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幽灵般的超距作用:重新思考空间和时间


幽灵般的超距作用:重新思考空间和时间

作  者:(美)乔治·马瑟

译  者:梁焰

出 版 社:人民邮电出版社

出版时间:2017年03月

定  价:45.00

I S B N :9787115446381

所属分类: 专业科技  >  自然科学  >  物理学    

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TOP内容简介

    空间是什么?我们大多数人一般不会问这个问题。空间是物理学的“住所”,物理学只能在空间里“玩耍”;事物在空间中存在,在空间中运动和形成。然而在过去的几十年里,物理学家发现了一个奇特现象,它chaoyue了空间和时间的管辖范围。这个现象称为“非定域性”,即两个粒子无论相距多么遥远却同步共舞,看起来像魔法。爱因斯坦看到这种现象时惊讶得找不出一个合适的词,便称之为“幽灵般的超距作用”。 ZUI近这个现象显得更加神秘,因为其他形式的非定域现象相继被发现。在黑洞里、在粒子碰撞中甚至在引力的运作中,都发现了这种“幽灵般的超距作用”,潜在地它威胁了我们对物理现实的ZUI基本的理解。如果空间不是我们以为的那个样子,那么空间到底是什么? 在《幽灵般的超距作用:重新思考空间和时间》中,著名科学作家乔治 ? 马瑟试着回答这一问题。马瑟对非定域性问题进行了大胆探索,采访了试图解释这个问题的科学家。他带领我们踏上史诗般崎岖漫长之旅,走进观察粒子的实验物理学家的生活,走进观察星系各向均匀性的天文学家的生活,走进揭开大爆炸之谜的宇宙学家的生活。他考察了 20 世纪科学的重大发现和重大混乱,跟踪了非定域性这个非常有争议的话题,展示了尽管实验证据无可争议,但科学家们却提出了截然不同的解释。科学家们的结论不仅挑战我们对空间和时间的理解,而且也挑战宇宙起源的解释。那些卓有见识的物理学家提出了新的物理学大统一理论。 


TOP作者简介

    乔治·马瑟:获奖记者,《科学美国人》(Scientific American)撰稿人、编辑。曾荣获美国天文学会乔纳森·埃伯哈特行星科学新闻奖和2011年美国物理科学普及奖科学写作奖。著有The Complete Idiot's Guide to String Theory一书,2014~2015年任麻省理工学院骑士科学新闻学家,经常出现在CNN、NPR、BBC等媒体上。他与妻子和女儿住在美国新泽西州。 

