多云的宇宙 : 物理学未解的七朵“乌云” 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子版 mobi 在线

物理学几乎能够解释从微观粒子到宏观天体现象的所有事物构成，是一门获得过无数丰硕成果的体系。但事实上，在构成其基础的重要部分中仍存在知识空白，也有一些东西还无法整理成理论。

《多云的宇宙 : 物理学未解的七朵“乌云”》列出了质子衰变论、黑洞大爆炸、埃弗莱特的多宇宙理论、异端的宇宙、暗物质和暗能量、量子力学，以及宇宙原理与人类原理等物理学七大领域中存在的未解谜团，讲述人们为解开这些谜团留下的行踪、付出的努力及产生的各种理论碰撞，并对走出困境表达了自己的观点。

乌云一  质子衰变论

探寻支配基本粒子界的规则／003

终极的基本粒子的条件／003

6种夸克与6种轻粒子／004

5种媒介粒子与希格斯玻色子／008

基本粒子的大统一理论／009

神冈探测器的忧郁／009

获得诺贝尔奖的可爱的“神冈探测器”／009

能估算质子寿命的装置／010

严密监测3000吨水／011

也许大统一理论是错误的／012

超新星1987A／014

神冈探测器的数据震惊世界／014

中微子天文学的诞生／015

被巧妙更改的“ND”的意义／016

中微子震荡／017

质子衰变是如何形成的？／017

乌云二  黑洞大爆炸

发现奇妙的天体／021

开端是相对论／021

能计算引力的史瓦西解／024

无黑洞论／025

19岁青年的怪异“星溃说”／027

恰如其名的“黑洞”／028

印证其存在的天体被接二连三地发现／030

熵与霍金辐射／031

据说黑洞具有熵？／031

熵是指“难以掌握的信息量”／031

放入10种气体分子的箱子的状态如何？／032

状态的数量在理论上不可能是无限的／034

熵会根据温度产生变化／035

并不是真正的黑色宇宙洞穴／036

书和你的身体都会辐射电磁波／036

改变了黑洞概念的“霍金辐射”／037

黑洞与宇宙的寿命／038

结局是大爆炸／038

引发了理论物理学业界的大爆炸／039

黑洞的热力学／041

物理学的未解决难题：“信息悖论”／041

宇宙终的结局是什么／042

乌云三  埃弗莱特的多宇宙理论

量子力学的诞生／047

身边的物理法则难以解释的世界／047

量子力学宛如禅机问答／049

粒子具有波动性意味着什么？／051

不可思议的哥本哈根解释／052

神的骰子与薛定谔的猫／054

玻尔愤怒的大反驳／056

多宇宙理论出现／057

研究生的学说逐渐获得了粉丝／059

多世界是否真实存在？／061

确认猫的生死／063

基于多宇宙理论的量子计算机／063

量子力学是极具实践性的／064

乌云四  奇异的宇宙论

着手对宇宙的描述／069

宇宙究竟是怎样的形态？／069

宇宙是否有边缘？是有限还是无限？／070

“用望远镜能看到自己的后脑勺”／073

爱因斯坦的狼狈／074

过于自由的宇宙世界说法／076

奇怪的宇宙说法层出不穷，退缩的天才／076

四散的银河／077

哈勃拥护派和观望派／079

米尔恩宇宙爆炸／080

霍伊尔，从无到有创造物质／083

爱因斯坦的失败／084

宇宙微波背景辐射／087

通过空调了解初期宇宙的景象／087

解释98%的宇宙物质的由来／088

霍伊尔命名宇宙大爆炸／089

彭齐亚斯和威尔逊清扫鸽子粪便／089

宇宙微波背景辐射带来了什么／091

乌云五  暗物质和暗能量

发现“看不见的物质”／095

我们都是“银河系人”／095

宇宙的天体——河外星系／096

兹威基的“冰冷的暗物质”／097

令人惊讶的先驱性和令人遗憾的人格／100

暗物质究竟是什么？／101

