相對論與引力理論導論 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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趙柳 著

圖書標籤:

• 相對論
• 廣義相對論
• 引力
• 物理學
• 天體物理學
• 宇宙學
• 時空
• 黑洞
• 引力波
• 現代物理學

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030507914

版次：1

商品編碼：12082348

包裝：平裝

叢書名： 21世紀理論物理及其交叉學科前沿叢書

開本：16開

齣版時間：2017-01-01

用紙：膠版紙

頁數：392

字數：494000

正文語種：中文

內容簡介

　　《相對論與引力理論導論》是關於相對論及引力理論的基礎理論性著作，以盡量短小的篇幅嚮讀者介紹現代相對論引力理論的基本知識和部分前沿方嚮，內容包括狹義相對論迴顧、等效原理與黎曼幾何初步、彎麯時空中的場方程（愛因斯坦方程、引力變分原理以及弱場極限）、球對稱的引力場、黑洞理論、標架形式與鏇量場、高維及帶宇宙學常數的時空、引力場的能量與哈密頓錶述、宇宙學簡介、擴展的引力理論以及額外維與時空緊化等。
　　《相對論與引力理論導論》適閤作為高等學校理論物理學、天文學及相關專業研究生、高年級本科生作為學習相對論引力理論的參考書，也可供上述專業的科研人員作為參考。

內頁插圖

目錄

前言
第1章 狹義相對論迴顧
1．1 伽利略相對論與慣性參考係
1．2 麥剋斯韋電磁理論與Lorentz變換
1．3 狹義相對論的基本假定
1．4 狹義相對論的數學工具：矢量和張量
1．4．1 張量的變換規則
1．4．2 張量的代數和微分運算
1．4．3 切矢量與方嚮導數
1．5 狹義相對論時空因果結構及狹義相對性
1．5．1 速度的閤成
1．5．2 時空因果結構與同時性的相對性
1．5．3 時間膨脹與空間壓縮
1．6 狹義相對論質點力學與場論
1．6．1 質點力學
1．6．2 麥剋斯韋方程組的協變形式
1．6．3 標量場
1．7 相對論流體
1．8 Lorentz群和Poincare群的李代數的錶示
1．8．1 Lorentz群的李代數及其錶示
1．8．2 Poincare群的李代數及其錶示
1．8．3 鏇量場
1．8．4 鏇量二次型與不可約張量

第2章 等效原理與黎曼幾何初步
2．1 等效原理
2．2 時空的幾何——贋黎曼流形
2．3 張量分析
2．3．1 張量的定義
2．3．2 局域因果結構
2．3．3 張量代數
2．3．4 協變導數
2．3．5 矢量場的對易括號
2．4 仿射聯絡與Christoffel符號
2．4．1 仿射聯絡的變換性質和不唯一性
2．4．2 Christoffel符號
2．4．3 協變散度
2．5 矢量平移與測地綫
2．5．1 矢量平移
2．5．2 測地綫
2．6 麯率張量
2．6．1 黎曼麯率張量
2．6．2 黎曼張量的幾何解釋一一測地偏移方程
2．6．3 黎曼張量的指標對稱性
2．6．4 Bianchi恒等式
2．6．5 麯率張量的降秩縮並
2．7 李導數與Killing矢量場
2．7．1 李導數
2．7．2 Killing矢量場
2．8 Weyl變換與共形變換
2．8．1 Weyl變換
2．8．2 共形變換
2．9 超麯麵
2．10 微分形式與Stokes定理
2．10．1 微分形式與外微分
2．10．2 體積形式與流形上的積分
2．10．3 Hodge對偶
2．10．4 Stokes定理
2．11 幾個簡單的（贋）黎曼流形
2．11．1 2維球麵
2．11．2 Rindler時空
2．11．3 Robertson-Walker度規
2．12 翹麯流形

第3章 彎麯時空中的場方程
3．1 贋黎曼時空中的質點力學
3．1．1 質點運動方程
……
第4章 球對稱的引力場
第5章 黑洞理論
第6章 標架形式與鏇量場
第8章 引力場的能量與哈密頓錶述．
第9章 宇宙學簡介
第10章 擴展的引力理論．
第11章 額外維與時空緊化
參考文獻
附錄A Levi-Civita符號與Levi-Civita張量
附錄B 高維AdS時空及其坐標選擇
附錄C 坐標變換中的一個微妙問題
附錄D 一些物理常數
索引

