第一推动丛书:25周年纪念版

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第一推动丛书:25周年纪念版

第一推动丛书:25周年纪念版

作者:(英)西蒙·辛格(Simon Singh

开 本:21cm

书号ISBN:9787535795588

定价:

出版时间:2018-01-01

出版社:湖南科学技术出版社

第一推动丛书:25周年纪念版 节选

再版序一个坠落苹果的两面:极端智慧与极致想象龚曙光 2017年9月8日凌晨于抱朴庐 连我们自己也很惊讶,《第*推动丛书》已经出了25年。或许,因为全神贯注于每一本书的编辑和出版细节,反倒忽视了这套丛书的出版历程,忽视了自己头上的黑发渐染霜雪,忽视了团队编辑的老退新替,忽视好些早年的读者,已经成长为多个领域的栋梁。对于一套丛书的出版而言,25年的确是一段不短的历程;对于科学研究的进程而言,四分之一个世纪更是一部跨越式的历史。古人“洞中方七日,世上已千秋”的时间感,用来形容人类科学探求的速律,倒也恰当和准确。回头看看我们逐年出版的这些科普著作,许多当年的假设已经被证实,也有一些结论被证伪;许多当年的理论已经被孵化,也有一些发明被淘汰 ……无论这些著作阐释的学科和学说,属于以上所说的哪种状况,都本质地呈现了科学探索的旨趣与真相:科学永远是一个求真的过程,所谓的真理,都只是这一过程中的阶段性成果。论证被想象讪笑,结论被假设挑衅,人类以其*优越的物种秉赋 ——智慧,让锐利无比的理性之刃,和绚烂无比的想象之花相克相生,相否相成。在形形色色的生活中,似乎没有哪一个领域如同科学探索一样,既是一次次伟大的理性历险,又是一次次极致的感性审美。科学家们穷其毕生所奉献的,不仅仅是我们无法发现的科学结论,还是我们无法展开的绚丽想象。在我们难以感知的极小与极大世界中,没有他们记历这些伟大历险和极致审美的科普著作,我们不但永远无法洞悉我们赖以生存世界的各种奥秘,无法领略我们难以抵达世界的各种美丽,更无法认知人类在找到真理和遭遇美景时的心路历程。在这个意义上,科普是人类极端智慧和极致审美的结晶,是物种独有的精神文本,是人类任何其他创造 ——神学、哲学、文学和艺术无法替代的文明载体。在神学家给出“我是谁”的结论后,整个人类,不仅仅是科学家,包括庸常生活中的我们,都企图突破宗教教义的铁窗,自由探求世界的本质。于是,时间、物质和本源,成为了人类共同的终极探寻之地,成为了人类突破慵懒、挣脱琐碎、拒绝因袭的历险之旅。这一旅程中,引领着我们艰难而快乐前行的,是那一代又一代*伟大的科学家。他们是极端的智者和极致的幻想家,是真理的先知和审美的天使。我曾有幸采访《时间简史》的作者史蒂芬?霍金,他痛苦地斜躺在轮椅上,用特制的语音器和我交谈。聆听着由他按击出的极其单调的金属般的音符,我确信,那个只留下萎缩的躯干和游丝一般生命气息的智者就是先知,就是上帝遣派给人类的孤独使者。倘若不是亲眼所见,你根本无法相信,那些深奥到极致而又浅白到极致,简练到极致而又美丽到极致的天书,竟是他蜷缩在轮椅上,用唯一能够动弹的手指,一个语音一个语音按击出来的。如果不是为了引导人类,你想象不出他人生此行还能有其他的目的。无怪《时间简史》如此畅销!自出版始,每年都在中文图书的畅销榜上。其实何止《时间简史》,霍金的其他著作,《第*推动丛书》所遴选的其他作者著作,25年来都在热销。据此我们相信,这些著作不仅属于某一代人,甚至不仅属于20世纪。只要人类仍在为时间、物质乃至本源的命题所困扰,只要人类仍在为求真与审美的本能所驱动,丛书中的著作,便是永不过时的启蒙读本,永不熄灭的引领之光。