暗物質 失落的宇宙:介於「存在」與「不存在」之間,一本書讀懂21世紀最重大的天文學難題

暗物質 失落的宇宙:介於「存在」與「不存在」之間,一本書讀懂21世紀最重大的天文學難題 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

李金
圖書標籤:
  • 暗物質
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具體描述

  暗物質──被譽為21世紀的首席物理學難題,
  數十年來,人們殫精竭慮研究,卻依然對它所知甚少……
  暗物質既看不見、也觀測不到,科學傢又憑什麼說它存在?

  ▎暗物質是什麼?
  有一類物質暗藏在宇宙中,既不發光、也不吸收、反射或摺射光,不僅在沒有光的黑暗中看不到,在有光線的環境中也完全透明,同樣看不到。
  這種不發光又絕對透明、在任何環境下都無法看到、卻又有質量的物質,就被稱為暗物質。

  ▎暗物質如何被發現?
  1933年,天文學傢費裏茨·茲威基(Fritz Zwicky)驚奇地發現:大型星係團內的星係,具有極高、又難以理解的運動速度,單靠我們所觀測到的星係團引力作用,根本不可能束縛這些星係在星係團內的高速運動──除非在星係團中,還有「看不見」的物質產生瞭強大的引力。

  此後,天文學傢透過測量螺鏇星係的鏇轉速度、觀測重力透鏡、大尺度宇宙結構形狀,以及微波背景輻射等研究中的「奇特」現象,大膽猜想:宇宙中可能暗藏有大量「看不見」、卻又能透過重力作用被感知的暗物質,而且約占整個宇宙物質總量的85%!

  ▎基本模型的睏惑:「超對稱粒子」是暗物質粒子嗎?
  基本粒子能被分為自鏇為整數的玻色子(Boson),與自鏇為半整數的費米子(Fermion),而將這兩類粒子聯繫起來的理論,就被稱為超對稱理論(SUSY)。

  遺憾的是,多年來這種理論所預言的那麼多超對稱粒子,人們不禁要問:它們會不會是暗物質粒子呢?

  ▎暗物質的頭號嫌疑人:WIMP粒子
  WIMP粒子,即大質量弱相互作用粒子(Week Interaction Massive Particle),是一種和普通粒子有弱交互作用、質量較大的假想粒子。
  WIMP粒子是基本粒子嗎?
  WIMP粒子本身之間有什麼樣的作用?
  WIMP粒子與普通物質粒子之間,除瞭引力之外還有其他交互作用嗎?
  如果有作用,是基本交互作用中的某一種呢,還是存在其他作用?

  ▎讓我們遨遊星際,尋找宇宙過去與未來的終極解答
  本書旨在嚮讀者深入淺齣、圖文並茂介紹有關「暗物質」的基本知識,瞭解暗物質的來由,並從實驗的角度齣發,討論探測暗物質的原理。
  本書,就是你暗物質旅程的第一站。
 
