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出版者:高等教育

作者:邵长泰

出品人:

页数:243

译者:

出版时间:2001-8

价格:26.20元

装帧:简裝本

isbn号码:9787040168112

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宇宙的奥秘与人类的探索：天体物理学前沿概览 内容提要： 本书带领读者踏上一场深入宇宙深处的壮丽旅程，系统梳理了当代天体物理学的核心理论、观测进展与未来挑战。从恒星的诞生与死亡，到星系的形成与演化，再到暗物质和暗能量的谜团，本书以严谨的科学态度和生动的叙事风格，构建了一个宏大而精密的宇宙图景。内容聚焦于前沿研究热点，包括引力波天文学的兴起、系外行星的宜居性探索、超大质量黑洞的活动，以及宇宙学大爆炸模型的最新检验。本书旨在为对宇宙学和天体物理学有浓厚兴趣的读者，提供一个全面、深入且富有启发性的参考视角，激发对未知世界的探索热情。 --- 第一章：星光的起源与恒星生命周期 恒星，是宇宙中最基本也最引人注目的结构单元。它们不仅是宇宙中所有重元素的熔炉，更是照亮黑暗的能量之源。本章将从恒星形成所需的初始条件——分子云的引力坍缩——开始探讨。我们将深入解析恒星内部的核聚变反应链，特别是质子-质子链和CNO 循环，阐明恒星如何通过维持流体静力平衡来度过其“主序星”的漫长阶段。 随后，我们将聚焦于恒星的生命终结。对于质量较小的恒星（如太阳），其演化路径通向白矮星，伴随着行星状星云的壮丽消散。对于大质量恒星，其生命的高潮与终结则更为剧烈和引人注目。我们将详细讨论超新星爆发的机制，区分 Ia 型和 II 型超新星的物理本质及其在宇宙学测距中的关键作用。特别是，如何利用这些恒星遗迹——中子星和黑洞——来检验极端物理条件下的广义相对论，将是本章的重点之一。 第二章：星系的结构、形成与宇宙网 星系是宇宙中物质组织的基本宏观结构。本章将构建一个从矮星系到巨大椭圆星系的完整分类体系，探讨星系的形态学特征（如旋臂结构、核球、星系晕）的物理成因。 重点将放在星系形成与演化的两大理论框架：自下而上模型（小结构先形成并不断并合）与温-冷暗物质（Lambda-CDM）模型。我们将分析星系合并事件对星系性质（如恒星形成率、形态转变）的长期影响。此外，本章还将深入探讨星系团和超星系团的结构，揭示宇宙大尺度结构的形成——即“宇宙网”的纤维状、空洞状分布——如何受到早期宇宙密度涨落和暗物质主导引力的共同塑造。 第三章：活动星系核与黑洞的驱动力 宇宙中存在一类极其活跃的星系，其中心区域释放出远超恒星辐射的总和的能量，我们称之为活动星系核（AGN）。本章致力于解析驱动AGN的引擎：超大质量黑洞（SMBH）。 我们将回顾关于SMBH质量如何与宿主星系核心属性（如Bulge速度弥散或恒星质量）之间存在“M-$sigma$”等关系，探讨 SMBH 形成之谜（种子黑洞的来源）。