《宇宙的結構——空間、時間以及真實性的意義》(The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality,2004)[1]是哥倫比亞大學弦理論、宇宙學和天體粒子物理研究中心(Institute for Strings, Cosmology, and Astroparticle Physics,簡稱ISCAP)的教授兼副主任布萊恩·格林撰寫的第二本關於理論物理學、宇宙學和弦理論的書。[2]湖南科學技術出版社出版了其簡體中文版,並歸入其《第一推動叢書》。
格林首先提出了一個關鍵問題:「什麼是現實?」或者更具體地說,「什麼是時空?」他著手描述他發現的令人興奮的特徵,這些特徵對於形成由現代科學所描繪現實的全貌是必不可少的。在幾乎每一章中,格林都介紹了基本概念,然後慢慢地達到高潮,這通常是科學上的突破。然後,格林嘗試與讀者進行溝通,通過簡單的類比來幫助解釋科學概念的含義,而又不過分簡化其背後的理論。
格林在序中承認,本書的某些部分在科學家中仍具有爭論。他在正文中介紹了主要觀點,並在尾注中給出了爭論點。正文中作了簡化的要點,會在尾注中包含更完整的說明。
第一部分:實在性之舞台(Reality's Arena)
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第1章,通往實在性之路(Roads to Reality),介紹了該書後面將要出現的內容,例如圍繞經典物理學、量子力學和宇宙物理學所進行的討論。
第2章,宇宙與桶(The Universe and the Bucket),則以空間為重點。格林提出的問題是:「空間是人類的抽象,還是物理實體?」關鍵的思想實驗是一個旋轉的水桶,旨在讓人們思考一下,在水桶旋轉時,是什麼產生了受力的感覺。後面詳細討論了艾薩克·牛頓、恩斯特·馬赫和戈特弗里德·萊布尼茨關於這一思想實驗的想法。
第3章,相對與絕對(Relativity and the Absolute),聚焦於時空。現在的問題變成了:「時空是愛因斯坦的抽象還是物理實體?」該章討論了狹義相對論和廣義相對論的概念,以及它們對時空意義的重要性。
第4章,糾纏著的空間(Entangling Space),格林探討了量子力學時代的革命,著眼於在量子定律所規範的宇宙中,對物體進行分離和區分的含義。該章研究量子力學,所涉及的概念包括:機率波和干涉圖案、粒子自旋、光子雙縫實驗,以及海森堡不確定性原理。讀者還將了解到,阿爾伯特·愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基和納森·羅森對量子力學所提出的挑戰。
第二部分:時間和經驗(Time and Experience)
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第5章,冰封之河(The Frozen River),處理的問題是:「時間在流動麼?」本章的重點之一是狹義相對論。彼此相對移動的觀察者對於在給定時刻所存在的事物有不同的概念,因此他們對現實的概念也不同。結論是時間並不流動,因為所有事物同時存在。
第6章,偶然和箭頭(Chance and the Arrow),問道:「時間有箭頭嗎?」讀者發現,不管時間向前進,還是向後退,物理定律都能成立。這種定律被稱為時間反演對稱。該章的主要話題之一是熵。作者給出了各種類比來說明,熵是如何工作的,及其明顯的悖論。該章的高潮是熵和引力之間的相互關係,以及宇宙的開始必須是最小熵的狀態。
第5章和第6章,僅由前現代物理學來解釋時間。第7章,時間與量子(Time and the Quantum),深入介紹了量子領域中時間的本質。概率在該章中扮演了主要角色,因為它是量子力學中不可避免的一部分。作者回顧了雙縫實驗,以揭示過去的情況。該章還介紹了許多其它實驗,例如延遲選擇的量子擦除實驗。還有一些其它主要問題引起了讀者的注意,例如量子力學和體驗,以及量子力學和測量問題。最後,該章討論了量子退相干這一重要主題,及其與宏觀世界的相關性。
第三部分:時空與宇宙學(Spacetime and Cosmology)
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第三部分論述了宇宙的宏觀領域。
