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[!--downpath--]開本：16開
頁腳：350頁
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內(nèi)容簡介：理論化學學是研究物質(zhì)、能量、時間和空間以及它們的互相作用和運動規(guī)律的科學，它闡明的是自然界中所有化學現(xiàn)象的本質(zhì)。其研究對象非常豐富，小到物質(zhì)的基本組分夸克，大到整個宇宙。理論化學學經(jīng)過20世紀的蓬勃發(fā)展后，現(xiàn)今仍有大量的重要問題急待回答，如暗物質(zhì)的性質(zhì)、暗能量的本質(zhì)、粒子化學標準模型的完備性以及是否存在趕超標準模型的新數(shù)學、愛因斯坦的廣義相對論是否是引力理論的終極理論、大統(tǒng)一理論是否存在、宇宙的起源、量子熱學的演繹、黑洞的本質(zhì)以及引力的量子化和時空的起源等。另外，理論化學在其他學科領(lǐng)域具有寬廣的應(yīng)用，如生物體系、社會復(fù)雜系統(tǒng)、能源問題等。本書搜集了中國科大學理論化學研究所科研人員近些年來撰寫或則翻譯的涉及上述課題的一些優(yōu)秀科普文章。
推薦理由：2018年是中科院理論化學所建所40華誕，本書收錄了該所科研工作者歷年來的優(yōu)秀科普作品。涉及量子熱學的本質(zhì)，粒子化學標準模型和宇宙的起源和演變，核化學及超重元素，統(tǒng)計數(shù)學、生物化學及其相關(guān)交叉學科，科學研究方式和建議，等。既包含郝柏林先生關(guān)于統(tǒng)計數(shù)學、生物以及混沌的精典科普文章，也包括現(xiàn)今活躍在一線的研究者對科學前沿的介紹，適宜對化學領(lǐng)域感興趣的廣大讀者。
目錄：
《從夸克到宇宙：理論化學的世界》節(jié)選
黑洞的本質(zhì)（蔡榮根曹利民）
1精典黑洞的本質(zhì)
1.1哪些是黑洞?
簡略地說，“黑洞是時空中連光都逃逸不出的區(qū)域”。這是一個樸實但又十分不平凡的關(guān)于黑洞的描述方法。真正地理解這一描述是一件不容易的事，緣由在于人們對于時空概念理解的不同，或則對連光都逃逸不出這一過程劃分的不同。這兒我們樂意從歷史發(fā)展的眼光來看待這個問題。
在介紹黑洞這個概念時，好多人樂意提到怎樣在牛頓熱學的框架下理解一個黑洞。這些看法可以溯源到18世紀的法國神父兼自然哲學家米歇爾()。1783年，米歇爾在獻給卡文迪許()的一封信中提出了暗星的概念(圖1)。這封信中的內(nèi)容于1784年在荷蘭皇家學會發(fā)表。同時代的美國知名學者拉普拉斯()于1796年也獨立地提出暗星的看法，且將這個看法講到了其專著duSystèmeduMonde的第一和第二版中，并于1798年給出了一個光逃逸不出的證明。拉普拉斯的工作被霍金()和埃利斯(Ellis)翻譯成中文太空物理實驗，并置于她們1973年所著的TheLargeScaleofSpace-time一書的附表中，因而廣為人知。1979年，劍橋?qū)W院的引力數(shù)學學家杰彭斯()在New刊物中的一文強調(diào)了米歇爾的工作。自那時起，米歇爾的貢獻才被人們廣泛知悉。
圖1米歇爾獻給卡文迪許的信中關(guān)于暗星的部份
拉普拉斯關(guān)于暗星的討論基于牛頓引力理論和光的粒子學說：假如恒星表面光子的動能大于它的引力勢能，光子便不才能逃逸到無限遠處。由此可以很容易得到質(zhì)量為M的恒星成為暗星時的最大直徑為R=2GM/c2，其中c是光速，G是牛頓常數(shù)。這就是所謂的暗星，也是迄今為止人們才能發(fā)覺的人類關(guān)于黑洞*早的一個認識。須要強調(diào)的是：這個直徑正好是愛因斯坦廣義相對論中所預(yù)言的施瓦西黑洞的施瓦西直徑。但這只是一個巧合。事實上，在同時代的學者看來，拉普拉斯等人的討論存在著顯著的漏洞，即需假設(shè)光速不依賴于參考系。但這和牛頓熱學中任何物體的速率(包括光速)是一個相對的量相沖突。在牛頓熱學框架下，總有一些化學過程(諸如星系表面附近速率很大的電子發(fā)射光)促使光子的速率超過c，并可以逃逸到無限遠處天文學家的望遠鏡(圖2)。在牛頓熱學的框架下，化學訊號可以以無限大的速率運行，因而牛頓理論所在的時空中不存在信息逃逸不出的區(qū)域，即不存在真正黑洞的概念。其實我們?nèi)缃駮缘霉馑俨灰蕾囉趨⒖枷凳仟M義相對論的一個基本假定。可見，若希望理解黑洞太空物理實驗，相對論性的時空觀是必要的。
圖2米歇爾和拉普拉斯的暗星。牛頓時空中不存在真正意義上黑洞的概念
在牛頓時代或更早，人們關(guān)于時空的認識是接近日常生活的。先知告訴我們：在這種時空中時間和空間是分離的(這是一種典型非動力學的，人為加入的“背景結(jié)構(gòu)”)，每一個時刻都存在一個三維的空間。
