从夸克到宇宙：理论物理的世界 | 周末读书
出版商：科学出版社
作者：中国科学院理论物理所编
开本：16 开
页码：350 页
定价：98 元
购书电话：010-64017957
内容简介：理论物理学是研究物质、能量、时间和空间以及它们的相互作用和运动规律的科学，它揭示的是自然界中所有物理现象的本质。其研究对象极其丰富，小到物质的基本组分夸克，大到整个宇宙。理论物理学经过20世纪的蓬勃发展后，现在仍有大量的重要问题亟待回答，如暗物质的性质、暗能量的本质、粒子物理标准模型的完备性以及是否存在超越标准模型的新物理、爱因斯坦的广义相对论是否是引力理论的终极理论、大统一理论是否存在、宇宙的起源、量子力学的诠释、黑洞的本质以及引力的量子化和时空的起源等。另外，理论物理在其他学科领域具有广阔的应用，如生物体系、社会复杂系统、能源问题等。本书收集了中国科学院理论物理研究所科研人员近年来撰写或者翻译的涉及上述课题的一些优秀科普文章。
推荐理由：2018 年是中科院理论物理所建所40 周年，本书收录了该所科研工作者历年来的优秀科普作品。涉及量子力学的本质，粒子物理标准模型和宇宙的起源和演化，核物理及超重元素，统计物理、生物物理及其相关交叉学科，科学研究方法和建议，等。既包含郝柏林先生关于统计物理、生物以及混沌的经典科普文章，也包括现在活跃在一线的研究者对科学前沿的介绍，适合对物理领域感兴趣的广大读者。
目录：
黑洞的本质 蔡荣根 曹利明 001
来自宇宙的微弱声音——2017年度诺贝尔物理学奖成果简析 郭宗宽 黄庆国 021
谈谈统计物理学的对象和方法 郝柏林 031
物理学和生物学 郝柏林 045
世界是必然的还是偶然的——混沌现象的启示 郝柏林 073
弦论编织的多重宇宙 拉斐尔·布索(Raphael Bousso)，约瑟夫·波尔金斯基(Joseph Polchinski) 何颂 译 089
向前辈学者和各位学者学习科学研究方法 何祚麻 106
宇宙如何起源？ 黄庆国 朴云松 112
理性的胜利——从上帝粒子到引力波 李淼 131
从液晶显示到液晶生物膜理论：软凝聚态物理在交叉学科发展中的创新机遇 欧阳钟灿 135
DNA单分子弹性理论 欧阳钟灿 149
物理：从IT到ET 欧阳钟灿 周善贵 157
量子力学诠释问题 孙昌璞 172
量子纠缠创造了虫洞？ 胡安·马尔达西纳(Juan Maldacena) 王少江 译 蔡荣根 校 205
探索自然、揭示奥秘——极小夸克与极大宇宙的内在联系 吴岳良 214
爱因斯坦的未竟之梦：物理规律的大统一 杨金民 王飞 237
希格斯粒子之理论浅析 杨金民 248
相变和临界现象 于渌 郝柏林 264
暴涨宇宙学的研究与进展 朴云松 张元仲 301
超级“Z-玻色子工厂”——高能物理实验研究的特种正负电子对撞机 张肇西 313
超重元素和超重稳定岛 赵恩广 323
原子核的电荷与质量极限探索 周善贵 326
如何让爱因斯坦走进大众（代后记） 方晓 庄辞 王延颈 343
彩图 350
黑洞的本质（蔡荣根 曹利民）
1.1 什么是黑洞?
粗略地说，“黑洞是时空中连光都逃逸不出的区域”。这是一个朴素但又非常不平凡的关于黑洞的描述方式。真正地理解这一描述是一件不容易的事，原因在于人们对于时空概念理解的不同，或者对连光都逃逸不出这一过程界定的不同。这里我们愿意从历史发展的眼光来看待这个问题。
在介绍黑洞这个概念时，很多人愿意提及如何在牛顿力学的框架下理解一个黑洞。这种想法可以追溯到18世纪的英国牧师兼自然哲学家米歇尔(Mitchell)。1783年，米歇尔在写给卡文迪许(Cavendish)的一封信中提出了暗星的概念(图1)。这封信中的内容于1784年在英国皇家学会发表。同时代的法国著名学者拉普拉斯(Laplace)于1796年也独立地提出暗星的想法，且将这个想法写到了其著作Exposition du Système du Monde的第一和第二版中，并于1798年给出了一个光逃逸不出的证明。拉普拉斯的工作被霍金(Hawking)和埃利斯(Ellis)翻译成英文，并放在他们1973年所著的The Large Scale Structure of Space-time一书的附录中，因此广为人知。1979年，剑桥大学的引力物理学家杰彭斯(Gibbons)在New Scientist杂志中的一文指出了米歇尔的工作。自那时起，米歇尔的贡献才被人们广泛知悉。
图1 米歇尔写给卡文迪许的信中关于暗星的部分
拉普拉斯关于暗星的讨论基于牛顿引力理论和光的粒子学说：如果星体表面光子的动能小于它的引力势能，光子便不能够逃逸到无限远处。由此可以很容易得到质量为M的星体成为暗星时的最大半径为R=2GM/c2，其中c是光速，G是牛顿常数。这就是所谓的暗星，也是迄今为止人们能够发现的人类关于黑洞*早的一个认识。需要指出的是：这个半径恰好是爱因斯坦广义相对论中所预言的施瓦西黑洞的施瓦西半径。但这只是一个巧合。事实上，在同时代的学者看来，拉普拉斯等人的讨论存在着明显的漏洞，即需假定光速不依赖于参考系。但这和牛顿力学中任何物体的速度(包括光速)是一个相对的量相冲突。在牛顿力学框架下，总有一些物理过程(例如星体表面附近速度很大的电子发射光)使得光子的速度超过c，并可以逃逸到无限远处天文学家的望远镜(图2)。在牛顿力学的框架下，物理信号可以以无限大的速度运行，因此牛顿理论所在的时空中不存在信息逃逸不出的区域，即不存在真正黑洞的概念。当然我们现在知道光速不依赖于参考系是狭义相对论的一个基本假设。可见，若希望理解黑洞，相对论性的时空观是必要的。
