星空50講:帶你探索宇宙

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陳文屏
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具体描述

悠遊天文學的50堂課,
100餘張神祕而美麗的宇宙影像,
從占星卜卦到太空探測,
揭開人類對天空的無盡追尋。

  望著夜空,暫時抽離了塵世喧囂,世界孤遠而靜謐。想像掛念的人或許也在遠方看著同樣星空,是否也思念我;另方面不解天地如何春去秋來,日夜輪替。

  自古以來,人類對天上的日、月、星辰與地上萬物有何關連,感到好奇。當生活需要答案,命運卻無法預測,人們期待權威者,因此猜想神祕的天體主宰了人世因果。

  中央大學天文所教授陳文屏,以深入淺出的文字,搭配珍貴美麗的天文照片,透過50個重要的天文主題,帶領讀者進入神祕浩瀚的無垠宇宙。

專文引讀

  李太楓(中央研究院天文研究所特聘研究員退休、院士)
  葉永烜(中央大學教授、中央研究院院士)
  鄭崇華(台達集團創辦人)

推薦語

  重大的天文研究計畫因為儀器精密,所需經費龐大,往往透過國際合作來募集跨國資金及人才。由於公家機構預算與籌募時間等問題,重大計劃往往透過私人企業或機構募集種子基金,先進行可行性研究,之後再放大規模向國際籌款,以進行更大的計畫。——李太楓(中央研究院院士)

  我們所看到的星光大多數是百萬年或千萬年前傳出來的。如果它們的行星也有生物和文明,如今安在?它們的歷史定會如我們人類社會發展到一定程度便會遇到瓶頸,一是氣候變遷,二是熱核戰爭。如不能和平合作,定會灰飛煙滅。還是有足夠智慧,能夠同舟共濟,一齊度過難關讓世界文明能夠永續發展?在2021 年這個時間點,我們必定要認真思考這個問題。說不定地球人類前途的決定權便在於台灣,便在於你我。——葉永烜(中央研究院院士)

  我是個業餘的天文迷,如果人生可以重來,也許我會改讀天文。
  因為年輕時的經歷,天文對我來說,不只是知識的探索,也是種精神上的寄託。在我還很小的時候,因為兩岸的戰亂,13歲就隻身來到台灣,每次放長假或過節日,同學們都回家跟親友團聚,學校宿舍只剩我一個人,我常坐在台中一中的操場上,看著天空發呆,思念著海峽另一頭的家人。
  那時候,夜晚沒有光害,抬頭一望盡是滿天星斗,而且幾乎每晚都能看見流星,我總是好奇地想:宇宙有多大?星空存在多久了?看著看著,就對這門學問著迷不已。——鄭崇華(台達集團創辦人)
 