時間和空間的分離意味著我們須要兩套測度，分別來評判時間的間隔和空間的間隔。牛頓引力理論就是構(gòu)建在這樣的時空之上，相應(yīng)的引力場多項式是一種典型的橢圓多項式，即泊松多項式。因而牛頓引力理論中沒有引力波的概念。而引力互相作用是一種超距作用，化學訊號的傳播速率可以是無限大。其實牛頓引力理論在數(shù)學上簡單直觀，但其物理結(jié)構(gòu)是相對復(fù)雜的。不僅須要引入兩套退化的度規(guī)，人們還須要額外的聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)。并且這些聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)并不能由這兩套度規(guī)確定。在相對論性時空中時間和空間沒有先驗地分離，而是融合在一起成為一個四維的對象。這意味著相對論性的時空只須要一個評判“時空間隔”的測度，或則說只須要一個度規(guī)。更進一步地，好多情況下，拿來描述時空彎曲程度的聯(lián)絡(luò)也由度規(guī)惟一確定。因而相對論性時空中沒有“人為的背景”，具有比牛頓引力理論更為簡單的物理結(jié)構(gòu)。任何化學訊號都不能超光速，這一基本假定要求時空的每一點處都還能構(gòu)造出一個光錐(圖3)。換句話說，這個度規(guī)是洛倫茲的。這樣，一個相對論性時空可以看成是一個二元組(M，g)，即一個四維流形M配上一個洛倫茲度規(guī)g。或則說一個相對論性時空就是一個洛倫茲流形。在化學上，相對論性時空上的引力理論更為自然。如廣義相對論中的愛因斯坦場多項式，一般可以寫成一個非線性(擬線性)偏微分等式組，但是在一些特殊的座標系（如諧和座標）下具有雙曲多項式的特點。這意味著相對論性的引力理論具有傳播自由度，存在引力波的概念。事實上，近來坐落加拿大路易斯安那州和芝加哥州的激光干涉引力波天文臺(LIGO)早已直接觀測到了引力波的存在。這一引力波是由二個轉(zhuǎn)動黑洞并合后形成的。在相對論性引力理論中，引力互相作用以有限的速率(如光速)傳播，而不是超距作用。引力現(xiàn)象歸結(jié)為時空的彎曲程度，這表明在一個相對論性的引力理論輕度規(guī)也是動力學的，而不是簡單地作為背景或舞臺出現(xiàn)在數(shù)學理論中。度規(guī)即是背景又是動力學變量這一特點是相對論性理論的一個核心。可以說，相對論性引力理論(如廣義相對論)中的一系列重要的推論和困難都和這一事實密切相關(guān)。
圖3相對論性時空上每一點處的矢量可以分為三類：類時、類光、和類空。類時矢量可以看作過該點的質(zhì)點世界線在該點的切矢量，而類光矢量可以看成是過該點的光的世界線的切矢量，即光的4-波矢
比起牛頓或伽俐略時空，相對論性時空不僅擁有類時和類空無限遠，還擁有類光無限遠的概念。形象地說，所謂的類光無限遠可以理解成時空上光線才能延展到的最遠的“端點”的集合。一般來說，人們拿來
代表未來類光無限遠。在閔氏時空上的任意一點發(fā)射的光都可以達到類光無限遠。并且不是所有時空都有類似的性質(zhì)呢？答案并不是。黑洞就是這樣的時空，在這個時空中的一些區(qū)域發(fā)出的訊號未能抵達類光無限遠。假如我們記時空為(M，g)，這么這樣的區(qū)域可以記為
這就是時空上的黑洞區(qū)。其中
代表未來類光無限遠
的過去。簡而言之，所謂的黑洞區(qū)就是時空上連光都逃逸不出的區(qū)域。須要指出的是：這兒的時空是相對論性的時空，而光逃逸不出指的是光不才能抵達未來類光無限遠。黑洞區(qū)域的邊界稱為“黑洞風波視界”(event)。為此人們常說：所謂的“黑洞風波視界是時空未來類光無限遠過去的邊界”。風波視界這個詞最早由德國化學學家倫德勒()于1956年在宇宙學的研究領(lǐng)域內(nèi)引入。其實他研究的是所謂的觀測者的風波視界，不同于我們這兒的黑洞風波視界(圖4)。1969年美國物理化學學家彭羅斯()將這一概念發(fā)展成所謂的“絕對風波視界”，也就是我們這兒的黑洞風波視界。其實黑洞風波視界也可以理解為一族逃逸到無限遠處的觀測者共有的風波視界。為此我們也可將黑洞區(qū)定義為
，其中
是上述的所有觀測者所產(chǎn)生的集合。黑洞風波視界是時空中的類光超曲面(時空的3維子流形)，也就是說它的母線是類光曲線。
圖4(a)為某個觀測者的風波視界。觀測者世界線的過去是圖中的陰影部份，也是觀測者有可能偵測到的時空的最大區(qū)域。而他(她)的風波視界是這個區(qū)域的邊界。圖(b)中的Ⅱ區(qū)為最大擴張施瓦西時空中黑洞區(qū)B。黑洞的風波視界是這個區(qū)域的邊界。上圖中的每一點代表一個二維的曲面。圖(b)中的各類無限遠早已通過共性映射拉到有限處。這樣，壓縮掉兩維后，我們可以將時空畫在一張紙上。這些圖稱為彭羅斯卡特圖。在這些圖中光的世界線都是和豎直方向成45°夾角的直線，如圖中的直實線。圖(b)上下的鋸齒線代表最大擴張施瓦西時空中的奇點
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