超空間的技術、運用超空間的能量,我們可以打開“蟲洞”、建造時間機器實現隧穿而免於死亡。

這是一場科學的革命,我們需要何種技術水準才能成為超空間的主人?愛因斯坦的廣義相對論和質能方程告訴我們:物體的速度越快,時間越慢(放置其上的鐘錶走得越慢);物體的速度越快,能量隨之增長,故而品質也無限增大。因此,如試圖讓時間無限慢,甚至停止或逆向行走,就必須給物體無限大的速度,而這就需要無限大的能量。愛因斯坦受光速和能量的限制,終未解決這個難題。而超空間可以將這個問題簡單化,超空間為時間機器的建造提供了可能性,這將是智慧生命在未來幾個世紀甚至幾千年將要實現的願景。

《超空間》由理論物理學家加來道雄編寫,他是弦理論創始人之一。他曾出版有多部著名暢銷科普讀物《平行宇宙》、《物理學的未來》、《心靈的未來》等。


內容簡介:

《超空間》重在為普通讀者打開科學的心扉,將*前沿的科學思想告知大眾,打開對未來科學的探索之門。

作者生動而形象地為我們解釋了維度問題,以幫助讀者對高維世界的理解。通常來說,某一維度總會在它的次級維度中展示它在那一維度中的一個局部。次級維度的生物只能按此方法逆向構思上級維度的景象。作者認為可以通過弦理論推導出十維宇宙。

其次,作者為我們分析了時間與空間的關係、甯P的演化、黑洞的誕生、蟲洞的可能性,以及宇宙之死的問題。從理性的角度層層推理,幫助讀者理解時間的性質、天體物理學的奧秘。

最後,作者提出了建造時間機器的可能性。我們的四維宇宙死亡之時,正是宇宙大爆炸時我們的孿生六維宇宙發展之時。我們通過超空間開啟蟲洞之門,實現穿越時空的旅行。


作者簡介:

《超空間》由美籍日裔物理學家加來道雄編寫。加來道雄畢業於美國哈佛大學,並獲得了伯克利加利福尼亞大學的博士學位。目前為紐約城市大學理論物理學教授,曾任普林斯頓大學高等研究院和紐約大學客座教授。他是弦理論創始人之一,著有暢銷科普書《平行宇宙》、《超越愛因斯坦》、《物理學的未來》、《心靈的未來》等。他主持過BBC等多檔電視科普特別節目,長期主持美國國家科學廣播節目。文章刊載於《華爾街日報》、《時代週刊》、《科學美國人》等,目前是哥倫比亞廣播公司電視節目科學內容撰稿人。


圖書目錄:

000 □前言

000 □致謝



000 □第一部分 進入第五維空間

000 □1 超越時空的世界

000 □2 數學家和神秘主義者

000 □3 看見四維的人

000 □4 光的秘密:四維中的振動



000 □第二部分 統一在十維中

000 □5 量子異端

000 □6 愛因斯坦的復仇

000 □7 超弦

000 □8 來自第十維度的信號

000 □9 創世之前



000 □第三部分 蟲洞:通往另一個宇宙的關口?

000 □10 黑洞和平行宇宙

000 □11 建造時間機器

000 □12 碰撞的宇宙



000 □第四部分 超空間的主人

000 □13 超越未來

000 □14 宇宙的命運

000 □15 結論



000 □注釋


章節試讀:

前言

科學革命,顧名思義,就是向常識挑戰。

如果我們此前所有對宇宙常識的認知都是正確的,那麼,幾千年前科學就解決了宇宙的秘密。科學的目的就是剝去事物外表,揭露內在本質。事實上,如果外表和本質完全相同,科學也就失去了存在的意義。