第8章,雪花與時空(Of Snowflakes and Spacetime),告訴讀者,宇宙的歷史實際上是對稱的歷史。對稱及其對宇宙演化的重要性是該章所關注的重點。同樣,廣義相對論被認為是時空的延伸結構。宇宙學、對稱性和空間形狀,被以新的方式組合在一起。
第9章,蒸發真空(Vaporizing the Vacuum),介紹了希格斯玻色子的理論思想。該章重點討論了大爆炸之後一秒,關鍵的第一部分。人們認為宇宙中對稱性的數量是這時突然變化的,該過程被稱為對稱性破缺。該章還介紹了大統一理論,並重新審視了熵。
第10章,解構大爆炸(Deconstructing the Bang),以宇宙暴脹為重點。廣義相對論和暗能量(斥力)的發現,以及宇宙學常數,都被考慮在內。由標準的大爆炸理論引起的某些問題得到了解決,膨脹宇宙學也給出了新的答案。這些問題包括視界問題和平坦性問題。作者還討論了整個宇宙的物質分布,包括暗物質和暗能量的概念。
第11章,綴滿鑽石的天空中的量子(Quanta in the Sky with Diamonds),繼續討論膨脹的話題,並且再次討論了時間箭頭。該章介紹了三項主要的發展:星系等結構的形成,產生我們現在所看到的宇宙需要多少能量,以及時間箭頭的起源。
第四部分:起源與統一(Origins and Unification)
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第四部分探討了物理學的新理論方面,特別是在作者的領域。
第12章,弦上的世界(The World on a String),根據弦理論向讀者介紹了空間的結構。作者引入了一些新概念,包括普朗克長度和普朗克時間,並重新審視了《宇宙的琴弦》中的思想。讀者將了解到,弦理論怎樣填補了廣義相對論與量子力學之間的空白。
第13章,膜上的宇宙(The Universe on a Brane),擴展了第12章中的思想,特別是M理論,弦理論是該理論的一個分支。該章致力於討論空間和時間,介紹了包括愛德華·威滕和保羅·狄拉克在內的許多物理學家的見解。該章的重點是引力及其涉及的額外維度。在該章末尾,有一個簡短的部分專門介紹了循環模型。
第五部分:真實與想像(Reality and Imagination)
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第五部分涉及許多理論概念,包括空間和時間旅行。
第14章,上天入地(Up in the Heavens and Down on the Earth),是關於時空的各種實驗。前面章節中的理論被再次提起,例如希格斯理論、超對稱和弦理論。該章描述了一些未來計劃的實驗,以嘗試驗證所討論的許多理論概念,包括暗物質和暗能量的組成,希格斯玻色子的存在,以及額外空間維度的驗證。
第15章,超距傳輸器與時間機器(Teleporters and Time Machines),是關於使用奇妙的方法穿越時空的。當讀者遇到瞬時傳送時,再次接觸了量子力學。時間旅行會造成困惑,例如,通過時間旅行回到過去的想法產生了可能性。該章的結尾聚焦在蟲洞及其背後的理論。
第16章,幻象的未來(The Future of an Allusion),重點在於黑洞及其與熵的關係。該章的主要思想是,時空可能不是宇宙結構的基本組成。
《宇宙的結構》在2005年成為亞馬遜客戶中最受歡迎的科學書籍,並曾登上紐約時報暢銷書榜——自2004年2月10日出版以來,它曾10次進入非小說榜前15名,在4月4日達到其最高排名第3位,後於5月9日退出榜單。[3]它首次印刷了125,000冊,並成為每月之書俱樂部的主要選擇,克諾夫對它期望甚高。[4]截至2020年1月,該書的評論者平均評分為4.6星(滿分5星),在560位評論者中,有400位給了它5星。[5]
Nova根據《宇宙的結構》這本書製作了一部同名紀錄片,作為由《宇宙的琴弦》改編的廣受歡迎的紀錄片的續集。該系列由格林主持,還包括了眾多其他著名物理學家的評論,例如馬克斯·泰格馬克等。
該紀錄片系列組成了Nova電視系列片的4集(第39季第5-8集):[6]
- 宇宙的結構:什麼是空間?(What is Space?)
- 宇宙的結構:時間的幻覺(The Illusion of Time)
- 宇宙的結構:量子躍遷(Quantum Leap)
- 宇宙的結構:宇宙是唯一的嗎?(Universe or Multiverse?)[7]
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