相对论与引力理论导论 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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赵柳 著

图书标签:

• 相对论
• 广义相对论
• 引力
• 物理学
• 天体物理学
• 宇宙学
• 时空
• 黑洞
• 引力波
• 现代物理学

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030507914

版次：1

商品编码：12082348

包装：平装

丛书名： 21世纪理论物理及其交叉学科前沿丛书

开本：16开

出版时间：2017-01-01

用纸：胶版纸

页数：392

字数：494000

正文语种：中文

内容简介

　　《相对论与引力理论导论》是关于相对论及引力理论的基础理论性著作，以尽量短小的篇幅向读者介绍现代相对论引力理论的基本知识和部分前沿方向，内容包括狭义相对论回顾、等效原理与黎曼几何初步、弯曲时空中的场方程（爱因斯坦方程、引力变分原理以及弱场极限）、球对称的引力场、黑洞理论、标架形式与旋量场、高维及带宇宙学常数的时空、引力场的能量与哈密顿表述、宇宙学简介、扩展的引力理论以及额外维与时空紧化等。
　　《相对论与引力理论导论》适合作为高等学校理论物理学、天文学及相关专业研究生、高年级本科生作为学习相对论引力理论的参考书，也可供上述专业的科研人员作为参考。

内页插图

目录

前言
第1章 狭义相对论回顾
1．1 伽利略相对论与惯性参考系
1．2 麦克斯韦电磁理论与Lorentz变换
1．3 狭义相对论的基本假定
1．4 狭义相对论的数学工具：矢量和张量
1．4．1 张量的变换规则
1．4．2 张量的代数和微分运算
1．4．3 切矢量与方向导数
1．5 狭义相对论时空因果结构及狭义相对性
1．5．1 速度的合成
1．5．2 时空因果结构与同时性的相对性
1．5．3 时间膨胀与空间压缩
1．6 狭义相对论质点力学与场论
1．6．1 质点力学
1．6．2 麦克斯韦方程组的协变形式
1．6．3 标量场
1．7 相对论流体
1．8 Lorentz群和Poincare群的李代数的表示
1．8．1 Lorentz群的李代数及其表示
1．8．2 Poincare群的李代数及其表示
1．8．3 旋量场
1．8．4 旋量二次型与不可约张量

第2章 等效原理与黎曼几何初步
2．1 等效原理
2．2 时空的几何——赝黎曼流形
2．3 张量分析
2．3．1 张量的定义
2．3．2 局域因果结构
2．3．3 张量代数
2．3．4 协变导数
2．3．5 矢量场的对易括号
2．4 仿射联络与Christoffel符号
2．4．1 仿射联络的变换性质和不唯一性
2．4．2 Christoffel符号
2．4．3 协变散度
2．5 矢量平移与测地线
2．5．1 矢量平移
2．5．2 测地线
2．6 曲率张量
2．6．1 黎曼曲率张量
2．6．2 黎曼张量的几何解释一一测地偏移方程
2．6．3 黎曼张量的指标对称性
2．6．4 Bianchi恒等式
2．6．5 曲率张量的降秩缩并
2．7 李导数与Killing矢量场
2．7．1 李导数
2．7．2 Killing矢量场
2．8 Weyl变换与共形变换
2．8．1 Weyl变换
2．8．2 共形变换
2．9 超曲面
2．10 微分形式与Stokes定理
2．10．1 微分形式与外微分
2．10．2 体积形式与流形上的积分
2．10．3 Hodge对偶
2．10．4 Stokes定理
2．11 几个简单的（赝）黎曼流形
2．11．1 2维球面
2．11．2 Rindler时空
2．11．3 Robertson-Walker度规
2．12 翘曲流形

