宇宙之美：物理學新探索（簡體書）

據調查，歐美等發達國家對宇宙學的認識和科普非常廣泛，甚至小學生都能對宇宙有基本的認知。近幾年，隨著我國航空航天事業的飛速發展，年輕人更需要瞭解宇宙科學，並培養對宇宙的興趣。只有大批青年人對宇宙充滿好奇和興趣，並投身於它的研究中，我們的科技才能進步。本書內容分為三大部分：地外生命、黑洞、蟲洞。本書建立在物理學理論基礎上，用通俗的語言介紹深奧的道理，包含牛頓力學在宇宙探索中的成就、宇宙的起源、恒星的演化、廣義相對論的理論、蟲洞研究的理論與困難等內容，旨在把物理學研究宇宙方面的新成果和前沿知識一一呈現給讀者。本書是一本科普讀物，可作為大學公選課教材，也適合對物理學和宇宙學感興趣的讀者閱讀，尤其是具備一定物理學知識的學生、教師和科研人員。

鞏曉陽，教授，河南科技大學物理工程學院副院長。河南省物理學會理事，洛陽市物理學會秘書長，曾獲河南省教學技能競賽一等獎。

前 言
PREFACE
美國物理學家、著名教育家、2017年諾貝爾物理學獎獲得者基普?索恩的導師約翰?惠勒曾說過：“要想瞭解一個新的領域，就去開一門這個領域的課程。”“要想瞭解一個新的領域，就寫一本關於那個領域的書。”“大學裡為什麼要有學生，那是因為老師有不懂的東西，需要學生來幫助解答。”讀到這幾句話，我心裡甚是感動，因為此書的成書過程基本上就是這樣的。
我對地外生命課題關注得比較早。大約是在1993年，有幸聆聽了北大著名物理學教授趙凱華先生的一次關於地外生命的講座，從此便開始關注這方面的相關成就。
作為一名高校教師，兢兢業業地教書和做些相關方面的研究一直是我的日常，然而轉折來自2011年對本學院相關專業（應用物理、材料物理）學生的一次調查。調查結果顯示，學生最感興趣的物理學前沿課題中，蟲洞的名字赫然在榜，一下子讓我這個從教20餘年的教師很慚愧，因為當時蟲洞對於我來說也僅僅停留在概念層面上。於是，我開始讀書，記筆記，整理，理解……
當我終於開始覺得有把握用自己的思路來理解黑洞和蟲洞的相關問題時，就開始準備教案和課件，並開設了全校公選課“物理學引領我們探索宇宙”。
課程進行得比較成功，每次選課的學生數量都是最多的，一名動物科學專業的學生曾在課後和我交談說：“老師，我覺得大學裡就應該開設像廣義相對論這樣高大上的課程。”我的回答是：“這話也對也不對，大學裡為了拓寬思路、開闊眼界，開設一些前沿的課程是好的，但是沒有經典物理、量子力學、狹義相對論等作為基礎，學習廣義相對論也僅僅是概念而已。如果基礎課程打牢，你會發現，利用一定的知識，廣義相對論的結論可以順理成章地推導出來，那麼它就不再高大上了。但是，高大上的理論還有嗎？有，它在你的前方，指引著你繼續探索研究，物理學也就繼續向前邁進了！”
這些求知的學生多可愛！為了這些熱愛科學、熱愛學習的學生，我不僅要把課講好，也萌生了把自己的理解條理化、通俗化，編寫成書，並與對此方面感興趣的讀者共勉的心願。
由於筆者水平有限，書中難免有錯誤之處，歡迎讀者批評指正！


鞏曉陽
于河南科技大學

目 錄
CONTENTS
第一部分 地外生命
第一節 探索地外生命的方法與進程
一、射電監聽
二、地球信使
第二節 生命存在的條件
第三節 太陽系內地外生命的探索
一、類地行星
二、類木行星
三、冥王星
四、小行星帶
第四節 太陽系外地外生命的探索
一、對類太陽系系統的探測
二、對類地行星的探測
第五節 地外生命探索的暢想
一、費米悖論與綠岸公式
二、生命存在模式
三、探索地外生命的暢想
第二部分 黑洞
第一節 宇與宙
第二節 恒星演化，走向黑洞
一、赫羅圖
二、恒星的能量
三、恒星演化過程
四、錢德拉塞卡與錢德拉塞卡極限
五、奧本海默和奧本海默極限
六、天狼星――白矮星的發現
七、中子星――預言與發現
八、恒星演化――走向黑洞
九、關心我們的太陽
第三節 廣義相對論，走向黑洞
一、經典物理學的困難
二、邁克爾遜干涉儀
三、狹義相對論的成就與困難
四、廣義相對性原理與馬赫原理
五、引力質量與慣性質量
六、等效原理和局部慣性系
七、走向廣義相對論
八、廣義相對論的場方程
九、如何理解時空彎曲
十、廣義相對論的實驗驗證
十一、從廣義相對論走向黑洞
第四節 黑洞的性質及觀測方法
一、黑洞的性質
二、黑洞的觀測方法
三、黑洞的類型
第五節 結束語
第三部分 蟲洞
第一節 從廣義相對論到蟲洞與白洞
一、愛因斯坦-羅森橋
二、白洞的預言
三、黑洞作為星際旅行通道的缺陷
第二節 從科幻小說到蟲洞
第三節 物理學理論中的蟲洞
一、蟲洞名字的創造者――惠勒
二、索恩的蟲洞研究
三、洛倫茲蟲洞和歐幾裡得蟲洞
四、理論計算出的蟲洞解
五、負能物質
六、負能物質的理論與實驗驗證
第四節 構建蟲洞
一、構建蟲洞的物理學模型
二、薄層近似下奇異物質的數量
三、薄層近似下蟲洞的應力分析
四、實現蟲洞穿越的其他設想
五、構建蟲洞面臨的其他困難
第五節 由蟲洞到時間機器
一、構築時間機器
二、時間機器引起的悖論
三、解決悖論的方法
參考文獻