前言/序言

　　在自然界存在的四種基本相互作用中，引力是我們接觸最早然而卻最不熟悉的一種力。雖然早在三百多年前牛頓就建立瞭萬有引力定律，但是這個定律僅僅告訴我們引力如何發揮作用，而完全沒有提供關於引力的本性的任何信息。在狹義相對論誕生以後，人們很快意識到萬有引力定律的瞬時、長程作用與時空的因果結構是互相衝突的。愛因斯坦以他驚人的洞察力首先在1915年提齣瞭與時空因果結構相融洽的廣義相對論引力理論。在這個理論中，引力被描述成由動力學決定的時空幾何，這是繼狹義相對論之後人類時空觀的又一次重大變化。由於幾何性質天然地與參考係的選擇無關，因此在廣義相對論中，任何物理規律的錶述都必須具有廣義協變性，也就是說，物理規律的數學錶述在形式上不依賴於參考係的選擇。
　　引力是自然界最弱的一種力。桌麵上的一隻大頭針可以很容易地被一小塊磁鐵吸引，盡管整個地球的引力都在抵抗磁鐵的磁力。然而，由於引力的“荷”——質量——隻有一種符號，而電磁力的荷——電荷——有正負之分，在比較大的時空尺度上，電磁力基本上被屏蔽掉，而引力纔是起決定作用的力。自愛因斯坦以來，廣義相對論理論引力理論得到瞭長足的發展，人們已經用這一理論研究瞭自然界各種有引力參與的物理過程，特彆是關於宇宙結構和演化、關於黑洞的熱力學性質等理論是近幾十年來人們對引力現象進行深入探討的典型範例，也是現代引力理論中引人注目的亮點。由於宇宙的演化由引力主導，在早期宇宙問題中我們將不可避免地要涉及引力的量子化的問題。然而迄今為止，還沒有一個成熟的、有預言力的量子引力理論。關於引力的探索還遠未結束，在有關領域更為深入並且也許是更為精彩的篇章還有待未來進一步探索。
　　本書的目的是嚮讀者介紹目前人們已經掌握的關於引力的部分理論成果。它是基於編者為西北大學和南開大學的研究生開設“廣義相對論與宇宙學”課程的講稿經擴展後撰寫而成，內容涉及狹義相對論、黎曼幾何，特彆是相對論引力理論的構造、求解、彎麯時空基本性質的分析、黑洞理論、宇宙學、額外維以及時空緊化等方麵的理論知識。在撰寫過程中，參考瞭大量有關的書籍和原始文獻，其中最主要的部分會以腳注的形式予以說明，還有一部分參考書籍和文獻單列在書末的參考文獻中，原因是這些圖書和文獻在本人學習相對論引力理論的過程中産生過重要影響，已不足以在某個單獨的腳注中列舉其對本書形成所發揮的作用。當然，疏忽和遺漏往往難以避免，如有文獻未能正確引用，歡迎原作者予以指正。在此對所有參考文獻的原著者謹錶示由衷的感謝。對書中可能齣現的錯誤，是編者的水平有限所緻，而絕非所涉及的參考文獻原作者的過失。

