时空与相对论 [Time and Space With the Theory of Relativity] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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李颂 编

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• 物理学
• 相对论
• 时空
• 爱因斯坦
• 科学普及
• 理论物理
• 现代物理
• 宇宙学
• 哲学
• 科普读物

出版社： 西安电子科技大学出版社

ISBN：9787560636900

版次：1

商品编码：11752506

包装：平装

外文名称：Time and Space With the Theory of Relativity

开本：16开

出版时间：2015-06-01

用纸：胶版纸

页数：208

字数：276000

正文语种：中文

内容简介

　　《时空与相对论》是一本有关相对论的通俗读物。《时空与相对论》分为上、下两篇，上篇阐述了时空观念演变的历史过程以及相对论的基本概念和基本原理；下篇通过严密的数学推导，提示了相对论原理的合理性，论证了相对论理论的正确性。《时空与相对论》既能满足文、理各科学生对相对论基本知识初步了解的要求，又能满足理科学生对相对论基本理论掌握的要求，其中所用到的数学推导，只需读者具备一般的微积分知识即可读懂。《时空与相对论》既可作为相对论初学者的入门教材，也可作为相对论爱好者及一般科技人员和中等以上学校物理教师的普及读物。

内页插图

目录

上篇 时空观的演变
第一章 文明诞生初期的时空观
1.1 四大古文明
1.1.1 古巴比伦
1.1.2 古埃及
1.1.3 中国
1.1.4 古印度
1.2 东方文明之时空观的形成和发展
1.2.1 东方文明的宇宙学说
1.2.2 东方文明最早的时间计量
1.2.3 东方文明最早的空间计量
1.2.4 东方文明对时间、空间和运动的认识
1.3 西方文明之时空观的形成和发展
1.3.1 西方文明的宇宙学说
1.3.2 西方文明之时空计量
1.3.3 西方文明早期的科学
1.3.4 西方文明对时间、空间和运动的认识
1.4 东西方古代时空观之异同
思考题
第二章 经典时空观
2.1 欧洲的中世纪
2.1.1 基督教
2.1.2 经院哲学的产生
2.1.3 经院哲学的衰落
2.2 文艺复兴和哥白尼革命
2.2.1 导致变革的要素
2.2.2 文艺复兴
2.2.3 哥白尼的革命
2.3 经典力学(近代科学)诞生的脉络
2.3.1 运动学研究
2.3.2 行星运动三定律的发现
2.3.3 碰撞理论
2.4 经典力学的建立
2.5 经典时空观
2.5.1 时空参考系统
2.5.2 力学定律的不变性
2.5.3 经典时空观(绝对时空观)
思考题
第三章 相对时空观
3.1 经典力学遇到的困难
3.1.1 万有引力理论的困难
3.1.2 经典时空观的不合理性
3.1.3 两朵乌云
3.2 狭义相对论诞生的脉络
3.2.1 光速研究
3.2.2 迈克尔逊-莫雷实验及其结论
3.3 狭义相对论的建立
3.3.1 狭义相对论基本原理的提出
3.3.2 洛伦兹变换的数学形式
3.4 狭义相对论的重要结论
3.5 狭义相对论时空观
3.6 广义相对论诞生的脉络
3.7 广义相对论的建立
3.7.1 广义相对论的两条基本原理
3.7.2 等效原理
3.7.3 广义相对性原理
3.8 广义相对论时空观
3.9 广义相对论的实验验证
3.10 宇宙理论简介
3.10.1 黑洞
3.10.2 宇宙的创生
思考题