《宇宙的邊緣:超越視界的探索與猜想》 簡介 浩渺的宇宙,是我們永恒的追問。自從人類仰望星空,我們就試圖理解這片無垠黑暗中的一切。然而,當我們凝視得越深,發現的未知就越多。《宇宙的邊緣:超越視界的探索與猜想》並非講述那些已經被標準模型框定的物理現象,而是深入探討那些挑戰我們現有認知框架的宇宙學前沿問題。本書將帶領讀者穿越已知物理學的邊界,進入理論物理學傢、宇宙學傢們正在激烈辯論的領域,去審視那些看似遙不可及、卻可能定義我們對宇宙理解的宏大猜想。 本書的基調是基於嚴謹的科學推理,但又不拘泥於當前被觀測證據完全束縛的解釋框架。我們將探索的,是那些懸而未決的謎團,是那些關於時空本質、物質構成以及宇宙起源與終結的深刻哲學與物理學交匯點。 --- 第一部分:時空的新幾何學——彎麯、泡沫與多維的疆界 在愛因斯坦的廣義相對論確立瞭引力即時空彎麯的基本觀念後,我們對時空的理解進入瞭一個全新的階段。然而,這個階段也暴露齣更多深層次的問題。 1. 量子引力的幽靈:尋找統一的語言 我們目前對宇宙的描述,分為兩個不兼容的王國:描述宏觀引力的廣義相對論,以及描述微觀世界的量子場論。本書將詳細探討物理學傢們為彌閤這兩者鴻溝所做的努力,但不限於弦理論或圈量子引力這些主流路徑。我們將深入分析“背景獨立性”的難題,以及在普朗剋尺度下,時空本身是否還應被視為連續體。我們考察如何通過對引力子(如果存在)的量子化討論,來推測在極高能量密度下,空間維度可能如何“湧現”或“塌縮”。 2. 泡沫宇宙與時空泡沫 在量子場論的框架下,即使是看似真空的空間,也充滿瞭隨機的量子漲落。本書將探討“時空泡沫”的概念,即在極小尺度上,時空結構可能呈現齣不斷生成和湮滅的拓撲結構變化。這不僅是理論推演,更是對霍金輻射和信息悖論等問題的另一種視角。我們將審視,在普朗剋尺度下,時間是否還具有我們日常所理解的單嚮流動特性,或者它可能更像一個隨機遊走的集閤。 3. 超越四維:額外的空間維度及其對宇宙的影響 雖然額外維度的概念在某些理論(如卡魯紮-剋萊因理論、弦論)中扮演重要角色,本書將著重探討這些維度如果確實存在,它們如何能夠“隱藏”起來,以及我們如何纔能間接地探測到它們的存在。我們會討論高維空間如何影響基礎物理常數的局部變化,以及它們是否是解釋宇宙中某些異常引力效應的潛在來源,這些效應目前被錯誤地歸結為暗物質或修改引力定律。 --- 第二部分:信息、熵與宇宙的記憶——從黑洞到“有意義”的真空 宇宙不僅是物質和能量的集閤,它也是信息的載體和處理者。本書將探討信息在宇宙學中的核心地位,以及它如何與熱力學和時空結構緊密聯係。 4. 宇宙的防火牆悖論與信息守恒的極限 黑洞的事件視界是信息理論麵臨的最嚴峻考驗。本書將剖析信息在黑洞蒸發過程中“丟失”的睏境,以及由此引發的“防火牆”假說。我們將探討信息是真正被銷毀,還是以某種我們尚未理解的量子糾纏形式儲存在視界上。這不僅僅是一個物理學問題,它關乎宇宙的因果律是否在所有尺度上都保持絕對的有效性。 5. 真空能的“宇宙常數”之謎:為什麼是零點幾的能量? 宇宙學中最大的理論與觀測不一緻,莫過於真空能的預測值與實際觀測到的宇宙常數之間的巨大差異(相差約$10^{120}$倍)。本書將跳齣標準的宇宙學常數解釋,轉而探討那些試圖通過引入“有效場論”或“退耦機製”來解決此問題的激進猜想。我們考察對真空能的重新定義,例如,是否“零點能”並非一個固定的背景值,而是依賴於宇宙的演化階段和拓撲結構。 6. 熵與時間的箭頭:宇宙的不可逆性之源 熱力學第二定律——熵增原理——為時間劃定瞭方嚮。本書將追溯這個箭頭如何起源於宇宙大爆炸的極低熵初始狀態。但更進一步,我們會探討是否有機製可以在局部或在極端條件下(如視界內部)逆轉熵的流嚮,以及這是否與我們對時間的綫性認知相悖。我們將研究宇宙學中的“湧現時間”理論,即時間本身可能不是一個基本量,而是從更深層次的量子關聯中産生的宏觀現象。 --- 第三部分:超越可見物質——對“缺失”的本質性追問 雖然本書的標題未直接提及暗物質或暗能量,但本部分將從更基礎的層麵,審視我們對宇宙“缺失”組分産生的根本性懷疑,探討它們是否真的是新粒子或新能量形式,還是我們對引力或時空基本規律的理解齣現瞭係統性偏差。 7. 修正引力模型的新興路徑(非MOND範疇) 我們將考察那些不訴諸新粒子,而是從根本上修改愛因斯坦場方程的理論框架。例如,考慮時空對物質分布的響應是非綫性的,或者引力本身在不同尺度上錶現齣不同的有效理論。本書關注那些具有深刻宇宙學意義的修改理論,它們可能預測齣在遙遠星係尺度上,引力行為的微小偏差,這些偏差可能模仿暗物質的引力效應。 8. 宇宙的“臨界”狀態:暴脹理論的深層邏輯與替代方案 宇宙暴脹理論成功地解決瞭視界和扁平性問題,但它本身也引入瞭許多新的自由度(如暴脹子)。本書將審視那些挑戰“暴脹”作為宇宙初始階段唯一解釋的理論,例如“循環宇宙”模型或“對撞宇宙”假說。我們探討在這些模型中,我們如何定義“大爆炸”的開端,以及是否存在一個比暴脹期更基礎的物理過程來鋪陳我們今天的宇宙結構。 9. 基礎物理常數的變遷:一個“非固定”的宇宙 我們通常假定光速、引力常數和電子電荷等基礎常數在時間和空間上是恒定的。然而,一些前沿理論探討瞭這些常數在宇宙演化過程中可能發生微小變化。本書將分析觀測證據對這種變遷的限製,並探討如果這些常數確實是“動態的”,它們的變化如何影響原子形成、恒星演化乃至宇宙的最終命運。 --- 結語:邊界之外的理性冒險 《宇宙的邊緣》旨在激發讀者對未知領域的好奇心和批判性思維。我們正處於一個科學發現的黃金時代,計算能力和觀測精度不斷逼近物理定律的極限。本書的意義不在於提供答案,而在於清晰地界定齣那些我們尚未觸及的邊界,並邀請讀者以嚴謹的想象力,參與到這場人類認知中最宏偉的探索之中。這趟旅程,是關於我們如何理解“存在”的邊界,以及在“存在”與“不存在”之間,物理學所能達到的最遠視界。

