虛數:完整數的世界 觀念伽利略3

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日本Newton Press
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具体描述

★日本牛頓授權2021全新系列
★以手繪插圖、四格漫畫搭配文字敘述,兼顧圖解與訊息量
★整理觀念精華,掌握重點,提高學習效率


  虛數是個相當抽象的觀念,這從它的英文imaginary number就可以「想像」。虛數正是「想像出來的數」,用i來代表,定義是(-1)的平方根。也就是說,虛數的平方是負數,這跟一般「負負得正」的概念是相反的。

  但是在量子世界想要觀測微觀世界,就要用到虛數計算;而在天文領域想要探究宇宙初始的大謎題,也會討論到虛數時間。

  由於虛數的抽象性,以及實際運用的重要性,人人出版有三個系列都處理了「虛數」的題材:《更加了解虛數:平方為數的神奇數》(人人伽利略)、《虛數:輕鬆認識虛數》(少年伽利略),以及「觀念伽利略」系列的《虛數:完整數的世界》。

  本書著重以文字來解釋虛數,搭配情境題目,與讀者一起驗證虛數被大眾承認的過程,建立清楚的觀念吧!

系列特色

  1. 日本牛頓出版社獨家授權。
  2. 以手繪插圖、四格漫畫與專欄小故事,兼顧圖解與訊息量。
  3. 清楚解釋基本觀念,搭配「人人伽利略」、「少年伽利略」系列,提升學習效果。
 