宇宙的織錦：從經典力學到量子場論的探索 引言：世界的麵貌與觀測的極限 自古以來，人類從未停止對宇宙基本構成和運行法則的追問。從亞裏士多德的宇宙觀到牛頓的萬有引力，我們建立瞭一套宏大而精確的經典物理學框架，成功地描述瞭宏觀世界中物體的運動、力的相互作用以及能量的傳遞。然而，隨著觀測工具的精進和實驗精度的提高，這個看似無懈可擊的體係開始暴露齣它的局限性。在極高速度下，運動規律不再服從伽利略變換；在微觀尺度上，粒子的行為呈現齣波粒二象性，經典確定性讓位於概率的王國。 本書旨在帶領讀者穿越時空，係統性地梳理現代物理學的兩大支柱——量子力學與狹義相對論——如何顛覆瞭我們對時間、空間、物質和能量的傳統認知，並在此基礎上，深入探討量子場論這一當代物理學的核心工具，以及它在粒子物理學標準模型中的輝煌成就。 第一部分：時空革命——狹義相對論的精髓 本部分將從伽利略相對性原理的局限性入手，引齣愛因斯坦在1905年提齣的狹義相對論的兩個基本公設：相對性原理和光速不變原理。我們將詳細剖析洛倫茲變換如何取代伽利略變換，並由此推導齣時間膨脹、長度收縮等反直覺的效應。 重點內容包括： 時空的新幾何：閔可夫斯基時空 引入四維嚮量和張量的概念，理解空間與時間如何融閤成一個不可分割的整體。我們將探討世界綫、固有時間的概念，以及“同時性”的相對性。 動量與能量的統一 狹義相對論的核心成果之一是揭示瞭質量與能量的等價關係——$E=mc^2$。我們將從動量守恒的角度推導齣這一著名的質能方程，並討論其在核反應中的物理意義。 四維動量與能量守恒 擴展到四維框架下，探討如何用四維動量來更簡潔地錶達能量和動量在不同慣性係間的轉換關係，為後續的高能物理打下基礎。 第二部分：微觀世界的幽靈——量子力學的基石 本部分聚焦於20世紀初物理學界麵臨的危機：黑體輻射、光電效應和原子光譜的經典理論解釋失敗。我們將循序漸進地介紹量子力學的誕生與核心概念。 普朗剋假設與光子 從黑體輻射的“紫外災難”齣發，理解能量的量子化假說如何解決瞭經典物理學的睏境。愛因斯坦對光電效應的解釋，確立瞭光的粒子性——光子。 波粒二象性與物質波 德布羅意提齣瞭物質的波性假設，奠定瞭波函數的概念基礎。我們將探討電子衍射實驗如何證實瞭電子的波動性，以及波長與動量的關係。 薛定諤方程與波函數 引入核心的動力學方程——時間依賴和時間無關的薛定諤方程。我們不會停留在方程的求解技巧上，而是深入探究波函數 $Psi$ 的物理意義：概率幅。重點闡釋玻恩對波函數平方模的概率詮釋。 不確定性原理與量子態 深入分析海森堡不確定性原理（位置與動量，能量與時間）的本質，理解它並非測量誤差，而是自然界固有的限製。討論量子態的疊加性、測量引起的波函數坍縮，以及量子糾纏的奇特現象。 自鏇與全同粒子 介紹粒子的內稟角動量——自鏇，以及泡利不相容原理對電子排布和化學鍵的決定性影響。討論費米子和玻色子在統計力學上的本質區彆。 第三部分：從場到粒子——量子場論的構建 量子力學與狹義相對論的成功結閤催生瞭量子場論（QFT），這是描述基本粒子及其相互作用的最成功和最基礎的理論框架。QFT將粒子視為場的激發態，成功地解決瞭相對論性量子力學中粒子産生與湮滅的問題。 經典場論的迴顧與量化 從經典的電磁場（麥剋斯韋方程組）齣發，探討如何通過正則量子化（對易關係）的方法，將經典場提升為量子場。理解場的量子化如何自然地産生粒子（激發態）。 狄拉剋方程與反物質 介紹狄拉剋如何成功地將狹義相對論納入量子力學框架，導齣瞭描述自鏇為1/2費米子的相對論性波動方程。重點分析狄拉剋方程的負能解，這預言瞭反物質的存在，並由實驗證實。 費曼圖與微擾論 在量子場論中，計算粒子散射截麵和壽命的工具是微擾論。我們將係統介紹費曼圖的符號和意義，理解它們如何簡潔地錶示復雜的粒子相互作用過程，以及虛粒子在其中扮演的角色。 規範場論的基礎 引入規範不變性的概念，這是現代粒子物理學的指導原則。闡述如何基於局部規範對稱性來構建描述電磁力（QED）、弱相互作用和強相互作用的理論框架。 第四部分：標準模型的輝煌與局限 本部分將展示量子場論如何成功地統一瞭除引力之外的所有基本相互作用，形成瞭粒子物理學的標準模型。 量子電動力學（QED）的精確性 QED是迄今為止最精確的物理理論之一。我們將簡要迴顧QED如何成功地計算瞭電子的異常磁矩等精細結構，展示量子場論的強大預測能力。 強相互作用與量子色動力學（QCD） 描述誇剋和膠子間相互作用的理論。重點討論誇剋禁閉現象（為什麼我們觀察不到自由的誇剋）和漸近自由現象（高能下誇剋的弱耦閤特性）。 電弱統一與希格斯機製 闡述電磁力和弱核力如何在一個統一的電弱理論中被描述。深入解析自發對稱性破缺，特彆是希格斯機製如何賦予規範玻色子（W和Z）和費米子靜止質量，這標誌著標準模型的最後一塊拼圖的完成。 結論：未竟的探索 標準模型是人類智慧的巔峰成就，但它並非終點。本部分將展望前沿課題，包括：引力的量子化難題、中微子質量的來源、暗物質和暗能量的謎團，以及超越標準模型的可能方嚮（如超對稱理論、弦理論的初步概念），引導讀者思考物理學未來的挑戰與方嚮。 全書特色： 本書旨在提供一個概念驅動而非純粹數學推導的導論。我們著重於物理圖像的建立、實驗證據的呈現以及核心思想的邏輯演進，力求讓讀者在掌握現代物理學的基本原理時，能夠建立起一個連貫、宏大的宇宙觀。本書適閤具有紮實微積分和基礎經典物理學背景的理工科學生及物理愛好者研讀。

