Extra Dimensions in Space and Time

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出版者:Springer
作者:[美]Itzhak Bars
出品人:
页数:221
译者:
出版时间:2009-12
价格:49,95 €
装帧:
isbn号码:9780387776378
丛书系列:
图书标签:
  • 科普
  • 物理
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具体描述

In physics, the idea of extra spatial dimensions originates from Nordstöm's 5-dimensional vector theory in 1914, followed by Kaluza–Klein theory in 1921,

in an effort to unify general relativity and electromagnetism in a 5-dimensional space–time (4 dimensions for space and 1 for time). The Kaluza–Klein theory didn't generate enough interest with physicist for the next five decades, due to its problems with inconsistencies. With the advent of supergravity theory (the theory that unifies general relativity and supersymmetry theories) in late 1970s and eventually, string theories (1980s), and M-theory (1990s), the dimensions of space–time increased to 11 (10-space and 1-time dimension).

There are two main features in this book that differentiates it from other books written about extra dimensions:

The first feature is the coverage of extra dimensions in time (two-time physics), which has not been covered in earlier books about extra dimensions. All other books mainly cover extra spatial dimensions.

The second feature deals with the level of presentation. The material is presented in a non-technical language followed by additional sections (in the form of appendices or footnotes) that explain the basic equations and principles. This feature is very attractive to readers who want to find out more about the theories involved beyond the basic description for a layperson. The text is designed for scientifically literate non-specialists who want to know the latest discoveries in theoretical physics in a non-technical language. Readers with basic undergraduate background in modern physics and quantum mechanics can easily understand the technical sections.

The two parts of the book can be read independently. One can skip Part I and go directly to Part II which covers extra dimensions in space.

《时空之外的低语》 内容简介: 这是一部引人入胜的科幻小说,它将带领读者踏上一段超越已知维度、探索宇宙深层奥秘的非凡旅程。故事聚焦于一位才华横溢但饱受争议的物理学家,艾莉亚·文森特。在一次突破性的理论研究中,艾莉亚偶然发现了一些看似微不足道的异常现象,这些现象似乎指向了我们当前物理学模型无法解释的领域。 故事的开端,我们将跟随艾莉亚在她的地下实验室中,沉浸在海量的数学公式和模拟数据中。她对一个古老而晦涩的理论产生了浓厚的兴趣,这个理论暗示着,我们所感知的三维空间和一维时间,可能只是更大、更复杂时空结构中的一个投影。随着研究的深入,艾莉亚的发现变得越来越令人震惊。她开始在宇宙背景辐射中捕捉到微弱但可辨识的信号,这些信号似乎并非源自我们所知的任何物理过程,而是低语着来自“时空之外”的信息。 艾莉亚的理论引起了科学界的广泛关注,但更多的是质疑和嘲笑。她的同事们认为她过于沉迷于“异想天开”的构想,甚至有人指责她散布伪科学。然而,一位神秘的科研机构——“星辰之钥”——注意到了艾莉亚的研究。这个机构一直致力于探索宇宙的终极秘密,他们相信艾莉亚的理论是解开宇宙真相的关键。 在“星辰之钥”的资助和支持下,艾莉亚得以组建一支精英团队,其中包括一位经验丰富的宇航员,一位精通古代符号学的语言学家,以及一位能够驾驭未知能量的工程师。他们的目标是建造一台能够探测并可能与这些“额外维度”进行互动的设备。 随着设备的建造和调试,团队开始进行一系列大胆的实验。在一次关键的实验中,他们成功地短暂地打开了一个通往未知维度的“窗口”。透过这个窗口,他们看到的景象颠覆了他们对现实的所有认知。他们看到了令人惊叹的几何结构,感受到了与我们宇宙完全不同的物理法则,甚至瞥见了可能存在的其他智慧生命形式,它们的存在方式超出了人类的想象。 然而,这种探索并非没有风险。“时空之外”并非一片宁静。当团队的干预触及到这些未知维度时,也唤醒了某种古老而强大的存在。这个存在并非邪恶,但它的意图和存在方式与我们完全不同,它对人类的闯入感到了“干扰”。 故事进入高潮,艾莉亚和她的团队必须在理解并可能与这个未知存在建立联系,或者在它的“反击”下保护他们的世界之间做出选择。他们必须运用所有学到的知识,以及最重要的是,他们的勇气和智慧,去理解这些“额外维度”的本质,以及它们与我们所处宇宙的关系。 小说将深入探讨以下主题: 维度理论的哲学含义: 如果存在更多维度,我们对现实的理解将发生怎样的改变?我们的意识和存在是否也受到更高维度的影响? 科学探索的极限: 面对未知和不可理解的事物,科学研究的边界在哪里?是什么驱使着科学家们不断挑战极限? 人类在宇宙中的位置: 在浩瀚的宇宙中,人类是否是孤独的?如果存在其他智慧生命,它们又会以何种形式存在? 理解与共存: 如何与那些与我们截然不同的存在建立联系?冲突是否是唯一的结局? 《时空之外的低语》是一部融合了硬科幻的严谨、哲学思辨的深度以及扣人心弦的冒险故事。它将激发读者对宇宙最根本问题的思考,并带领他们踏上一场令人难忘的想象之旅。准备好,当你的思维越过熟悉的边界,聆听来自时空之外的低语吧。