随后，我们将详细描述不同的AGN现象，如类星体（Quasars）、蝎虎座天体（Blazars）和射电星系，并解释统一模型如何试图解释这些多样的表象。引力对周围物质的极端拖拽，导致吸积盘的形成与辐射，是理解高能天体物理现象的关键。 第四章：暗物质的证据与候选者 暗物质，占据了宇宙物质总量的绝大部分，却是我们目前感知最弱的成分。本章将系统梳理支持暗物质存在的无可辩驳的观测证据，从星系旋转曲线的异常平坦性，到星系团尺度的引力透镜效应，再到宇宙微波背景辐射（CMB）的各向异性分析。 在理论层面，本书将介绍目前最主流的暗物质候选粒子模型，包括弱相互作用重粒子（WIMPs）和轴子（Axions）。我们将探讨目前全球范围内正在进行的大型地下直接探测实验的工作原理及其局限性，同时介绍间接探测（如寻找暗物质湮灭或衰变产生的伽马射线或正负电子对）的最新进展。理解暗物质的性质，是完善宇宙学标准模型的基石。 第五章：暗能量与宇宙学的未来 暗能量是当前宇宙学中最具颠覆性的发现。本章首先回顾 Ia 型超新星观测如何揭示了宇宙加速膨胀的惊人事实，从而引出了对暗能量的必要性。我们将详细解析描述暗能量的参数——状态方程参数 $w$，并讨论目前主流的解释：宇宙学常数（$Lambda$）与更复杂的动态暗能量模型（如昆虫模型）。 本章的重点将放在如何通过其他独立的观测手段来约束 $w$ 的值，特别是： 1. 重子声波振荡（BAO）： 利用早期宇宙等离子体在物质分布中留下的“标准尺子”。 2. 星系团计数和演化： 通过观测不同红移下星系团的丰度变化来探测暗能量的影响。 3. 弱引力透镜（WL）： 测量宇宙结构生长率随时间的变化。 最后，我们将展望下一代大型巡天项目（如欧几里得、LSST）在精确测量宇宙学参数和探寻暗能量本质方面的潜力。 第六章：引力波天文学的革命 自 LIGO/Virgo 首次探测到双黑洞并合产生的引力波事件以来，我们进入了一个全新的多信使天文学时代。本章将介绍引力波的产生机制，特别是对时空几何的扰动，以及如何利用干涉仪探测这些微小的时空涟漪。 我们将系统分析已探测到的各类事件：双中子星并合（如 GW170817，首次实现引力波与电磁波多信使观测，对快子、中子星物态方程的约束）、双黑洞并合，以及未来可能探测到的黑洞-中子星并合。引力波天文学不仅为广义相对论提供了最极端的检验场，更成为研究中子星内部超高密度物质状态的独特窗口。本章还将简要介绍未来空间基引力波探测器（如 LISA）对低频引力波源（如超大质量黑洞并合）的探测前景。 结论：未解之谜与人类的求索 本书的收尾部分将总结当前天体物理学界尚未解决的重大难题，包括：黑洞信息悖论、暗物质粒子性质的确定、宇宙暴胀的物理机制、系外行星上生命存在的概率，以及宇宙学中“哈勃张力”等新兴的观测不一致性。天体物理学的魅力恰恰在于其无止境的未知领域，它驱动着人类不断精进观测技术，并发展更深层次的理论框架，以期最终理解我们身处宇宙的完整故事。