TOP目录

引言:爱因斯坦的空中楼阁 / 1 

第1章 形形色色的非定域性 / 14 

闭嘴,好好算! / 21 

观天者与攀冰者 / 27 

玩水泥的人和雕塑家的女儿 / 33 

地下室里的粒子 / 42 

第2章 非定域性的起源 / 51 

机械的宇宙 / 55 

机器里的魔法 / 66 

引力论战 / 73 

质疑牛顿爵士 / 82 

定域性的新麻烦 / 90 

第3章 爱因斯坦的定域性 / 94 

定域性让物理学保持理性 / 99 

量子力学的奇特横空出世 / 104 

物质的波 / 107 

1927年的大辩论 / 111 

1930年的大辩论 / 113 

EPR论文 / 115 

第4章 大辩论 / 118 

非定域性这个案子 / 120 

分歧缘于动机 / 124 

选择一:放弃自由意志? / 128 

选择二:粒子是占卜水晶球 / 130 

选择三:平行宇宙 / 132 

选择四:放弃现实主义 / 134 

德累斯顿会议上的唇枪舌剑 / 137 

让我们务实一些 / 139 

chaoyue量子思考 / 142 

披着别名的非定域性 / 144 

不管怎样,空间走向终结 / 149 

第5章 非定域性和物理学的统一 / 153 

量子场论 / 156 

与粒子分道扬镳 / 160 

永别了,场 / 162 

超强纠缠 / 164 

横跨规范 / 167 

爱因斯坦的引力理论 / 174 

量子引力 / 186 

回到黑洞 / 190 

第6章 时空的终结 / 197 

现实的“胶水” / 201 

当空间不是那个“地方”时 / 207 

互联成网生成空间 / 214 

在矩阵内部 / 219 

全息的现实 / 223 

矩阵中的毛刺 / 227 

结语:幅面体 / 236 

更像青少年 / 244 

参考文献 / 251 

致 谢 / 284 


TOP书摘

    观天者与攀冰者

    在20世纪的大部分时间里,唯一有人关注的非定域性现象是纠缠粒子的某种特定同步性,但后来物理学家逐渐意识到其他现象也很可疑,如同幽灵一般。研究黑洞的人认为在黑洞这类宇宙真空吸尘器里的一种非定域性(即物质可以从一个地方跳到另一个地方而无需跨越中间的距离)比爱因斯坦担心的情况更令人困惑。

    黑洞长期以来被物理学家首选为宇宙间最古怪的事。拉梅什·纳拉扬曾看见过活动中的黑洞。正如加尔韦斯,纳拉扬说他很晚才发现自己对科学的激情,而且相当偶然。孩童时期,他对天文学没有一点儿兴趣。我遇见的大多数天体物理学家都回忆说他们自孩童时期起就着迷于黑洞了,但纳拉扬是少数几个例外之一,他着迷的是水晶。他的第一个工作是在印度南方著名的班加罗尔拉曼研究所搞研究,他发现自己混迹于一群探索宇宙奥秘的人之中。他很快被吸引住了,变成了宇宙气体流专家。这种流动的控制原理很简单:所有进去的势必出来。每当宇宙气体碰撞上恒星表面,恒星必然受热;恒星势必将能量返回太空,通常以红外辐射或可见光的形式进行。“所有进入的能量必须释放出来。”纳拉扬解释道,他现在是哈佛大学的教授。但20世纪90年代初期,天文学家注意到,在我们的银河系中心,这个规则有一个很奇特的例外。

    银河系中心很容易寻找,你自己就可以找到。下次夜晚走到房外凝望夜空时,找一找人马座。在我的家乡,夏夜或早秋之夜最容易看见人马座,星空中它悬挂在南方的地平线之上。它看起来应该像射手,但大多数天文学家说他像一个巨大的茶壶,茶壶嘴就指向银河系的中心。由肉眼看来,银河系中心仅仅是天空中的一小块模糊区域,但20世纪40年代用望远镜观察时,发现那里是一大锅涡旋气体。在正中心处,气体向一块很小的区域汇集,称之为人马A。这块区域黑暗得令人费解,流进去的气体带人的能量只有1%流出。“眼睁睁地看见能量进人银核中心后,‘噗’地一下,消失了。”纳拉扬说。

    这就是黑洞的定义,意思是引力如此之大,以致进去的再也出不来了。艺术家有时把黑洞描绘成太空中巨大的坟墓,但从外表看起来它像一颗行星,一颗巨大的、疑似黑色的行星。可能有物质环绕它运动,而且通常有。但如果你试着用手指触摸一下你以为的行星表面,你的手指就会穿过去,这个物体是空的。这个表面又称“黑洞表面”或“事件视界”,其实是假想的临界表面,过了这个临界面,掉进去的气体或其他物质就回不来了,只有超过光速时才有可能返回。对于人马¨奇点,视界构成了一个直径为2500万千米的球面。想穿越它的物质不停地坠人其中,仿佛汽车闯入单行的死胡同,摇摇晃晃闯人某种未知命运,想必是厄运。“这就是黑洞的唯一特性。”纳拉扬说,“黑洞没有表面,这就是它与众不同之处,所有进去的气体和能量全都被吞掉了。”