著者信息

作者簡介

李金


  五十多年來從事核反應研究;核爆炸輻射測量;核探測技術研究;高能粒子對撞機譜儀BES的研發、建造和升級;正負電子對撞物理實驗研究。同時是BES國際閤作發言人,曾以訪問學者或客座教授身分在美國、日本、英國、法國等從事高能物理研究。近二十年從事微中子和暗物質實驗等前沿課題研究,曾發錶科學論文和科普文章三百餘篇。

圖書目錄

自序
前言

第1章 詭祕暗物質的由來
1.1 什麼是暗物質?
「暗」的廣泛含義
歷史上的「暗」物質事件
1.2 詭異的暗物質真的存在嗎?
不好理解的鏇轉麯線
星體光被嚴重彎麯
奇特的大尺度星係團
子彈星係團的碰撞
宇宙中有多少暗物質?
1.3 可能的暗物質
暗物質天體
暗物質粒子
特別關注的WIMP粒子
1.4 為什麼要探尋和研究暗物質
暗物質與宇宙的生成與演變關係密切
夢寐以求的基本粒子
小結

第2章 暗物質的探測方略
2.1 暗物質粒子的基本性質
必須大膽猜想
暗物質粒子WIMP可能的性質
2.2 暗物質粒子的探測方略
兩種探測方案
三種探測方法
1.被動探尋方案
(1)直接探測
(2)間接探測
2.主動探尋方案
3.新物理的探尋
2.3 暗物質粒子WIMP的直接探測
暗物質粒子與原子核的碰撞
如何辨別暗物質粒子事件
1.單一事件辨別法
2.能譜測量法
3.年調製效應檢驗法
4.日調製效應檢驗法
對探測技術的挑戰
2.4 暗物質粒子WIMP的間接探測
暗物質粒子的湮滅
對間接探測技術的要求
2.5 人工產生暗物質粒子
小結

第3章 探測行動前赴後繼
3.1 尋找碰撞的直接探測
直接探測暗物質的手段
需要在很深的地下進行
必須進行極其嚴密的輻射防護
活躍在地下的暗物質探測實驗
1.收集光的探測實驗
2.收集電子的探測實驗
3.同時收集電子與聲子的探測
4.同時收集光子和聲子的探測
5.同時收集光子和電子的探測
3.2 尋找湮滅的間接探測
間接探測的基本設想
活躍在世界各地的探尋活動
1.高空探尋暗物質
2.太空探尋暗物質
3.地球錶麵探尋暗物質
3.3 人工產生暗物質的嘗試
世界上最大的強子對撞機LHC
在LHC上探尋暗物質
小結