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这本书的编排结构非常注重逻辑的严密性和知识的系统性。它不像市面上某些参考书那样，东拼西凑一些零散的知识点或者历年真题解析。相反，它构建了一个非常完整且自洽的知识体系框架。从基础的运动学、动力学开始，稳步推进到能量守恒、动量定理，然后自然而然地过渡到热力学、电磁学，最终汇集到现代物理的宏大图景。这种“搭积木”式的知识构建过程，使得读者在学习新内容时，能够清晰地看到它与已学知识的内在联系，避免了知识点的碎片化记忆。我尤其赞赏它在每节内容结束后设置的“深入思考”环节，这些问题往往不是简单的计算题，而是要求读者对现象背后的物理本质进行反思和论证，极大地锻炼了我的归纳能力和批判性思维。这种高质量的引导，真正体现了“授人以渔”的教育理念，让我们学会的不仅仅是解题的方法，更是形成一套完整的物理学思维模式。这本书的厚重感，正是源自其知识体系的深度和广度，经得起反复推敲。

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老实说，我拿到这本教材时，内心是有些忐忑的，毕竟物理学常常被冠以“难啃的骨头”之名。然而，这本书完全颠覆了我的刻板印象。它的叙述语言极其平实、亲切，仿佛一位和蔼的老师在耳边娓娓道来，而非冷冰冰的教科书条款。特别是在处理一些概念性的难点时，比如量子力学的叠加态或者相对论的时空弯曲，作者总能找到一种绝妙的比喻或者类比，将抽象的理论“具象化”。我记得有一章专门讨论电磁波的传播特性，里面穿插了几幅高质量的示意图，这些图画得极其精妙，不再是那种生硬的几何线条，而是充满了动态感和美感，让人一看就明白了能量是如何在场之间转换和传递的。这种对教学艺术的极致追求，让原本晦涩的知识变得生动有趣，大大提升了我的学习兴趣和专注度。读完一个章节后，我常常有一种豁然开朗的喜悦感，而不是被一堆符号淹没的挫败感。这本书的成功之处，在于它成功地架设了理论与实践、抽象与具体之间的桥梁，让物理学习不再是苦役，而成为一种探索的乐趣。

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作为一名对实验物理抱有浓厚兴趣的读者，我必须指出，这本书在实验方法论和误差分析方面的论述，达到了极高的专业水准。很多物理教材常常一笔带过实验部分，将其视为次要内容，但在这本书中，实验被提升到了与理论同等重要的地位。它详细解析了经典实验的仪器构造、操作步骤的注意事项，甚至连如何避免常见的系统误差和随机误差，都给出了非常具体的建议。例如，在介绍光电效应实验时，书中不仅展示了电路图，还细致地讨论了不同光电管的特性曲线差异，以及如何通过修正方法来提高测量的准确性。这种对细节的把控，对于希望真正将物理知识应用于实践的人来说，简直是无价之宝。它教会了我，科学的严谨性不仅体现在数学推导中，更深植于精密的实验操作和数据处理之中。这本书不只是教你“是什么”，更教你“怎么做”，将理论的火花，通过实践的熔炉，真正锻造成可靠的科学结论。

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这本书的价值，更在于其蕴含的跨学科视野和历史人文关怀。物理学从来不是孤立于其他学科存在的，而这本书很好地体现了这一点。它在讲解物理定律的发现历程时，并未回避科学史上的争论、弯路和哲学思辨。比如，在探讨牛顿力学向爱因斯坦理论过渡的过程中，作者穿插了对当时社会思潮和哲学观念的简要介绍，这使得我们理解这些物理革命，不仅仅是数学工具的更新，更是人类认知范式的根本性转变。这种宏大的叙事视角，极大地拓宽了我的知识边界，让我意识到物理学是人类文明进程中极其重要的一环。读完后，我感觉自己不仅仅是掌握了一套物理知识，更像参与了一场关于人类如何认知自然的伟大对话。这本书的阅读体验是充实而深刻的，它所提供的不仅仅是知识的储备，更是一种对世界本质的深刻洞察力和敬畏之心，是值得反复研读的经典之作。

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这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，那种沉稳的深蓝色配上烫金的书名，透着一股严肃而又不失亲和力的气息。翻开扉页，字体选择的考究和版面排布的疏朗，都体现出出版方对阅读体验的重视。我尤其欣赏它在内容组织上的匠心独运，虽然是教科性质的读物，但并没有那种堆砌知识点的枯燥感。相反，它似乎在引导读者进行一场思维的漫步，从宏观的物理学思想脉络，到微观的实验设计细节，过渡得自然而流畅。比如，在讲解经典力学部分时，作者并没有急于抛出复杂的公式，而是先通过一些贴近生活的实例进行铺陈，让初学者能迅速抓住核心概念，建立起直观的物理图像。随后，才是对数学模型的严谨推导，这种循序渐进的方式，极大地降低了学习的心理门槛。这本书的价值，不仅仅在于传授知识，更在于培养一种科学的、批判性的思维习惯，教我们如何去观察世界，如何用物理学的语言去解读自然现象的奥秘。对于任何渴望深入理解物理世界奥妙的求知者来说，这本书无疑是一个极佳的起点，它像一位经验丰富的向导，在我探索科学殿堂的路上，提供了坚实而可靠的指引。

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