宇宙之弦:超越可见的维度与暗物质的奥秘 作者: [此处留空,以模仿真实图书封底的风格] 出版社: [此处留空] 装帧: 精装/插图丰富 页数: 680页 --- 内容梗概 《宇宙之弦:超越可见的维度与暗物质的奥秘》并非一本入门读物,而是献给那些对宇宙学前沿课题抱有深刻好奇心的读者。本书深入剖析了现代物理学在解释宇宙结构和演化中所面临的根本性挑战,特别是那些超出标准模型和传统广义相对论框架的领域。作者以严谨的数学推导为基础,结合最新的实验数据和理论模型,带领读者进行一次思维的极限远征,直抵宇宙学的“未知之地”。 本书的核心聚焦于两个宏大且相互关联的主题:高维空间理论的构造与检验,以及暗物质和暗能量的本质探寻。我们不再满足于描述“是什么”,而是深入探究“为什么是这样”,并尝试构建一个更具统一性的物理图像。 --- 第一部分:时空结构的精微解构 (The Fine Structure of Spacetime) 在这一部分,我们将暂时放下对星系和黑洞的宏观描述,转而审视时空本身的结构是否如我们感知的四维那样简单。 第一章:黎曼几何的边界 传统描述宇宙膨胀的弗里德曼方程建立在特定的时空度量假设之上。本章将回顾并批判性地分析这些假设的局限性。我们将探讨非黎曼几何在描述极端引力场(如奇点附近或宇宙大爆炸的最初瞬间)时的潜在优势。重点分析引力子的自旋与时空拓扑之间的内在联系。 第二章:弦理论的几何语言 卡鲁扎-克莱因理论的现代复兴——超弦理论(Superstring Theory)及其最新的M理论框架被详细介绍。本书并非简单罗列五个不同的弦理论版本,而是专注于它们在紧致化(Compactification)过程中所揭示的潜在维度结构。我们将详细解析Calabi-Yau流形的数学性质,探讨不同紧致化方案如何影响我们可观测的四维物理常数(如精细结构常数)。特别关注镜像对称性(Mirror Symmetry)如何为物理学家提供了在不同紧致化空间之间进行理论转换的工具。 第三章:膜宇宙学与布兰位(Brane Cosmology) “我们的宇宙”是否只是一个嵌入在更高维度空间中的“膜”(Brane)?本章深入探讨大维度模型(Large Extra Dimensions, LED),例如Randall-Sundrum(RS)模型。通过分析重力如何在额外维度中泄漏,我们尝试解释为什么重力比其他基本力弱得多(层次问题)。书中将展示如何通过微小尺度上的重力实验,来限制额外维度的大小和形状。 --- 第二部分:暗物质的粒子与非粒子之谜 (Particles and Non-Particles of the Dark Sector) 暗物质占据了宇宙物质总量的约85%,但其身份仍然是物理学最大的谜团之一。本书将本书将暗物质的探索划分为粒子路径和修正引力路径两大阵营,并对其进行深度剖析。 第四章:标准粒子搜索的困境与深化 WIMPs(弱相互作用重粒子)是传统焦点,但直接探测的零结果迫使理论家转向更轻或更重的候选者。本章详述了轴子(Axions)的理论背景,它们是如何解决QCD中的强CP问题,并可能构成主要的暗物质成分。我们将考察超轻暗物质如何影响星系尺度上的动力学,以及未来仙女座(ADMX)等实验的设计原理。同时,对惰性中微子(Sterile Neutrinos)作为暗物质的可能性的检验也进行了深入探讨。 第五章:自相互作用与非碰撞暗物质 如果暗物质粒子之间存在相互作用,它将如何改变我们对星系团的理解?本章侧重于自相互作用暗物质(Self-Interacting Dark Matter, SIDM)模型。通过分析NGC 3603等星系核心的密度分布,我们研究了SIDM如何解决“核心/尖锐核心问题”(Core/Cusp Problem),即模拟预测的暗物质晕中心密度过高的问题。此外,还讨论了暗光子(Dark Photons)作为连接可见物质和暗物质“暗部门”的潜在媒介。 第六章:引力修正的可能性:MOND的替代方案 当粒子搜索无果时,一些理论家转向修正牛顿动力学(MOND)。本书并非简单介绍MOND,而是深入研究其相对论性推广,例如张量-矢量-标量引力(TeVeS)理论。我们将用数学工具检验这些修正理论能否在不引入暗物质的情况下,同时解释星系旋转曲线和宇宙大尺度结构形成的问题。关键在于分析这些修正理论在星系团尺度和早期宇宙(如CMB的各向异性)中的预测与观测的吻合度。 --- 第三部分:暗能量与宇宙的终极命运 (Dark Energy and the Cosmological Fate) 暗能量驱动着宇宙的加速膨胀,但其本质——真空能、标量场,还是引力本身的修改——仍是最大的未知数。 第七章:真空能的“宇宙常数问题” 量子场论预测的真空能密度比观测到的宇宙常数(Λ)高出惊人的$10^{120}$倍。本章将彻底解剖这一“宇宙学常数问题”,并探索“软”对称性破缺和反德西特/共形场论(AdS/CFT)对应在解释小尺度真空能中的尝试。我们将详细分析景观理论(Landscape Theory)如何通过多重真空的集合来“解释”我们为何生活在一个具有微小但非零的Λ的宇宙中。 第八章:动态暗能量模型 静态的宇宙常数(ΛCDM)是当前最好的拟合模型,但我们不能排除暗能量随时间变化的可能。本章聚焦于昆腾(Quintessence)模型,其中暗能量由一个动态的、缓慢滚动的标量场(Quintessence Field)主导。通过对状态方程参数$w(z)$的精密观测约束,我们辨析了常数$w=-1$(Λ)与动态$w eq -1$之间的细微差别。书中还考察了哈密顿约束(Hamiltonian Constraint)在描述早期宇宙中动态暗能量演化时的数学要求。 第九章:信息、熵与时间的箭头 在本书的终章,我们将视野提升至宇宙学的哲学和信息论层面。暗能量加速膨胀可能导致一个“热寂”或“大撕裂”(Big Rip)的终局。我们探讨了这些终极命运对宇宙中信息的最终归宿有何意义。同时,基于黑洞热力学和霍金辐射的原理,本书推测了在极高维度背景下,时间箭头是否可能被重新定义,以及量子引力效应在决定宇宙长期演化中的最终角色。 --- 本书特色: 深度数学支撑: 提供了关键公式的详细推导,而非仅仅陈述结果。 前沿交叉领域: 专设章节讨论粒子物理、高能理论与宇宙学观测的交汇点。 批判性思维导向: 鼓励读者不仅接受当前主流模型,更要质疑其内在的矛盾与不足。 适合读者: 理论物理研究生、专业天体物理研究人员,以及具有扎实高等数学和量子力学基础的资深科学爱好者。