有说法认为暗物质是没有光的星星／101

有说法认为暗物质是黑洞／103

黑暗且沉重，但量不够／105

有说法认为，暗物质是中微子／106

比预想的轻／107

有说法认为，暗物质是轴子或超对称粒子或基本粒子／108

未曾见过的基本粒子“轴子”／109

基本粒子倍增，超对称性理论的兴起／110

还有更多奇妙的暗物质候补选项／112

发现“看不见的能量”／113

进一步加速！宇宙膨胀！！／113

爱因斯坦所摒弃的宇宙理论再次复活／115

我们只了解了5%的宇宙／116

乌云六  量子力学

量子力学的界限／121

问题是什么／121

赞美量子力学伟大的微观世界／122

颠覆理论的“普朗克长度”的世界／123

漏洞的元凶是引力／123

只有名字但难以实践的新理论／124

备受期待的量子引力理论／125

可能解决所有问题的超级理论／125

可能解明黑洞的特异点／126

可能解决信息悖论／127

可能了解宇宙的初始／128

可能解决观测问题／128

可能解释人类智慧的秘密／130

图灵的证明／131

为什么电脑没有智慧／132

离完成还需要几步？／134

一次实验需要300万年以上／135

超现实的“弦论”／137

十一次元的幻想／137

我们就像是被压碎的仙贝一样／138

漂浮着布的宇宙印象／139

超弦论的华丽“成果”／140

对宇宙这一实验装置的期待／141

引力波带来的量子引力发展？／141

乌云七  人类原理

宇宙原理与人类原理／147

谦恭的“宇宙原理”／147

科学让人谦虚……／149

宇宙的温柔／150

太阳恰到好处地赐予了我们生命／151

地球是特别的行星吗？／153

生命原本只应该出现在时机刚好的星球／154

弦论所提出的无数宇宙／155

依据“人类理论”侃侃而谈／156

通货膨胀理论所描绘的“多元宇宙”／157

以“生命的诞生”为前提来思考物理理论的派系／159

人类原理能预言宇宙的加速膨胀吗？／160

哥特推论／162

哥特推论与柏林墙／162

哥特推论与人类灭亡之日／165

哥特推论与银河系大帝国／168

就算是瞎猜也无法否认／168

地球之外还有生命吗？／169

上个世纪所学的知识已经落后于时代了／169

向太阳系内发送探测器／170

太阳系外还有5 000个行星／171

令人期待的类地球型行星的大气构成／172

尝试询问宇宙人，人类原理是否是正确的／173

参考文献／175__

小谷太郎

1967年出生于日本东京，物理学博士，毕业于东京大学物理学专业，专业研究领域为宇宙物理学和宇宙探测装置开发。他曾先后在日本理化学研究所、美国宇航局戈达德太空飞行中心、东京工业大学、早稻田大学任职。

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黑洞这种奇妙的“存在”被认为是凭借强大的引力吸入一切的宇宙洞穴。

黑洞来源于阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）的相对论，但由于过于奇妙，一开始被当作不切实际的空谈。剑桥大学教授斯蒂芬·霍金（1942—2018）针对黑洞提出了爆炸性的新说法，即本应该能吸入一切的黑洞会逐渐压缩，后发生爆炸。

这是真的吗？研究者就像发现蜜糖的蚂蚁一样围绕着新学说展开了激烈的讨论，并发现了深刻的问题。如果黑洞会爆炸，那么黑洞内信息丢失的同时，熵也会消失。

熵是什么？为什么它的消失会带来麻烦？黑洞终真的会爆炸吗？

爱因斯坦在各领域都名留青史，但有名的还是相对论。他于1905年发表了狭义相对论，又在10年后发表了广义相对论，两者被合称为相对论，也就是现在正确地记述时间、空间与引力的物理学理论（不过，判定它不够全面也是本书的主题之一。）