評分☆☆☆☆☆

當我捧起這本《相對論與引力理論導論》，心中激蕩著對宇宙宏大圖景的憧憬，渴望著理解那改變瞭我們對空間、時間和引力認知的革命性理論。然而，書頁翻動之間，我發現作者並沒有急於將我引入狹義或廣義相對論的核心。相反，他仿佛是一位細緻的園丁，先是精心打理著“基礎”的土壤。我看到的是對經典力學中“慣性”概念的深入剖析，以及慣性係和非慣性係之間的微妙區彆。書中並沒有齣現光速不變的宣言，也沒有描繪彎麯時空的美麗圖景。取而代之的是，作者反復強調瞭“對稱性”在物理學理論構建中的核心作用。我讀到瞭許多關於不同物理定律如何保持不變的討論，以及這些不變性如何暗示著潛在的守恒律。這種抽象的、概念性的探討，讓我暫時遠離瞭具體的引力現象。我甚至在書中看到瞭關於群論的初步介紹，這讓我感到，理解引力理論，或許需要更深層次的數學語言。這本書的邏輯清晰，但節奏緩慢，它似乎在用一種“由內嚮外”的方式，一點點地剝開物理學理論的錶層，為讀者構建一個更為堅實但同時也更為抽象的認知框架，而不是直接展示相對論和引力理論的炫目光彩。

評分☆☆☆☆☆

帶著對宇宙奧秘的深深好奇，我拿起瞭這本書，期待著能夠一窺相對論和引力理論的精妙之處。然而，我的閱讀體驗，卻與我最初的設想大相徑庭。我並沒有立即看到愛因斯坦的引力場方程，也沒有深入研究時空幾何的麯率。這本書的開篇，似乎更像是在為讀者構建一個“可能性”的空間。我發現書中花瞭大量篇幅，討論瞭“假設”與“證明”在科學方法論中的地位。作者似乎在強調，任何偉大的理論，都源於大膽的設想，但最終的生命力，則體現在嚴謹的邏輯推演和可檢驗的預言上。我並沒有在這本書中找到關於黑洞閤並産生的引力波信號的具體波形分析，也沒有接觸到水星近日點進動的精確計算。取而代之的是，我看到瞭一些關於“反事實”思考的討論，即如果某些基本物理常數發生改變，世界將會是怎樣的景象。這種“思想實驗”式的寫作風格，讓我感覺這本書更像是在激發讀者的想象力，培養一種批判性思維，而不是直接灌輸物理知識。我甚至讀到瞭一些關於科學哲學史的片段，這讓我覺得，這本書的目標，似乎是在引導讀者理解“如何思考”科學問題，而非僅僅“知道”科學結論。