也許,我們根深蒂固地認為:世界是三維的。不言而喻,長度、寬度、高度,足以描述我們可見宇宙中的所有物體。嬰兒和動物的實驗表明,我們固有的觀念——世界是三維的——是與生俱來的。如果我們將時間作為另一個維度,那麼,這四個維度足以記錄宇宙中的所有事件。無論我們的儀器探測到哪兒,從原子深處到最遠的星群,我們所發現的都是這四個維度的蹤跡。公開否認這種看法,即可能存在其他維度或者我們的宇宙可能與其他宇宙共存,都會招來冷嘲熱諷。對我們這個世界的根深蒂固的偏見認知,最初是由2 000年前的古希臘哲學家們推測而出。今天,它將屈服於科學的進步。

本書涉及一場科學革命,這場革命由 “超空間理論”所引發 [1] ,超空間理論認為,有超越於人們普遍接受的四維時空以外的維度存在。世界範圍內的物理學家,包括若干諾貝爾獎得主,越來越承認我們的宇宙可能確實存在於更高維的空間中。如果這個理論被證明是正確的,它將對我們理解宇宙產生深遠的影響和哲學的革命。在科學術語上,超空間理論被稱為卡魯紮-克萊因(Kaluza-Klein)理論和超引力理論。但它最高級的表述形式是——超弦理論。這一理論甚至預言了超空間的精確維度:十維。通常的四維空間(長、寬、高、時間)的認知,現在被6個更加寬廣的維度所擴充。

我們提醒大家,超空間理論還沒有得到實驗證實。事實上,在實驗室證實這個理論會異常困難。然而,這個理論已經席捲了世界上的大多數物理研究實驗室,已經不可逆轉地改變了現代物理學的科學繪景。在科學文獻中產生了數量驚人的與此相關的研究論文。然而,幾乎沒有人為外行的讀者著書解釋高維空間的迷人性質。因此,如果確實有這場革命的話,公眾也只是模糊地意識到。事實上,在大眾文化中膚淺地介紹其他維度和平行宇宙往往會對讀者帶來誤導。這是令人遺憾的,因為理論的重要性在於它能在一個驚人的簡單框架中統一所有已知的物理現象。本書首次在科學上就有關超空間的引人入勝的現行研究作了可信易懂的描述。

為解釋為什麼超空間理論在理論物理界產生了巨大的騷動,我設立了四個基本主題,像一根主線貫穿全書。這四個主題將該書分成四個部分。

在第一部分,我強調的主題是:自然法則在高維空間中表達時將更加簡單而優雅,並由此展開了超空間的早期歷史。

為了理解為何添加更高的維度可以簡化物理問題,可以考慮下麵的例子:對古埃及人來說,天氣變化是個謎。是什麼引起季節的更替?為什麼他們向南旅行時,天氣會變得暖和?為什麼風通常吹向一個方向?受到地勢的限制,古埃及人無法解釋天氣問題。他們認為地球似乎是扁平的,就像二維平面。但是,現在假想我們用火箭將古埃及人送到外層空間,在那堙A他們可以看到簡單而完整的地球正在它的軌道上環繞太陽轉動。?那間,這些問題的答案迎刃而解。

從外層空間看地球,可以清楚地看到地球的軸偏離豎直方向約23度(“豎直方向”是指地球環繞太陽的軌道平面的垂直方向)。因為有了這種偏離,地球北半球在它的部分軌道上所接收到的太陽光會低於另一部分軌道上接收到的太陽光。因此,地球有了冬天和夏天。又因為赤道比北極和南極地區接受的陽光多,所以當我們接近赤道時氣候會變得暖和。同理,由於地球相對於站在北極的人作逆時針自轉,因此,寒冷的極地空氣朝著赤道方向向南移動時會突然轉向。這個由地球自轉運動引起的熱空氣團和冷空氣團的運動有助於解釋為什麼風通常吹向一個方向,而風的方向取決於你在地球上所站的位置。

概括地說,一旦我們從太空眺望地球,原本模糊的天氣規律就變得易於理解了。因此,解決問題的辦法就是進入太空,進入第三維度。當你在太空眺望三維地球時,在扁平世界難以理解的事情就突然變得易於理解了。