作者简介

Itzhak Bars is a professor of physics at the University of Southern California, Los Angeles. He received his Ph.D. from Yale University in 1971 and after postdoctoral

research at the University of California at Berkeley he was appointed to the Faculty of Stanford University in 1973. He returned to Yale University in 1975 as a faculty member in the Physics Department, and after a decade he moved to the University of Southern California in 1984 to build a research group in high-energy physics. He served as the director of the Caltech-USC Center for Theoretical Physics during 1999–2003. His visiting appointments include Harvard University, the Institute for Advanced Study in Princeton, and CERN in Geneva, Switzerland. Professor Bars is a leading expert in symmetries in physics, which he applies in much of his research on particle physics, field theory, string theory, and mathematical physics in over 200 papers. He is the author of a book on “Quantum Mechanics” and co-editor of the books “Symmetry in Particle Physics” and “Strings’95, Future Perspectives in String Theory.” Some of his experimentally successful physics predictions include supersymmetry in large nuclei with even/odd numbers of nucleons, and the weak interaction contribution to the anomalous magnetic moment of the muon, in the context of the quantized standard model, that was confirmed after 30 years. His contributions to the mathematics of supersymmetry are extensively used in several branches of physics and mathematics. His current interests include string field theory and two-time physics which he originated in 1998. In 2006 he established that all the physics we know today, as embodied in principle in the standard model of particles and forces, is better described by a 2-time field theory in 4-space and 2-time dimensions projected as a shadow on an emergent 3-space and 1-time dimensions. His honors include Fellow of the American Physical Society, the First Award in the Gravity Research Foundation essay contest (shared with Chris Pope), Outstanding Junior Investigator Award by the Department of Energy, and the A. P. Sloan Foundation Fellowship.

John Terning is professor of physics at the University of California, Davis. He received his Ph.D. from the University of Toronto and was a postdoctoral fellow at Yale University. He was also a researcher at Boston University, the University of California, Berkeley, and Harvard University, and a staff member at the Los Alamos National Laboratory. Professor Terning’s research interests include theoretical particle physics, electroweak symmetry breaking, supersymmetry, cosmology, extra dimensions, and the AdS/CFT correspondence.

目录信息

Contents
Part I Two-Time Physics: The Unified View from Higher
Dimensional Space and Time
Itzhak Bars
1 A First Look at the Known Universe . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Structure of Matter and Fundamental Forces . . . . . . . . . . . 13
2.1 The Fundamentals at Subatomic Distances . . . . . . . . . . . 13
2.2 Large Distances and Cosmology . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 What Is Space–Time? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1 Einstein’s Relativistic View of Space–Time . . . . . . . . . . 33
3.2 Equivalence Principle, Symmetry, and General Relativity . . . 38
4 Symmetry and Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5 Why Higher Space or Time Dimensions? . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1 Extra Space Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2 A Matter of Perspective in 2T Space–time . . . . . . . . . . . 51
5.3 WhyTwoTimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.4 The Shadows Allegory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6 The Role of Extra Space Dimensions in String Theory . . . . . . . 59
7 Two-TimePhysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.1 Historical Path to the Sp(2, R)Symmetry . . . . . . . . . . . . 67
7.2 Indistinguishable Position and Momentum and Sp(2, R) . . . . 72
7.3 HowDoes ItWork? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.3.1 InformalDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.3.2 FormalDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.4 Examples of Shadows and Hidden Information . . . . . . . . 81
8 Evidence of 4 + 2 as Subtle Effects in 3 + 1 Dimensions . . . . . . 89
8.1 H-Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.2 The Fourth Space Dimension in Celestial Mechanics . . . . . 95
9 Fundamental Universe as a Shadow from 4 + 2 Dimensions . . . . 99
9.1 The Standard Model as a 2T-Field Theory . . . . . . . . . . . 101
9.2 2T-Gravity in4+2Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.3 Dilaton-Driven Cosmic Phase Transitions . . . . . . . . . . . 106
9.4 Electroweak Phase Transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
10 Current Status of 2T-Physics and Future Directions . . . . . . . . 113
11 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Part II Extra Dimensions of Space
John Terning
12 The Popular View of Extra Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . 129
12.1 Einsteinand theFourthDimension . . . . . . . . . . . . . . . 130
12.2 Traditional Extra Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
12.3 Einstein’sGravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
12.4 The Theory Formerly Known as String . . . . . . . . . . . . . 149
12.5 WarpedExtraDimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
12.6 HowDoWeLook forExtraDimensions? . . . . . . . . . . . 158
12.7 Epilogue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
13 Extra Material: The Equations Behind theWords . . . . . . . . . 167
13.1 Units andCoordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
13.2 Einsteinand theFourthDimension . . . . . . . . . . . . . . . 169
13.3 Quantum Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
13.4 Traditional Extra Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
13.5 Einstein’sGravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
13.6 The Theory Formerly Known as String . . . . . . . . . . . . . 190
13.7 WarpedExtraDimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
13.8 TheMaxwellEquations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
13.9 HowDoWeLook forExtraDimensions? . . . . . . . . . . . 208
About the Authors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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这本《Extra Dimensions in Space and Time》真是让人耳目一新,它以一种近乎诗意的笔触,带领读者进入了一个超越我们日常经验的物理世界。作者在行文中展现了对量子力学和宇宙学核心概念的深刻理解,但更令人赞叹的是他如何将这些复杂的理论包裹在引人入胜的叙事之中。我特别喜欢它处理“高维空间”部分的方式,没有陷入纯粹的数学推导泥潭,而是通过一系列巧妙的比喻和思想实验,让一个外行人也能大致捕捉到弦理论或卡鲁扎-克莱因理论中那些反直觉的美妙之处。书中的插图虽然不多,但每一张都像是精心设计的视觉提示,有效地将抽象概念具象化。当然,对于那些期望获得严谨的、教科书式的证明的读者来说,这本书可能显得有些“轻盈”,但对于那些渴望探索物理学前沿哲学思辨,并希望在星空下沉思时间本质的探寻者而言,这无疑是一次精神上的盛宴。它没有给出所有答案,但它提出了比我以往读过的任何书籍都更加深刻和激发灵感的问题。