宇宙的织锦:探索多元宇宙的物理学前沿 一部引人入胜的科普著作,带领读者深入当代物理学最富争议、最迷人的领域——多重宇宙理论。 自古以来,人类便对我们所处的“世界”的边界感到好奇。我们所能观测到的星辰、星系,是否就是一切的全部?《宇宙的织锦》将带领读者穿越时空,从经典的宇宙学模型出发,逐步揭示现代物理学如何一步步将“单一宇宙”的观念推向“多元宇宙”的宏大图景。这不是一部充满晦涩公式的教科书,而是一场思想的探险,旨在用清晰、生动的语言,阐述那些驱动着理论物理学家夜不能寐的深刻问题。 第一部分:何为“宇宙”?从牛顿到爱因斯坦的边界收缩 本书的开篇,将考察人类对“宇宙”认知的历史演变。早期的世界观中,宇宙是有限且以地球为中心的。随后,哥白尼和伽利略的革命性发现,将地球推向了太阳系的一隅,宇宙的尺度开始膨胀。 我们将回顾牛顿引力理论如何成功地将行星运动统一于一个可预测的框架内。然而,这种确定性的世界观在二十世纪初受到了剧烈的冲击。爱因斯坦的狭义相对论与广义相对论彻底重塑了我们对时间、空间和引力的理解。广义相对论描绘了一个动态、弯曲的时空结构,并为大爆炸理论奠定了理论基础——我们所知的宇宙,有一个起源,并且正在膨胀。 然而,广义相对论本身也为未来的难题埋下了伏笔。当我们将目光投向宇宙的极端区域——黑洞的奇点,或大爆炸的初始瞬间——经典物理学的方程开始崩溃,预示着我们需要一个更深层次的理论来描述现实的本质。 第二部分:量子之舞与真空的沸腾 要理解多元宇宙的可能性,我们必须深入二十世纪最成功的理论之一:量子力学。 量子力学描述了微观粒子世界的怪异行为:不确定性原理、波粒二象性、以及著名的“叠加态”。在本书的这一部分,我们将详细探讨哥本哈根诠释的核心思想,以及它所带来的哲学困境——测量行为如何使得一个概率云塌缩为一个确定的现实? 随之而来的,是量子场论(QFT)的构建,它成功地将量子力学与狭义相对论结合起来,成为粒子物理学的标准模型。在QFT的框架下,我们发现“真空”并非空无一物,而是充满了不断产生和湮灭的虚粒子,即“量子涨落”。这种内在的活力,为多元宇宙的产生提供了最初的能量基础。 第三部分:暴胀的宇宙与永恒的创生 当代宇宙学最引人注目的理论之一,是关于大爆炸初期瞬间的“暴胀模型”。 暴胀理论解决了标准大爆炸模型中遗留的几个核心问题,如视界问题和平坦性问题。它假设在宇宙诞生后的极短时间内,它经历了一次指数级的、极速的膨胀。 但正是暴胀模型本身,催生了最激进的多元宇宙猜想——永恒暴胀(Eternal Inflation)。如果暴胀一旦开始,它在某些区域会永远持续下去,而只有在局部区域,暴胀才会停止,形成我们所观察到的“泡泡宇宙”。 《宇宙的织锦》将详细分析永恒暴胀的数学逻辑,解释为何这种机制似乎是不可避免的。在这样的场景下,我们的宇宙不再是唯一的剧场,而是永恒膨胀海洋中无数气泡中的一个。每一个“泡泡”可能拥有不同的物理常数、不同的维度,甚至不同的粒子种类。这引出了一个深刻的问题:我们宇宙中那些看似“精调”的常数,究竟是宇宙学的必然结果,还是仅仅是“中奖”的结果? 第四部分:弦论与景观:无限的可能性之海 当我们试图将引力纳入量子框架时,我们遇到了理论上的瓶颈。弦论(String Theory)及其后继的M理论,被视为最有希望统一所有基本力的“万有理论”。 弦论的核心观点是,所有基本粒子都是一维的、振动的“弦”。为了保持数学上的自洽性,弦论要求时空必须具有额外的、卷曲的维度(通常是九个或十个空间维度)。 本书将探讨卡拉比-丘流形(Calabi-Yau Manifolds)的概念,它们是描述这些额外维度如何“卷曲”的方式。令人震惊的是,理论物理学家发现,这些卷曲方式的可能性是天文数字般的——估计有 $10^{500}$ 种之多。 这 $10^{500}$ 种不同的可能性,对应着 $10^{500}$ 种不同的物理定律和基本常数。弦论的这种“景观”(Landscape)效应,与永恒暴胀结合起来,为我们提供了一个基于理论推导的、极其广阔的“多元宇宙图谱”。我们的宇宙,仅仅是这个庞大景观中能量最低、最稳定的一个区域。 第五部分:多重宇宙的分类与可观测性之辩 多元宇宙不再是一个单一的假说,它在现代物理学中以多种形式出现。本书将清晰地区分物理学家们正在研究的主要类型: 1. 第一类:可观测范围之外的区域(基于有限光速和宇宙膨胀)。 2. 第二类:暴胀产生的“泡泡宇宙”(具有不同物理常数)。 3. 第三类:量子力学的多世界诠释(Many-Worlds Interpretation, MWI),即每一个量子测量都会导致宇宙分裂。 4. 第四类:膜宇宙(Brane Worlds),即我们的宇宙是高维空间中一张“膜”上的投影。 然而,挑战在于:如果这些其他宇宙在定义上是不可观测的,它们是否仍属于科学范畴?本书将深入探讨寻找多元宇宙存在的“间接证据”的努力,例如宇宙微波背景辐射中可能存在的“宇宙撞击点”的痕迹,以及对基础物理常数选择的“人择原理”的哲学反思。 结语:重塑现实的边界 《宇宙的织锦》不仅介绍了前沿的理论,更激发了读者对“实在”本质的终极思考。我们所熟悉的物理定律,是宇宙独一无二的规定,还是在无限的可能中偶然出现的稳定配置?探索多元宇宙,是对人类认知边界的一次终极挑战,它要求我们将科学的视野从我们能触及的星空,拓展到我们能够想象的,甚至不能完全想象的每一个可能性。

著者信息

图书目录

緒論
這就是虛數!⋯⋯⋯⋯⋯10
虛數的誕生,來自於無解的問題 ⋯⋯⋯⋯⋯12
用面積思考「和為10,積為40」⋯⋯⋯⋯⋯14
[專欄]在日本用來表示面積的單位 ⋯⋯⋯⋯⋯16
 
1. 虛數就這樣誕生了!
布滿數線的「實數」世界 ⋯⋯⋯⋯⋯20
有4000 年歷史的2 次方程式 ⋯⋯⋯⋯⋯22
古代美索不達米亞人早已解開2 次方程式 ⋯⋯⋯⋯⋯24
若沒有「平方為負之數」,便無法解答 ⋯⋯⋯⋯⋯26
最先出現虛數的書:《大術》⋯⋯⋯⋯⋯28
卡當諾創造了虛數 ⋯⋯⋯⋯⋯30
以「公式解」求解卡當諾問題!① ⋯⋯⋯⋯⋯32
以「公式解」求解卡當諾問題!② ⋯⋯⋯⋯⋯34
以「公式解」求解卡當諾問題!③ ⋯⋯⋯⋯⋯36
Q答案為虛數之方程式 ⋯⋯⋯⋯⋯38
A答案為虛數?⋯⋯⋯⋯⋯40
笛卡兒把虛數稱為「子虛烏有的數」⋯⋯⋯⋯⋯42
沃利斯利用負面積把虛數正當化 ⋯⋯⋯⋯⋯44
歐拉用「i」作為表示虛數的符號!⋯⋯⋯⋯⋯46
[4格漫畫]背約的卡當諾 ⋯⋯⋯⋯⋯48
[4格漫畫]虛數是現代生活中不可或缺的一部分 ⋯⋯⋯⋯⋯49
 
