第一推動叢書 宇宙係列:宇宙傳記 [The Universe：A Biography] epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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産品特色

編輯推薦

你可以讀到科學上幾個有趣而又重要的問題：宇宙是如何從一個小火球增長到現在的規模的？它將如何終結？我們又是怎麼知道這一切呢？作者把宇宙學用通俗的語言娓娓道來，用令人感興趣的方式迴答瞭科學上根本性的問題。2018年新版的《第*推動叢書》全新設計瞭版式和封麵，簡約個性，提升瞭閱讀體驗，讓科普給你更多想象。隨書附贈價值39.6元由汪潔、吳京平掰開揉碎,帶你懂科學好書的《經典科普解讀課》6摺券。

內容簡介

本書作者揭示瞭宇宙的奧秘，以及更顯至關重要的——我們如何纔能瞭解這些奧秘。本書描述瞭宇宙是如何開始的，早期宇宙是什麼樣子，它的結構如何發展演進，以及齣現瞭什麼物質使其結閤在一起。他描述瞭物質從哪裏來，恒星和星係如何形成，以及在我們的太陽係中生命如何産生。此外，在介紹瞭到目前為止我們對宇宙的認識之後，他進一步展望未來，揭示這一旅程往後會如何繼續。宇宙的一生是否會在大收縮或大撕裂時達到高潮，亦或是在我們有機會弄清楚這個問題之前，地球就將受到來自宇宙空間的撞擊？

作者簡介

約翰·格裏賓(John Gribbin)，當今偉大的科普作傢，畢業於劍橋大學，專業是天體物理學。目前他是蘇塞剋斯大學天文學專業的訪問學者。他的著作包括《尋找薛定諤的貓》、《星塵》、《科學史》、《深奧的簡潔》和《科學傢》等。他善於用簡單的語言傳遞復雜的思想。他曾說他寫作的目的是與讀者分享他對於宇宙陌生性所懷有的好奇。業餘時間他還喜歡從事科幻小說創作。他的大部分作品都是在傢裏後花園裏的小棚子下完成的。

譯者介紹：

徐彬，吳林

精彩書評

“令人迴味無窮……語言清新簡潔，堪稱典範 ”——《獨立報》

“有關這一問題迄今為止我們所能獲得的*為清晰的描述。”——《每日電訊報》

“結論驚天動地。”——《星期日先驅》

“英國*好和*多産的科學作傢。”——《星期日電訊報》

目錄

緻謝

前言——為何要為宇宙作傳？

1 如何認識我們自以為已經知曉的事物？

2 是否存在萬物至理？

3 宇宙從何而來？

4 早期宇宙是如何演進的？

5 可觀測宇宙的結構是如何發展演化的？

6 什麼使宇宙結閤在一起？

7 化學元素從何而來？

8 太陽係從何而來？

9 生命起源自何處？

10 一切將如何結束？

術語錶

精彩書摘

第一章　如何認識我們自以為已經知曉的事物？(部分)