虽然著作中的某些假说会被否定,某些理论会被超越,但科学家们探求真理的精神,思考宇宙的智慧,感悟时空的审美,必将与日月同辉,成为人类进化中永不腐朽的历史界碑。因而在25年这一时间节点上,我们合集再版这套丛书,便不只是为了纪念出版行为本身,更多的则是为了彰显这些著作的不朽,为了向新的时代和新的读者告白:21世纪不仅需要科学的功利,而且需要科学的审美。当然,我们深知,并非所有的发现都为人类带来福祉,并非所有的创造都为世界带来安宁。在科学仍在为政治集团和经济集团所利用,甚至垄断的时代,初衷与结果悖反、无辜与有罪并存的科学公案屡见不鲜。对于科学可能带来的负能量,只能由了解科技的公民用群体的意愿抑制和抵消:选择推进人类进化的科学方向,选择造福人类生存的科学发现,是每个现代公民对自己,也是对物种应当肩负的一份责任、应该表达的一种诉求!在这一理解上,我们将科普阅读不仅视为一种个人爱好,而且视为一种公共使命!牛顿站在苹果树下,在苹果坠落的那一刹那,他的顿悟一定不只包含了对于地心引力的推断,而且包含了对于苹果与地球、地球与行星、行星与未知宇宙奇妙关系的想象。我相信,那不仅仅是一次枯燥之极的理性推演,而且是一次瑰丽之极的感性审美 ……如果说,求真与审美,是这套丛书难以评估的价值,那么,极端的智慧与极致的想象,则是这套丛书无法穷尽的魅力! 《大宇之形》摘录 丘成桐第1章 想象边缘的宇宙(部分) 对数学家而言,维度指的是一种“自由度”,也就是在空间中运动的独立程度。在我们头上飞来飞去的苍蝇可以向任何方向自由移动,只要没有碰到障碍,它就拥有三个自由度。但维度是不是就只有那么多? 望远镜的发明以及随后多年以来的不断改良,帮助我们确认了一项事实:宇宙比我们能看到的还要浩瀚、广大。事实上,目前所能得到的*佳证据显示,宇宙将近四分之三是以一种神秘、看不见的形式存在,称为“暗能量”(dark energy),其余大部分则是“暗物质”(dark matter),再剩下来构成一般物质(包括我们人类在内)的,只占百分之四。而且物如其名,暗能量和暗物质在各方面都是“暗的”:既看不见,也难以测度。我们所能看见的这一小部分的宇宙,构成了一个半径大约137亿光年的球体。这一球体有时被称为“哈勃体”(Hubble volume),但是没人相信宇宙的整体范围只有如此而已。根据目前所得的*佳数据,宇宙似乎是无穷延伸的——不管我们向哪个方向看去,如果你画一条直线,真的可以从这里一直延伸到永恒。不过,宇宙仍有可能是弯曲而且有界限的。但即使如此,可能的曲率也会非常微小,以至于根据某些分析显示,宇宙必然至少有上千个哈勃体那么大。*近发射的普朗克太空望远镜,或许会在几年内揭露宇宙可能比一百万个哈勃体还大,而我们所在的哈勃体只是其中之一而已。我相信天文物理学家的这一说法,也了解有些人可能会对上面引述的数字有不同意见,但无论如何,有个事实是不容辩驳的:我们目前所见到的,不过是冰山一角。而在另一个极端,显微镜、粒子加速器以及各种显影仪器持续揭露宇宙在微小尺度上的面貌,显现了人类原先无法触及的世界,像细胞、分子、原子,以及更小的物体。如今我们不再对这一切感到惊讶,完全可以期待望远镜会向宇宙的更深处探索。另一方面,显微镜和其他仪器则会把更多不可见之物转为可见,呈现在我们眼前。*近几十年间,由于理论物理学的发展,再加上一些我有幸参与的几何学进展,带来了一些更令人惊讶的观点:宇宙不仅超出我们所能看见的范围,而且可能还有更多的维度,比我们所熟悉的三个空间维度还要多一些。 当然,这是个令人难以接受的命题。因为关于我们这个世界,假如有件事是我们确知的,假如有件事是从人类开始有知觉时就知道,是从开始探索世界时就晓得的,那就是空间维度的数目。这个数目是三。不是大约等于三,而是恰恰就是三。至少长久以来我们是这样认定的。