第4章 找到暗物質粒子瞭嗎?
4.1 實驗證據的錶述
4.2 暗物質粒子的跡象或證據
直接探測實驗
1. DAMA實驗找到年調製效應
2. CoGeNT(Ge)實驗發現能譜異常
3. CDMS組發現兩個可能的事例
4.CRESST發現不少難以解釋的事例
間接探尋實驗
1.ATIC發現電子通量超齣
2. PAMELA發現正電子比例的異常
4.3 沒有看到任何「暗物質痕跡」
SuperCDMS實驗
XENON100實驗
太空實驗AMS02
對撞機LHC上探尋無果
4.4 目前還很難迴答的問題
4.5 展望未來
更大規模的探測
更低能量的搜尋
採用更新的方法
擴展探尋的範圍
小結

附錄 在世界最深的地下尋找暗物質
5.1 CJPL開展的兩個直接探測暗物質的實驗
CDEX實驗
PANDAX實驗
5.2 CJPL的未來發展── CJPL-II未來可能的實驗
1. CDEX-II
2. JUNA
3. PANDAX-II
4.太陽微中子實驗
後語
參考文獻

 

圖書序言

  • ISBN:9789865552237
  • 規格:平裝 / 288頁 / 14.8 x 21 x 1.44 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 齣版地:颱灣

圖書試讀

前言

  人類藉助於各種波段的電磁波,從極其短波長X射線、紫外線、可見光,再到無線電波,觀察和認識宇宙。然而,有一些物質既不發射任何波段的電磁波,也不與這些電磁波發生作用。這些用任何波段電磁波都「看」不見、而又暗藏在宇宙中的物質,稱為暗物質。

  大約在八十年前,天文學傢費裏茨•茲威基(Fritz Zwicky)有一項驚奇的發現:大型星係團內的星係,具有極高、又難以理解的運動速度,單靠我們所觀測到的星係團引力作用,根本不可能束縛這些星係在星係團內的高速運動──除非在星係團中,還有「看不見」的物質產生瞭強大的引力。此後,天文學傢透過測量螺鏇星係的鏇轉速度、觀測重力透鏡(gravitational lensing)、大尺度宇宙結構形狀,以及微波背景輻射等研究中的「奇特」現象,大膽猜想:宇宙中可能暗藏有大量「看不見」、卻又能透過引力作用被感知的暗物質,而且所占比例很大(據計算,約占整個宇宙物質總量的85%)。

  暗物質到底是什麼?它為什麼那麼詭異?它暗藏在宇宙中什麼地方?它在宇宙的形成和演化中扮演瞭什麼角色?暗物質是天體還是粒子?它們是否是我們已知的基本粒子?還是未曾發現的粒子?這些問題都對目前的天體理論與標準模型理論提齣嚴峻的挑戰。

  暗物質的探測與研究,具有跨領域的重大科學意義,它關係到我們對基本粒子和宇宙的構成、宇宙的演化以及基本交互作用的認知,是從微觀到宏觀的重大前沿課題。

  然而,到目前為止,暗物質還隻是基於天文宇宙觀察到的重力效應所推測齣來的大膽猜想,並沒有直接的實驗探測到它的存在。要想真正探測到「看不見」的暗物質,就必須找到暗物質與普通物質之間所有的交互作用,並發展新的探測原理和新的探測技術,突破物理概念和理論。

  本書在介紹暗物質的來由、宇宙中隱藏有暗物質的依據、探測和研究暗物質的科學意義的基礎上,著重描述探測暗物質粒子的實驗方略、探測暗物質的基本原理和技術、前僕後繼的探測活動和所採用的龐大而又複雜的探測裝置、實驗探測研究的進展、最新研究狀況以及未來前景。

  這是一本通俗科普讀物,沒有過多的理論或定量說明,也沒有數學推導或分析錶達式,盡量採用圖錶或照片,以便於一般讀者閱讀。希望這本讀物有助於讀者對暗物質的基本概念略有理解,深入認識探測暗物質的含義與實驗方法,並能概括瞭解全球探測暗物質的實驗研究現狀和未來發展前景。

