為什麼宇宙的一切都剛剛好?:超解析22個支撐宇宙運行的物理常數

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松原隆彥
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具体描述

  我們每天理所當然地在這個世界上生活著。世界的存在似乎是一件很自然的事。
  但事實並非如此。從物理的角度來看,我們生存的世界能夠存在,可說是奇蹟下的產物。
  要是支配這個世界的物理定律有一點點偏差,我們就無法生存於這個世界。

  「宇宙微調問題」是物理學中很常討論的問題。
  物理定律支配了整個宇宙,但定律中卻有著無法用理論推導出來的「常數」,只能透過實驗結果計算出來,
  譬如決定基本粒子的質量、基本力的大小的常數,以及決定宇宙性質的宇宙論常數。
  這些決定了宇宙基本定律的常數共有數十個。

  這些常數中,大部分常數的數值只要稍微有些變動,就會讓整個世界變得完全不同,
  使生命難以存活,我們也不會在這個世界中誕生。
  就像是有某個人故意把這些常數微調到現在這個數值,以達到絕妙的平衡,讓這個宇宙誕生一樣。
  「為什麼這些常數會被調整到那麼剛好的數值呢?」這就是宇宙微調問題。
  如果是對宇宙有興趣的人,應該多少聽過這個問題吧。
  不過,「這些常數稍微有些變動時會造成什麼後果?」這個問題,應該就沒有那麼多人想過了。

