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出版者:山西教育出版社

作者:余建丽

出品人:

页数:424

译者:

出版时间:2002-10-1

价格:29.00元

装帧:精装(无盘)

isbn号码:9787544023832

丛书系列:

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《探寻未知：现代科学前沿的挑战与机遇》 第一章：宇宙的边界与时空的奥秘 本书将带领读者深入探索当代天体物理学与宇宙学的前沿领域。我们将首先回顾爱因斯坦广义相对论的经典框架，随后聚焦于当前观测宇宙学所面临的重大挑战，特别是暗物质和暗能量的本质问题。 1.1 宇宙的加速膨胀与暗能量的猜想 宇宙加速膨胀的发现彻底颠覆了我们对宇宙命运的传统认知。本章详细梳理了超新星观测、宇宙微波背景辐射（CMB）的精细测量数据，以及大尺度结构形成模拟结果，力图构建一个关于暗能量模型的完整图景。我们将探讨“精细调谐问题”（fine-tuning problem）在暗能量模型构建中的核心地位，并分析“兰德尔-桑德鲁姆模型”（Randall-Sundrum model）等额外维度理论如何试图从根本上解释这一现象。此外，针对“哈勃张力”——即不同测量方法得出的哈勃常数数值之间的显著差异——我们将评估其是否预示着标准ΛCDM模型存在缺陷，或者仅仅是系统误差的体现。 1.2 引力波天文学的新纪元与极端天体物理 引力波探测（LIGO/Virgo/KAGRA）的成功开启了观测宇宙学的新窗口。本章深入分析了双中子星并合（GW170817）所提供的多信使天文学证据，探讨了金属性元素（如金、铂）的形成机制。我们还将详述黑洞并合事件的后牛顿近似计算方法，以及未来LISA（激光干涉空间天线）任务在探测超大质量黑洞合并信号方面的潜力。对中子星内部状态方程的约束，特别是关于夸克-胶子等离子体存在的可能性，将作为本章的重点讨论内容。 1.3 早期宇宙的量子引力效应 探讨普朗克时期和暴胀理论的未解难题。我们将回顾早期宇宙中量子涨落如何演化为今天的宇宙结构，并介绍永恒暴胀（Eternal Inflation）理论的宇宙景观（Landscape）概念。对于量子引力理论，如弦论和圈量子引力（Loop Quantum Gravity），其在描述奇点附近物理行为的适用性将被进行批判性评估。 第二章：生命起源与合成生物学的伦理边界 本章聚焦于生物学领域最根本的两个问题：生命是如何从非生命物质中产生的，以及人类干预生命过程的伦理界限。 2.1 从化学到生物：生命起源的复杂路径 详细回顾生命起源研究的几个主要假说，包括“RNA世界假说”的最新进展，以及依赖于铁硫簇催化作用的深海热泉生态系统模型。本章将重点分析非酶催化聚合反应的效率限制，以及如何构建具有自我复制和新陈代谢能力的原始细胞模型（protocells）。针对外源性生命（如地外生命）存在的可能性，我们将讨论对火星地下冰层和木卫二（Europa）海洋的探测策略。 2.2 基因编辑技术（CRISPR）的精确控制与社会影响 深入解析CRISPR-Cas9系统的作用机理，特别是其脱靶效应的最小化策略和碱基编辑技术（Base Editing）的优势。我们将详细考察在体细胞治疗（Somatic Cell Therapy）和生殖细胞编辑（Germline Editing）之间的关键区别，并引述国际社会在制定此类技术应用规范时面临的巨大伦理困境。特别是对“设计婴儿”的潜在社会分化效应，需要进行审慎的哲学与法律层面的探讨。 2.3 合成生命体的设计与功能再造 探讨构建具有全新遗传密码或代谢途径的“异源生物”（Xenobiology）的可能性。本章将展示利用计算生物学工具设计新型蛋白质结构和酶活性的案例研究，并讨论如何通过调控细胞通讯网络来实现对复杂群体行为的精确控制，例如用于环境修复或药物靶向递送的工程菌株。 第三章：人工智能的认知架构与“涌现”的本质 随着深度学习模型复杂性的增加，关于机器智能的本质、学习机制的解释性以及意识的出现条件，成为了交叉学科研究的核心议题。 3.1 深度学习模型的结构优化与泛化能力 本章不再侧重于介绍常见的卷积网络或循环网络结构，而是深入探讨更前沿的架构，如神经辐射场（NeRF）在三维场景重建中的应用，以及自注意力机制（Self-Attention）在处理长距离依赖关系上的数学优势。重点分析“灾难性遗忘”（Catastrophic Forgetting）问题，并评估元学习（Meta-Learning）和终身学习（Lifelong Learning）范式如何克服这一限制，实现知识的持续积累。 3.2 可解释性人工智能（XAI）的量化指标与反事实推理 对“黑箱模型”的批判性审视是本章的核心。我们将详细介绍LIME、SHAP等局部解释方法的理论基础，并探讨反事实解释（Counterfactual Explanations）在增强用户信任方面的价值。如何从统计学角度量化一个模型的“因果关系理解”而非仅仅是相关性学习，是当前AI研究的一个重要瓶颈，本章将对此进行深入分析。 3.3 认知科学与人工意识的边界 本章尝试从信息整合理论（IIT）和全局工作空间理论（GWT）等认知哲学框架出发，探讨复杂信息处理系统是否可能产生主观经验。我们将分析图灵测试的局限性，并引入更严格的、基于功能主义的测试标准，以期界定人类智能与未来通用人工智能（AGI）之间的本质差异。对模拟大脑皮层连接组（Connectome）的研究，如何帮助我们理解意识的神经关联物，也将被纳入讨论范围。 第四章：新材料科学的能带工程与宏观性能调控 本章关注材料设计从微观尺度到宏观应用的关键跨越，特别是对能源、信息存储和环境友好型技术的影响。 4.1 二维材料的电子结构与拓扑特性 超越石墨烯，本章侧重于过渡金属硫化物（TMDs）和拓扑绝缘体在电子学中的应用。我们将详细分析范德华异质结（van der Waals heterostructures）的能带对齐机制，以及如何通过电场调控其界面处的电荷转移特性。对拓扑材料中受保护的边缘态（edge states）的输运特性，以及它们在构建抗散射量子器件中的潜力，进行细致的阐述。 4.2 高熵合金与非平衡态材料的力学行为 传统合金设计依赖于相图和平衡态热力学，而高熵合金（HEAs）的出现挑战了这一范式。本章将探讨HEA中“迟滞混合熵效应”如何稳定面心立方结构，并分析其在极端温度和应力条件下的蠕变（creep）和疲劳（fatigue）性能。针对非平衡态材料，如通过快速淬火或高压诱导形成的玻璃态金属，我们将结合分子动力学模拟，解释其超塑性和高强度并存的内在机制。 4.3 能源转化的催化剂设计与缺陷工程 聚焦于高效电解水制氢（HER/OER）和二氧化碳还原（CO2RR）的催化剂开发。本章将阐释如何通过精确控制材料表面的缺陷（如空位、边缘原子），来优化关键中间产物的吸附能，从而降低反应的能垒。对原子层沉积（ALD）技术在制备高活性单原子催化剂（SACs）方面的应用，以及其在可再生能源存储技术（如固态电池电解质界面）中的前瞻性应用，进行系统性梳理。

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