如果科學傢們聲稱他們知曉原子內部的情況，或者說他們知曉宇宙産生的最初三分鍾內所發生的事情之時，他們的本意是什麼呢？他們的意思是，有一個所謂的原子的，或是早期宇宙的，又或者任何使他們感興趣的東西的“模型”，而且這個模型同他們的實驗結果或他們對世界的觀察相吻閤。這種科學模型和我們通常所說的航模之屬不同。飛機模型錶現的是真正的飛機，是對實物的物理呈現，但科學模型是一種抽象的想象圖景，可以通過一套數學方程式來描述。例如，我們呼吸的空氣由原子和分子構成，它們可以用某種模型來描述。在這個模型中，我們把每個粒子都想象成一個具有絕佳彈性的小球（好比撞球），所有小球都既相互碰撞，也會與容器壁撞擊，從而不斷反彈跳動。
這是一種想象的圖景，但僅僅是模型的一半。這些小球運動和相互撞擊的方式是通過一套物理定律來描述的，這些物理定律又以數學方程式的形式記錄下來，這使其成為一個真正的“科學”模型。在這個問題上，最基本的定律是艾薩剋?牛頓（lsaac Newton）在300多年前發現的運動定律。使用這些數學定律，我們就可以計算齣當一種氣體的體積被壓縮到一半時其壓強是多少。如果你做個實驗，得到的結果與該模型的預測相符閤（在這個問題中，壓強應當加倍），那麼這個模型就是正確的。
當然，這種標準的氣體模型將氣體描述為相互撞擊的小球，與牛頓定律相一緻，並能作齣正確的預測，對此我們不應感到驚訝。因為，科學傢是先做瞭實驗，之後纔設計，或者說構造瞭該模型，以便與實驗結果相匹配。接下來的科學步驟就是使用這樣一種通過測量得齣的模型來預測（進行精確的數學預測）在其他不同的實驗中，同樣的係統將會齣現什麼情況。如果該模型在新的環境下做齣瞭“正確的”預測，那麼就可以錶明這是一個正確的模型；可是，即使預測不準，我們也大可不必將其完全否定，因為它仍然能嚮我們揭示早先實驗中一些有用的東西；當然，無論如何，它的應用是受限的。
其實，所有科學模型的應用範圍都是有限製的。沒有任何一個模型稱得上是“終極真理”。把原子視為具有絕佳彈性小球的模型，對於計算在不同環境下氣體壓強的變化十分有效。但是如果你想描述原子放射和吸收光綫的方式，你則需要另一個模型。這個模型中的原子至少有兩個組成部分，一個是位於中央的微小的原子核（齣於某種原因，該原子核本身也可以被視為一個具有絕佳彈性的小球），另一部分則是環繞在原子核周圍的電子雲。科學模型是對現實的錶現，但並不是現實本身。無論這些模型多麼好用，無論它們在閤適的條件下的預測結果多麼準確，我們始終還是應當把它們視為現實的近似和想象的輔助手段，而不是終極真理。如果科學傢告訴你原子核是由一些稱作質子和中子的粒子組成的，實際上他們是說：在某些情況下，從原子核的錶現來看，它“似乎”是由質子和中子構成的。優秀的科學傢時刻會想到“似乎”二字的存在，而把模型的的確確隻看作模型；但平庸的科學傢則經常忘記這一關鍵的差彆。平庸的科學傢和眾多僞科學傢還存在另一個誤解。此輩常常以為，現今科學傢的作用就是做實驗，以證明他們模型的精確度越來越高，即其數值在小數點後的數位多多益善。
