Quantum Gravity, Generalized Theory of Gravitation and Superstring Theory-Based Unification pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Kursunogammalu, Behram N.; Mintz, Stephan L.; Perlmutter, Arnold

出品人:

页数:248

译者:

出版时间:2010-12-1

价格:USD 205.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781441933485

丛书系列:

图书标签:

• 量子引力
• 广义相对论
• 超弦理论
• 统一场论
• 引力理论
• 弦理论
• 高能物理
• 宇宙学
• 量子场论
• 黑洞物理

时空深处的奥秘：拨开宇宙面纱的理论前沿 宇宙，一个由星辰、星系、黑洞以及我们难以想象的奇特现象构成的宏伟舞台，其运作的根本法则一直是人类智慧不断探索的终极目标。从牛顿力学对宏观世界的精确描述，到爱因斯坦广义相对论对引力的革命性洞察，物理学在揭示宇宙奥秘的道路上取得了辉煌的成就。然而，当我们将目光投向宇宙最极端的尺度——微观的量子世界和宏观的宇宙尺度——广义相对论与量子力学这两大支柱理论之间，便出现了深刻的矛盾与不兼容。正是这份深刻的矛盾，催生了对更深层次、更统一理论的渴求。 本书将带领读者踏上一段激动人心的理论物理学探索之旅，聚焦于那些致力于解决引力与量子力学冲突、统一已知基本力和粒子，以及揭示时空本质的最新前沿理论。我们将深入探讨那些旨在描绘一个完整宇宙图景的宏大构想，它们试图弥合从普朗克尺度下的量子涨落到宇宙大尺度结构的巨大鸿沟。 广义相对论的挑战与超弦理论的曙光 爱因斯坦的广义相对论，以其优雅的数学形式，成功地将引力描述为时空本身的弯曲。它解释了行星的轨道、光线的偏折，甚至预测了黑洞和引力波的存在，这些预测如今都已得到实验的证实。然而，当我们将广义相对论应用于描述极小尺度下的引力行为，例如黑洞的奇点或宇宙大爆炸的瞬间，其数学框架便会崩溃，给出无意义的无穷大。这清晰地表明，广义相对论并非终极理论，它在微观世界失效，无法与量子力学相协调。 量子力学，则成功地描述了原子、亚原子粒子等微观世界的行为。它引入了量子化、叠加态、不确定性原理等概念，塑造了我们对物质和能量的最基本认识。然而，试图将量子力学应用于引力时，却遭遇了巨大的技术难题。最直接的尝试，即直接对引力场进行量子化，会产生不可接受的无穷大，且无法通过标准重整化方法处理。 面对这一深刻的挑战，理论物理学家们并未止步。一系列“广义引力理论”应运而生，它们试图在爱因斯坦的框架基础上进行修正、扩展或重新构建，以期在量子尺度下也能够描述引力。这些理论往往引入新的几何概念，或者对时空本身的性质提出更复杂的描述，其目标都是为了找到一个能够在所有尺度上都保持自洽的引力理论。 在这些前沿理论中，超弦理论（Superstring Theory）脱颖而出，成为目前最有希望实现引力量子化和统一基本力的理论之一。超弦理论的核心思想是，构成物质和能量的最基本单元并非点状粒子，而是微小的、振动的“弦”。这些弦在不同的振动模式下，对应着不同的基本粒子，包括引力子——传递引力相互作用的量子。 超弦理论的魅力在于，它似乎能够自然地包含引力，并且在数学上规避了点状粒子理论中出现的有害无穷大。此外，它还能够统一引力与电磁力、强核力、弱核力这其他三种基本力，为构建一个“万有理论”提供了可能。超弦理论的早期版本，也就是被称为“弦论”的理论，就已展现出其潜力。而“超”弦理论则进一步引入了“超对称性”（Supersymmetry），即每一种已知的玻色子（如光子）都对应着一个费米子（如光微子），反之亦然。超对称性不仅有助于解决一些理论上的困难，还暗示了宇宙中存在着尚未被发现的超伴侣粒子。 超越膜的维度：M理论的整合 随着研究的深入，人们发现存在着五种不同的超弦理论，它们在数学上看起来是独立的，但又暗示着一种更深层次的联系。这一困境被“M理论”（M-Theory）的出现所解决。M理论并非一个全新的理论，而是对这五种超弦理论的一种整合。它提出，这些不同的超弦理论实际上是M理论在不同极限下的表现。 M理论预言，宇宙可能存在着比我们熟知的四维时空（三维空间加一维时间）更多的维度。这些额外的维度被卷曲起来，变得极其微小，以至于我们无法直接感知。这些额外维度的几何形状和大小，决定了我们在这个四维时空中所观测到的物理定律和基本粒子的性质。 M理论的出现，极大地拓展了我们对时空结构的理解，并为解释一些宇宙学难题提供了新的视角。 黑洞信息佯谬与量子引力新视界 黑洞，作为广义相对论的极端预言，一直是检验量子引力理论的试金石。根据广义相对论，黑洞具有视界，任何物质或信息一旦进入视界，都无法逃脱。然而，霍金辐射的发现，即黑洞并非完全“黑”的，而是会缓慢地辐射出粒子，并在最终蒸发殆尽。这引发了一个深刻的“黑洞信息佯谬”：如果黑洞蒸发，那么它在形成过程中吞噬的所有信息是否会永远丢失？这与量子力学中信息守恒的基本原理相悖。 解决黑洞信息佯谬，需要一个能够统一描述黑洞内部量子效应和视界附近量子引力过程的理论。近年来，对全息原理（Holographic Principle）的研究，以及AdS/CFT对应（Anti-de Sitter/Conformal Field Theory correspondence）等思想，为解决黑洞信息佯谬提供了新的思路。全息原理认为，描述一个体积区域的物理系统，其信息可能编码在一个较低维度的边界上，类似于一个三维物体的信息可以编码在其二维表面上。AdS/CFT对应则提供了一种具体的数学工具，允许我们在特定条件下，将一个引力理论（AdS空间中的引力）与一个没有引力的量子场论（CFT）联系起来。通过研究CFT，我们或许能够间接理解AdS空间中的引力过程，包括黑洞的性质。 宇宙学与基础物理的连接 这些前沿理论不仅对黑洞等极端天体现象有深刻的解释力，也为理解宇宙的起源和演化提供了新的框架。例如，超弦理论的某些版本可以解释宇宙暴胀（Inflation）的机制，即宇宙在极早期经历的指数级膨胀。它还可能为暗物质和暗能量的本质提供线索。 本书将深入探讨这些理论背后的核心思想、数学工具以及它们所面临的挑战。我们将审视那些试图在实验上验证这些理论的努力，尽管由于这些理论所描述的能量尺度远远超出我们现有实验能力，直接的验证仍然极其困难。然而，通过观测宇宙学现象、高能粒子对撞机实验，甚至引力波探测，我们仍有可能找到支持或限制这些理论的间接证据。 最终，本书的目标是勾勒出当前物理学界在理解宇宙最基本规律方面所取得的进展与未来的方向。它将展现物理学家们如何运用抽象的数学工具，去捕捉宇宙最深层的奥秘，从量子的微观世界到宇宙的宏观结构，无不体现着人类智慧的闪耀。这段探索之旅，是对宇宙本身永无止境的好奇心和求知欲的最好诠释。

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