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出版者:电子工业

作者:蔡坤宝

出品人:

页数:392

译者:

出版时间:2007-8

价格:39.80元

装帧:

isbn号码:9787121047633

丛书系列:

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• 滤波
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• 图像处理

宇宙的织锦：从量子纠缠到时空涟漪的探索之旅 一、导言：在极限边缘凝视存在 人类对宇宙的理解，是一部充满惊奇与悖论的宏伟史诗。我们脚下的坚实大地，在宏观尺度上遵循着牛顿的精确律法；然而，当我们深入到物质的最底层，或者仰望超越光速的遥远星系时，这些经典法则便开始瓦解，让位于更为奇特和反直觉的物理图景。 本书并非追溯那些耳熟能详的经典物理学分支，如电磁学或经典热力学。相反，它将带领读者深入到当代物理学最前沿、最晦涩，同时也最具颠覆性的领域：量子信息理论、前沿宇宙学模型以及非线性动力学在复杂系统中的应用。我们将探讨那些挑战我们日常直觉的概念，试图描绘出宇宙更深层次的、由信息和概率编织而成的织锦。 二、第一部分：概率的幽灵——量子信息与纠缠的深渊 我们从最微小的尺度开始——量子的世界。经典物理将世界视为由确定的粒子和场构成的机器，而量子力学则揭示了一个基于概率波函数和叠加态的实在。本书将避开复杂的薛定谔方程推导，转而专注于量子信息论的哲学和应用层面。 1. 量子叠加与测量悖论的哲学转向： 探讨“薛定谔的猫”这一思想实验的现代解读，以及后来的多世界诠释（Many-Worlds Interpretation, MWI）如何试图解决波函数坍缩的难题。我们将深入剖析“信息”在量子层面的真正含义——它不再是知识的载体，而是物理实在的构建块。 2. 缠绕的命运：纠缠的非定域性（Non-Locality）： 爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”的量子纠缠，是本书的重点之一。我们将详细阐述贝尔不等式的实验验证如何彻底击溃了“隐变量理论”的可能性，迫使我们接受宇宙在根本上是非定域的。讨论量子隐形传态（Quantum Teleportation）的机制——它传输的不是物质，而是状态的关联性，并探讨这种关联性对信息传输极限的意义。 3. 量子计算的范式革命： 介绍量子比特（Qubit）与经典比特的根本区别，并聚焦于量子算法，如Shor算法对现有加密体系的威胁，以及Grover算法在搜索问题中的平方加速。重点分析了量子退火（Quantum Annealing）与通用量子计算之间的技术路线差异和哲学分野。本书不涉及电路设计或门操作的具体数学构造，而是侧重于这些计算模型对计算复杂性理论的冲击。 三、第二部分：时空的形变——弯曲的时空与引力的新视角 从微观的量子世界跃升至宏观的宇宙尺度，我们转向爱因斯坦的广义相对论所描绘的动态时空。然而，本书关注的不是简单的行星轨道计算，而是理论物理学中那些尚未被完全证实的、关于时空结构本身的激进构想。 1. 