宇宙是怎样炼成的？——大爆炸的故事

定　　价：78 元

• 作者：曾镜涛 著
• 出版时间：2021/11/1
• ISBN：9787515919430
• 出 版 社：中国宇航出版社

• 中图法分类：P159.3 
• 纸张：胶版纸
• 开本：16开

内容简介

本书介绍了西方科学家如何从17世纪开始到21世纪初，通过天文观察及理论了解，逐步改变和深化我们对宇宙的认识，特别强调了科学家们对光和万有引力的探索所起的作用。用历史故事的方式，以时为经，以科学人物的逸事和贡献为纬，浅入深出，使读者通过趣味性阅读，增强对客观物理世界认识的力量，在轻松的氛围中吸收近代的硬核宇宙概念。

编辑推荐

作者留美30多年，美国普林斯顿大学天文物理学博士，核聚变、空间等离子及微波物理专家。本书内容生动活泼，以讲故事的形式为主，贯穿宇宙大爆炸理论是如何从模糊的概念开始，一步步地成为今天有鼻有眼的模样，成为一个被主流科学界接受的宇宙模型，同时满足读者对宇宙奥秘的好奇。书中对宇宙学中一些较晦涩的理论，作者博采各种名家论述，以浅白的语言、生动的例证，深入剖析了其中的奥秘，使读者读起来恍然大悟。书中所描述的众多科学家虽然出身各异，但通过自身努力，都成为一代学者，可作为青少年的励志榜样。