  本書將會用各種插圖,以直覺方式具體介紹已知的各種物理常數,
  並說明當這些常數稍有改變時,世界會有什麼變化。
  乍看之下,這些物理定律與物理常數似乎難以理解,
  不過,只要知道它們的性質,你一定也會覺得它們相當親切。
  說不定,也會有想要自己調整這些常數,看看世界會變成什麼樣子的想法。
  在思考「為什麼宇宙會存在?」的過程中,你也能讓自己的思緒盡情徜徉在宇宙的神祕中。
星辰的低语:探索宇宙秩序的奥秘 一本关于宇宙学、天体物理学和哲学思辨的深度导览 作者:[此处留空,或填入其他作者名,以符合“不包含原书内容”的要求] 导言:当我们仰望星空 自古以来,人类对头顶那片无垠的黑暗与闪烁的光芒充满了敬畏与好奇。我们渴望理解:这片浩瀚的宇宙是如何起源的?它遵循着怎样的基本法则?我们所处的地球,以及生命本身,是否仅仅是概率的偶然,还是某种更深层秩序的体现? 本书并非追溯那些构成我们日常体验的微小粒子或特定数值的精确性,而是将目光投向宏大叙事,探讨支撑起整个物理实在的基石理论、驱动星系演化的基本力量,以及我们对时空本质的认知边界。这是一次穿越理论物理学前沿的旅程,旨在揭示驱动宇宙运转的根本机制,而非关注那些定义了“刚刚好”的特定常量集合。 第一部分:时空的织锦与几何的必然 我们首先要深入理解我们赖以生存的“舞台”——时空本身。 第一章:时空的诞生与早期宇宙的混沌 本章将详尽回顾大爆炸模型的建立历程,从哈勃的观测到宇宙微波背景辐射(CMB)的发现。我们将探讨暴胀理论(Inflation Theory)如何解决了视界问题和平坦性问题,以及它对早期宇宙能量密度波动的精妙解释。重点将放在能量场在宇宙极早期如何驱动空间几何的急剧膨胀,以及这些初始条件如何塑造了今天我们观测到的宇宙结构。我们将审视对暴胀模型不同情景的检验,以及它们如何影响了我们对宇宙起源的叙事。 第二章:引力的统治:爱因斯坦的遗产与弯曲的时空 广义相对论是理解宇宙宏观结构的核心。本章将详细阐述引力的几何本质——物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。我们将深入探讨黎曼几何在描述时空曲率中的作用,并解析黑洞的形成、事件视界的物理意义,以及引力波作为时空涟漪的探测如何为我们提供了检验爱因斯坦理论的新窗口。我们将讨论对引力本质的修正理论尝试,如张量-矢量-标量引力(TeVeS)或高维模型,这些理论试图在不同的几何框架下解释观测到的现象。 第三章:宇宙的尺度与结构形成 宇宙并非均匀分布的。本章聚焦于从量子涨落到星系团的尺度转变。我们将剖析物质和暗物质在引力作用下如何塌缩形成宇宙网(Cosmic Web)。详细讨论冷暗物质(CDM)模型如何成功地再现了我们观察到的星系分布、星系团的碰撞以及星系的内部动力学。我们将计算和比较不同尺度下结构形成的时间线,以及早期宇宙中的原初密度扰动如何演化为我们今天所见的宏伟结构。 第二部分:驱动力的本质与物质的拼图 要理解宇宙的动态,必须了解作用于物质的基本力量及其载体。 第四章:标准模型的辉煌与局限 粒子物理学的标准模型是描述电磁力、弱核力和强核力最成功的理论框架。本章将解析夸克、轻子以及规范玻色子的作用机制。我们会探讨强核力如何通过夸克胶子等离子体和渐近自由的特性来约束原子核的形成。同时,我们将详细分析希格斯机制如何赋予基本粒子质量,以及当前对标准模型之外物理现象的探索,例如中微子的质量起源和CP破坏的深层原因。 第五章:暗物质的迷宫:寻找看不见的质量 暗物质构成了宇宙总质能的绝大部分,但其身份依然成谜。本章将系统梳理支持暗物质存在的各种天文观测证据,包括旋转曲线、引力透镜效应和宇宙微波背景的各向异性。我们将深入探讨当前主要的候选者,如弱相互作用重粒子(WIMP)、轴子(Axions)以及惰性中微子,并详细介绍不同实验(直接探测、间接探测和产生实验)的设计原理和当前的探测进展。 第六章:暗能量的幽灵:宇宙加速膨胀的驱动力 宇宙加速膨胀的发现是20世纪末最重大的突破之一。本章将专注于暗能量的性质。我们将分析宇宙学常数(Vacuum Energy)的概念,探讨其与量子场论中零点能预测之间的巨大差异——这一被称为“宇宙学常数问题”的理论难题。此外,我们还将考察动态暗能量模型,如昆托种(Quintessence),以及它们如何通过演化的标量场来调控宇宙的膨胀历史。 第三部分:理论的边界与未竟的探索 科学的前沿往往意味着对现有理论框架的挑战和对新物理学的呼唤。 第七章:量子的阴影:引力与量子理论的融合之路 将广义相对论与量子力学相容,是现代物理学的圣杯。本章将探讨量子引力问题的核心矛盾,即在极高能量尺度或极小尺度下,时空本身的量子涨落如何表现。我们将介绍圈量子引力(LQG)和弦理论(String Theory)这两大主流的尝试。重点分析弦理论如何通过额外的空间维度来统一所有力,以及LQG如何通过量子化的时空“泡沫”来描述普朗克尺度的结构。 第八章:多重宇宙的可能性与哲学反思 当物理理论的参数空间变得过于广阔时,“多重宇宙”(Multiverse)的概念便应运而生。本章将探讨来自永恒暴胀、弦理论景观以及量子力学多世界诠释等不同理论来源所推导出的多重宇宙图景。我们将辨析这些模型的可证伪性(Falsifiability)及其对科学方法的挑战,并讨论它们如何改变了我们对“存在”的哲学定位。 第九章:信息、熵与宇宙的终极命运 本章回归到信息论的视角来审视宇宙。我们将讨论贝肯斯坦界限(Bekenstein Bound)和霍金辐射,探讨信息在黑洞蒸发过程中是否丢失。熵增定律如何决定了宇宙的不可逆性?最后,我们将推演宇宙未来可能的几种命运——热寂(Heat Death)、大撕裂(Big Rip)或大收缩(Big Crunch)——并分析驱动这些终极情景的物理机制和能量密度演化路径。 结语:求索不止 本书旨在为读者提供一个全面、深入的现代物理学图景,它揭示了我们对宇宙的理解是如何从简单的牛顿力学发展到对量子场论和时空几何的复杂数学描述的。我们探索了驱动星系、恒星和基本粒子相互作用的深层法则,以及理论物理学家们为统一这些法则所做的不懈努力。宇宙的奥秘远未被完全揭示,每一次新的观测和每一次数学上的突破,都为我们推开了通往更深层实在的一扇新门。本书的目的,是激发您持续的探索精神,去追问那些尚未被回答的、关于我们所处这个宏大存在的终极问题。

著者信息

作者簡介
    
松原隆彥


  高能加速器研究機構、基本粒子原子核研究所教授。理學博士。京都大學理學部畢業。廣島大學博士。曾於東京大學、約翰霍普金斯大學、名古屋大學任職。主要研究領域為宇宙論。曾獲2012年日本天文學會第17回林忠四郎獎。著作包括《現代宇宙論》(東京大學出版會)、《宇宙外側有東西嗎》(光文社新書)、《宇宙的誕生與終焉》(SB Creative)等。
 