事實絕非如此！之所以要針對模型所作的未曾驗證的預測進行實驗，是為瞭找到這些模型的疏漏之處。一流物理學傢總是希望查找到他們模型中的缺陷，因為這樣的缺陷——即模型無法準確預測或是無法詳加解釋說明的情況，可以為我們指明究竟在哪些方麵我們需要獲得新的認識，同時提供更好的模型，以便取得進展。這方麵，一個典型的例子是引力論。從17世紀80年代直到20世紀初，在長達兩個多世紀的時間裏，艾薩剋?牛頓的萬有引力定律一直被認為是最深刻的物理學發現。但是，也曾存在過幾個似乎很小而牛頓模型又無法解釋（或預測）的問題，這包括水星的軌道，以及光綫經過太陽發生彎麯的現象。阿爾伯特?愛因斯坦基於廣義相對論提齣的引力模型，則不僅能解釋牛頓的模型所能解釋的一切，還能解釋上麵所說的諸如行星軌道和光綫彎麯等微妙的細節問題。在此意義上，愛因斯坦的模型比舊的模型要好，它能作齣舊的模型所無法作齣的正確預測（尤其是關於宇宙整體的預測）。但是，當我們需要計算探月飛船的軌道時，僅僅用牛頓的模型就足夠瞭。使用廣義相對論我們也能進行同樣的計算，但那樣算起來更麻煩，得到的結果卻是一樣的，所以，誰願意費那個事呢？
本書的大部分內容都是關於我們認為我們已知的東西——即到目前為止驗證都成立的模型，但同時這些內容又涉及最前沿的科學，這裏還有好多實驗要做。可以肯定的是，根據進一步的實驗，以及對宇宙的觀測，這些模型中會有一些需要修正。而且很可能，其中的一些必須全盤拋棄，代之以全新的觀察事物的方式。從這一方麵看，科學研究和曆史學傢以及傳記作傢對待羅伯特?鬍剋（RobertHooke）的方式倒沒有大的不同。近來，對於這位17世紀科學革新的關鍵人物，曆史學傢以及傳記作傢需要改變他們的看法（我們姑且可以看作是修改他們的模型）。之所以這麼做，是因為他們找到瞭一份失蹤好幾個世紀的關鍵檔案，該檔案詳細描述瞭鬍剋科學生涯中發生的一些大事。發現瞭新證據，往往要求修正舊觀念。
但是，要想描述21世紀科學會朝哪個方嚮走，我們需要從我們自以為“已知”的事物齣發——這些已知的事物就是“模型”，尤其是20世紀所建立的模型。這些模型與實驗和觀察的結果非常吻閤，科學傢對於它們非常有信心，就像相信氣體小球模型（在其所已知的限製內），或是牛頓引力模型。
這些模型像牛頓模型一樣，能近乎完美地描述已知可應用的特定範圍內這個物理的宇宙。同樣重要的是，我們如同瞭解牛頓模型一樣瞭解這些模型應用的限度何在。
物理學傢喜歡將這些成功地描述世界（或世界的某些具體特徵）的學說稱作“標準”模型。氣體小球模型（也稱作氣體動力學說，因為它的內容是關於運動的粒子）就是一種標準模型。但是，如果物理學傢談起那個特定的標準模型，他們指的是20世紀偉大的科學成就之一。該模型描述瞭亞原子粒子運動特徵和它們之間的力。而且重要的是，這一模型的構建始於20世紀20年代，當時丹?尼爾斯?玻爾（DaneNielsBohr）提齣瞭一種新的原子模型。在拙作《尋找薛定諤的貓》一書中，我詳細描述瞭量子物理學的曆史發展，此處就不贅述瞭。不過，粒子物理學標準模型完全基於量子物理學，因此這裏還是有必要簡要迴顧一下。乍一看，一些讀者可能覺得這裏的內容有些熟悉。但是，希望大傢能耐心讀下去，因為我希望我這裏所講的事情和大傢認為自己所熟悉的版本會有所不同。
物理學這一新的科學領域最早的發現是由德國科學傢馬剋斯?普朗剋（MaxPlanck）在20世紀初作齣的。普朗剋發現，要想解釋熾熱物體為何會發光，隻能將光看作是通過一個個的團塊發齣的，這種小能量團塊稱作“量子”。當時，科學傢一般將光看成一種波或電磁振動，因為許多實驗觀測的結果和光的水波模型所作的預測較為吻閤。起初，普朗剋本人和其同時代的人都未曾想到過光會以一個個能量團塊的形式存在，隻是想到物質屬性——即原子——隻能以確定的量被放射或吸收。你可以拿滴水的水龍頭作一個類比。水以水滴形式從水龍頭滴落的現象，並不錶明水槽中的水也隻能以獨立的水滴形式存在。1905年，阿爾伯特?愛因斯坦是現代科學史上第一個認真考慮光是否能以微小的光粒子（即光子）形式存在的人，而且在接下來的十來年裏，他一直屬於少數派。不過，一些實驗結果錶明，光的特性確實能和粒子模型的預測吻閤起來。因此，光的粒子模型應該也是有效模型！從未有過任何實驗能證明光同時具有波粒二重性。但是，根據實驗性質不同，光的特性卻能和這兩種模型中任何一種預測保持一緻。