2. 捕捉虛數的「樣貌」

利用數線將負數視覺化 ⋯⋯⋯⋯⋯52
虛數出現於數線之外 ⋯⋯⋯⋯⋯54
由實數與虛數混合構成的複數 ⋯⋯⋯⋯⋯56
[專欄]複數是虛數嗎?⋯⋯⋯⋯⋯58
利用箭頭思考「實數」的加法 ⋯⋯⋯⋯⋯60
利用箭頭思考「複數」的加法 ⋯⋯⋯⋯⋯62
[專欄]滑鼠的單位是「米奇」⋯⋯⋯⋯⋯64
 
3. 以旋轉與放大進行複數運算!
負數的乘法運算是讓複數平面上的點旋轉180 度 ⋯⋯⋯⋯⋯68
虛數「i」的乘法運算是讓數線上的點旋轉90 度 ⋯⋯⋯⋯⋯70
用i 與複數進行乘法運算 ⋯⋯⋯⋯⋯72
用複數與複數進行乘法運算 ⋯⋯⋯⋯⋯74
若用「3 + 2 i」進行乘法運算,北斗七星將旋轉放大 ⋯⋯⋯⋯⋯76
[專欄]北斗七星曾是皇帝的座車?⋯⋯⋯⋯⋯78
以複數平面確認「卡當諾問題」① ⋯⋯⋯⋯⋯80
以複數平面確認「卡當諾問題」② ⋯⋯⋯⋯⋯82
[專欄]虛數有大小嗎?⋯⋯⋯⋯⋯84
[專欄]高斯平面的發現者 ⋯⋯⋯⋯⋯86
用「複數平面」來尋寶 ⋯⋯⋯⋯⋯88
用「複數平面」來尋寶 Step1 ⋯⋯⋯⋯⋯90
用「複數平面」來尋寶 Step2 ⋯⋯⋯⋯⋯92
用「複數平面」來尋寶 Step3 ⋯⋯⋯⋯⋯94
Q按鈕在哪裡?⋯⋯⋯⋯⋯96
A順利脫困!⋯⋯⋯⋯⋯98
[專欄]所謂的第二虛數是不存在的嗎?⋯⋯⋯⋯⋯100
[4格漫畫]才華洋溢的高斯 ⋯⋯⋯⋯⋯102
[4格漫畫]計算星體的出現時刻 ⋯⋯⋯⋯⋯103
 
4. 現代科學與虛數

探索微觀世界的「量子力學」……………106
沒有虛數,便無法說明電子行為 ⋯⋯⋯⋯⋯108
宇宙初始時,物理法則是不成立的?⋯⋯⋯⋯⋯110
在宇宙誕生之際,可能流動著虛數時間 ⋯⋯⋯⋯⋯112
宇宙初始因虛數時間而變得「平滑」⋯⋯⋯⋯⋯114
結合虛數與波的「歐拉公式」⋯⋯⋯⋯⋯116
若想解析波與波動,絕對不能缺少歐拉公式 ⋯⋯⋯⋯⋯118
全世界最美算式「歐拉恆等式」⋯⋯⋯⋯⋯120
[專欄]為什麼虛數跟自然界有關呢?⋯⋯⋯⋯⋯122
[4格漫畫]薛丁格的小孩 ⋯⋯⋯⋯⋯124
[4格漫畫]薛丁格的貓 ⋯⋯⋯⋯⋯125
 

图书序言

  • ISBN:9789864612574
  • 叢書系列:觀念伽利略科學叢書
  • 規格:平裝 / 128頁 / 14.8 x 21 x 1 cm / 普通級 / 雙色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读