同樣,萬有引力定律和光的定律似乎完全不同。它們服從不同的物理假設和不同的數學規律。人們試圖將他們拼接起來總是歸於失敗。但是,如果我們在先前的四維(三維空間加一維時間)中增加一維,即第五維。那麼,控制光和引力的方程就像兩塊拼圖一樣融合起來。光事實上可以被理解為第五維度中的振動。以這種方式,我們發現光的規律和引力的規律在第五維度中變得簡單。

因此,許多物理學家現在相信,傳統的四維理論“太小”而不能充分地闡明描述宇宙中的那些力。在四維理論中,物理學家用笨拙的不自然的方式將這些自然力擠壓在一起。此外,這種混合雜配理論是不正確的。在超出四維之外,我們有了足夠的空間以優雅的自我一致的方式來解釋基本力。

在第二部分,我強調超空間理論可以將所有已知的自然力統一到一個理論中,並詳盡闡述了這一簡單思想。因此,超空間理論可能是2 000年來科學研究的最高成就:所有已知物理力的統一。它可以贈予我們“萬物理論”這個物理學的聖杯,愛因斯坦為此曾追求了幾十年。

在過去半個世紀,科學家們一直困惑為什麼宇宙的四種力——宇宙引力、電磁力、強核力、弱核力——存在巨大的差別。20世紀偉大的思想家們所進行的將所有已知力統一起來的嘗試均以失敗告終。然而,超空間理論給出瞭解決這個問題的可能性,它以一種優雅的方式解釋四種自然力,並同時解釋了看似隨機的亞原子粒子的組合。在超空間理論中,“物質”也被看作是整個空間和時間織物的振動。因而可以得出一種迷人的可能性,即我們所看到的周圍的一切,從樹木、山脈到星星本身,不過是超空間中的振動。如果這是真的,那麼它給了我們一種漂亮而簡單的幾何方法,對整個宇宙提供了一種條理清晰、令人信服的描述。

在第三部分,我們探討了在極端情況下,空間可以被拉伸乃至被撕裂的可能性。換句話說,超空間可以提供一種穿越時空的手段。雖然我們強調這在目前尚處於猜測階段,但物理學家們正在認真地分析“蟲洞”的性質。“蟲洞”是連接互相遠離的各部分時空的隧道。例如,加利福尼亞理工學院的物理學家已認真地提出了建造時間機器的可能性,它由連接過去和未來的蟲洞構成。時間機器現在已不再是猜測和幻想,而成為了科學研究的合法領域。

宇宙學家甚至提出了一種驚人的可能性——我們的宇宙只是無數個平行宇宙中的一個。這些宇宙可以被比作懸浮在空氣中的肥皂泡的巨大集合。通常情況下,這些氣泡宇宙之間並不會相互接觸。但是,通過分析愛因斯坦的方程,宇宙學家已經證明可能存在蟲洞或管的網路連接這些平行宇宙。在每個肥皂泡上,我們可以定義我們特有的空間和時間。空間和時間只在氣泡的表面有意義;在這些氣泡以外,空間和時間毫無意義。

儘管這個討論的諸多結果尚處於純理論階段,但超空間旅行有可能為我們提供最實際的應用:拯救包括我們在內的智慧生命免於宇宙的死亡。科學家們普遍認為,宇宙及隨它演化了幾十億年的所有生命終將死亡。例如,根據時下流行的大爆炸(Big Bang)理論,150億年至200億年前發生的大爆炸造成了宇宙膨脹,被拋出的甯P和星系以巨大的速度遠離我們。然而,如果宇宙在某一天停止擴張,開始收縮,它將最終毀滅於一場叫做大坍縮(Big Crunch)的火災。宇宙中的所有智慧生命將被巨大的熱量蒸發。然而,一些物理學家已經推測,超空間理論可能為智慧生命提供一種逃亡的希望,也是唯一的希望。我們在宇宙死亡的最後幾秒,智慧生命可以通過躲進超空間而逃脫這場大坍縮給我們帶來的災難。