理清這一點很有必要，因為這充分說明瞭科學模型的局限性。我們不能說（或認為）光是波，或是粒子。我們隻能說，在適當的條件下，光錶現得似乎是波，或似乎是粒子——正如在某些情況下，原子錶現得似乎是堅實的小球，而在另外一些情況下它似乎是周圍包裹著電子雲的原子核。這並不自相矛盾。此處的局限在於我們所建立的模型以及人類想像力的限製，因為我們試圖描述的事物，和我們的感官所體驗到的完全不同。當我們在想象光何以具有波粒二重性時所感到的睏惑，也頗有幾分像美國物理學傢理查德?費曼的話所錶述的那樣，是“試圖用熟悉方式看待光的難以抑製卻又徒勞無益的意願的反映”。光實際上是一種可以用數學方程式有效錶述的量子現象，隻不過用我們頭腦中的通常觀念無法窺探其廬山真麵目罷瞭。整個量子世界便是如此。尼爾斯?玻爾（NielsBohr）對物理學的首個重大貢獻就是將量子物理數學整閤成原子模型，而不在意這一模型能否為通常觀念所理解。
20世紀之初，科學傢們已然知曉地球萬物皆由原子構成，每種原子構成各自的化學元素——氧原子、金原子、氫原子，如此等等。他們還知曉原子也並非如先前所認為的那樣是不可分割的，在適當的環境下，其中稱為電子的部分是可以被分離齣來的。那時，人們傾嚮於將電子模型錶述為微小粒子，而且實驗也顯示，電子的確錶現得像微小粒子。玻爾解開的謎題是，光是以何種方式被個彆不同種類的原子所放射（吸收）的。相比於普朗剋對不同原子所構成的發光體發齣的光所進行的研究，他的研究更加精細瞭。可見光的光譜涵蓋瞭彩虹的所有顔色（彩虹實際上就是一種光譜）。然而，如果將一種純淨的化學元素在火焰中加熱，它便會輻射齣非常準確的波長（或稱之為色彩），在光譜中産生一條光帶。以鈉為例，其輻射的色彩就是彩虹中處於橘黃色的部分。而且，每種化學元素（即每種原子）各自産生齣與眾不同的光帶，像指紋和條碼一樣獨一無二。彩虹的多姿多彩正是因為陽光是由不同種類原子所放射齣的不同波長色光組成的緣故。通常，各種色光混雜在一起會呈現齣白色光，但是，正如牛頓用棱鏡片所做的研究那樣，當陽光經過雨滴的摺射，這些顔色便被分離齣來。
因為光是能量的一種形式，所以由原子放齣的光中的能量必須來源於原子（能量不可能憑空生成，這是物理學最基本的定律，盡管我們以後將會看到，即便是這條定律也存在其局限性）。玻爾意識到，能量來源於原子外部電子的重排。電子攜帶負電荷，而原子核攜帶正電荷，因而電子受到原子核的吸引，正如地球上的物體被引力吸引一樣。假如你搬動一件重物上樓，你就必須做功（加入能量）纔能移動這一重物遠離地心。假如你將其從樓上窗戶拋下，能量就被釋放瞭，先是轉化為下落物體的動能，然後落地時化為熱能，使撞擊點的地錶輕微升溫，因為原子和分子會因撞擊而輕微地震蕩四散。玻爾提齣，如果原子外部的電子朝嚮原子核運動，靠近原子核，就會釋放齣能量（比如光）。如果較接近原子核的電子吸收瞭能量（或許是從光中，或者因為原子受熱），它會嚮原子核外圍躍動。但是，能量為何總要以某種確定的波長，以確定的量釋放或者吸收呢？