著者信息

作者簡介

陳文屏


  地球人,天文學家,現任教於國立中央大學天文研究所並曾任所長。主要觀測天文學方向研究;並積極推動天文教育。
 

图书目录

推薦序——李太楓
引言——葉永烜
序——鄭崇華
1.    神祕的夜空
2.    認識星空
3.    占星卜卦命什麼理?
4.    天體的動與不動
5.    明月幾時有
6.    地球有幾個月亮?
7.    沒有月亮又怎樣?
8.    太陽系的戶口名簿
9.    太空採礦
10.    光與顏色
11.    原子的結構
12.    元素的光譜
13.    天空為什麼是藍色?
14.    得天獨厚的地球
15.    都卜勒效應是怎麼回事?
16.    無所不在的行星
17.    發現系外行星的世界
18.    行星與生命
19.    太陽憑什麼熊熊耀眼?
20.    射線說明白
21.    穩定的太陽
22.    太陽的外觀
23.    恆星的赫羅圖
24.    太空中的「侏儒」與「巨人」
25.    恆星動靜之間
26.    多樣的星際物質
27.    太空中的娃娃星球
28.    太陽的老化與衰亡
29.    恆星絢爛的迴光反照
30.    銀河系的新陳代謝
31.    銀河系中的社群──星團
32.    星球伴侶──雙星系統
33.    銀河系與鄰居
34.    宏偉的星系螺旋
35.    黑洞是什麼東西?
36.    劇烈的天體合併
37.    膨脹的宇宙
38.    冷卻而登大人的宇宙
39.    宇宙的來龍去脈
40.    太空的黑暗面
41.    來自天體的訊息
42.    收集天體的訊息
43.    多樣的天文望遠鏡
44.    巧妙的觀測設計 I
45.    巧妙的觀測設計 II
46.    與時俱進的偵測儀器
47.    觀察宇宙的新篇章
48.    望向宇宙的光學大眼睛
49.    望向宇宙的電波大眼睛
50.    多管道天體訊息

 

图书序言

  • ISBN:9789570859294
  • 規格:平裝 / 144頁 / 19 x 26 x 1.4 cm / 普通級 / 全彩印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读

推薦序

  天文最難但也最有趣的部分是宇宙論,現代宇宙論由哈伯(Hubble)約100年前開啟。他使用位於美國南加州,由卡內基(Carnegie)建立,直徑達100英吋,當時為世界最大、品質最優的望遠鏡,來觀測宇宙。哈伯發現距離越遠的天體,離開我們的速度越快,顯示宇宙在膨脹之中,也就是說宇宙過去比現在密度來得高,以致於引發出「大霹靂」這類宇宙學模型。