第3章 弯曲时空中的场方程
3．1 赝黎曼时空中的质点力学
3．1．1 质点运动方程
……
第4章 球对称的引力场
第5章 黑洞理论
第6章 标架形式与旋量场
第8章 引力场的能量与哈密顿表述．
第9章 宇宙学简介
第10章 扩展的引力理论．
第11章 额外维与时空紧化
参考文献
附录A Levi-Civita符号与Levi-Civita张量
附录B 高维AdS时空及其坐标选择
附录C 坐标变换中的一个微妙问题
附录D 一些物理常数
索引

前言/序言

　　在自然界存在的四种基本相互作用中，引力是我们接触最早然而却最不熟悉的一种力。虽然早在三百多年前牛顿就建立了万有引力定律，但是这个定律仅仅告诉我们引力如何发挥作用，而完全没有提供关于引力的本性的任何信息。在狭义相对论诞生以后，人们很快意识到万有引力定律的瞬时、长程作用与时空的因果结构是互相冲突的。爱因斯坦以他惊人的洞察力首先在1915年提出了与时空因果结构相融洽的广义相对论引力理论。在这个理论中，引力被描述成由动力学决定的时空几何，这是继狭义相对论之后人类时空观的又一次重大变化。由于几何性质天然地与参考系的选择无关，因此在广义相对论中，任何物理规律的表述都必须具有广义协变性，也就是说，物理规律的数学表述在形式上不依赖于参考系的选择。
　　引力是自然界最弱的一种力。桌面上的一只大头针可以很容易地被一小块磁铁吸引，尽管整个地球的引力都在抵抗磁铁的磁力。然而，由于引力的“荷”——质量——只有一种符号，而电磁力的荷——电荷——有正负之分，在比较大的时空尺度上，电磁力基本上被屏蔽掉，而引力才是起决定作用的力。自爱因斯坦以来，广义相对论理论引力理论得到了长足的发展，人们已经用这一理论研究了自然界各种有引力参与的物理过程，特别是关于宇宙结构和演化、关于黑洞的热力学性质等理论是近几十年来人们对引力现象进行深入探讨的典型范例，也是现代引力理论中引人注目的亮点。由于宇宙的演化由引力主导，在早期宇宙问题中我们将不可避免地要涉及引力的量子化的问题。然而迄今为止，还没有一个成熟的、有预言力的量子引力理论。关于引力的探索还远未结束，在有关领域更为深入并且也许是更为精彩的篇章还有待未来进一步探索。
　　本书的目的是向读者介绍目前人们已经掌握的关于引力的部分理论成果。它是基于编者为西北大学和南开大学的研究生开设“广义相对论与宇宙学”课程的讲稿经扩展后撰写而成，内容涉及狭义相对论、黎曼几何，特别是相对论引力理论的构造、求解、弯曲时空基本性质的分析、黑洞理论、宇宙学、额外维以及时空紧化等方面的理论知识。在撰写过程中，参考了大量有关的书籍和原始文献，其中最主要的部分会以脚注的形式予以说明，还有一部分参考书籍和文献单列在书末的参考文献中，原因是这些图书和文献在本人学习相对论引力理论的过程中产生过重要影响，已不足以在某个单独的脚注中列举其对本书形成所发挥的作用。当然，疏忽和遗漏往往难以避免，如有文献未能正确引用，欢迎原作者予以指正。在此对所有参考文献的原著者谨表示由衷的感谢。对书中可能出现的错误，是编者的水平有限所致，而绝非所涉及的参考文献原作者的过失。