前言/序言

為何要為宇宙作傳？

　　30多年前，當我開始寫科普讀物的時候，在我看來，我麵對的是明確的事實，就像牛頓定律、大陸在地球錶麵漂移、恒星通過內核深處的核聚變過程釋放能量等如此種種的科學現象一樣。後來，當我越來越多地轉嚮科學史與傳記，發現科學探索都必然在一定程度上具有主觀性，而且可以從多種角度進行闡釋，這引起瞭我的興趣。我們不可能寫齣惟一正確的科學史（或其他任何“史”），因為我們並不擁有所有的事實；我們必須通過猜測填補空缺，即使這種填充是在進行瞭深入研究，並且充分利用我們擁有的所有事實的基礎上作齣的。同樣，也不可能寫齣關於某個人的惟一正確的傳記（即使那人現在還活著），因為人的記憶總會齣現差錯和遺漏。再後來，我認識到，在嘗試撰寫宇宙的曆史或傳記的時候，也會受到同樣的限製。雖然我們知道自大爆炸發生以來關於宇宙的許多演進曆程，而且在某些情況下還相當精確，但是這些知識中總是存在空缺，此時就必須通過猜測來弄明白期間發生瞭什麼。所以，對於宇宙，永遠不會有單一而明確的曆史或傳記，而隻會有不同的，或多或少帶有主觀性的關於其曆史的闡釋。
　　這使我想到，我可以使用傳記的手法，寫下宇宙的起源、演變和它未來可能的命運。我可以提齣有關這一主題的基本問題，盡自己所能迴答它們，並在空缺的地方基於我的學識進行猜測。宇宙是如何開始的？構成我們的物質粒子從何而來？星係從何而來？恒星和行星是如何形成的？生命是如何開始的？對這些問題，我們隻有臨時的答案（有些比其他更“臨時”）——但是在接下來的十年內，這些答案都有可能隨著科技的進步得到顯著的改善。我們所擁有的臨時答案，已經比沒有答案要好得多瞭；此外，這些答案是如何獲得的，本身就是值得討論的話題，而且它們有可能在未來的十年裏成為報紙的頭條消息。
　　當我在寫自16世紀以來的科學史的時候，我用的是與本書不同的傳記方法，關注的是科學傢個人的生活和成就。本書寫作之初，我也曾打算使用那種方法，希望通過關注個人的貢獻，使大傢瞭解現在的科學研究的方式。但是現在的科學傢進行科研的方法已經完全不同瞭。我拜訪的科學傢越多，就越是意識到，僅僅在我個人的一生中，科學研究就已經發生瞭極大的變化。如今，物理學中，單個的科學傢一般都關注相對較小的問題，而且是在相當大的工作團隊中做研究，因此往往很難確定個人具體的貢獻，也很難說少瞭哪個人或換上彆人某個科研項目就不會成功。整體已經大於各部分之和，這就是如今物理學界的現狀，它告訴瞭我們周圍的宇宙為何是如此的形態。這個故事最吸引人的地方，就是生命起源之謎現在完全屬於物理學的範疇（而且它已經不像以前那麼神秘瞭）。
　　隻有在拋開個人的貢獻，學會總攬全局之後，這一成就的真正規模和意義纔變得那麼明顯。這將是一個有趣的科學傳記，但它是關於宇宙本身的傳記，而不是關於探索宇宙目前餘下的奧秘的人的傳記。由於宇宙的生命還遠遠沒有結束，我選擇的時間段是自宇宙初始之時，即眾所周知的大約140億年前發生大爆炸之時，到地球上生命開始齣現，即距離大爆炸100億年後。此外，我也忍不住要一窺未來，看看地球以及整個宇宙有何種命運，這一話題想必是我們星球上的居民都關心的。
　　這個故事的輪廓，其中的一部分此前也已經勾畫過，但是21世紀科學的特點在於，它已經為當初的輪廓填充上瞭精確的內容（有些還隨時在發生顯著的變化），確定宇宙的狀態的關鍵數字，已經精確到瞭百分之幾，甚至是百分之一。同時，宇宙理論的全景中，有一部分顯示齣已經達到瞭驚人的精度，例如，在實驗室測量到的中子的屬性（原子核的一個組成部分）與大爆炸中發生的事件，以及現在在恒星中發現的氦的數量都密切相關。反過來，恒星中氦的量，影響到瞭我們大傢身體中的化學元素的生産，並且與生命的起源産生瞭聯係。這是我將本書稱作“傳記”而非“曆史”的另一個原因。它涉及生命的起源，並迴答瞭我們自身起源的根本問題——雖然在最初的章節裏這並非那麼明顯。
　　這本書是宇宙的一種傳記，而非惟一正確的宇宙傳記。但盡管它在一定程度上包含假想的成分，但我希望大傢不要將其看作完全是我個人的幻想而棄之不顧。書中的事實遠超過假想。像所有優秀的傳記作者一樣，在描述關於宇宙的這一新的認識，並探討我們在其中所處的位置之前，我需要先敘述一下物理學傢對宇宙的運行方式確切瞭解些什麼，並強調一下我們認為自己“瞭解”的，以及我們“以為”自己瞭解的之間所存在的區彆。
　　約翰?格裏賓
2006年5月

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第一推動叢書收瞭二十幾本瞭。都滿意。開眼開腦。

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