The Physics of Time Reversal

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出版者:University Of Chicago Press
作者:Robert G. Sachs
出品人:
页数:324
译者:
出版时间:1987-10-15
价格:USD 39.00
装帧:Paperback
isbn号码:9780226733319
丛书系列:
图书标签:
  • 量子研究
  • 时间反演
  • 物理学
  • 量子力学
  • 热力学
  • 统计力学
  • 时间箭头
  • 非平衡态
  • 信息论
  • 宇宙学
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具体描述

The notion that fundamental equations governing the motions of physical systems are invariant under the time reversal transformation (T) has been an important, but often subliminal, element in the development of theoretical physics. It serves as a powerful and useful tool in analyzing the structure of matter at all scales, from gases and condensed matter to subnuclear physics and the quantum theory of fields. The assumption of invariance under T was called into question, however, by the 1964 discovery that a closely related assumption, that of CP invariance (where C is charge conjugation and P is space inversion), is violated in the decay of neutral K mesons. In The Physics of Time Reversal, Robert G. Sachs comprehensively treats the role of the transformation T, both as a tool for analyzing the structure of matter and as a field of fundamental research relating to CP violation. For this purpose he reformulates the definitions of T, P, and C so as to avoid subliminal assumptions of invariance. He summarizes the standard phenomenology of CP violation in the K-meson system and addresses the question of the mysterious origin of CP violation. Using simple examples based on the standard quark model, Sachs summarizes and illustrates how these phenomenological methods can be extended to analysis of future experiments on heavy mesons. He notes that his reformulated approach to conventional quantum field theory leads to new questions about the meaning of the transformations in the context of recent theoretical developments such as non-Abelian gauge theories, and he suggests ways in which these questions may lead to new directions of research.