但也许,只是也许,会不会还有其他维度的空间存在,只不过因为它太小,以至于我们无法察觉呢?而且尽管它很小,却可能扮演非常重要的角色,只是从人们习以为常的三维视野无法体认到这些罢了!这个想法虽然令人难以接受,但从过去一个世纪的历史得知,一旦离开日常经验的领域,我们的直觉就不管用了。如果运动速度非常快,狭义相对论告诉我们,时间就会变慢,这可不是凭直觉可以察觉到的。另外,如果我们把一个东西弄得非常非常小,根据量子力学,我们就无法确知它的位置。如果做实验来判定它在甲门或者乙门的后面,我们会发现它既不在这儿也不在那儿,因此它没有绝对的位置,有时它甚至可能同时出现在两个地方!换言之,怪事可能发生,而且必将发生。微小、隐藏的维度可能就是怪事之一。如果这种想法成真,那么可能会有一种边缘性的宇宙,一处卷折3 在宇宙侧边之外的地域,超出我们的感官知觉,而这会在两方面具有革命意义:单仅是更多维度的存在 ——这已经是科幻小说一百多年来的注册商标 ——这件事本身就够令人惊讶,足以列入物理学史上的*重大发现了。而且这样的发现将会是科学研究的另一起点,而非终点。这就好像站在山丘或高塔上的将军,得益于新增加的垂直向度,而能把战场上的局势看得更清楚。当从更高维的视点观看时,我们的 物理定律也可能变得更明晰,因而也更容易理解。 从苍蝇的世界看维度的意义我们都很熟悉三个基本方向上的移动:东西、南北、上下(或者也可以说是左右、前后、上下)。不管我们去哪里 ——不论是开车上杂货店或是飞到大溪地 ——我们的运动都是这三个独立方向的某种基本组合。我们对这三个维度太过熟悉,以至于要设想另一个维度,并且指明它确切指向哪里,似乎是不可能的。长久以来,似乎我们所见的即是宇宙的一切。事实上,早在两千多年前,亚里士多德在《论天》( On the Heavens)中就论称:“可在一个方向上分割的量,称为线;如果可在两个方向上分割的量,称为面;如果可在三个方向上分割的量,则称为体。除此之外,再无其他量。因为维度只有三个。”公元150年时,天文学家、数学家托勒密尝试证明不可能有四个维度,坚持认为不可能画出四条相互垂直的直线。他主张,第四条垂直线“根本无法量度,也无法描述”。然而,与其说他的论点是严格的证明,还不如说是反映了人们没有能力看到并描绘四维空间的事实。对数学家而言,维度指的是一种“自由度”(degree of freedom),也就是在空间中运动的独立程度。在我们头上飞来飞去的苍蝇可以向任何方向自由移动,只要没有碰到障碍,它就拥有三个自由度。现在假设这只苍蝇降落到一个停车场,而被一小块新鲜柏油黏住。当它动弹不得时,这只苍蝇只有零个自由度,实质上被限制在单一点上,亦即身处于一个零维的世界。但这小东西努力不懈,经过一番奋斗后从柏油中挣脱出来,只可惜不幸翅膀受了点伤。不能飞翔之后,它拥有两个自由度,可以在停车场的地面上随意漫步。然后,我们的主角察觉到有掠食者(或许是一只食虫的青蛙),因此逃进一根丢弃在停车场的生锈排气管,苍蝇此时只有一个自由度,暂时陷入这根细长管子的一维,亦即线状的世界。但维度是不是就只有那么多?一只苍蝇在天上飞,被柏油黏住,在地上爬,逃进一根管子里 ——这是否就囊括了一切可能性?亚里士多德或托勒密应该会回答“是”,对一只没有高度冒险精神的苍蝇而言,或许也确是如此,但是对当代数学家来说,故事并没有就此结束,因为他们通常不认为有什么明显理由只停留在三个维度。我们反而相信,想要真正理解几何学的观念,像是曲率或距离,需要从所有可能的维度,从零维到 n维来理解它(其中 n可以是非常大的数)。如果只停留在三维,我们对这个概念的掌握就不算完整,理由是:比起只在某些特定情境才适用的断言,如果大自然的定律或法则在任何维度的空间中都有效,那么它的理论威力更大,也可能更基本。