用戶評價

评分

老實說,現在市麵上的科普書籍或小說,常常給人一種內容過於學術化,讀起來很吃力的感覺,但這本書的書名,我個人認為非常成功地抓住瞭大眾的目光。它用瞭非常詩意又帶點神秘感的方式,去包裝一個相對嚴肅的科學議題——暗物質。對一般讀者來說,「暗物質」聽起來就是個遙不可及的詞彙,但加上「失落的宇宙」這樣的形容,立刻就讓讀者產生瞭一種「參與感」,好像我們自己也是這場宇宙大搜查的一份子。我希望作者在文字的呈現上,能夠保持這種引人入勝的語氣,不要過度依賴艱澀的公式或理論,而是用生動的譬喻和緊湊的敘事來引導我們進入這個迷人的領域。畢竟,能把複雜的物理概念用最平易近人、甚至帶點文學性的方式錶達齣來,纔是真正考驗作者功力的所在。我相當期待它能帶給我的閱讀體驗,是那種既長知識又極度享受的感覺。

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從書名來看,這顯然是一本企圖心很大的作品,它不隻是想講述一個故事,更像是想引導讀者進行一場心靈的探險。特別是提到「21世紀最重大的天文學難題」,這讓我覺得作者對當代科學的掌握度一定很高,這不是隨便寫寫的通俗小說可以比擬的。我個人對這種結閤瞭前沿科學思考與文學想像力的書籍有種莫名的偏好。我猜測,這本書或許會設定在一個未來世界,在那裡,科學傢們已經接近揭開暗物質的謎團,但每一次的發現,都讓他們離真相更遠,反而陷入瞭更深的哲學睏境。那種越探求真相越感到自身渺小的震撼感,纔是最吸引人的。我希望這本書的結尾不會是簡單的「找到瞭」,而是留下一個更宏大、更難以定義的疑問,讓讀者自己去拼湊屬於自己的宇宙觀。

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坦白講,現在市麵上有太多打著「解密宇宙」旗號的書,內容空泛,讀完跟沒讀一樣。但光看這個標題:「暗物質 失落的宇宙」,就已經讓我感覺到一股不同於其他作品的重量感。它給我的預感是,這本書的敘事節奏可能會比較緩慢而深沉,像是在緩緩展開一幅星圖,每一個筆觸都經過深思熟慮。我特別在意作者如何處理「失落」這個詞彙的意境,它或許指涉的並非物質上的遺失,而是一種關於我們對宇宙理解的「錯失感」,一種集體記憶中的空白。這種需要讀者投入極大專注力去咀嚼的書籍,往往纔是最耐人尋味的。我希望它能提供的不僅是知識,更是一種心靈上的共振,讓我在閱讀的過程中,不自覺地停下來,望嚮窗外那片被城市燈光遮蔽的夜空,重新思考那個無聲無息、卻支配著一切的黑暗領域。

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這本書的風格看起來會非常適閤在一個寧靜的午後,配著一杯熱茶細細品味。書名中「介於『存在』與『不存在』之間」的描述,簡直是為那種處於迷惘邊緣的思緒做瞭最好的註解。我總覺得,人類在麵對宇宙的浩瀚時,總有一種難以言喻的空虛感,而暗物質正好就是那個我們知道它在,卻永遠無法直接觸摸到的「虛無實體」。我猜測作者可能透過某個角色的視角,去描寫那種努力想去定義、去量化,卻不斷徒勞的掙紮。這種掙紮,其實映射瞭我們自己在現實生活中,麵對那些無解的難題時的心境。因此,這本書對我來說,或許不隻是一本關於天文學的書,更像是一麵反射我們內心焦慮與渴望的鏡子。期待它的文字能夠細膩且富有層次感,能讓我感受到那種深沉的宇宙詩意。

评分

這本小說的名字聽起來就已經讓人充滿瞭好奇心,光是「失落的宇宙」這幾個字,就讓人聯想到無數的可能性,感覺就像是闖入瞭一個未知的迷宮。颱灣的讀者對於這種帶有科幻色彩和哲學深度的題材,通常都抱持著非常高的期待。我猜測這本書應該不會隻是單純的太空冒險,而是會深入探討一些關於我們自身存在的本質。作者可能透過一個引人入勝的故事線,來編織一個關於宇宙邊界的想像,也許會涉及到時間旅行、平行宇宙,甚至是「虛無」的概念。我覺得,好的科幻小說,不隻是要給你視覺上的震撼,更重要的是要能觸動你內心深處對未知的好奇。我期待看到作者如何巧妙地處理這種介於「存在」與「不存在」之間的模糊地帶,那種感覺就像是抓不住的夢境,既真實又虛幻。如果情節鋪陳得當,這本書肯定能讓讀者在闔上書頁後,還久久無法忘懷那些關於宇宙奧秘的思考。

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