清华理解科学丛书

　　《那颗星星不在星图上：寻找太阳系的疆界》
介绍人类探索太阳系疆界的历史，并对一些常被人以讹传讹或误解、夸张的历史事件进行分析与澄清。《那颗星星不在星图上：寻找太阳系的疆界》共分32章。其中第1章简单回顾近代之前人类对行星的了解，第2～4章介绍天王星的发现，第5～7章介绍小行星带的发现，第8～10章介绍天王星出轨之谜及天文学家们为解决该谜团所作的早期努力，第11～16章介绍亚当斯与勒维耶对海王星的预言及海王星的发现，第17～19章介绍英法两国有关海王星预言的优先权之争，第20～21章介绍并分析由海王星档案所引发的新争论，第22章介绍寻找火神星的失败努力，第23～27章介绍冥王星的发现，第28～30章介绍柯伊伯带及其发现，第31章介绍行星新定义及冥王星的降级，第32章介绍奥托云及有关太阳伴星的猜测。
《从奇点到虫洞：广义相对论专题选讲》本书以能量条件为线索，对能量条件在其他一些广义相对论课题——比如奇点与奇点定理、正质量定理、宇宙监督假设一并进行介绍。本书将以严谨的物理框架为基础，用生动的文笔，翔实的资料，为幻想般的问题寻找尽可能现实的答案。通过本书您将会明白以下问题，黑洞能被摧毁吗？什么是彭罗斯猜想？白洞是真实还是幻想？虫洞可以构筑时间机器吗？时空的拓扑结构可以改变吗？黑洞能作为星际旅行的通道吗？什么是奇异物质？奇异物质存在吗？科幻影片中穿越虫洞的特技合乎物理吗？裸奇点会造成什么麻烦？“上帝”憎恶裸奇点吗？奇点是物理时空中的点吗？奇点的存在有多大的普遍性？什么样的虫洞才能成为星际旅行的通道？那通道一定是捷径吗？为什么像“正质量”那样貌似显而易见的特性在广义相对论中会成为难题？
《小楼与大师：科学殿堂的人和事》本书将以生动的文笔、翔实的资料、严谨的考据，为您解读科学史上的趣闻和争议。
《物含妙理总堪寻：从爱因斯坦到霍金》本书来源于作者长期以来在北京师范大学开设的一个科普讲座“从爱因斯坦到霍金的宇宙”。该讲座历时20余载，并在一些院校和单位举办过不同形式的讲座和公开课，重点介绍物理学和天文学领域的科普知识、科研前沿，以及科学发现的曲折历程，内容包括爱因斯坦与相对论、弯曲的时空、黑洞、宇宙的演化、量子论的创建与争论、原子弹与核能的和平利用、天文学的若干知识、对时间本质的探索等.