视界之外的秘密：黑洞信息悖论的最新进展： 霍金辐射的提出动摇了黑洞的“永恒囚禁”概念，引发了信息是否真的在黑洞中丢失的争论。我们将回顾防火墙（Firewall）悖论的提出，以及弦理论（String Theory）中的“互补性原理”（Complementarity）如何试图调和量子力学与广义相对论在黑洞边界上的冲突。重点讨论AdS/CFT对应关系（反德西特空间/共形场论对应），它作为一种“全息”模型，暗示了引力理论可能可以被描述为一个更低维度、无引力的量子场论。 2. 早期宇宙的幽灵：暴胀理论的替代模型： 暴胀模型成功解释了宇宙的均匀性和平坦性，但其背后的物理机制依然是假设性的。本书将探讨一些替代性的或补充性的早期宇宙模型，例如“循环宇宙学”（Cyclic Cosmology），它假定宇宙经历着永恒的膨胀与收缩的循环，从而避免了“大爆炸奇点”的问题。讨论如何通过观测到的宇宙微波背景（CMB）的极化模式来区分这些不同的理论。 3. 维度之外的探寻：弦理论与M理论的景观： 弦理论试图将所有基本粒子和力统一在一个框架内，其核心特征是引入了额外的空间维度。本书将描述高维空间如何通过“紧致化”（Compactification）形成我们所感知的四维时空，并探讨卡拉比-丘流形（Calabi-Yau Manifolds）在确定这些维度几何形态中的关键作用。重点是M理论——试图将五种超弦理论统一起来的11维框架——所揭示的“膜”（Branes）的概念，以及它们可能如何在我们的宇宙中扮演角色。 四、第三部分：混沌的秩序——复杂系统中的非线性动力学 最后，我们将目光投向一个介于确定性与随机性之间的领域：复杂系统。这些系统（从天气模式到生态网络）虽然由经典物理定律支配，但其行为却表现出极端的敏感性和不可预测性。 1. 蝴蝶效应的数学基础：李雅普诺夫指数： 深入探讨混沌系统的核心特征——对初始条件的指数级敏感性。我们将不依赖于复杂的流形理论，而是侧重于李雅普诺夫指数如何量化一个系统的确定性预测的有效时间范围。讨论在天气预报、流体力学中的实际应用和局限性。 2. 分形几何：自然界中的无限细节： 介绍分形几何的概念，即“自相似性”的属性。重点讨论曼德布罗集合（Mandelbrot Set）作为非线性映射的吸引子（Attractor）的数学美感，并探讨分形维度如何比拓扑维度更能准确描述海岸线、云朵或血管分支等自然结构的复杂性。 3. 耗散结构与自组织：超越平衡态： 探讨普里戈金的耗散结构理论（Dissipative Structures）。在远离热力学平衡的开放系统中，能量和物质的持续交换如何导致系统自发地形成有序的、非线性的模式，如贝纳尔对流（Bénard Convection Cells）。这揭示了“秩序”并非总来源于外部的精确控制，而可能内在于系统自身的非线性演化之中。 结语：信息、时空与涌现的统一画布 本书的终极目标，是揭示在看似分离的量子、宇宙和混沌领域中，存在着一个共同的底层主题：信息、关联性以及非线性演化。从纠缠态中不可分割的关联，到弯曲时空对信息传播的限制，再到混沌系统中对初始信息的极端放大，宇宙似乎更像是一个巨大的信息处理器，其“实在性”建立在概率的涟漪和结构化的反馈循环之上。这是一场对我们所认知世界的深刻重构之旅。