下篇 相对论基础
第四章 数学基础
4.1 矢量及相关知识
4.1.1 预备知识
4.1.2 矢量
4.2 直线坐标系中的矢量
4.2.1 矢量的分量与投影
4.2.2 基矢量与共轭基矢量
4.2.3 矢量的逆变分量和协变分量
4.3 曲线坐标系中的矢量
4.3.1 基矢量
4.3.2 共轭基矢量
4.4 矢量的坐标变换
4.4.1 笛卡尔直角坐标系中矢量的坐标变换
4.4.2 曲线坐标系中矢量的坐标变换
4.5 张量运算
4.5.1 张量的定义
4.5.2 赝张量
4.5.3 张量的变换规律
4.5.4 张量代数
4.6 张量判别法——商定则
思考题
第五章 狭义相对论
5.1 狭义相对论基本原理
5.2 洛伦兹变换
5.2.1 迈克尔逊-莫雷实验
5.2.2 洛伦兹变换
5.3 狭义相对论的时空理论
5.4 狭义相对论的重要推论
5.4.1 相对论力学
5.4.2 相对论的质量
5.4.3 相对论的动量和能量
5.4.4 其他推论
5.5 四维时空
5.5.1 四维时空间隔
5.5.2 四维速度与四维加速度
5.5.3 四维动量
5.5.4 四维力
5.5.5 爱因斯坦质能公式
5.5.6 洛伦兹力的四维形式
5.5.7 电磁场方程的协变形式
思考题
第六章 广义相对论
6.1 广义相对论基本原理
6.2 引力的等效性研究
6.2.1 物体的引力质量和惯性质量
6.2.2 厄缶实验
6.2.3 等效原理
6.3 空间的内禀性质
6.3.1 度规张量
6.3.2 任意空间的度规张量
6.4 四维时空的度规张量
6.4.1 惯性参考系中的度规张量
6.4.2 引力场中的度规张量
6.5 度规张量和仿射联络之间的关系
6.5.1 度规张量的协变形式和逆变形式
6.5.2 仿射联络Γλ va的变换
6.5.3 度规张量和仿射联络之间的关系
6.6 引力场中的时间和长度
6.7 协变微分
6.7.1 矢量的协变导数
6.7.2 张量的协变导数
6.8 曲率张量与毕安基恒等式
6.9 引力场方程
6.9.1 引力场中运动方程的牛顿极限
6.9.2 引力场方程
6.9.3 弱场线性近似
6.10 球对称引力场中场方程的解——Schwarzschild解(施瓦西解)
6.11 广义相对论观测结果的理论证明
思考题
参考文献