《上下百亿年：太阳的故事》本书将从一次虚拟的古希腊之旅开始，逐步深入地向读者介绍太阳这颗带给我们光和热，并且能让我们观察细节的既普通又独一无二的恒星。本书既介绍了我们对太阳的当前了解，也回溯了科学家们探索太阳奥秘的过程，并且还穿插了一些让读者可以自己参与的模拟探索。本书的内容涵盖了与太阳有关的从外部形态到内部结构，再到物理机制的各个方面。本书融语言的生动风趣与内容的严谨翔实于一体，可以让读者在享受阅读愉悦的同时体会科学的严谨与激动人心，并学到丰富的知识。
《因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦》这是“2014中国好书”获奖图书《小楼与大师：科学殿堂的人和事》的姊妹篇。本书汇集了作者近年撰写一系列科普作品，包括混沌理论、相对论、反物质、黑洞、虫洞、时间旅行、诺贝尔物理奖获奖成果、著名数学猜想和问题、谷歌背后的数学等诸多深受科学爱好者喜爱的内容。本书的取材和分析严谨深入，文笔却生动诙谐，深入浅出，适合广大科学爱好者及大、中学生阅读。通过本书，读者既可以学到丰富多彩的科学知识，也可以了解知识背后的科学探索故事及科学思想、科学方法等。
《迷蒙星空：探天之路》从古至今，宇宙科学与航天科技经历了怎样的过程？发生过哪些大的、著名事件？人们是如何来看待和认识这些的？对人类自身又产生了何种的影响？特别是时至今日，人类对我们身在其中的宇宙本质究竟了解到何种程度？有哪些重要的研究理论和成果？希望读者通过本书得以认识。宇宙处于永恒地变化、运动中。
《看不见的星：黑洞与时间之河》黑洞有哪些特点？本书用通俗生动的语言，从天文和物理等不同角度，描述了黑洞的来龙去脉，它的结构和性质，黑洞的信息疑难和奇点疑难，以及科学家们如何在争论中推动黑洞研究的发展。本书还通过对弯曲时空和黑洞的探讨，把读者引向千古未解的难题：时间究竟是什么？时间能不能测量，它有没有开始与终结？
《日出：量子力学与相对论》纵观20世纪物理学的百年发展史，可谓群星璀璨，英才辈出，本书描述了在20世纪初期，那个乌云密布的物理学天空中，海森堡等人如何看到日出的场景。在20世纪初期的量子力学与相对论大革命中，涌现了最多的类似于海森堡这样的物理学英雄人物，那是一个震撼人心的英雄时代。本书通过对这些英雄人物的成长经历与思想历程的梳理，从科学与文艺的双重角度建构了一个又一个栩栩如生的人物剪影。
《运动的旋律与变化的世界》用徘徊于通俗描述和专业逻辑之间的折中语言包括适当的拟人化语言，给读者展示和解释一些诸如雨滴与蚊子、钟爱数字7、飞机与昆虫、时间、蒲公英恋南风、高尔夫球、棒棒糖的融化、雪花与树叶飞舞等数百个常见现象的简单、简约和简美的一面，将某些看似复杂不可理解的现象用简单现象叠加或类比，深奥的原理用省时、省力和省料那样的直觉性语言表述，并适当关联出一些与文字、体育、生物、气象、音乐、心理学、数学和科技等方面的有用常识。分“动的世界”、“柔情似水”和“空中旋律”三大篇，是一部集知识性、趣味性和科学性于一体的综合科普读物。适合大中学生和具有各种知识结构的读者群，尤其适合那些喜欢用非专业思维、语言和大视野去理解科学、自然和其他现象的读者。也可用于有一定阅读和讲解能力的读者给有好奇心的少儿讲解知识。

　　卢昌海，出生于杭州，本科就读于复旦大学物理系，毕业后赴美留学，于2000年获美国哥伦比亚大学物理学博士学位，目前旅居纽约。著有《从奇点到虫洞：广义相对论专题选讲》、《太阳的故事》、《黎曼猜想漫谈》，并曾在《中国青年报》、《数学文化》、《科幻世界》、《现代物理知识》、《中学生天地》、《科学画报》等报纸、杂志上发表几十篇科普及专业科普作品。