序 言

宇宙是什么样的？宇宙有多大？宇宙有起源吗？它是不是亘古不变 的？又或是如何演化到如今这般状态？未来又会怎样演变？这些问题是每 个人脑海中的谜团，也是塑造青少年世界观的重要环节，并将影响他们的 人生观和价值观。 哀吾生之须臾，羡长江之无穷，古往今来，多少骚人墨客都有过这种 感叹。宇宙是否无穷无尽，古人不一定有答案，但人类的确很渺小。人生苦 短，渺小而又短暂的人生，如何能认识庞大而又古老的宇宙？作为本书的一 大特点，作者的重点不在于罗列大量的知识点，而是重点告诉青少年读者， 这些知识是如何获得和积累下来的，其中蕴含着丰富的科学思维方式和科学 方法。对科学思维方式和科学方法的介绍不足，是目前中国科学教育的短板。 西方科学发源于 16 世纪哥白尼的日心说，从此拉开了西方科学革命 的帷幕，此后一连串的连锁反应，使西方文化产生一个大跃进。从 1642 年 a 牛顿诞生，到 1842 年《南京条约》的签订，不过短短的 200 年光景，欧 a 按照牛顿出生时的英国旧历法，牛顿生于 1642 年 12 月 25 日，但根据今天的历法 来说，则是生于 1643 年 1 月 4 日。 为 了 弥 补 其 前 身 朱 利 安 历 法（Julian calendar）的 不 准 确 之 处， 公 历（Gregorian calendar），我们今天使用的日历系统，于 1582 年由天主教皇格雷戈里十三世颁布的教皇法 令首次推出。经过三个多世纪，从 1582 年到 1927 年，公历才为所有国家采用。英国和它 的殖民地花了将近 200 年的时间（1752 年）才从朱利安历法改变为公历，因此在牛顿去世 时（1727 年），英国还没有改为我们今天使用的公历。 洲在这期间人才辈出，百花齐放，近代科学从此产生，西方列强开始称 霸全球。同一时期，东方大清帝国的君臣上下，知识分子，还在做天朝大 国的春秋大梦，盲目自大、闭关锁国，错过了大航海时代，错过了科技革 命，东西方实力对比，此消彼长，发生了巨大的变化，以至曾经科技文化 领先世界几千年的中国，不得不面对几近被西方列强瓜分的命运。这一段 刻骨铭心的历史，是每一个中国人应该牢记的。写作本书的目的是对这一 段历史做系统性的梳理，重点放在近代天文学的发展上，特别聚焦在基础 科学的进步是如何提升人类对宇宙认识的。作为一个案例，近代天文学的 演进，可以使我们明白点点滴滴的知识，经过数百年时间积累下来，开始 时看来无关宏旨，但是经过世代的沉淀，产生了从量到质的变化，后引 起飞跃式的进步。 作者写作本书的意图有两方面：一方面是以这一段历史为鉴，使国人知 道科技的发展没有急功近利的捷径可走。当前中国科技要更上一层楼，正需 要踏踏实实地重走这个厚积的过程，才可以把科技的发展建立在一个牢固的 基础上。另一方面希望本书也是一本高水平的宇宙天文学通俗科普读物。 本书介绍西方科学家如何从 17 世纪开始到 21 世纪初，通过天文观 察及理论了解，一步一步地改变和深化我们对宇宙的认识，特别强调科学 家们对光和万有引力的探索所起的作用。用历史故事的方式，以时为经， 以科学人物的逸事和贡献为纬，浅入深出，梳理清楚，使读者通过趣味性 的阅读，培养科学、理性的思维方式，增强对客观物理世界认识的力量， 在轻松的氛围中吸收近代的硬核宇宙概念，如四维时空、宇宙大爆炸、暗 物质、暗能量、引力波，等等。 本书的读者对象为中等或以上学历，对天文、航天有兴趣的年轻人。 书中所描述的众多科学家虽然出身各异，但通过自身努力，都成为一代学 者，可作为青少年的励志榜样。如爱因斯坦，他不是传统教育下的好 学生、尖子生、学霸，但他以创造性的思维，锲而不舍地攻克物理学中 的难题，石破天惊地发展并完成相对论的理论研究，成为前无古人的物理 与宇宙学大家。又如英国物理学家法拉第，尽管他出身卑微，13 岁便辍 学，到书籍装订店当学徒，但他努力自学，终于被尊为电磁学大师，电磁 学中的很多定律都是在法拉第实验中被发现的，引发了发电机和电动机的 发明，启动了第二次工业革命，使人类社会进入电气化时代。 宇宙是奇妙的，它不可思议的地方是，人类居然可以用理性思维 来理解它。贯穿本书的主题，是宇宙大爆炸理论如何从模糊的概念开始， 一步步地成为今天有鼻子有眼的模样，成为一个被主流科学界接受的宇宙 模型。作者在宇宙微波背景辐射被发现后不久即选择研习物理本科，正是 被当时科学界的兴奋所感染。本科毕业后，作者赴美国普林斯顿大学攻读 天文物理学博士，日后虽然因为种种原因没有进入宇宙学专业，但对宇宙 大爆炸模型发展的关注，从来没有松懈下来。特别是在普林斯顿的一段日 子，在师友交流讨论间，亲身感受大爆炸模型一线研究者的坚持与执着， 他们的热情和毅力，给作者留下了深刻的印象。大爆炸模型有今天的成就， 实在是来之不易。这一段历史，是人类以理性逻辑思维来破解宇宙奥秘的一 个典型例子。介绍这一段历史中大师们建模时的心路历程和他们所使用的 方法，具有巨大的教育意义，可以作为科研人员解决其他问题的参考。 作者留美 30 多年，是核聚变、空间等离子及微波物理的专家。回国 后任北京师范大学香港浸会大学联合国际学院教授，从事大学教育工作 长达 15 年。开设的宇宙天文学入门课 Space Time and Cosmos 也有十多 年历史了，其内容生动活泼，以讲故事的形式为主，满足年轻学子对宇宙 奥秘的好奇，深受欢迎。本书内容多基于此。所谓十年磨一剑，作者对有 关的科学知识的介绍，是经过教室实践检验的，一些宇宙学中较艰辛的理 论，如相对论的时空概念等，作者博采各种名家论述，以浅白的语言、生 动的例证，浅入深出地剖析其中奥秘，使学子们闻之往往有如醍醐灌顶， 恍然大悟。 本书的覆盖面很广，每一章都有它的独立性，可以做选择性阅读。章与章 间有一定的连贯性，前后呼应，覆盖了差不多 400 年的科学史，所以，为 了适应更广泛读者的阅读水平，不得不对素材和内容有所取舍，不免有沧 海遗珠之叹。一些相关高难度的题材不能做太专业的讨论，但有兴趣进一 步探讨的读者，可以依从每章后所附的参考材料，按个人爱好做更深度的 钻研。另一方面，鉴于近年来科幻和科学之间的区别变得模糊不清，特别 是在宇宙学领域，作为一本忠实的科普读物，我们坚持本书内容应该是基于 严谨的科学知识。对一些目前还没有得到实验证明的纯理论性臆测的猜想， 如四维时空中的虫洞、时间旅行、多重宇宙，甚至是宇宙大爆炸早期的暴 胀、超弦理论等话题，都不予讨论，目的是不想用猜测混淆当前的事实。 本书承蒙中国科学院欧阳自远院士、澳门科技大学月球与行星科学 实验室陈炯林教授鼎力推荐，在中国科学院国家天文台郑永春博士的建 议和多方帮忙下，申请获得航天科技图书出版基金资助，对本书的出 版，起了关键性作用，谨此衷心致谢。陈炯林教授是作者在普林斯顿大 学的学长，也是宇宙学大师，2019 年诺贝尔物理学奖得主皮布尔斯教授 （Prof. James Peebles）的入室弟子，当年作者从陈教授处获知不少有关 皮布尔斯教授的逸事，所以对这一段历史印象特别深刻，成为激发作者把 这些故事汇编成书的动力。此外，作者启蒙老师、香港中文大学陈方正教 授在百忙中抽空通读书稿，赐予许多宝贵意见，对此深深铭谢。 后，本书的出版，有赖于中国宇航出版社徐春梅、黄莘、赵宏颖等 工作人员的热心支持，十分感谢。 2021 年 6 月 30 日于广东五桂山

