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[!--downpath--]开本：16开
页脚：350页
定价：98元
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内容简介：理论化学学是研究物质、能量、时间和空间以及它们的互相作用和运动规律的科学，它阐明的是自然界中所有化学现象的本质。其研究对象非常丰富，小到物质的基本组分夸克，大到整个宇宙。理论化学学经过20世纪的蓬勃发展后，现今仍有大量的重要问题急待回答，如暗物质的性质、暗能量的本质、粒子化学标准模型的完备性以及是否存在赶超标准模型的新数学、爱因斯坦的广义相对论是否是引力理论的终极理论、大统一理论是否存在、宇宙的起源、量子热学的演绎、黑洞的本质以及引力的量子化和时空的起源等。另外，理论化学在其他学科领域具有宽广的应用，如生物体系、社会复杂系统、能源问题等。本书搜集了中国科大学理论化学研究所科研人员近些年来撰写或则翻译的涉及上述课题的一些优秀科普文章。
推荐理由：2018年是中科院理论化学所建所40华诞，本书收录了该所科研工作者历年来的优秀科普作品。涉及量子热学的本质，粒子化学标准模型和宇宙的起源和演变，核化学及超重元素，统计数学、生物化学及其相关交叉学科，科学研究方式和建议，等。既包含郝柏林先生关于统计数学、生物以及混沌的精典科普文章，也包括现今活跃在一线的研究者对科学前沿的介绍，适宜对化学领域感兴趣的广大读者。
目录：
《从夸克到宇宙：理论化学的世界》节选
黑洞的本质（蔡荣根曹利民）
1精典黑洞的本质
1.1哪些是黑洞?
简略地说，“黑洞是时空中连光都逃逸不出的区域”。这是一个朴实但又十分不平凡的关于黑洞的描述方法。真正地理解这一描述是一件不容易的事，缘由在于人们对于时空概念理解的不同，或则对连光都逃逸不出这一过程划分的不同。这儿我们乐意从历史发展的眼光来看待这个问题。
在介绍黑洞这个概念时，好多人乐意提到怎样在牛顿热学的框架下理解一个黑洞。这些看法可以溯源到18世纪的法国神父兼自然哲学家米歇尔()。1783年，米歇尔在献给卡文迪许()的一封信中提出了暗星的概念(图1)。这封信中的内容于1784年在荷兰皇家学会发表。同时代的美国知名学者拉普拉斯()于1796年也独立地提出暗星的看法，且将这个看法讲到了其专著duSystèmeduMonde的第一和第二版中，并于1798年给出了一个光逃逸不出的证明。拉普拉斯的工作被霍金()和埃利斯(Ellis)翻译成中文太空物理实验，并置于她们1973年所著的TheLargeScaleofSpace-time一书的附表中，因而广为人知。1979年，剑桥学院的引力数学学家杰彭斯()在New刊物中的一文强调了米歇尔的工作。自那时起，米歇尔的贡献才被人们广泛知悉。
图1米歇尔献给卡文迪许的信中关于暗星的部份
拉普拉斯关于暗星的讨论基于牛顿引力理论和光的粒子学说：假如恒星表面光子的动能大于它的引力势能，光子便不才能逃逸到无限远处。由此可以很容易得到质量为M的恒星成为暗星时的最大直径为R=2GM/c2，其中c是光速，G是牛顿常数。这就是所谓的暗星，也是迄今为止人们才能发觉的人类关于黑洞*早的一个认识。须要强调的是：这个直径正好是爱因斯坦广义相对论中所预言的施瓦西黑洞的施瓦西直径。但这只是一个巧合。事实上，在同时代的学者看来，拉普拉斯等人的讨论存在着显著的漏洞，即需假设光速不依赖于参考系。但这和牛顿热学中任何物体的速率(包括光速)是一个相对的量相冲突。在牛顿热学框架下，总有一些化学过程(诸如星系表面附近速率很大的电子发射光)促使光子的速率超过c，并可以逃逸到无限远处天文学家的望远镜(图2)。在牛顿热学的框架下，化学讯号可以以无限大的速率运行，因而牛顿理论所在的时空中不存在信息逃逸不出的区域，即不存在真正黑洞的概念。其实我们如今晓得光速不依赖于参考系是狭义相对论的一个基本假定。可见，若希望理解黑洞太空物理实验，相对论性的时空观是必要的。
图2米歇尔和拉普拉斯的暗星。牛顿时空中不存在真正意义上黑洞的概念
在牛顿时代或更早，人们关于时空的认识是接近日常生活的。先知告诉我们：在这种时空中时间和空间是分离的(这是一种典型非动力学的，人为加入的“背景结构”)，每一个时刻都存在一个三维的空间。