    那么,那些东西后来命运如何?这就是个谜。不幸的是,物理学的两大主要理论(引力理论和量子理论)关于物质被吞掉后的命运,得到了完全相反的结论。简而言之,引力理论说粒子掉到黑洞之后就再也不可逆转了,而量子理论说没有什么东西会不可逆转。前者说进去的东西再也出不来了,永远被黑洞吸了进去。后者说这些东西一定会出来,而且重新参与到宇宙的生命中去。这一矛盾警示,现代物理学里的某些关键原则一定是错的。

    纳拉扬的观察不能搞清楚这个问题。解决关于黑洞的矛盾需要一个物理学的统一理论,一个将量子理论和引力理论融合起来的量子引力理论。许多一直在寻找这样的统一理论的人认为,定域性原则最可疑,最终将被证明。如果有物质可以超光速穿行,或从里向外拱出来,而无需穿越空间阻隔,那么它一定能从黑洞的阴森束缚下溜走。

    这个想法的首要倡导者是史蒂夫·吉丁斯,加州大学圣塔芭芭拉分校的教授。他常穿着工装短裤和绒毛夹克,花格衬衫从不掖在裤子里,一点儿也不像教授,你可能误以为他是徒步登山指导。其实你猜得不错,他曾经同时出现在《科学美国人》和《登山》杂志上。吉丁斯在很多体育项目上都成绩斐然,如攀岩、攀冰、高山滑雪、越野滑雪、登山和皮划艇。科学和户外运动对他来说相得益彰。“我觉得科学和体育运动是我与自然亲密无间关系的两个侧面。”他说。少年时代外出野营时,他总是带着一本物理书。上大学后,他得到了国家自然科学基金的资助,研究引力,周末他就在偏远的地方滑雪。刚毕业的那个夏天,吉丁斯给自己建造了一艘皮划艇,乘它划过科罗拉多河,穿过大峡谷,然后搭车去了丹那利国家公园。那是他第一次去这个公园,他记得看见一大一小两只驯鹿跑过来,离自己很近。“然后,我回头一看,才知道它们为什么一点儿也不怕我。”他说,“这两只驯鹿刚刚逃离一只大灰熊的追赶。大灰熊看见我后决定放弃驯鹿,而来追赶我。”吉丁斯想起公园巡逻人员的叮嘱,他站稳脚跟,对着大灰熊大喊大叫,直到它拖着脚离开,去寻找更容易捕获的猎物。

    后来,吉丁斯搬到了新泽西。新泽西有很多迷人的地方,只是没有高山和大峡谷。生活好像变了个样,白天、夜晚、平日、周末,他都围着考试连轴转。普林斯顿的物理研究生学习计划好像故意和他的皮划艇嗜好作对。“没有什么值得兴奋的事。”他说,“那里有一种让学生感到害怕的气氛。”吉丁斯想溜,但最终没动。1984年,他刚刚考完试,理论物理学界突然兴奋起来。全世界的物理学家突然丢掉手头的工作,研究起了弦论。这是一个新理论,旨在提出一个关于自然的统一理论。

    弦论得名于一个猜想,有人猜想亚原子粒子其实是一些微小的橡皮筋或吉他琴弦。我们看到的不同类型的粒子,其实只是这些弦以不同方式振动,使得世界好像一支复杂得难以想象的交响乐。20世纪60年代后期弦论曾一度因晦涩难懂而萎靡,后来弦论的几个推动者设法让大多数人相信其内在一致性,从而引爆了大家的兴趣。“我应该干这个,就这样我被这股大浪推了上去。”吉丁斯回忆道。弦论的领军人物爱德华·威滕让他解一个关键方程式。他挣扎了几个月,试了好几种数学技巧,终于解出来了。与此同时,他结识了几个皮划艇同伴,发现新泽西州还不赖,无愧于花园之州的称号。“我开始意识到,也许就这样干下去挺好。”他说。


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装  帧:平装

页  数:286

版  次:第1版

开  本:大32开

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