前言/序言

好的，这是一份关于一本名为《星辰的低语：宇宙演化与暗物质的奥秘》的图书简介，旨在详细描述其内容，且完全不提及您提供的书名或相关主题。 --- 星辰的低语：宇宙演化与暗物质的奥秘 卷首语：在无垠中探寻起源 自人类仰望星空的那一刻起，对宇宙起源、结构以及最终命运的好奇心便从未停歇。我们脚踏实地的世界，不过是浩瀚图景中的一粒尘埃，而构成这粒尘埃的物质，在宇宙的宏伟叙事中，却仅占据了微不足道的一小部分。本书《星辰的低语：宇宙演化与暗物质的奥秘》便是一次深入的、跨学科的探索之旅，旨在揭示我们所能观测到的宇宙背后，那股强大而神秘的驱动力——暗物质和暗能量，以及它们如何塑造了我们今日所见的星系、星团乃至宇宙网的结构。 本书并非仅仅停留在对现有观测数据的罗列，而是力求构建一个清晰的知识脉络，从标准的宇宙学模型（$Lambda$CDM模型）出发，逐步深入到那些尚未被完全理解的前沿领域。我们期望引导读者，如同夜观星象的古人，但手持现代科学的利器，去重新审视宇宙的“过去”、“现在”与“未来”。 --- 第一部分：宇宙的黎明与结构的奠基 本部分着重于构建理解当代宇宙学的基本框架。我们将从宇宙大爆炸理论的观测证据（如宇宙微波背景辐射，CMB）开始，详述宇宙在极早期如何经历了暴胀阶段，并奠定了物质和能量的初始分布。 第一章：遗迹的低语——宇宙微波背景辐射的解读 本章深入剖析了CMB的各项精确测量结果，特别是其温度的微小涨落。这些涨落在我们看来是随机的噪音，却是宇宙结构形成的“种子”。我们详细讨论了如何从这些各向异性中反推出早期宇宙的物质密度、宇宙的曲率，以及这些数据如何强有力地支持了暴胀模型。同时，本章也会讨论CMB偏振（E模式和B模式）的物理意义，特别是B模式偏振作为引力波在早期宇宙中遗留印记的潜力。 第二章：星系的孵化——从密度涨落到宇宙网 宇宙中的物质并非均匀分布，而是通过引力作用，逐渐凝聚成了我们今日观测到的星系和星系团。本章聚焦于“大尺度结构形成”的模拟工作。我们将探讨冷暗物质（CDM）在引力坍缩中的主导作用，介绍希尔德斯-里德（Hierarchical Merging）模型，即小型的暗物质晕如何合并形成更大的结构。读者将了解到，如果没有暗物质作为“骨架”，普通物质（重子物质）的引力作用远不足以在宇宙的有限时间内容易地形成现今观测到的复杂星系。 第三章：星系动力学与晕的边界 本章将视角聚焦到单个星系层面。通过分析螺旋星系的旋转曲线，我们可以直观地感受到暗物质晕的存在。我们详细讲解了如何利用开普勒定律的修正形式来推导星系内部暗物质的质量分布模型（如NFW模型）。此外，我们将探讨星系团的动力学平衡，如维里定理在估算星系团总质量时扮演的角色，以及这如何反复印证了“看不见的物质”对星系运动的支配性影响。 --- 第二部分：隐形的主宰——暗物质的本质探索 如果说前一部分是描绘“舞台”和“演员”的布局，那么本部分则聚焦于探究那占据宇宙约27%质量密度的“隐形主角”——暗物质的物理本质。 第四章：证据链的收束——来自宇宙学的约束 暗物质并非仅仅是一个理论上的“补丁”。本章系统梳理了支持暗物质存在的多个独立天文观测证据链：从星系团的X射线气体弥散、引力透镜效应（弱透镜和强透镜）的几何测量，到对宇宙演化时间线的精确校准。特别是“子弹星系团”（Bullet Cluster）的观测，被视为暗物质与普通物质分离的最直接证据，本章会对其进行深入的案例分析。 第五章：粒子物理学的猎捕——寻找WIMP与超轻粒子 暗物质究竟是什么？本书详尽介绍了当前主流的候选粒子模型。我们将侧重探讨弱相互作用重粒子（WIMPs）的经典概念，包括它们在早期宇宙中可能形成的“冻结机制”（Freeze-out）。随后，我们将介绍基于中微子（Sterile Neutrinos）、轴子（Axions）等超轻粒子的理论框架，以及这些模型对星系形成早期低质量晕的影响（即“小尺度问题”的讨论）。 第六章：地下与天空的探测：实验的挑战与进展 本章将引导读者了解科学家们如何尝试直接“抓住”暗物质粒子。我们详细介绍了三大类实验的原理与进展： 1. 直接探测实验： 描述基于液态氙、氩等探测器如何寻找暗物质粒子与原子核发生弹性碰撞的微弱信号（如SuperCDMS, XENONnT）。 2. 间接探测实验： 分析通过暗物质粒子湮灭或衰变产生的γ射线、反物质（如费米伽马射线空间望远镜、AMS-02实验）。 3. 加速器搜寻： 探讨大型强子对撞机（LHC）中，通过寻找“缺失的横向能量”来间接推断暗物质粒子的产生。 --- 第三部分：宇宙的加速与最终命运 在完成了对物质部分的探索后，本书将目光投向驱动宇宙整体演化的另一股强大力量——暗能量，并探讨其对宇宙未来可能产生的深远影响。 第七章：超新星的警示——宇宙膨胀的加速 本章回顾了20世纪末的革命性发现：宇宙膨胀正在加速，而非如原先预期的因物质引力而减速。核心证据来自对Ia型超新星的精确光度测量。我们将详细解释Ia型超新星作为“标准烛光”的物理基础，以及它们如何被用于校准遥远星系的距离。这种对宇宙尺度的精确标定，直接引出了对暗能量这一概念的需求。 第八章：暗能量的猜想——真空的压力与动力学场 暗能量模型是当前宇宙学中最具争议也最引人入胜的领域之一。本章深入探讨了对暗能量的两种主要理论描述： 1. 宇宙学常数（Lambda, $Lambda$）： 爱因斯坦的“最大错误”——真空本身的能量密度。我们讨论了“真空灾难”问题，即理论计算值与观测值之间高达 $10^{120}$ 的巨大差距。 2. 动力学暗能量（Quintessence）： 引入一个随时间变化的标量场，其性质和演化轨迹是动态的。本章会分析如何通过观测哈勃参数随时间的变化来区分 $Lambda$ 与更复杂的动力学模型。 第九章：未来的全景图——宇宙的终极归宿 宇宙的未来命运完全取决于暗能量的性质。本章基于不同的暗能量方程状态参数（$w$），为读者描绘了未来宇宙的几种可能剧本： 大冻结（Big Freeze）： 如果暗能量保持为常数（$w=-1$），宇宙将持续加速膨胀，星系最终相互远离，温度趋于绝对零度。 大撕裂（Big Rip）： 如果暗能量的负压随时间增强（$w < -1$），膨胀最终会撕裂星系、恒星乃至原子本身。 大坍缩（Big Crunch）： 尽管当前观测不支持，但本书仍会简要回顾在特定暗能量衰减模型下，宇宙可能重新收缩的可能性。 --- 结语：未知的疆域 《星辰的低语》旨在展现科学探索的魅力——我们已经构建了一个在绝大多数尺度上都极其成功的宇宙模型，但这个模型却建立在不到5%的已知物质基础之上。暗物质和暗能量的本质，仍是悬挂在21世纪物理学前沿的宏伟谜题。本书的最后部分，鼓励读者以批判和开放的心态，去关注下一代观测项目（如詹姆斯·韦伯空间望远镜、欧几里得任务、LSST等）将带来的新数据，这些数据必将为我们揭开宇宙的深层秘密提供关键的线索。这是一场持续的探索，而我们才刚刚开始聆听星辰真正的低语。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验，对我来说，更像是一种精神上的“重塑工程”。它并非那种一气呵成的叙事，而是更像一套精密的建筑蓝图，需要读者自己去填充血肉。一开始，面对那些关于四维时空的概念时，我感到一种强烈的“认知失调”，我们的大脑是为牛顿时代的宏观世界设计的，要强行去适应一个相对论的宇宙，确实需要极大的心智投入。我发现这本书的“分量感”不仅来自于纸张和页数，更来自于它所承载的思想密度。作者在解释对称性和守恒定律之间的内在联系时，展现出一种极高的数学优雅感，那种美学上的震撼，比任何华丽的辞藻都要动人。这本书让我开始重新审视“测量”这个行为本身，它不再是一个被动的记录，而更像是一种主动的参与。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的最深刻印象，是它成功地将那些高不可攀的物理学概念，拉到了一个可以被“感知”的高度。它没有将读者视为一个旁观者，而是邀请你成为一个思考者。我尤其喜欢作者在探讨宇宙学模型时所采用的叙事手法，他不是简单地罗列模型A或模型B，而是通过历史的演进，展示了科学家们是如何一步步被实验证据所‘逼迫’，最终接受了这些颠覆性的理论。这种“科学发现的艰辛历程”的展现，比纯粹的理论介绍要引人入胜得多。例如，对光速不变原理的论证部分，作者处理得极其巧妙，让人在阅读的过程中，不自觉地代入到当时的物理学家的心境中，去体验那种突破旧有思维框架的兴奋与挣扎。这本书绝对值得每一个对世界运作底层逻辑感到好奇的人，细细品味。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我买这本书的初衷其实是想找一本能让我“睡前放松”的读物，显然我选错了。这绝对不是那种可以囫囵吞枣读完就扔到床头的书。它的阅读过程更像是一场马拉松，需要极度的专注力。我发现自己经常需要停下来，合上书，在笔记本上演算或者画图，才能真正理解某些段落的深层含义。我尤其欣赏作者在处理那些哲学思辨时的那种严谨和克制，他没有急于给出“标准答案”，而是引导读者去体会理论背后的深刻矛盾和美感。例如，书中对“观察者效应”的讨论，非常精妙地触及了意识与物理现实之间的界限，读完那部分，我感觉我的日常认知体系都被动摇了。这本书的语言风格是极其精确的，每一个用词都像是经过了最精密的称量，没有一句废话，这使得阅读体验既高效又充满挑战性。它更像是一本工具书，一本打开通往更深层次理解的钥匙，而不是一本故事书。