总目录
那颗星星不在星图上：寻找太阳系的疆界
版权信息
序
自序
引言
1　远古苍穹
2　乐师星匠
3　巡天偶得
4　命运弄人
5　虚席以待
6　失而复得
7　名分之争
8　轨道拉锯
9　众说纷纭
10　数学难题
11　星探出击
12　三访艾里
13　殊途同归
14　剑桥梦碎
15　欲迎还拒
16　生日之夜
17　名动天下
18　轩然大波
19　握手言和
20　秘密档案
21　先入之见
22　火神疑踪
23　无中生有
24　歧途苦旅
25　农家少年
26　寒夜暗影
27　大小之谜
28　深空隐秘
29　巅峰之战
30　玄冰世界
31　冥王退位
32　疆界何方
附录　冥王星沉浮记
术语表
人名索引
术语索引
参考文献
从奇点到虫洞：广义相对论专题选讲
版权信息
第1章　能量条件
1.1　引言
1.2　能量条件
第2章　奇点与奇点定理
2.1　什么是奇点？
2.2　雷查德利方程
2.3　测地线束与共轭点
2.4　时空的因果结构
2.5　霍金-彭罗斯奇点定理
2.6　讨论
2.7　附录：雷查德利小传
第3章　正质量定理
3.1　渐近平直时空
3.2　广义相对论的动力学
3.3　ADM能量动量
3.4　正质量定理
3.5　舍恩与丘成桐的证明概述
3.6　威顿的证明概述
3.7　讨论
第4章　宇宙监督假设
4.1　黑洞、裸奇点及宇宙监督假设
4.2　摧毁黑洞——不可能的任务？
4.3　彭罗斯猜想与宇宙监督假设
4.4　壳层穿越奇点与壳层会聚奇点
4.5　走向严密表述
4.6　零质量标量场与裸奇点
4.7　讨论
第5章　虫洞物理学
5.1　萨根的小说
5.2　黑洞、白洞和虫洞
5.3　球对称可穿越虫洞
5.4　奇异物质——负能量的挑战
5.5　虫洞的“工程学”
5.6　由虫洞到时间机器
5.7　讨论
名词索引
人名索引
参考文献
后记
小楼与大师：科学殿堂的人和事 (理解科学丛书)
版权信息
自序
第一部分　科学史
书林散笔：小楼与大师
书林散笔：陨落的前辈
泡利效应趣谈
让泡利敬重的三个半物理学家
纪念戈革——兼论对应原理、互补原理及EPR等
一、著作等身的翻译家
二、经历坎坷的独行侠
三、关于玻尔的历史地位
四、关于对应原理
五、关于互补原理
六、关于EPR争论
七、结语
玻尔的错误
一、引言
二、玻尔的第一次错误：BKS理论
三、BKS理论的放弃
四、玻尔的第二次错误：科学革命综合症
五、结语
希尔伯特与广义相对论场方程
一、引言
二、希尔伯特对物理学的兴趣
三、希尔伯特的《物理学基础》
四、早期研究简述
五、校样风波
六、信件辨析
七、“借鉴”之争
八、尾声
他们为什么反相对论？
一、先声
二、德国的反相对论运动
三、苏联的反相对论运动
四、中国的反相对论运动
五、结语
从爱因斯坦妻子的“秘密贡献”谈起
希尔伯特第十问题漫谈
一、问题
二、算法
三、丢番图集
四、罗宾逊猜想
五、解决
附录：丢番图方程
黎曼猜想浅说
一
二
三
四
五
六
第二部分　其他
科学的目的
科学的方法
科学哲学讨论中的“大规模杀伤武器”
关于批评的资格
人名索引
术语索引

物含妙理总堪寻：从爱因斯坦到霍金 (理解科学丛书)
版权信息
作者简介
插页
前言
第一讲 爱因斯坦与物理学的革命
第一讲附录 狭义相对论的创立
第二讲 弯曲的时空——广义相对论
第二讲附录 爱因斯坦与广义相对论