宇宙的织锦：从经典力学到量子场论的探索 引言：世界的面貌与观测的极限 自古以来，人类从未停止对宇宙基本构成和运行法则的追问。从亚里士多德的宇宙观到牛顿的万有引力，我们建立了一套宏大而精确的经典物理学框架，成功地描述了宏观世界中物体的运动、力的相互作用以及能量的传递。然而，随着观测工具的精进和实验精度的提高，这个看似无懈可击的体系开始暴露出它的局限性。在极高速度下，运动规律不再服从伽利略变换；在微观尺度上，粒子的行为呈现出波粒二象性，经典确定性让位于概率的王国。 本书旨在带领读者穿越时空，系统性地梳理现代物理学的两大支柱——量子力学与狭义相对论——如何颠覆了我们对时间、空间、物质和能量的传统认知，并在此基础上，深入探讨量子场论这一当代物理学的核心工具，以及它在粒子物理学标准模型中的辉煌成就。 第一部分：时空革命——狭义相对论的精髓 本部分将从伽利略相对性原理的局限性入手，引出爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论的两个基本公设：相对性原理和光速不变原理。我们将详细剖析洛伦兹变换如何取代伽利略变换，并由此推导出时间膨胀、长度收缩等反直觉的效应。 重点内容包括： 时空的新几何：闵可夫斯基时空 引入四维向量和张量的概念，理解空间与时间如何融合成一个不可分割的整体。我们将探讨世界线、固有时间的概念，以及“同时性”的相对性。 动量与能量的统一 狭义相对论的核心成果之一是揭示了质量与能量的等价关系——$E=mc^2$。我们将从动量守恒的角度推导出这一著名的质能方程，并讨论其在核反应中的物理意义。 四维动量与能量守恒 扩展到四维框架下，探讨如何用四维动量来更简洁地表达能量和动量在不同惯性系间的转换关系，为后续的高能物理打下基础。 第二部分：微观世界的幽灵——量子力学的基石 本部分聚焦于20世纪初物理学界面临的危机：黑体辐射、光电效应和原子光谱的经典理论解释失败。我们将循序渐进地介绍量子力学的诞生与核心概念。 普朗克假设与光子 从黑体辐射的“紫外灾难”出发，理解能量的量子化假说如何解决了经典物理学的困境。爱因斯坦对光电效应的解释，确立了光的粒子性——光子。 波粒二象性与物质波 德布罗意提出了物质的波性假设，奠定了波函数的概念基础。我们将探讨电子衍射实验如何证实了电子的波动性，以及波长与动量的关系。 薛定谔方程与波函数 引入核心的动力学方程——时间依赖和时间无关的薛定谔方程。我们不会停留在方程的求解技巧上，而是深入探究波函数 $Psi$ 的物理意义：概率幅。重点阐释玻恩对波函数平方模的概率诠释。 不确定性原理与量子态 深入分析海森堡不确定性原理（位置与动量，能量与时间）的本质，理解它并非测量误差，而是自然界固有的限制。讨论量子态的叠加性、测量引起的波函数坍缩，以及量子纠缠的奇特现象。 自旋与全同粒子 介绍粒子的内禀角动量——自旋，以及泡利不相容原理对电子排布和化学键的决定性影响。讨论费米子和玻色子在统计力学上的本质区别。 第三部分：从场到粒子——量子场论的构建 量子力学与狭义相对论的成功结合催生了量子场论（QFT），这是描述基本粒子及其相互作用的最成功和最基础的理论框架。QFT将粒子视为场的激发态，成功地解决了相对论性量子力学中粒子产生与湮灭的问题。 经典场论的回顾与量化 从经典的电磁场（麦克斯韦方程组）出发，探讨如何通过正则量子化（对易关系）的方法，将经典场提升为量子场。