时间和空间的分离意味着我们须要两套测度，分别来评判时间的间隔和空间的间隔。牛顿引力理论就是构建在这样的时空之上，相应的引力场多项式是一种典型的椭圆多项式，即泊松多项式。因而牛顿引力理论中没有引力波的概念。而引力互相作用是一种超距作用，化学讯号的传播速率可以是无限大。其实牛顿引力理论在数学上简单直观，但其物理结构是相对复杂的。不仅须要引入两套退化的度规，人们还须要额外的联络结构。并且这些联络结构并不能由这两套度规确定。在相对论性时空中时间和空间没有先验地分离，而是融合在一起成为一个四维的对象。这意味着相对论性的时空只须要一个评判“时空间隔”的测度，或则说只须要一个度规。更进一步地，好多情况下，拿来描述时空弯曲程度的联络也由度规惟一确定。因而相对论性时空中没有“人为的背景”，具有比牛顿引力理论更为简单的物理结构。任何化学讯号都不能超光速，这一基本假定要求时空的每一点处都还能构造出一个光锥(图3)。换句话说，这个度规是洛伦兹的。这样，一个相对论性时空可以看成是一个二元组(M，g)，即一个四维流形M配上一个洛伦兹度规g。或则说一个相对论性时空就是一个洛伦兹流形。在化学上，相对论性时空上的引力理论更为自然。如广义相对论中的爱因斯坦场多项式，一般可以写成一个非线性(拟线性)偏微分等式组，但是在一些特殊的座标系（如谐和座标）下具有双曲多项式的特点。这意味着相对论性的引力理论具有传播自由度，存在引力波的概念。事实上，近来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台(LIGO)早已直接观测到了引力波的存在。这一引力波是由二个转动黑洞并合后形成的。在相对论性引力理论中，引力互相作用以有限的速率(如光速)传播，而不是超距作用。引力现象归结为时空的弯曲程度，这表明在一个相对论性的引力理论轻度规也是动力学的，而不是简单地作为背景或舞台出现在数学理论中。度规即是背景又是动力学变量这一特点是相对论性理论的一个核心。可以说，相对论性引力理论(如广义相对论)中的一系列重要的推论和困难都和这一事实密切相关。
图3相对论性时空上每一点处的矢量可以分为三类：类时、类光、和类空。类时矢量可以看作过该点的质点世界线在该点的切矢量，而类光矢量可以看成是过该点的光的世界线的切矢量，即光的4-波矢
比起牛顿或伽俐略时空，相对论性时空不仅拥有类时和类空无限远，还拥有类光无限远的概念。形象地说，所谓的类光无限远可以理解成时空上光线才能延展到的最远的“端点”的集合。一般来说，人们拿来
代表未来类光无限远。在闵氏时空上的任意一点发射的光都可以达到类光无限远。并且不是所有时空都有类似的性质呢？答案并不是。黑洞就是这样的时空，在这个时空中的一些区域发出的讯号未能抵达类光无限远。假如我们记时空为(M，g)，这么这样的区域可以记为
这就是时空上的黑洞区。其中
代表未来类光无限远
的过去。简而言之，所谓的黑洞区就是时空上连光都逃逸不出的区域。须要指出的是：这儿的时空是相对论性的时空，而光逃逸不出指的是光不才能抵达未来类光无限远。黑洞区域的边界称为“黑洞风波视界”(event)。为此人们常说：所谓的“黑洞风波视界是时空未来类光无限远过去的边界”。风波视界这个词最早由德国化学学家伦德勒()于1956年在宇宙学的研究领域内引入。其实他研究的是所谓的观测者的风波视界，不同于我们这儿的黑洞风波视界(图4)。1969年美国物理化学学家彭罗斯()将这一概念发展成所谓的“绝对风波视界”，也就是我们这儿的黑洞风波视界。其实黑洞风波视界也可以理解为一族逃逸到无限远处的观测者共有的风波视界。为此我们也可将黑洞区定义为
，其中
是上述的所有观测者所产生的集合。黑洞风波视界是时空中的类光超曲面(时空的3维子流形)，也就是说它的母线是类光曲线。
图4(a)为某个观测者的风波视界。观测者世界线的过去是图中的阴影部份，也是观测者有可能侦测到的时空的最大区域。而他(她)的风波视界是这个区域的边界。图(b)中的Ⅱ区为最大扩张施瓦西时空中黑洞区B。黑洞的风波视界是这个区域的边界。上图中的每一点代表一个二维的曲面。图(b)中的各类无限远早已通过共性映射拉到有限处。这样，压缩掉两维后，我们可以将时空画在一张纸上。这些图称为彭罗斯卡特图。在这些图中光的世界线都是和竖直方向成45°夹角的直线，如图中的直实线。图(b)上下的锯齿线代表最大扩张施瓦西时空中的奇点
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