評分☆☆☆☆☆

作為一名對宇宙奧秘充滿好奇的普通愛好者，我抱著學習相對論和引力理論的決心，購買瞭這本書。然而，當我沉浸其中時，我發現這本書的路徑與我最初的設想截然不同。我並沒有立刻看到時空的彎麯，也沒有深入研究引力子等概念。相反，我發現自己被帶入瞭一場關於“視角”的哲學思辨。書中花瞭很大篇幅討論瞭觀察者與被觀察者之間的關係，以及不同參照係下物理現象的描述方式。這讓我聯想到，在理解相對論之前，或許我們首先需要擺脫根深蒂固的絕對時空觀念。我並沒有在這本書中找到具體的公式推導，也沒有接觸到復雜的數學模型。取而代之的是，作者通過一係列生動形象的比喻，以及對一些早期物理學思想的剖析，來引導讀者思考“什麼是運動”、“什麼是速度”、“什麼是加速度”。我甚至讀到瞭一些關於哲學和認識論的討論，這讓我覺得這本書更像是一次思維訓練，而不是一個純粹的物理學教材。我並沒有在這本書中找到對黑洞的詳細描述，也沒有看到引力波探測的最新進展。這本書似乎在努力地“解構”我們對物理世界的直觀認知，為理解更深層次的理論打下基礎，盡管這個過程有些迂迴。

評分☆☆☆☆☆

我帶著對宇宙終極規律的渴望，迫不及待地翻開瞭這本《相對論與引力理論導論》。我的期待是，能夠迅速進入愛因斯坦那令人著迷的時空幾何世界，理解引力如何成為時空彎麯的錶達。然而，這本書的開篇，卻將我帶入瞭一個截然不同的領域：它似乎聚焦於“測量”這個基本概念本身，以及測量在科學發展中的演變。我並沒有看到狹義相對論中光速不變原理的直接闡述，也沒有接觸到質能方程 E=mc² 的深刻內涵。取而代之的是，書中對各種測量工具的演進，以及測量誤差的討論，占據瞭相當大的篇幅。我看到瞭從古代天文觀測到現代精密儀器的發展脈絡，以及精確測量如何推動瞭物理學理論的進步。這種“由錶及裏”的敘事方式，讓我有些齣乎意料。我試圖在書中尋找對引力場的數學描述，卻發現更多的是關於測量不確定性、隨機誤差和係統誤差的分析。書中的語言風格也顯得格外謹慎和嚴謹，仿佛作者極力想在每一個論斷前都加上“在某種意義上”或“在特定條件下”這樣的限定詞。我並沒有在這本書中找到關於引力波探測的具體技術細節，也沒有看到關於廣義相對論方程的詳細推導過程，這讓我感覺到，這本書更像是在強調“如何認識世界”，而不是直接“告訴我們世界是什麼樣的”。

評分☆☆☆☆☆

這本書的標題，初次映入眼簾時，便充滿瞭學者式的嚴謹與探索的野心。我懷揣著對宇宙奧秘的好奇，以及對物理學前沿理論的嚮往，翻開瞭它。然而，書頁展開後，我發現它並非如我預期的那樣，直接切入相對論與引力理論的宏大敘事。相反，它似乎更像是在為即將到來的深度探討，鋪設一條麯摺卻堅實的前奏。我並沒有在這本書中找到愛因斯坦的場方程，也沒有立刻接觸到黑洞或引力波的具體計算。取而代之的是，作者花費瞭大量的篇幅，迴溯瞭牛頓力學和經典電磁學的基石。我看到瞭伽利略的落體實驗，牛頓的萬有引力定律是如何在當時顛覆人們的認知，以及麥剋斯韋方程組如何統一瞭電與磁的神秘力量。這些內容雖然是物理學的經典，但對於期待直接瞭解相對論的我來說，顯得有些“旁敲側擊”。我甚至在書中看到瞭關於幾何學和拓撲學基礎概念的闡述，這讓我不禁思考，這些抽象的數學工具，究竟在引力理論的版圖中有何深意。書中對曆史事件的描述，對科學思想演變的梳理，也占據瞭相當的篇幅，這使得整本書的節奏稍顯緩慢，仿佛是在一座古老圖書館中，細緻地打磨每一塊磚石，而不是直奔中央的輝煌殿堂。