《时间的涟漪:物理学视野下的因果律、熵增与世界演化》 引言:宇宙的流向与我们存在的基石 我们生活在一个似乎永恒向前的时间洪流中。从清晨的第一缕阳光,到黑夜的深邃,再到生命的出生、成长、衰老乃至消亡,时间流逝的印记无处不在,构成我们感知世界最基本的方式。然而,当我们试图深入探究时间流逝的本质,理解“为什么时间总是朝着一个方向前进?”、“时间究竟是什么?”、“如果时间可以倒流,我们的世界将变成什么样?”这些看似简单的问题时,却会触及物理学中最深刻、最令人着迷的谜团之一。 《时间的涟漪》并非一本关于时间旅行或科幻设定的书,它将带领读者潜入物理学的核心,以严谨的科学视角,深入剖析构成我们宇宙运行法则的时间箭头。本书将从宏观的宇宙演化,到微观的粒子互动,层层剥茧,揭示时间方向性背后的物理机制,探讨因果律的不可逆性,以及熵增原理如何塑造了我们所认识的现实。我们将一同审视,正是这种单向的时间流动,才赋予了宇宙生机勃勃的演化能力,维系了我们赖以生存的因果秩序。 第一章:时间箭头的起源:微观世界的对称性与宏观世界的非对称性 在基本物理定律层面,许多定律似乎并不区分过去与未来。例如,牛顿运动定律、麦克斯韦电磁方程组,甚至是量子力学中的薛定谔方程,在时间反演下都保持不变。这似乎暗示着,从微观粒子的基本相互作用来看,时间可以是双向的。那么,为何我们在日常生活中却能清晰地感知到时间的单向流逝? 本书将首先追溯这一深刻的矛盾。我们将从微观粒子之间的基本力,如电磁力、强核力、弱核力以及引力进行考察。深入探讨量子力学中的时间反演对称性(T-symmetry)及其可能的破缺。尤其会关注弱相互作用中存在的CPT定理,它表明时间反演、电荷共轭和宇称(空间反演)的联合变换是守恒的。然而,这种微观层面的对称性,在宏观世界中是如何“破损”而形成不可逆的时间箭头的? 本章将聚焦于统计力学和热力学的引入,解释宏观现象与微观定律之间的差异。我们将阐述,并非基本物理定律本身具有时间指向性,而是由于我们观察的系统规模和所处的环境,使得宏观层面的行为表现出显著的时间不对称性。这为理解时间箭头的存在,奠定坚实的基础。 第二章:熵的无情攀升:热力学第二定律与世界的演化 如果说时间箭头的存在是宇宙的“方向盘”,那么熵增原理便是驱动这一方向盘的“引擎”。热力学第二定律,即熵在孤立系统中总是增加的定律,是物理学中最具普适性和影响力的定律之一。它直接关联着时间的单向性,并深刻地影响着宇宙的过去、现在和未来。 本书将详细阐释熵的概念,区分不同类型的熵,如玻尔兹曼熵、信息熵等。我们将深入理解为什么一个系统从有序走向无序,从低熵状态迈向高熵状态,是如此的“自然”和“不可避免”。我们将探讨微观状态与宏观状态之间的关系,理解微观粒子的排列组合方式是如何决定宏观系统的宏观性质,以及为什么无序的排列方式远多于有序的排列方式。 更重要的是,我们将考察熵增原理在不同尺度上的体现:从一杯热咖啡逐渐冷却,到冰块融化,再到恒星的熄灭和宇宙的膨胀。本书将解释,正是熵的不断增加,驱动着自然界发生各种不可逆的过程,从而定义了我们所感知的时间方向。我们将探讨“为什么宇宙始于一个低熵状态?”这个终极问题,以及这与宇宙的起源和演化模型之间的联系。 第三章:因果律的坚固壁垒:时间方向性与事件的序列 时间单向流逝最直观的表现,便是因果律的不可违背。原因在前,结果在后,这种有序的事件序列构成了我们理解世界和进行预测的基础。然而,如果我们能够某种程度上“颠倒”时间,那么因果律的逻辑将面临何种挑战? 本书将深入探讨因果律在物理学中的地位。我们将审视,在时间单向性的框架下,因果律如何得到保障。我们将分析,哪些物理过程严格遵守因果律,而哪些过程(或者说我们对其的理解)可能模糊了因果的界限。 我们将考察一些看似“反常”的现象,如量子纠缠中的“非局域性”以及量子测量中的“坍缩”,并讨论它们是否对因果律构成挑战,或者说,我们现有的因果律理解是否需要被修正。本书还将探讨,如果时间可以倒流,我们将如何重新理解“原因”与“结果”的关系,以及这种颠覆性的可能性会对我们现有的科学哲学和逻辑体系产生怎样的冲击。 第四章:时间与空间的交织:相对论中的时空与因果结构 爱因斯坦的相对论革命性地改变了我们对时间与空间的认知。狭义相对论将时间和空间统一为一个四维时空连续体,而广义相对论则揭示了引力是时空的弯曲。这些理论深刻地影响了我们对时间流逝的理解,并对因果律的结构提出了新的见解。 本书将带领读者走进相对论的时空观。我们将解析时间膨胀和长度收缩等效应,理解在不同参考系下,时间流逝的速度并非绝对。更重要的是,我们将探讨相对论中的“光锥”概念,它精确地定义了一个事件对未来可能产生影响的范围,以及哪些事件能够影响到它。光锥的存在,实际上为因果律提供了一个几何上的框架,它规定了信息和因果关系传播的边界。 我们将分析,在广义相对论的框架下,例如黑洞视界的存在,如何影响了时间和因果的传播。本书还将简要提及一些前沿的理论探索,如量子引力理论的尝试,它们试图统一相对论与量子力学,并可能为我们提供更深层次的关于时间与因果的理解。 第五章:宇宙的宏大叙事:从大爆炸到未来演化 时间箭头的存在,不仅塑造了我们日常的体验,更是宇宙宏大叙事的核心驱动力。从宇宙的起点,到恒星的诞生与死亡,再到星系的形成与演化,一切都遵循着时间单向流逝的规律。 本书将审视时间箭头在宇宙学中的作用。我们将回顾大爆炸模型,理解宇宙如何从一个极低熵、高度有序的状态演化至今。我们将探讨宇宙的膨胀、物质的形成、结构的增长,以及这些过程为何都是不可逆的。 同时,我们将展望宇宙的未来。根据熵增原理,宇宙的最终命运似乎指向一个“热寂”状态,即熵达到最大值,一切有序结构消失,时间似乎也失去了意义。本书将分析当前主流的宇宙演化模型,讨论是否存在其他可能的终极结局,以及这些结局与时间箭头之间的关系。我们将探讨,正是这种不可逆的演化,赋予了宇宙的“历史”和“未来”的概念。 结论:理解时间,理解存在 《时间的涟漪》并非要提供一个简单的答案,解释时间“为什么”会单向流逝,因为这个问题本身可能就蕴含了对时间本质的预设。相反,本书旨在通过深入物理学的各个层面,展现时间单向性是如何被理解为一种根本性的物理现象,它不是一个“问题”,而是宇宙运作的基本规律之一。 通过对微观对称性的破缺、熵增原理的普适性、因果律的坚固性、时空的相对性以及宇宙演化的宏大进程的考察,我们能更深刻地理解,正是这种不可逆的时间流动,才造就了我们所处的丰富多彩、充满活力的世界。时间箭头的存在,是生命得以演化、信息得以传递、记忆得以形成、意义得以构建的基石。 本书希望激发读者对时间这一最熟悉又最神秘概念的深入思考。理解时间的物理学,就是理解我们自身在宇宙中的位置,理解万物演化的规律,理解我们每一个瞬间的珍贵。这趟物理学之旅,将带领我们从最微小的粒子到最广阔的宇宙,领略时间的涟漪如何塑造了我们存在的全部。

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