  最新的宇宙論認為宇宙由三種物質組成:(1)正常發光有重力的天體,一般觀測即可看到,這些質量占宇宙的5%;(2)黑暗物質,有重力但發光很少,質量占宇宙的15%,人類至今尚未了解其真相。它有可能是尚未在實驗室裡發現的基本粒子,也有可能是高密度、低光度的白矮星球物質;(3)黑暗能量,有重力,但是很奇特的負能量,與重力作用相反,占宇宙能量的80%。雖然這本身就是令人驚奇的發現,但是現代宇宙論的研究對象竟然是大量未知的負能量,以致於下一步研究方向並不明確。

  重大的天文研究計畫因為儀器精密,所需經費龐大,往往透過國際合作來募集跨國資金及人才。由於公家機構預算與籌募時間等問題,重大計劃往往透過私人企業或機構募集種子基金,先進行可行性研究,之後再放大規模向國際籌款,以進行更大的計畫。例如現在正在進行中的世界最大、直徑18米的望遠鏡建造計畫,美國卡內基科學研究院(Carnegie Institute for Science)先帶頭捐款,並在短期間內建造完成六分之一計畫,成像良好,證明可行,因此已展開國際募款。

  台達電創辦人鄭崇華先生如同美國的卡內基先生,熱心捐助中央大學許多天文活動,包括支持建造直徑2米的望遠鏡,期待未來可以使用此望遠鏡進行宇宙論的研究。由於宇宙的觀測研究所需要的入門門檻相對較高,希望其他企業或機構也共襄盛舉來捐款協助,增加更多天文所需研究人才及儀器設施,以深入探討解析宇宙之祕。
 
李太楓(中央研究院天文所特聘研究員退休、院士)

引言

  蘇軾的〈念奴嬌.赤壁懷古〉中的「故國神遊,多情應笑我」,大概是有些天文學家心裡常有的感慨。因為所看到的星光大多數是百萬年或千萬年前傳出來的。如果它們的行星也有生物和文明,如今安在?它們的歷史定會如我們人類社會發展到一定程度便會遇到瓶頸,一是氣候變遷,二是熱核戰爭。如不能和平合作,定會灰飛煙滅。還是有足夠智慧,能夠同舟共濟,一齊渡過難關讓世界文明能夠永續發展?在2021年這個時間點,我們必定要認真思考這個問題。說不定地球人類前途的決定權便在於台灣,便在於你我。

  也有人說只有外星人入侵,才能使一些國家需要合作才合作,共同對抗侵略。但在華裔美藉作家姜峯楠(Ted Chiang)寫的一本科幻小說(曾拍成電影《異星入境》)的故事,卻是說外星人到訪地球,目的是叫人類不要鬧了,要好好活下去,因為在幾千年後的將來,他們需要地球人幫忙才能夠度過一次生死存亡的危機。所以在這本書每一頁中默默無言的無數星光可能都是在提醒我們要做一個好榜樣!

  如果外星人今日到來,大概會加一句:不要凡事為了對抗而對抗,因為有些事情不像上館子點菜,甜的辣的同時來。今天拳打腳踢,明天笑呵呵地又要團結合作對付全球暖化。這可是在異星世界也大概行不通的事!總得有點中庸之道才成。對不對?

  世界最大的500公尺口徑無線電望遠鏡(FAST)放在貴州群山之中,FAST 的一個重要科學目標是尋找外星文明的無線電訊號。台達集團創辦人鄭崇華先生與夫人曾在2018年4月7日到訪參觀。我在看到鄭先生用23分鐘健步走完望遠鏡圓周時,不禁想到姜峯楠的故事中異星人的文字是圓形的,而且首尾不分。意思是一個事情的結局往往是會影響它的起頭。所以如果鄭先生能夠號召世界級企業家到這裡集會(和競步),靜想我們在宇宙中是如何孤獨,但又和所有文明分享彼此的星光;也思考人類社會如何能用中庸之道度過重重難關而永續發展。所謂「但願人長久,千里共嬋娟」。這會是多好的一件事?在今時今日,大概只有在台灣的我們能夠使它發生。
 