第三讲 白矮星、中子星与黑洞
第三讲附录 漫谈黑洞（Ⅰ）
第四讲 霍金与黑洞
第四讲附录 漫谈黑洞（Ⅱ）
第五讲 膨胀的宇宙
第六讲 时空隧道与时间机器
第七讲 激动人心的量子物理
第七讲附录 玻尔对爱因斯坦光子箱实验的答复
第八讲 比一千个太阳还亮
第八讲附录 汤川对介子质量的估计
第九讲 漫步太阳系
第十讲 时间之谜
插页诗句的注释与随想
主要参考书目
后 记
上下百亿年：太阳的故事
版权信息
内容简介
序言
插图1
1 重返古希腊
2 天文自助游：推算太阳的大小和远近
3 地心说vs日心说
4 日食——既寻常又稀有的奇观
5 插曲：爱丁顿在1919
6 阳光里的奥秘
7 物理自助游：推算太阳的质量、光度和表面温度
8 光明的源泉 恐怖的核心
9 细小的粒子 巨大的谜团
10 标准太阳模型vs粒子物理标准模型
11 光子大逃亡
12 太阳的脉搏
13 谜团锦簇的太阳大气层
14 太阳的过去和未来
附录 太阳档案
人名索引
术语索引
参考文献
插图2
因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦
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作者简介
插图
献给
序言
第一部分　数学
孪生素数猜想
魔方与“上帝之数”
引言
一、风靡世界的玩具
二、魔方与“上帝之数”
三、寻找“上帝之数”
ABC猜想浅说
引言
一、什么是ABC猜想？
二、ABC猜想为什么重要？
三、ABC猜想被证明了吗？
谷歌背后的数学
一、引言
二、基本思路
三、问题及解决
四、结语
第二部分　物理
从巴西的蝴蝶到得克萨斯的飓风
一、决定论
二、早期研究
三、模拟天气
四、奇怪的结果
五、从蝴蝶到飓风
关于时钟佯谬
一、时钟佯谬简史
二、时钟佯谬简析
三、关于理想时钟
从等效原理到爱因斯坦-嘉当理论
一、等效原理
二、爱因斯坦-嘉当理论
黑洞略谈
反物质浅谈
一、一个令人苦恼的结果
二、错误描述中的正确结论
三、走错方向的电子还是走对方向的正电子？
四、从反粒子到反物质
五、宇宙的主人和客人
六、恼人的不对称之谜
七、结语
从伽利略船舱到光子马拉松
一、从相对性原理到相对论
二、破坏相对论的思路与后果
三、光子的马拉松——破坏相对论的证据？
质量的起源
一、引言
二、宇宙物质的组成
三、从机械观到电磁观
四、经典电子论
五、量子电动力学
六、质量电磁起源的破灭
七、对称性自发破缺
八、从希格斯机制到电弱统一理论
九、量子色动力学
十、同位旋与手征对称性
十一、手征对称性自发破缺
十二、赝戈德斯通粒子的质量
十三、一个93分的答案
纤维里的光和电路中的影
引言
一、光纤，信息时代的大动脉
二、CCD，数码摄影的电子眼
石墨烯——从象牙塔到未来世界
引言
一、来自象牙塔的新材料
二、通往未来世界的金桥
囚禁的量子，开放的应用
一、小有小的麻烦
二、囚禁的量子
三、开放的应用
第三部分　星际旅行漫谈
因为星星在那里
火箭：宇航时代的开拓者
一、引言
二、宇宙速度
三、齐奥尔科夫斯基公式
四、接近光速
五、飞向深空
生命传输机
虫洞：遥远的天梯
一、引言
二、什么是虫洞？
三、萨根式的问题
四、虫洞的“创世记”——恼人的因果律
五、虫洞工程学——负能量的困惑
六、穿越虫洞——张力的挑战
七、结语——遥远的天梯
时间旅行：科学还是幻想？
一、从《时间机器》讲起
二、面向未来与重返过去
三、广义相对论与时间旅行