相对论本身就是奇妙的理论，它所述的黑洞则是其中不可思议的东西。相对论很快就被人接受了，但相对论所预言的黑洞被研究者们厌恶和否定，直到有相关证据之后才勉为其难地认可了它。

爱因斯坦认为，我们生活中的时间与空间（合称为“时空”）是时而伸展、时而收缩，具有延展性的东西。

也许你会认为具有延展性的时间与空间前所未见，但时空的伸缩其实很简单，只要有质量，它就能扭曲周围的时间，拉伸空间。

比如，地球就是一个巨大的质量。时空的伸缩虽然很难用画来表现，但一定要表现出来的话则如图2-1。由于质量附近的时间会缓慢加速，如果在地球表面放置计时器的话，经过计算会发现，与质量的影响为零的情况相比加速了一亿分之八左右。放在不受地球影响的远处的计时器前进一秒，放在地球表面的计时器则前进一秒加一亿分之八秒左右。并且由于地球周围的空间也会延伸，因此如果牵一根长长的渔线从月球轨道到地球表面的话，除了月球与地球之间本身的长度之外，还需要额外增加约20厘米的渔线。

如果有物体横穿过具有伸缩性的时空，那么原本笔直的轨道会出现歪斜。月球是以弯曲的轨道绕着地球飞行，苹果或球体的轨道也是以抛物线落向地面。这就是所谓的引力，也是爱因斯坦的主张。

换句话说，物体受引力吸引就是在质量的影响下，处于伸缩时空中的物体的前进道路出现了扭曲。相对论被用于计算太阳附近的水星轨道等，并验证了其正确性。类似太阳附近那样引力极强的地方，牛顿的万有引力法则不再有效，需要应用相对论。相对论是正确记述宇宙的理论。

相对论是要运用高等数学的难解理论，但一经发表后立刻让全世界的智者都为之疯狂。

其中之一就是德国天文学家卡尔·史瓦西（1873—1916），他发现了满足相对论方程式的一个解法。

被称作史瓦西解是表示具有质量的“质点”对其周围的空间制造引力的方程式。在广阔的宇宙中，地球和太阳也不过是渺小的点状存在，所以史瓦西解对于计算地球和太阳所产生的引力大有帮助（前文中提及的地球表面计时器和从月球到地球的渔线长度都是利用了史瓦西解来计算的）。

爱因斯坦的广义相对论发表时正处于次世界大战时期。当时，史瓦西作为军官奔赴俄罗斯战场，在战场上想出了史瓦西解并写信告诉爱因斯坦。但不久，史瓦西因皮肤病恶化而去世。史瓦西所留下的解法很久以后也被称之为黑洞。如果史瓦西能活得更久一点的话，毫无疑问会对黑洞研究做出不凡的贡献，他也是被战争所摧毁的珍贵天才之一。

史瓦西解和研究质点自转的“克尔解”等相对论，是阐述引力场中心及质点周围的时空极度扭曲的解法。

处于极度扭曲时空中的物体的动态，只能用不可思议来形容。坠落运动的物体越是接近质点，通过时间越是扭曲，并且空间延伸。因此，当物体落到距离质点的某个位置时，坠落将会停止。

也许你会认为“怎么可能”？而当时的研究者在听闻这一结论时的反应也和你一样。

坠落停止的位置被称为“史瓦西半径”或“现象的地平线”，它能产生各种超出常识的状况。比如位于史瓦西半径时，“逃逸速度”会达到光速。

所谓逃逸速度，是指以该速度抛出球体后摆脱引力飞向无限远方的速度。根据投球的具体情况能测出该场所的引力。地球表面的逃逸速度约为11千米/秒，低于该速度的球体很快会因为地球引力落回地面，而超过11千米/秒的话，球体将飞向宇宙的另一端。