理解场的量子化如何自然地产生粒子（激发态）。 狄拉克方程与反物质 介绍狄拉克如何成功地将狭义相对论纳入量子力学框架，导出了描述自旋为1/2费米子的相对论性波动方程。重点分析狄拉克方程的负能解，这预言了反物质的存在，并由实验证实。 费曼图与微扰论 在量子场论中，计算粒子散射截面和寿命的工具是微扰论。我们将系统介绍费曼图的符号和意义，理解它们如何简洁地表示复杂的粒子相互作用过程，以及虚粒子在其中扮演的角色。 规范场论的基础 引入规范不变性的概念，这是现代粒子物理学的指导原则。阐述如何基于局部规范对称性来构建描述电磁力（QED）、弱相互作用和强相互作用的理论框架。 第四部分：标准模型的辉煌与局限 本部分将展示量子场论如何成功地统一了除引力之外的所有基本相互作用，形成了粒子物理学的标准模型。 量子电动力学（QED）的精确性 QED是迄今为止最精确的物理理论之一。我们将简要回顾QED如何成功地计算了电子的异常磁矩等精细结构，展示量子场论的强大预测能力。 强相互作用与量子色动力学（QCD） 描述夸克和胶子间相互作用的理论。重点讨论夸克禁闭现象（为什么我们观察不到自由的夸克）和渐近自由现象（高能下夸克的弱耦合特性）。 电弱统一与希格斯机制 阐述电磁力和弱核力如何在一个统一的电弱理论中被描述。深入解析自发对称性破缺，特别是希格斯机制如何赋予规范玻色子（W和Z）和费米子静止质量，这标志着标准模型的最后一块拼图的完成。 结论：未竟的探索 标准模型是人类智慧的巅峰成就，但它并非终点。本部分将展望前沿课题，包括：引力的量子化难题、中微子质量的来源、暗物质和暗能量的谜团，以及超越标准模型的可能方向（如超对称理论、弦理论的初步概念），引导读者思考物理学未来的挑战与方向。 全书特色： 本书旨在提供一个概念驱动而非纯粹数学推导的导论。我们着重于物理图像的建立、实验证据的呈现以及核心思想的逻辑演进，力求让读者在掌握现代物理学的基本原理时，能够建立起一个连贯、宏大的宇宙观。本书适合具有扎实微积分和基础经典物理学背景的理工科学生及物理爱好者研读。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题，初次映入眼帘时，便充满了学者式的严谨与探索的野心。我怀揣着对宇宙奥秘的好奇，以及对物理学前沿理论的向往，翻开了它。然而，书页展开后，我发现它并非如我预期的那样，直接切入相对论与引力理论的宏大叙事。相反，它似乎更像是在为即将到来的深度探讨，铺设一条曲折却坚实的前奏。我并没有在这本书中找到爱因斯坦的场方程，也没有立刻接触到黑洞或引力波的具体计算。取而代之的是，作者花费了大量的篇幅，回溯了牛顿力学和经典电磁学的基石。我看到了伽利略的落体实验，牛顿的万有引力定律是如何在当时颠覆人们的认知，以及麦克斯韦方程组如何统一了电与磁的神秘力量。这些内容虽然是物理学的经典，但对于期待直接了解相对论的我来说，显得有些“旁敲侧击”。我甚至在书中看到了关于几何学和拓扑学基础概念的阐述，这让我不禁思考，这些抽象的数学工具，究竟在引力理论的版图中有何深意。书中对历史事件的描述，对科学思想演变的梳理，也占据了相当的篇幅，这使得整本书的节奏稍显缓慢，仿佛是在一座古老图书馆中，细致地打磨每一块砖石，而不是直奔中央的辉煌殿堂。