图书目录

前言
第1章 宇宙的微調問題
第2章 真空中的光速:c
第3章 重力常數:G
第4章 普朗克常數:h
第5章 單位與普朗克尺度
第6章 基本電荷:e
第7章 費米常數:GF
第8章 強力的大小:αS
第9章 電子、質子、中子的質量:me、mp、mn
第10章 哈伯常數:H0
第11章 宇宙密度常數:Ω0
第12章 宇宙常數:Λ
第13章 暗能量狀態方程式常數:W
第14章 宇宙曲率:W
第15章 宇宙的重子光子比:η
第16章 早期的波動大小:AS
第17章 基本粒子的世代數:3
第18章 空間與時間的維度:3與1
第19章 愛丁頓數:1080
第20章 微調問題有什麼意義呢?
後記


 

图书序言

  • ISBN:9786263290723
  • 叢書系列:樂讀科普
  • 規格:平裝 / 208頁 / 14.7 x 21 x 1.3 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读

用户评价

评分

身為一個每天忙著通勤、處理瑣事的上班族,能有機會沉浸在探討宇宙尺度的問題中,簡直是一種療癒。我對「人擇原理」這個概念一直很有興趣,雖然有點爭議性,但它確實點出了我們與宇宙之間那種奇妙的連結。這本書如果能探討到這個層面,闡述這22個常數對生命出現的必要性,那絕對是加分不少。我希望作者在解釋那些光速、普朗克常數等等的數值時,能提供一些直觀的圖像或類比,這樣即使是理工白癡也能大概抓住重點。畢竟,科學的魅力就在於它能讓我們跳脫日常的狹隘視野,去感受那種宏大與細膩並存的美感。

评分

這本書的封面設計得很有意思,那個星空的背景加上幾個關鍵的數字,讓人一眼就知道這是本關於宇宙奧秘的科普作品。我對天文物理一直很有興趣,但很多時候那些公式和理論對我來說就像天書一樣,讀起來很吃力。所以,當我看到這本書的書名,想說它是不是能用比較親民的方式來解釋那些「恰到好處」的宇宙常數。畢竟,如果這些常數有一點點偏差,我們可能就沒辦法存在於這個宇宙了。這種「剛剛好」的感覺,總讓我覺得有點哲學的韻味,好像有誰在背後精心地調校過一樣。我期待這本書能帶我一窺這些物理參數背後的機制,並且用台灣讀者比較習慣的口吻來敘述,不要太多生硬的翻譯腔,這樣閱讀起來才會更順暢,更能進入狀況。希望能從中獲得一些新的啟發,了解我們所處的這個時空是如何如此精妙地被建構起來的。

评分

說真的,台灣的科普書市場近年來越來越豐富,很高興看到有這樣深入淺出的作品出現。我特別喜歡那種能夠把複雜概念轉化成生活化的比喻的寫法,這對我們這些非本科系出身的讀者來說簡直是救星。想像一下,如果連重力常數差個一點點,地球上的水可能就蒸發光了,或者恆星的壽命會完全不一樣,這種對比真的很有衝擊力。我希望這本書不只是單純介紹這些常數是什麼,更重要的是能解釋「為什麼」它們會是現在這個數值,或者,如果它們不是這樣,世界會變成什麼樣子。這種假設性的探討,往往能激發讀者更深層的思考,讓科學不再只是冰冷的數據,而是充滿了無限的可能性與驚奇。

评分

最近身邊的朋友都在討論量子力學跟大爆炸理論,感覺大家對宇宙的終極問題越來越有好奇心。這本書鎖定「物理常數」這個切角,我覺得非常聰明,因為它抓住了宇宙運作的核心密碼。我猜想作者應該花了很多心思去耙梳那些艱澀的文獻,然後用一種很流暢的敘事方式把它們串聯起來。我比較擔心的是,內容會不會太過學術化,畢竟要用中文來精準表達那些物理學上的細微差異,其實是個挑戰。如果能像聊天一樣把這些硬核知識傳遞出來,那絕對是一本值得推薦給所有對世界充滿疑問的人的好書。希望能讀到一些關於宇宙論的新觀點,打破我過去既有的認知框架。

评分

翻閱這本書的目錄或簡介時,我就在想,這背後是不是隱藏著某種更深層的物理學定律,還沒有被我們完全理解?畢竟,這麼多看似獨立的常數,竟然能完美地相互配合,形成一個穩定的宇宙,這難道不是最大的謎團嗎?我期待這本書能帶領我們看到那些尚未被解決的謎團,而不是只停留在已知的知識介紹上。台灣的讀者很務實,我們不只想要知道「是什麼」,更想知道「還能怎樣」。如果作者能對未來物理學可能的發展方向,或者這些常數是否可能隨時間變化的議題做一些有趣的推測,那這本書的價值就會大大提升,成為一本真正能引人入勝的深度閱讀材料。

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