作者介绍

曾镜涛，留美30多年，是核聚变、空间等离子及微波物理专家。本科毕业后，赴美国普林斯顿大学攻读天文物理学博士，对宇宙大爆炸模型发展的关注从未停止。回国后，任北京师范大学香港浸会大学联合国际学院教授，从事大学教育工作15年，开设有宇宙天文学入门课 Space Time and Cosmos等课程。

目 录

章 光的本质与牛顿物理学／ 1 第 1 节 光能跑多快？伽利略，卡西尼，罗默／2 第 2 节 从光到万有引力胡克和牛顿的瑜亮之争／13 第 3 节 光更像是波？惠更斯，菲涅尔／27 第 4 节 不可见的光、电磁波赫歇尔、法拉第和麦克斯韦的贡献／36 第 5 节 本来无此物，何处寻以太？迈克尔逊与莫利的实验／46 第二章 光、爱因斯坦与相对论／ 57 第 1 节 凯尔文勋爵的两朵乌云！／59 第 2 节 骑在光波上的男孩 ／66 第 3 节 1905 年爱因斯坦的奇迹年 ／75 第 4 节 扭曲的时空广义相对论／87 第 5 节 牛顿爵士，您的重力理论错了 ! ／97 第 6 节 爱因斯坦：我一生中的失误／107 第三章 于无声处听惊雷天文史上的颠覆性发现／ 117 第 1 节 19 世纪的宇宙有多大？／118 第 2 节 星云是什么 ?／126 第 3 节 近代巨型望远镜的建造狂魔黑尔／131 I第 4 节 夜空中的魔眼变星／135 第 5 节 天文学的摄影革命哈佛天文台的妇女团队／140 第 6 节 巨人天文学家哈勃／149 第 7 节 星光中的奥秘 ／158 第 8 节 哈勃定律膨胀中的宇宙／168 第四章 其小无内 ?电子、质子、原子中的世界／ 183 第 1 节 葡萄干布丁，还是微型太阳系？原子的结构／184 第 2 节 地狱之火裂变核能的发现／196 第 3 节 聚变天上的火焰／200 第五章 有物混成，先天地生宇宙大爆炸／ 207 第 1 节 初的 5 分钟氦是怎样炼成的？／208 第 2 节 大爆炸的余晖宇宙微波背景辐射／213 第 3 节 贝尔实验室与普林斯顿寻找宇宙微波背景的竞赛 ／220 第 4 节 宇宙的婴儿照片霍金：本世纪重要的发现（宇宙 背景探索者卫星）／228 第六章 暗物质，暗能量／ 237 第 1 节 没有大爆炸的《创世记》，可能吗？／238 第 2 节 暗物质理论家的垃圾？还是上帝粒子？／243 第 3 节 暗能量量子世界中的空即是色？／251 第 4 节 宇宙的旋律微波背景辐射天空图中斑点的秘密／260 第 5 节 宇宙简史／266 结语：宏观、微观宇宙的大统一 万物理论与弦理论／ 269 参考文献／ 277