当位于史瓦西半径内侧时，逃逸速度将超过光速。由于超光速的物体不存在于这个世界，所以无论以多大的力道在史瓦西半径内侧投球，终都只会划出一道弧线飞向质点附近。由于光也会被折返，所以从外观测的话，质点就是半径等于史瓦西半径的漆黑圆球（至少当时是如此认为）。

观测地球和太阳附近并不会发现物体停止落下或光折返的异常现象，因为地球或太阳比出现奇怪现象的史瓦西半径大得多。

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深入浅出地讲述了进入21世纪，物理学上空笼罩着的七朵“乌云”（谜团）——质子衰变论、黑洞大爆炸、埃弗莱特的多宇宙理论、异端的宇宙、暗物质和暗能量、量子力学、宇宙原理与人类原理；

对每一朵“乌云”（谜团），书中给出了其由来、*的物理学理论构想及分析以及这些“乌云”对人类未来的影响；

前言

前言

物理学和化学通常带给人的印象是冷静、理性和远离世俗的。

遵循严密的逻辑理论，追究事物原理，通过数据与计算引导出结论，即使这种结论违背常理和预期，也会被当作宇宙法则接受。科学家大多都会给人留下这样的印象。

然而，人类所研究的科学实际上并不都是如此完美的。

有时，新人的正确主张会遭到顽固权威的否定，也会出现与冷静、理性无关的相互指责。但正是这些也许谈不上理性的争论推动了科学进步，因为科学的道路上不会永远一帆风顺。

本书的主题是宇宙论和量子力学等现代物理学中存在的未解决问题，将介绍各种（有时候会）令研究者们吵得面红耳赤、拍桌怒吼的论点，并借此指出具有代表性的现代物理学问题点，以研究其根本问题为基础进行简明易懂的解说。

物理学几乎能够解释从微观粒子到宏观天体现象的所有事物构成，是一门获得过无数丰硕成果的体系。但事实上，在构成其基础的重要部分中仍存在知识空白，也有一些东西还无法整理成理论。如何填补这一空白，目前还不得而知。

具有连光都无法逃脱的超强引力的天体——“黑洞”。这一概念早被提出时，天文学者曾对其又怕又憎。那么黑洞在后时刻会爆炸这一说法是不是真的呢？

“量子力学”作为微观物体的物理学法则，它在创始期曾被指出基本原理中仍有不完善的部分，但其解决方案一直拖延至今，已经近一个世纪了。虽然我们在日常生活中经常使用量子力学的应用产品，但其实并不清楚这些产品是如何运作的。

宇宙空间中充满了被称作“暗物质”（Dark Matter）的不明正体的“物质”，近年来又出现了名为“暗能量”（dark energy）的不可知存在。现在宇宙的95%都还是一个谜。

如果这些新的成分继续被发现，“宇宙标准论”将受到质疑，那么我们是否还能将其视作是真正的标准呢？我们对宇宙的理解是否在某些地方仍有不足呢？也许这些问题是现代物理学出现漏洞的前兆，也许有的问题只能等从头审视物理学的基础之后才能解决。

现代物理学可能有漏洞，这个想法令人振奋，并且多数研究者也认同这一观点。

各位是否也期待某一天，我们能在打破物理学基础的同时解决这些问题呢？

书籍介绍

物理学几乎能够解释从微观粒子到宏观天体现象的所有事物构成，是一门获得过无数丰硕成果的体系。但事实上，在构成其基础的重要部分中仍存在知识空白，也有一些东西还无法整理成理论。

《多云的宇宙 : 物理学未解的七朵“乌云”》列出了质子衰变论、黑洞大爆炸、埃弗莱特的多宇宙理论、异端的宇宙、暗物质和暗能量、量子力学，以及宇宙原理与人类原理等物理学七大领域中存在的未解谜团，讲述人们为解开这些谜团留下的行踪、付出的努力及产生的各种理论碰撞，并对走出困境表达了自己的观点。