评分☆☆☆☆☆

这本书拿到手的时候，那种厚重感和封面那种深邃的蓝色调，就让人感觉它不是一本轻松的读物。我一直对宇宙的终极奥秘抱有近乎宗教般的好奇心，尤其对那些挑战我们日常直觉的概念——比如时间到底是什么，空间是不是真的可以弯曲——非常着迷。这本书的排版和插图处理得相当用心，即便是那些复杂的数学推导部分，也尽量用清晰的图表来辅助说明，这对于我这种非专业人士来说，简直是救命稻草。我记得有一次读到关于引力波的概念时，作者花了整整一章的篇幅来铺陈背景知识，从牛顿的万有引力到爱因斯坦的场方程，每一步的逻辑过渡都非常顺畅，让你感觉自己不是在被动接受知识，而是在参与一场思想的探险。特别是其中关于“双黑洞合并”的模拟场景描述，简直有种身临其境的史诗感，让人忍不住合上书本，抬头看看头顶的星空，思考一下我们自身在宏大宇宙中的位置。这本书的价值，我认为不在于让你成为一个物理学家，而在于它彻底重塑了你对“现实”本身的理解框架，那种智识上的震撼，远超娱乐价值。

评分☆☆☆☆☆

我身边很多朋友都跟我推荐过类似的科普读物，但大多都流于表面，用一些有趣的类比一笔带过核心概念，读完后感觉好像什么都懂了，但实际上什么也没留下。然而，这本书的深度是令人敬佩的。它没有回避那些核心的数学框架，而是选择了一种非常“负责任”的方式去呈现它们——不是生硬地抛出公式，而是细致入微地解释这些公式是如何从基础的公理体系中生长出来的。我记得有一章专门分析了不同参考系下的时钟走动差异，作者用了好几个不同的角度和工具进行佐证，直到那个看似反直觉的结论变得无比自然和必然为止。这种层层递进的论证结构，极大地满足了我对“为什么”的追问欲。读完这本书，我发现自己看科幻电影时，那些过去觉得“纯属虚构”的情节，现在都能找到严谨的理论基础作为支撑，这种“知其所以然”的满足感，是无价的。