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出版者:武汉大学出版社

作者:陈立

出品人:

页数:172

译者:

出版时间:2001-9-1

价格:17.00元

装帧:精装(无盘)

isbn号码:9787307032675

丛书系列:

图书标签:

• 水工
• 河流动力学
• 水文
• 水力学
• 河流地貌
• 侵蚀
• 沉积
• 水资源
• 环境流体
• 数值模拟
• 河流工程

宏观宇宙的几何：空间、时间与引力的编织 本书聚焦于现代物理学的两大支柱——广义相对论与量子场论——在描述宇宙尺度现象时所面临的深刻挑战与前沿探索。 它旨在为物理学、天文学及高阶数学爱好者提供一个深入而详尽的导览，解析我们如何试图理解引力的本质、时空的结构，以及物质与能量在极端条件下的行为模式。 第一部分：时空的几何塑形——广义相对论的精妙结构 本章深入剖析阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论（General Relativity, GR）所构建的宏大框架。我们不再将引力视为一种超距作用力，而是时空几何的内在弯曲。 1.1 黎曼几何基础与度规张量： 详细阐述用于描述弯曲空间结构的数学工具——微分几何。着重讲解黎曼几何的核心概念，特别是度规张量（Metric Tensor, $g_{mu u}$）如何编码了我们对两点间距离、时间和角度的测量。我们将探讨共变导数、黎曼曲率张量（Riemann Curvature Tensor）的物理意义，及其在度量空间局部平直性方面的作用。 1.2 爱因斯坦场方程的解析： 场方程 $R_{mu u} - frac{1}{2} R g_{mu u} + Lambda g_{mu u} = frac{8 pi G}{c^4} T_{mu u}$ 是本书的基石。我们将逐项拆解其物理含义：左侧的爱因斯坦张量描述了时空的几何形态，右侧的能量-动量张量（Stress-Energy Tensor, $T_{mu u}$）则描述了物质和能量的分布。本书将着重分析场方程的非线性特性，以及这种非线性如何导致引力自身的相互作用。 1.3 经典解的探索： 通过求解场方程，我们得以窥见宇宙中引力现象的宏观表现。 史瓦西解（Schwarzschild Solution）： 对无转动、不带电荷的球对称质量体（如静态黑洞）周围时空几何的精确描述。我们将详细分析视界（Event Horizon）的形成机制，引力红移效应，以及著名的光线偏折现象，并将其与实际的天文观测数据进行比对。 克尔解（Kerr Solution）： 引入角动量后，时空结构变得更加复杂。本书将深入探讨克尔黑洞的奇点结构（环状奇点）、能层（Ergosphere）的物理特性，以及彭罗斯过程（Penrose Process）在提取黑洞旋转能方面的理论基础。 弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FLRW）度规： 这是描述均匀且各向同性宇宙演化的标准模型。我们将基于此度规，推导出描述宇宙膨胀率的弗里德曼方程，并结合观测到的宇宙微波背景辐射（CMB）和星系退行速度，重建宇宙从大爆炸以来的历史轨迹。 第二部分：量子的微观疆界——场论的精确描述 虽然广义相对论在宏观上取得了巨大成功，但它在微观尺度上失效。本书的第二部分转向量子场论（Quantum Field Theory, QFT），这是描述基本粒子及其相互作用的最佳框架。 2.1 量子场论的基本公设与正则量子化： 介绍如何将经典场（如电磁场）提升为量子算符。重点探讨对易关系的引入，以及这种量子化如何自然地产生粒子——场量子化的激发态。拉格朗日密度在描述守恒律和动力学中的核心地位将被详细阐述。 2.2 规范场论与基本相互作用： 本部分聚焦于描述除引力外三种基本力的规范理论。 量子电动力学（QED）： 作为最成功的物理学理论之一，我们将分析光子作为电磁相互作用的载体，以及费曼图在计算高阶修正和散射截面中的强大应用。 量子色动力学（QCD）： 描述强相互作用（夸克和胶子）。本书将深入解析渐近自由（Asymptotic Freedom）和夸克禁闭（Confinement）这两种反直觉的现象，并探讨它们的理论根源。 2.3 希格斯机制与标准模型： 详细解析标准模型（Standard Model）如何通过自发对称性破缺赋予W和Z玻色子质量，同时保持规范理论的内在一致性。我们将回顾2012年发现的希格斯玻色子，并探讨其在粒子物理学中的关键地位。 第三部分：统一的召唤——量子引力学的艰难探索 本书的压轴部分致力于解决当代理论物理学的核心难题：如何将描述引力的宏大几何与描述粒子的微观量子化完美融合。 3.1 路径积分表述与半经典近似： 探讨费曼的路径积分（Path Integral）表述如何提供一个替代正则量子化的视角，并尝试将其应用于引力场，引出半经典引力的框架，即在背景时空中描述量子场的行为。 3.2 圈图量子化与重整化难题： 当尝试直接对引力进行QFT处理时，会遇到不可重整化的问题。本书将精确指出在计算高阶引力修正时，无限发散项的出现是如何阻碍传统方法的进展。 3.3 超弦理论（Superstring Theory）的几何洞察： 作为量子引力的主要候选者之一，超弦理论将基本粒子替换为一维的、振动的弦。我们将探讨超对称性（Supersymmetry, SUSY）如何解决引力子（Graviton）的自旋问题，以及对偶性（Duality）概念如何暗示了高维空间的必然性。 3.4 圈量子引力（Loop Quantum Gravity, LQG）： 另一种主流方法，它专注于对时空本身进行离散化和量子化。我们将介绍自旋网络（Spin Networks）和自旋泡沫（Spin Foams）的概念，解释它们如何自然地导出最小的、不可再分的“时空原子”——空间和时间的量子化，从而在普朗克尺度上规避奇点问题。 3.5 黑洞热力学与信息悖论： 探讨贝肯斯坦（Bekenstein）和霍金（Hawking）对黑洞熵（Entropy）的开创性工作，这表明黑洞具有温度并会辐射霍金辐射。信息悖论——信息是否在黑洞蒸发后永久丢失——构成了连接GR、QFT和热力学的终极思想实验，本书将详述当前解决该悖论的最新尝试，例如全息原理（Holographic Principle）及其在AdS/CFT对应中的体现。 本书通过这种层层递进的结构，力图清晰地勾勒出从宏观时空弯曲到微观粒子相互作用，再到最终统一所有物理现象的理论前沿的复杂图景。

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