用户评价

评分

這本書的封面設計真的很有意思,那種深邃的藍色配上線條感的圖案,一下子就把人拉進一個數學的宇宙裡。我常常在想,現代人學數學,是不是越來越少去思考那些最基本的概念了?我們都在忙著計算、忙著套用公式,卻忘了「數」本身到底是什麼。這本書的書名雖然聽起來有點硬,但我覺得它更像是一種邀請,邀請我們重新檢視那些看似熟悉、卻又充滿神秘感的數學世界。光是看到「觀念伽利略」這個副標題,我就能想像作者肯定是用一種很顛覆傳統、很啟發性的方式來闡述觀點。我特別期待它能帶領讀者跳脫教科書的框架,去體會數學背後更宏大、更哲學的意義。我身邊很多朋友都說學數學很枯燥,但如果能有這樣一本引人入勝的書來當作敲門磚,或許能讓更多人對數學產生興趣,不再只把它視為考試的工具,而是欣賞一種思考的藝術。這種深度的探索,在台灣的科普書市場上其實不算常見,通常都是偏向實用或工具書,所以這本感覺特別珍貴。

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翻開書本的前幾頁,那個語氣就非常到位,有一種老派知識分子跟你娓娓道來的親切感,但同時又帶著一種銳利的批判性。它不是那種故作高深的學術論文,而是很誠懇地在對話,像是在跟你討論下午茶時該配什麼點心一樣自然,只是談論的主題是數的本質。我注意到作者在敘述一些歷史脈絡時,特別著重於「觀念的轉變」,而不是單純的年代羅列。這點非常重要,因為很多時候我們學到的知識都是被簡化和標準化過的結果,卻丟失了當初發現者那種「豁然開朗」的震撼感。如果這本書能成功地把那種歷經掙扎、最終突破的過程描繪出來,那讀者光是跟著作者走一遍這個思想的旅程,就已經值回票價了。畢竟,知識如果沒有了溫度和故事,就只是一堆冰冷的符號而已,而這本書顯然不想只停留在符號的層面。

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這本書的排版和字體選擇,給人一種沉穩、耐人尋味的感覺,不會有那種為了吸引眼球而設計的花俏裝飾,完全是內容為王。我常常覺得,一本好的科普書,它的「閱讀體驗」本身就是內容的一部分。如果作者是想探討「完整」這個概念,那麼書本的物理呈現,也應該要體現出某種程度上的完整性或平衡感。我很好奇作者是如何將那些抽象到幾乎無法想像的數系,轉化為我們可以用日常生活經驗去類比的例子。特別是如果它涉及了複數或更高維度的思考,那如何避免讓讀者在腦中迷失方向,是一門大學問。我希望作者的論述是層層遞進、紮實穩固的,而不是一開始就丟出太過跳躍的結論,讓人望而卻步。

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閱讀這本關於「數」的書,最讓我驚喜的是它處理「不確定性」和「邊界條件」的方式。在我們日常的認知裡,數往往代表著精確和絕對,但這本書似乎在挑戰這個前提。我猜測它可能涉及了某些現代數學分支的基礎思想,像是集合論的悖論,或者更基礎的邏輯結構。在台灣的教育體系裡,我們對數學的訓練往往是「求一個標準答案」,但現實世界哪有這麼多標準答案?如果這本書能讓人理解,那些看似「不存在」或「無法定義」的數系,其實是更完整邏輯架構所必須包含的元素,那將會極大地拓寬我們看待問題的角度。我認為這比學會解任何一個複雜的微積分題目都更有價值,因為它訓練的是一種「容忍模糊性」的能力,這在當代社會簡直是必備的生存技能。

评分

總體來說,這本書給我的感覺,像是在一個已經被水泥叢林覆蓋的城市裡,突然發現了一塊未被開發的古老花園。它不是在教你怎麼蓋新的大樓,而是在提醒你,腳下這塊土地的根基是什麼、它原本長什麼樣子。這對於習慣快速吸收資訊的現代人來說,或許是一種挑戰,需要放慢腳步,靜下心來跟著作者的思路走。我特別欣賞這種願意去觸碰那些被主流教育體系邊緣化的「觀念本質」的努力。在台灣,很多時候我們都在追求「實用性」,但真正能讓我們走得更遠的,往往是那些看似「無用」卻能支撐起所有知識體系的基礎概念。這本書,我認為就是提供了一次深度回溯的機會,去重新認識我們賴以生存的數學語言的最深層結構。

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