葉永烜(國立中央大學教授、國家講座、中央研究院院士)



  我是個業餘的天文迷,如果人生可以重來,也許我會改讀天文。

  因為年輕時的經歷,天文對我來說,不只是知識的探索,也是種精神上的寄託。在我還很小的時候,因為兩岸的戰亂,13歲就隻身來到台灣,每次放長假或過節日,同學們都回家跟親友團聚,學校宿舍只剩我一個人,我常坐在台中一中的操場上,看著天空發呆,思念著海峽另一頭的家人。

  那時候,夜晚沒有光害,抬頭一望盡是滿天星斗,而且幾乎每晚都能看見流星,我總是好奇地想:宇宙有多大?星空存在多久了?看著看著,就對這門學問著迷不已。

  多年前,我有幸認識國立中央大學天文所的多位專家跟知名教授,像是葉永烜院士、陳文屏所長等人,不但從他們身上獲得許多天文知識,也跟著天文所師生一起爬上海拔2,862公尺的玉山鹿林天文台,用當時台灣最大的一米口徑望遠鏡,觀賞壯闊的宇宙和浩瀚群星。

  2006年4月,鹿林天文台發現了一顆小行星168126,還用我的名字命名,實在讓我愧不敢當。所以2009年適逢「全球天文年」(International Year of Astronomy 2009),我便以個人名義捐贈兩米望遠鏡給中央大學,希望以後有更多年輕學子體會到我當年的感動,一起加入探索宇宙的行列。

  為協助天文研究風氣,2012年開始,我跟中央大學合作設立「台達電子年輕天文學者講座」,專門頒發給在天文領域有重大研究成果的年輕學者。截至2019年,已經選出12名來自歐、美、亞各洲的優秀學者。除了頒獎,我們也透過這個機制禮聘得獎者來台,舉行公開演講和訪問行程,推動台灣的天文教育和國際交流。

  也因為這個獎,讓我有機會認識許多優秀學者,得知更多天文研究的最新動態。我非常喜歡出席每半年一次的台達電子年輕天文學者講座,在裡面接觸到宇宙大霹靂、黑洞、重力波、超新星等新議題,每次都覺得收穫良多,也邀請台達員工一起來吸收新知,鼓勵大家培養工作以外的知識。確定

  其實,除了我個人的愛好,天文研究對人類發展十分重要,許多重大的科技創新跟人生哲理,都是從這個領域開展出來。更重要的是,跟宇宙存在的時間相比,人類文明只是短之又短的一瞬間,在無垠的星空之下,我們真的要學會謙卑。希望透過這本書,讓讀者更認識這個地球和宇宙,也希望更多人一起來追求環境和人類的永續發展。
 
鄭崇華(台達集團創辦人)

用户评价

评分

坦白講,我對這本書的裝幀設計留下了一個相當複雜的印象。封面選用的那種深藍色調,配上燙銀的字體,初看之下確實很有「宇宙感」,彷彿能從書皮摸到星辰的冰冷。可是,內頁的排版問題,簡直是災難。字體的大小和行距似乎沒有經過細膩的考量,有時候讀到長篇的論述時,眼睛會很快地感到疲勞,需要經常停下來揉眼睛。更令人不解的是,某些章節的配圖,我實在看不出它跟前後文的關聯性在哪裡。有些圖像是高解析度的天文攝影作品,美則美矣,但如果它只是純粹為了美觀而存在,對理解文字內容毫無幫助,那它存在的意義在哪裡?這就像是你在看一部電影,配樂非常磅礴,但它配的卻是個平淡無奇的日常對話場景,完全錯了拍子。我期待的是一種知識傳遞與視覺美感的完美融合,而不是視覺上的「錦上添花」,卻在實質閱讀體驗上「畫蛇添足」。這本書在細節上的粗糙處理,大大減損了它作為一本科普讀物的專業感。