图2 米歇尔和拉普拉斯的暗星。牛顿时空中不存在真正意义上黑洞的概念
在牛顿时代或更早，人们关于时空的认识是接近日常生活的。先知告诉我们：在这些时空中时间和空间是分离的(这是一种典型非动力学的，人为加入的“背景结构”)，每一个时刻都存在一个三维的空间。
时间和空间的分离意味着我们需要两套度量，分别来衡量时间的间隔和空间的间隔。牛顿引力理论就是建立在这样的时空之上，相应的引力场方程是一种典型的椭圆方程，即泊松方程。因此牛顿引力理论中没有引力波的概念。而引力相互作用是一种超距作用，物理信号的传播速度可以是无限大。虽然牛顿引力理论在物理上简单直观，但其数学结构是相对复杂的。除了需要引入两套退化的度规，人们还需要额外的联络结构。而且这种联络结构并不能由这两套度规确定。在相对论性时空中时间和空间没有先验地分离，而是融合在一起成为一个四维的对象。这意味着相对论性的时空只需要一个衡量“时空间隔”的度量，或者说只需要一个度规。更进一步地，很多情况下，用来描述时空弯曲程度的联络也由度规唯一确定。因此相对论性时空中没有“人为的背景”，具有比牛顿引力理论更为简单的数学结构。任何物理信号都不能超光速，这一基本假设要求时空的每一点处都能够构造出一个光锥(图3)。换句话说，这个度规是洛伦兹的。这样，一个相对论性时空可以看成是一个二元组(M，g)，即一个四维流形M配上一个洛伦兹度规g。或者说一个相对论性时空就是一个洛伦兹流形。在物理上，相对论性时空上的引力理论更为自然。如广义相对论中的爱因斯坦场方程，通常可以写成一个非线性(拟线性)偏微分方程组，而且在一些特殊的坐标系（如谐和坐标）下具有双曲方程的特征。这意味着相对论性的引力理论具有传播自由度，存在引力波的概念。事实上，最近位于美国路易斯安那州和华盛顿州的激光干涉引力波天文台(LIGO)已经直接观测到了引力波的存在。这一引力波是由二个转动黑洞并合后产生的。在相对论性引力理论中，引力相互作用以有限的速度(如光速)传播，而不是超距作用。引力现象归结为时空的弯曲程度，这表明在一个相对论性的引力理论中度规也是动力学的，而不是简单地作为背景或舞台出现在物理理论中。度规即是背景又是动力学变量这一特征是相对论性理论的一个核心。可以说，相对论性引力理论(如广义相对论)中的一系列重要的结论和困难都和这一事实密切相关。
图3 相对论性时空上每一点处的矢量可以分为三类：类时、类光、和类空。类时矢量可以看作过该点的质点世界线在该点的切矢量，而类光矢量可以看成是过该点的光的世界线的切矢量，即光的4-波矢
比起牛顿或伽俐略时空，相对论性时空除了拥有类时和类空无限远，还拥有类光无限远的概念。形象地说，所谓的类光无限远可以理解成时空上光线能够延伸到的最远的“端点”的集合。通常来说，人们用来代表未来类光无限远。在闵氏时空上的任意一点发射的光都可以达到类光无限远。但是不是所有时空都有类似的性质呢？答案并不是。黑洞就是这样的时空，在这个时空中的一些区域发出的信号无法到达类光无限远。如果我们记时空为(M，g)，那么这样的区域可以记为
这就是时空上的黑洞区。其中代表未来类光无限远
的过去。简而言之，所谓的黑洞区就是时空上连光都逃逸不出的区域。需要强调的是：这里的时空是相对论性的时空，而光逃逸不出指的是光不能够到达未来类光无限远。黑洞区域的边界称为“黑洞事件视界”(event horizon)。因此人们常说：所谓的“黑洞事件视界是时空未来类光无限远过去的边界”。事件视界这个词最早由奥地利物理学家伦德勒(Rindler)于1956年在宇宙学的研究领域内引入。当然他研究的是所谓的观测者的事件视界，不同于我们这里的黑洞事件视界(图4)。1969年英国数学物理学家彭罗斯(Penrose)将这一概念发展成所谓的“绝对事件视界”，也就是我们这里的黑洞事件视界。当然黑洞事件视界也可以理解为一族逃逸到无限远处的观测者共有的事件视界。因此我们也可将黑洞区定义为
，其中
是上述的所有观测者所形成的集合。黑洞事件视界是时空中的类光超曲面(时空的3维子流形)，也就是说它的母线是类光曲线。
图4 (a)为某个观测者的事件视界。观测者世界线的过去是图中的阴影部分，也是观测者有可能探测到的时空的最大区域。而他(她)的事件视界是这个区域的边界。图(b)中的Ⅱ区为最大扩张施瓦西时空中黑洞区B。黑洞的事件视界是这个区域的边界。上图中的每一点代表一个二维的曲面。图(b)中的各种无限远已经通过共性映射拉到有限处。这样，压缩掉两维后，我们可以将时空画在一张纸上。这种图称为彭罗斯卡特图。在这种图中光的世界线都是和竖直方向成45°夹角的直线，如图中的直虚线。图(b)上下的锯齿线代表最大扩张施瓦西时空中的奇点
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