四、时间旅行与因果佯谬
五、凝固长河与平行宇宙
六、幻想与历史
第四部分　其他
从民间“科学家”看科普的局限性
引言
一、民间“科学家”没有接受过系统的科学训练
二、民间“科学家”无意接受系统的科学训练
什么是民间“科学家”
一、新民科引发的问题
二、有关民科的几个较具误导性或典型性的观点
三、民科的定义
四、民科定义的应用
学物理能做什么？
关于普通科普与专业科普
人名索引
术语索引
迷蒙星空：探天之路
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作者简介
内容简介
插图
致谢
前言 THE MISTY UNIVERSE THE SKY OF THE ROAD
1 启蒙时期，迈出推测宇宙第一步
1.1 古代中国的宇宙及天文学
1.2 古埃及、美索不达米亚和古印度的宇宙及天文学
1.3 古希腊、罗马的宇宙及天文学
参考文献
2 宇宙及天文学的继续发展
2.1 中国的宇宙及天文学的进展
2.2 埃及、美索不达米亚、印度的宇宙及天文学进展
2.3 希腊、罗马的宇宙及天文学进展
参考文献
3 宇宙及天文学挣脱桎梏迈入科学
3.1 中国的宇宙及天文学从鼎盛滑向衰落
3.2 西方的宇宙及天文学挣脱桎梏，走入科学轨道
参考文献
4 天文观测新科技与宇宙、天文学新进展
4.1 天文观察和测试新科技
4.2 经典宇宙理论的创立与发展
参考文献
5 现代宇宙、天文学理论与宇宙实验观测证实
5.1 银河系之争及河外星系的确认
5.2 现代宇宙学理论和观测证实的发展
5.3 天体观测的进展
5.4 宇航时代到来
5.5 小结
参考文献
看不见的星：黑洞与时间之河
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插图
引言
第一章 初窥黑洞
加尔各答黑洞
拉普拉斯与米歇尔的“暗星”
苹果落地的故事
童年的牛顿
牛顿的丰收年
牛顿、胡克与万有引力定律的发现
牛顿与夫莱姆斯梯德的冲突
牛顿与莱布尼茨的争吵
神坛上下的牛顿
如何得出暗星的预言
高傲的拉普拉斯
托马斯·杨的功绩
奥本海默的暗星
第二章 恒星演化，走向黑洞
赫罗图
吻我一下吧，仙女！
爱丁顿的贡献
霍伊尔的贡献
恒星的演化
几种恒星的比较
弧矢射天狼
白矮星的发现
从主序星到红巨星
从红巨星到白矮星
电子自旋的发现
从白矮星到黑矮星
白矮星的质量上限
对中子星的预言
脉冲星-中子星
不公平的颁奖
超新星爆发
蟹状星云
中子星与黑洞的形成
Ⅰa型超新星和宇宙的加速膨胀
第三章 弯曲的时空
狭义相对论的成就
狭义相对论的困难
走向新理论的第一步：广义相对性原理
牛顿的水桶实验
走向新理论的第二步：马赫原理
引力质量与惯性质量
走向新理论的第三步：等效原理
惯性系的新定义
猜想：引力是几何效应
奥林匹亚科学院
非欧几何的创立
黎曼几何简介
探究弯曲的时空
走向广义相对论
物质告诉时空如何弯曲
时空告诉物质如何运动
如何理解时空弯曲
广义相对论的实验验证
引力红移
行星轨道近日点的进动
太阳附近的光线偏折
第四章 奇妙的黑洞
四维时空
世界线
光锥
球对称的弯曲时空
线元与度规
奇点与奇面
时空坐标互换
单向膜区与表观视界
黑洞内外的光锥图
无限红移面
事件视界
对零曲面的诠释
飞向黑洞的飞船
史瓦西坐标的缺点
自由下落坐标系
史瓦西时空的最大扩展——克鲁斯卡坐标
彭罗斯图
爱因斯坦-罗森桥
第五章 黑洞附近的物理效应
带电球体外部的时空
转动星体外部的时空