甚至即使你所要对付的问题仅限于二维或三维,也可能借由在各种维度中研究该问题而得到有利的线索。再回到我们那只在三维空间里嗡嗡飞的苍蝇,它可以在三个方向移动,亦即具有三个自由度。然而,假设还有另一只苍蝇在同一空间里自由移动;它同样也有三个自由度,整个系统就突然从三维变成六维的系统,具有六个独立的移动方向。随着更多的苍蝇在空间里穿梭,每一只都独立飞行而不与他者相关,那么系统的复杂度及其维度,也随之增加。 窥探更高的维度研究高维度系统的好处之一是,可以发现一些无法从简单场景里看出的模式。例如在下一章,我们将讨论:在一个被巨大海洋覆盖的球形行星上,洋流不可能在任何点都朝同一个方向流动(例如全部从西流向东)。事实上一定会发生的是:一定存在着某些点,海水是静止不动的。虽然这条规则适用于二维曲面,但我们只有从更高维的系统观察,也就是考虑水分子在曲面上所有可能运动的情况,才能导出这个规则。这是为何我们不断向更高维度推进的原因,希望看看这样能把我们带到什么方向并学习到什么。很自然的,考虑更高维度的结果之一是更大的复杂度。例如所谓“拓扑学”(Topology)是一门将物体依*广义的形状加以分类的学问。根据拓扑学,一维空间只有两种:直线(或两端无端点的曲线)和圆圈(没有端点的封闭曲线),此外再无其他可能性。你或许会说,线也可以是弯弯曲曲的,或者封闭曲线也可能是长方形的,但这些是几何学的问题,不属于拓扑学的范畴。说到几何学和拓扑学的差别,前者就像拿着放大镜研究地球表面,而后者则像搭上太空船,从外太空观察整个地球。选择何者,要视底下的问题而定:你是坚持要知道所有细节,比方说地表上的每一峰脊、起伏和沟壑,抑或只要大致的全貌(“一个巨大圆球”)便已足够?几何学家所关切的通常是物体精确的形状和曲率,而拓扑学家只在乎整体形貌。就这层意义而言,拓扑学是一门整体性的学问,这和数学的其他领域恰恰形成明显对比,因为后者的进展,通常是借由把复杂的物件分割成较小较简单的部分而达成。 也许你会问:这些和维度的讨论有何关系?如上所述,拓扑学中只有两种基本的一维图形,但直线和歪歪扭扭的线是“相同”的,正圆也和任何你想象得出的“闭圈”,不论是如何弯的,多边形、长方形,乃至于正方形都是相同的。二维空间同样也只有两种基本形态:不是球面就是甜甜圈面。拓扑学家把任何没有洞的二维曲面都视为球面,这包括常见的几何形体,像立方体、角柱、角锥的表面,甚至形状像西瓜的椭球面。在此,一切的差别就在于甜甜圈有洞,而球面没有洞:无论你怎样把球面扭曲变形(当然不包括在它中间剪洞),都不可能弄出一个甜甜圈来,反之亦然。换句话说,如果不改变物体的拓扑形态,你就无法在它上面产生新的洞或是撕裂它。反过来说,假如一个形体借由挤压或拉扯,但非撕裂(假设它是由玩具黏土做成的),变成另一个形体,拓扑学家就把这两个形体看成是相同的。只有一个洞的甜甜圈,术语称为“环面”(torus),但是一般甜甜圈可以有任意数目的洞。“紧致”(compact,封闭且范围有限)且“可赋向”(orientable,有内外两面)的二维曲面可以依洞的数目来分类,6/7这个数目称为“亏格”(genus)。外观回异的二维物体,如果亏格相同,在拓扑上被视为是相同的。先前提到二维形体只有球面与洞数不同的甜甜圈面两大类,这只有在可赋向曲面的情况才成立,本书所讨论的通常都是可赋向曲面。比方说,海滩球有两个面,即里面和外面,轮胎的内胎也有两个面。然而,对于比较复杂的情况,例如单面或“不可赋向”的曲面如 “克莱因瓶”(Klein bottle)和“莫比乌斯带”(Mbius strip),上述说法并不成立。

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