评分

從知識更新的角度來看,這本書的時效性是個隱憂。身處於科技發展日新月異的時代,天文學的研究進展速度非常快,新的觀測數據、新的理論模型幾乎每隔幾年就會帶來重大的突破。我翻閱這本書時,雖然它提及了一些經典的理論,但對於近十年來,尤其是在系外行星探測和暗物質/暗能量研究方面取得的重大進展,敘述得非常簡略,或者說,有點滯後。這使得整本書讀起來,總覺得像是停留在過去某個時間點的知識存量裡。就像你買了一台智慧型手機,但它的作業系統卻是好幾年前的版本,雖然基本功能還在,但錯失了許多最新的、更有效率的體驗。對於渴望了解當代天文學前沿的讀者來說,這本書顯然無法提供令人滿意的視角。它更像是一份歷史回顧,而不是一份引領未來的指南,這在追求新知的今天,是一個比較可惜的地方。

评分

這本書,唉,我只能說,光是書名就讓人有點摸不著頭緒。它給我的感覺就像是,你走進一家老舊的唱片行,店主熱情地跟你推薦一張他覺得「絕對會讓你愛上」的專輯,但你聽完後,發現它裡頭的曲風實在是太跳躍了,前一首還在講述細膩的愛情故事,下一首就突然變成重金屬搖滾,而且兩者之間的銜接非常生硬。閱讀的過程,就好像我在試圖拼湊一個失序的拼圖,雖然每一塊單獨看來都有其形狀和顏色,但怎麼擺都擺不出一幅完整的圖畫。我特別有感觸的是,作者似乎很努力想把各種看似相關的資訊塞進去,從人文歷史到最新的科學發現,但這導致了內容的深度完全被犧牲了。讀到一些比較專業的名詞時,作者的解釋總像是蜻蜓點水,還沒等你完全理解,它就已經跳到下一個主題了。這讓我覺得,對於一個對天文學有基本認識的讀者來說,這本書提供的價值非常有限,它更像是各種知識點的串燒,而不是一個有邏輯脈絡的引導。說真的,如果目的是想建立起對宇宙的宏觀理解,這本書的結構性不足,真的讓人有點洩氣。

评分

整體而言,這本書給我的體驗是「熱情有餘,功力不足」。我能感受到作者對星空懷抱著巨大的熱情,那種想把所知的一切分享出來的衝動是真誠的,這一點是值得肯定的。然而,優秀的科普寫作,需要的並不僅僅是熱情,它更需要精準的資訊篩選能力、嚴密的邏輯架構,以及將複雜概念轉化為易懂語言的敘事技巧。在這本書中,我看到的是一種知識的堆疊,而不是知識的提煉。它就像一個龐大的資料庫,雖然資料量不小,但缺乏一個有效的檢索和組織系統。當我讀完合上書本時,腦海中留下的,反而是零碎的片段,而非一個清晰的宇宙觀。我希望下一本關於天文的書籍,能夠更專注於打磨核心內容的深度與結構,而不是試圖包山包海,這樣才能真正成為讀者探索宇宙路上的可靠燈塔,而不是一座內容過載、指標不清的燈塔。

评分

這本書最讓我感到困惑的地方,在於它試圖營造的那種「親切感」。作者似乎極力想擺脫傳統教科書的死板印象,採用了非常口語化,甚至有點像在跟朋友聊天的方式來敘述。初衷或許是好的,希望讓更多人跨入門檻,但問題是,當主題本身就帶有一定的複雜性時,過度的「拉近距離」反而會稀釋掉應有的嚴謹度。我發現,當遇到一些需要精確表達的科學概念時,這種隨性的語氣就顯得力不從心了。它給我的感覺像是,一個非常熱衷於某個領域的朋友,興高采烈地跟你分享他最近學到的新東西,但因為他自己也才剛消化不久,很多地方講得不夠精準,甚至偶爾還會有點自我矛盾。這讓我這個讀者很難建立起對內容的絕對信任感。科普書的魅力,理應建立在紮實的基礎和清晰的邏輯之上,而不是僅僅靠著親切的態度去吸引人。如果連最基本的科學事實敘述都顯得搖擺不定,那麼書名中「帶你探索宇宙」的承諾,似乎就顯得有點言過其實了。

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