在第四部分,我們對一個最終具有實用性的問題作了推斷:如果理論證明超空間是正確的,那麼我們什麼時候才能駕馭超空間這股力量?這不僅是一個學術問題。因為在過去,僅僅掌握了四種基本力中的一種就不可逆轉地改變了人類歷史的進程。使我們擺脫了古代的無知和骯髒,從工業社會走到現代文明。在某種意義上說,人類如果漸次掌握了這四種基本力,我們就能用新的眼光看到人類歷史的巨大勝利。隨著這些力被逐個發現並掌握,文明史將逐次經歷著意義深遠的變化。

例如,當艾薩克·牛頓寫下經典的引力定律時,他發展了力學理論。這給了我們控制機器的定律,反過來又大大加快了工業革命。工業革命引發了各種政治力量,並最終推翻了歐洲的封建王朝。在19世紀60年代中期,詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)寫下了電磁力的基本定律,他開創了電氣時代。它給了我們發電機、收音機、電視、雷達、家用電器、電話、微波、消費電器、電子電腦、鐳射,和許多其他的電子奇跡。不懂和不會利用電磁力,文明就會停滯並凍結在電燈和馬達發現之前的時代。在20世紀40年代中期,當核力被利用時,隨著該星球上最具破壞性的武器原子彈和氫彈的成功研製,世界又一次被顛倒過來。因為我們還未能認識主宰宇宙的全部自然力,所以人們可以猜想——誰(某個文明)掌握了超空間理論,誰就能成為宇宙的主人。

由於超空間理論是界定明晰的數學方程,我們可以計算時空彎曲成圓號(或稱法國號)或創造出連接宇宙遙遠的地方的蟲洞所需的精確能量。不幸的是,計算結果令人失望,需求的能量遠遠超過我們星球所能利用的所有能量。事實上,這個能量是我們最大的原子加速器能量的一萬億倍。我們必須等待幾個世紀甚至幾千年,直到我們的文明發展到能掌握時空的能力,或者是聯繫上已掌握了超空間的先進文明。因此這本書的結尾探索了一個有趣的、具有猜測性的科學問題:我們需要什麼技術水準才能成為超空間的主人。

因為超空間理論遠超出了通常概念下我們對時空(時間和空間)的認知,所以我在書中穿插了幾個純粹假想的故事以幫助大家理解。我使用這種教學技巧是受到了諾貝爾獎得主伊西多爾·拉比(Isidore I. Rabi)與他的物理學聽眾討論問題的啟發。拉比感歎美國科學教育的糟糕狀態,斥責物理學界忽略為公眾特別是為青年普及科學進展的事實。實際上,他告誡道:科幻作家比所有的物理學家做了更多的科學普及工作。

我在此前出版的《超越愛因斯坦:探索宇宙理論》(合著者詹尼弗·特雷納)一書中,研究了描述亞原子粒子性質的超弦理論。並詳細討論了“可見宇宙”,以及物質的複雜性如何用微小的振動弦來解釋。在這本書中,我擴展了一個不同的主題和探索“不可見宇宙”,即幾何和時空的世界。這本書的重點並非講述亞原子粒子的性質,而是它們可能生活的高維世界。在閱讀本書的過程中,讀者會看到更高維度空間並非誇克發揮它們永恆作用的空洞的、被動的舞臺,高維空間實際上已成為大自然這出戲中的主角。

在討論超空間理論的迷人的歷史中,我們將會看到,由2 000年前古希臘人開啟的對物質終極本質的探索是一部漫長而曲折的歷史。當未來的科學史學家書寫這段漫長歷史的最後一篇時,他們很可能會記錄下:決定性的突破是三維或四維常識理論的失敗以及超空間理論的勝利。



加來道雄
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