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不得不说，这本书在内容编排上，确实有其独到之处，虽然我不是科班出身，但作者的叙述方式让我感到耳目一新。他并没有一开始就抛出大量的数学公式，而是先从一些非常生动的应用场景入手，比如音频处理中的降噪、图像压缩中的去冗余等等，让读者立刻感受到数字信号处理的实际价值和魅力。接着，作者才逐步引入必要的数学工具，并且非常注重讲解这些工具背后的数学原理和物理意义，而不是简单地罗列公式。我特别喜欢书中关于“采样定理”的讲解，作者用一种非常形象的比喻，解释了为什么需要以两倍于最高频率的采样率来无损地恢复原始信号，这让我这个数学基础相对薄弱的读者也茅塞顿开。此外，书中还穿插了许多关于“信号重建”和“特征提取”的讨论，这些内容对于理解更复杂的信号分析技术至关重要。这本书的优点在于，它能够很好地平衡理论的严谨性和实践的可操作性，让读者在掌握理论的同时，也能对如何将其应用于实际问题有更深入的理解。

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对于我这个在实际工程中经常与各种信号打交道的工程师来说，这本书的内容恰好是我一直以来都在寻找的。它不仅仅是理论的堆砌，更多的是如何将这些理论知识转化为解决实际问题的工具。书中关于“多速率信号处理”的章节，详细介绍了升采样和降采样的原理及应用，这对于我处理不同采样率信号的系统非常有帮助。另外，作者在讲解“自适应滤波”时，列举了多种经典的自适应算法，并且分析了它们在不同环境下的性能表现，这让我能够根据具体需求选择最合适的算法。书中还附带了大量的Matlab代码示例，这些代码不仅可以运行，而且结构清晰，注释详细，这大大缩短了我从理解理论到实现算法的时间。我尤其喜欢书中关于“信噪比改善”的章节，作者通过各种信号去噪的方法，展示了数字信号处理的强大能力。这本书的实践导向性非常强，对于希望将理论应用于实际的读者来说，无疑是一本宝贵的参考资料。

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这本书给我带来了非常大的惊喜，虽然我原本对数字信号处理这个领域了解不多，只是因为工作需要才抱着试试看的心态翻阅，结果却发现它像一位耐心且知识渊博的向导，一步步引领我穿越了原本觉得晦涩难懂的概念。书中对基础理论的讲解非常透彻，从离散时间信号和系统的基本性质，到傅里叶变换、Z变换等核心工具的推导和应用，都处理得恰到好处。我尤其欣赏作者在讲解抽象概念时，能够巧妙地结合具体的实例，例如在介绍滤波器设计时，书中提供了几种不同类型的滤波器（如FIR和IIR）的详细设计步骤和相应的代码示例，这让我能够直观地理解理论是如何转化为实际应用的。书中也涉及了一些更高级的主题，比如谱估计、自适应滤波等，虽然我还没有深入研究，但作者的梳理方式让我对这些领域有了初步的认识，并且知道自己未来可以从何处着手进一步学习。总的来说，这本书的逻辑清晰，排版友好，阅读体验非常棒，它不仅解决了我的燃眉之急，更激发了我对这个领域持续探索的兴趣。

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从这本书的整体结构和内容来看，它显然是为那些希望系统学习数字信号处理基础知识的读者量身打造的。作者从最基本的“信号与系统”概念出发，逐步深入到“傅里叶分析”、“Z变换”等核心工具，再到“滤波器设计”、“谱分析”等高级应用，层层递进，逻辑严谨。我个人认为，书中在讲解“傅里叶变换”时，对时域和频域的对应关系以及不同形式的傅里叶变换（如DFS, DFT, DTFT, FT）之间的联系与区别的梳理，做得非常到位，让我能够深刻理解不同变换的适用场景。此外，书中关于“卷积”这一核心运算的讲解，无论是数学定义还是几何解释，都清晰易懂，并且强调了它在系统响应计算中的重要性。我尤其赞赏作者在讲解“滤波器”时，不仅介绍了滤波器分类（如低通、高通、带通、带阻），还对它们的幅频响应和相频响应进行了详细的分析，这对于理解信号的滤波效果至关重要。这本书的语言风格简洁明了，虽然涉及一些专业术语，但作者总能通过恰当的比喻和详细的解释，帮助读者理解。

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这本书给我的感觉是，它在内容深度上做到了一个很好的平衡，既有足够的理论基础，又不至于让人望而却步。书中对各种变换（如离散傅里叶变换、离散余弦变换等）的讲解，不仅给出了数学推导，还重点强调了它们在不同领域的应用，比如FFT在谱分析中的高效计算，DCT在图像和视频压缩中的作用。我特别欣赏作者在讲解“滤波器设计”时，所采用的“以点带面”的方式，先深入讲解了两种主流的滤波器类型，然后通过比较它们的优缺点，引申出了更广泛的滤波器设计思想。书中提供的很多图表都非常直观，能够帮助读者更好地理解信号在不同处理过程中的变化。虽然某些章节涉及的算法推导过程有些复杂，但作者的逻辑链条非常清晰，并且经常会给出一些“小贴士”或“注意事项”，提醒读者关注关键点。总的来说，这本书是一本非常扎实的入门读物，它能够帮助读者建立起对数字信号处理的基本认知框架，并为后续更深入的学习打下坚实的基础。

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