评分☆☆☆☆☆

当我捧起这本《相对论与引力理论导论》，心中激荡着对宇宙宏大图景的憧憬，渴望着理解那改变了我们对空间、时间和引力认知的革命性理论。然而，书页翻动之间，我发现作者并没有急于将我引入狭义或广义相对论的核心。相反，他仿佛是一位细致的园丁，先是精心打理着“基础”的土壤。我看到的是对经典力学中“惯性”概念的深入剖析，以及惯性系和非惯性系之间的微妙区别。书中并没有出现光速不变的宣言，也没有描绘弯曲时空的美丽图景。取而代之的是，作者反复强调了“对称性”在物理学理论构建中的核心作用。我读到了许多关于不同物理定律如何保持不变的讨论，以及这些不变性如何暗示着潜在的守恒律。这种抽象的、概念性的探讨，让我暂时远离了具体的引力现象。我甚至在书中看到了关于群论的初步介绍，这让我感到，理解引力理论，或许需要更深层次的数学语言。这本书的逻辑清晰，但节奏缓慢，它似乎在用一种“由内向外”的方式，一点点地剥开物理学理论的表层，为读者构建一个更为坚实但同时也更为抽象的认知框架，而不是直接展示相对论和引力理论的炫目光彩。

评分☆☆☆☆☆

带着对宇宙奥秘的深深好奇，我拿起了这本书，期待着能够一窥相对论和引力理论的精妙之处。然而，我的阅读体验，却与我最初的设想大相径庭。我并没有立即看到爱因斯坦的引力场方程，也没有深入研究时空几何的曲率。这本书的开篇，似乎更像是在为读者构建一个“可能性”的空间。我发现书中花了大量篇幅，讨论了“假设”与“证明”在科学方法论中的地位。作者似乎在强调，任何伟大的理论，都源于大胆的设想，但最终的生命力，则体现在严谨的逻辑推演和可检验的预言上。我并没有在这本书中找到关于黑洞合并产生的引力波信号的具体波形分析，也没有接触到水星近日点进动的精确计算。取而代之的是，我看到了一些关于“反事实”思考的讨论，即如果某些基本物理常数发生改变，世界将会是怎样的景象。这种“思想实验”式的写作风格，让我感觉这本书更像是在激发读者的想象力，培养一种批判性思维，而不是直接灌输物理知识。我甚至读到了一些关于科学哲学史的片段，这让我觉得，这本书的目标，似乎是在引导读者理解“如何思考”科学问题，而非仅仅“知道”科学结论。

评分☆☆☆☆☆

我带着对宇宙终极规律的渴望，迫不及待地翻开了这本《相对论与引力理论导论》。我的期待是，能够迅速进入爱因斯坦那令人着迷的时空几何世界，理解引力如何成为时空弯曲的表达。然而，这本书的开篇，却将我带入了一个截然不同的领域：它似乎聚焦于“测量”这个基本概念本身，以及测量在科学发展中的演变。我并没有看到狭义相对论中光速不变原理的直接阐述，也没有接触到质能方程 E=mc² 的深刻内涵。取而代之的是，书中对各种测量工具的演进，以及测量误差的讨论，占据了相当大的篇幅。我看到了从古代天文观测到现代精密仪器的发展脉络，以及精确测量如何推动了物理学理论的进步。这种“由表及里”的叙事方式，让我有些出乎意料。我试图在书中寻找对引力场的数学描述，却发现更多的是关于测量不确定性、随机误差和系统误差的分析。书中的语言风格也显得格外谨慎和严谨，仿佛作者极力想在每一个论断前都加上“在某种意义上”或“在特定条件下”这样的限定词。我并没有在这本书中找到关于引力波探测的具体技术细节，也没有看到关于广义相对论方程的详细推导过程，这让我感觉到，这本书更像是在强调“如何认识世界”，而不是直接“告诉我们世界是什么样的”。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对宇宙奥秘充满好奇的普通爱好者，我抱着学习相对论和引力理论的决心，购买了这本书。然而，当我沉浸其中时，我发现这本书的路径与我最初的设想截然不同。我并没有立刻看到时空的弯曲，也没有深入研究引力子等概念。相反，我发现自己被带入了一场关于“视角”的哲学思辨。书中花了很大篇幅讨论了观察者与被观察者之间的关系，以及不同参照系下物理现象的描述方式。这让我联想到，在理解相对论之前，或许我们首先需要摆脱根深蒂固的绝对时空观念。我并没有在这本书中找到具体的公式推导，也没有接触到复杂的数学模型。取而代之的是，作者通过一系列生动形象的比喻，以及对一些早期物理学思想的剖析，来引导读者思考“什么是运动”、“什么是速度”、“什么是加速度”。我甚至读到了一些关于哲学和认识论的讨论，这让我觉得这本书更像是一次思维训练，而不是一个纯粹的物理学教材。我并没有在这本书中找到对黑洞的详细描述，也没有看到引力波探测的最新进展。这本书似乎在努力地“解构”我们对物理世界的直观认知，为理解更深层次的理论打下基础，尽管这个过程有些迂回。