转动带电星体外部的时空
再谈度规
时轴正交，静态与稳态
奇异性
带电的黑洞
旋转的黑洞
旋转、带电的黑洞
单向膜区与能层
拖曳效应与静界
克尔-纽曼时空的彭罗斯图
极端黑洞和裸奇异
宇宙监督假设
无毛定理
彭罗斯过程
米斯纳超辐射
对自发辐射的猜想
爱因斯坦的辐射思想
激光的特点
负能困难
狄拉克真空
打击真空
赵忠尧的贡献
反物质
王淦昌的贡献
转动、带电黑洞视界附近的狄拉克能级
第六章 探索黑洞的明星——霍金
少年霍金
在牛津的大学生涯
疾病来袭——人生的转折
霍伊尔与斯亚玛
初露锋芒：与霍伊尔的争论
幸会彭罗斯
面积定理
贝肯斯坦的大胆创新：黑洞有熵和热
贝肯斯坦-斯马尔公式
霍金的反驳
霍金观点的转变：黑洞有热辐射
真空涨落
霍金辐射
克尔-纽曼黑洞的温度
安鲁效应
黑洞的负比热
第七章 黑洞的信息佯谬
信息疑难
重子数、轻子数是否守恒？
幺正性与概率守恒
霍金打赌
维尔塞克与帕瑞克的证明
黑洞表面的势垒
隧穿过程的图像
猜测：不存在信息守恒定律
黑洞过程信息不守恒
帕瑞克证明的漏洞
黑洞中的信息当真不会逸出吗？
动态黑洞的启示
动态黑洞热性质的探索
动态黑洞信息逸出的可能性
时空扰动引来的启示
结论与讨论
第八章 奇点——时间有无开始与终结
奇点定理的哲学意义
内禀奇点与坐标奇点
栗弗席兹与卡拉特尼科夫的失误
彭罗斯的创新思维
奇点：时空中无法修补的洞
奇点：时间的开始与终结
测地线与仿射参量
时空的因果结构
能量条件
共轭点
最长线：无共轭点的测地线
奇点定理的证明思路
步入探讨奇点的殿堂
对奇点困难的另类思考
奇点伴随温度异常
用安鲁效应研究测地线的温度
对类光测地线加速度的研究
奇点的证明与热力学第三定律冲突
第九章 时间测量的疑难与探索
用周期运动度量时间
度量时间需要先做“约定”
用运动定律度量时间——“好钟”
庞加莱的推测——“约定光速”
爱因斯坦遇到难解之谜
庞加莱对爱因斯坦的启发

　　听完了发现天王星的故事，有读者也许会提出这样一个问题，那就是天王星为什么没有更早地被人们发现呢？我们前面提到过，天王星的视星等在6左右，事实上，在最亮时它的视星等甚至可以达到5.5。（请读者想一想，什么情况下天王星看起来会最亮？）这样的亮度连肉眼都有可能勉强看到，却为何没有更早地就被人们发现呢？赫歇耳之前的天文学家们虽然没有像“七英尺望远镜”那样出色的望远镜，但他们的望远镜用来观测像天王星这样一个原则上连肉眼都有可能看到的天体却是绰绰有余的。自伽利略之后的那么多年里，那么多的天文学家在那么多个晴朗的夜晚仰望苍穹，却为何会将发现新行星的伟大荣誉留到1781年呢？
我们在前面的叙述中已经知道，赫歇耳发现天王星的过程并不是一个有意寻找新行星的过程，甚至在发现天王星之后他还一度将之视为彗星。这一切都表明天王星的发现带有一定的偶然性，是一个“无心插柳”的过程。与赫歇耳同时代的一些天文学家曾因此而将赫歇耳对天王星的发现视为是好运气之下的偶然发现。赫歇耳的一生对荣誉大体是看得比较淡的，但他对这种将他发现天王星的过程视为偶然的说法还是明确表示了反对。他写下了这样的文字：
我对天空中的每颗星星都进行了有规律的排查，不仅包括（像天王星）那样亮度的，还包括许多暗淡得多的，它（天王星）只不过是恰好在那个夜晚被发现。我一直就在逐渐品读大自然所写的伟大著作，如今恰好读到了包含第七颗行星的那一页。假如有什么事情妨碍了那个夜晚，我必定会在下个夜晚发现它。我望远镜的高品质使得我一看到它便能感觉出它那可以分辨的行星圆面。