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我拿到这本书的时候,其实是带着一丝怀疑的,毕竟“时空中的额外维度”这个主题已经被无数次地炒作和泛化了。然而,《Extra Dimensions in Space and Time》成功地避开了那些陈词滥调的科幻式臆想,转而采用了一种更加扎根于严肃物理学基础的探讨路径。它的论述结构非常严谨,从黎曼几何的早期思想开始,逐步过渡到爱因斯坦的广义相对论,然后自然而然地引出了维度增加的必要性。我必须承认,其中关于“紧凑化维度”的章节对我来说挑战性最大,需要反复阅读和对照相关的物理图景才能勉强跟上作者的思路。但正是这种挑战性,让我感到了阅读的价值——它迫使我的思维跳出三维的舒适区。这本书的价值不在于提供轻松的阅读体验,而在于它作为一座桥梁,连接了经典物理学家的直觉与现代理论物理学家必须接受的抽象现实。读完后,我对“我们为什么感觉不到额外的维度”这个问题有了更深层次的敬畏。

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说实话,这本书的文字风格非常古典,仿佛是十九世纪末期一位博学的哲学家在与你探讨最新的科学发现。它的节奏缓慢而沉稳,每一段话都经过了精心的雕琢,很少有那种为了吸引眼球而使用的夸张语气。这种风格无疑使得阅读过程需要极大的专注力,你不能指望快速地“扫过”内容。我欣赏作者对历史脉络的梳理,他细致地追踪了每一项重大理论的诞生背景和社会思潮,这使得时空理论的发展不再是孤立的公式堆砌,而更像是一部人类心智的进化史。例如,书中对早期对超光速运动和时间旅行的伦理讨论,提供了比纯粹物理分析更丰富的视角。这本书更像是给那些对宇宙论有浓厚兴趣,但又对冷硬的数学感到畏惧的读者准备的入门级读物,它用优美的散文保证了知识的深度,同时又极大地提升了可读性。

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这本书散发着一种老派的、求真务实的学术气息,但其核心议题却极具未来感。它不像那些流行的科学读物那样,试图用耸人听闻的标题来抓住读者,而是用扎实的逻辑链条,一步步地引导你走向那些令人心悸的结论。我特别喜欢作者在处理平行宇宙和多重时空结构时所保持的审慎态度。他没有将这些理论当作既定事实来宣讲,而是将其定位为我们目前理论框架下最合理的推测,并清楚地指出了每种推测所面临的实验证据的缺失。这种诚实的态度在科普读物中是极其宝贵的。它教会了我们,在探索宇宙的终极奥秘时,谦逊远比武断更为重要。这本书读完后,我感觉自己对“现实”的定义都被轻轻地推开了一角,虽然没有看到那些“额外维度”,但我切实感受到了它们存在的可能性,这才是其最大的成就。

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我花了两个周末才大致啃完这本书,主要原因是它在某些章节中引入了对“信息和熵在额外维度中如何重构”的探讨,这部分内容直接触及了我个人研究的边缘领域,使得我不得不频繁地停下来进行思考和笔记整理。这本书的真正力量在于它敢于跨越传统学科的界限。它不仅仅是物理学著作,它也深深地渗透着数学的严密性、哲学的思辨性,甚至是某种程度上的形而上学的美感。作者在讨论膜世界理论(Brane World)时,没有止步于探讨引力如何“泄漏”到高维空间,而是深入分析了这可能对我们宇宙常数稳定性带来的影响,这种广度是许多专注于单一领域的书籍所不具备的。唯一的遗憾是,我认为关于M理论的介绍略显仓促,或许是受篇幅所限,但这是一个非常值得深入挖掘的领域,希望未来能有续作来弥补这一点。

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