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出版者:University of Chicago Press

作者:Ya B. Zeldovich

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1982-2

价格:USD 18.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780226979564

丛书系列:

图书标签:

• 天体物理学
• 相对论
• 广义相对论
• 黑洞
• 中子星
• 宇宙学
• 高能天体物理学
• 引力波
• 天体物理
• 物理学

宇宙的结构与演化：从早期宇宙到星系形成 一、 导论：宇宙学的基本框架与观测基础 本书旨在为读者提供一个全面而深入的宇宙学图景，重点关注宇宙的起源、演化历史以及当前观测到的宏伟结构。我们将从最基本的宇宙学原理出发，探讨描述宇宙整体行为的物理学基础，如广义相对论在宇宙学尺度上的应用。 首先，我们将详细阐述标准宇宙学模型——ΛCDM模型的核心要素。这包括对宇宙膨胀的精确描述，引入的关键概念如哈勃常数、物质密度参数（$Omega_m$）、暗能量密度参数（$Omega_Lambda$）以及曲率参数（$Omega_k$）。我们将追溯这些参数是如何通过对宇宙微波背景（CMB）辐射的精确测量、大尺度结构（LSS）的统计分析以及 Ia 型超新星对宇宙加速膨胀的观测而确定的。 接下来的章节将聚焦于早期宇宙的物理过程。我们将深入探讨暴胀理论（Inflation），解释它如何解决了标准大爆炸模型中的视界问题、平坦性问题和磁单极子问题。暴胀的量子涨落如何被拉伸并转化为后来宇宙中结构形成的种子，这一机制的物理细节将得到详尽的分析。随后，我们将跟随宇宙从极热、致密的状态开始冷却、演化的历程：夸克-胶子等离子体的形成、强子化、以及至关重要的太初核合成（Big Bang Nucleosynthesis, BBN）。BBN 的预测与可观测的轻元素（氢、氦、锂）丰度的吻合，是早期宇宙理论最强有力的证据之一，我们将详细分析影响 BBN 元素产量的关键物理参数。 二、 宇宙微波背景辐射：宇宙的婴儿快照 宇宙微波背景（CMB）辐射是理解宇宙演化的金钥匙。本章将系统性地介绍 CMB 的物理起源——复合时期（Recombination），即电子与质子结合形成中性原子的过程，以及光子如何得以自由传播，形成我们今天观测到的均匀黑体辐射。 我们将详细剖析 CMB 各向异性（Anisotropy）的物理起源，重点讲解萨克斯-沃尔夫效应（Sachs-Wolfe effect）、多极矩（Multipole moments）的物理意义。通过分析 CMB 的功率谱（Power Spectrum），我们可以提取出宇宙学参数的精确值，并检验基础物理模型的有效性。对极化信息（E-模式和B-模式）的分析，尤其是 B-模式，被视为探测原初引力波的“圣杯”，它能直接揭示暴胀时期的物理性质。 三、 从微扰到大尺度结构：物质的聚集与演化 宇宙在大爆炸后的初期几乎是完全均匀的，但极微小的密度涨落（源自暴胀）在引力的作用下逐渐放大，形成了我们今天看到的星系、星系团乃至超星系团的宏伟网络。 我们将引入线性微扰理论来描述这些早期密度涨落的增长。重点分析物质密度的增长因子如何受到宇宙中不同组分（物质、辐射、暗能量）主导时期演化速率的影响。暗物质的作用至关重要，由于它只通过引力相互作用，其密度涨落可以更早地开始增长，形成物质分布的“骨架”。本书将详述冷暗物质（Cold Dark Matter, CDM）模型在解释观测到的结构形成方面的成功之处。 随后，我们将过渡到非线性结构形成。我们将介绍晕结构形成理论（Halo Formation Theory），基于晶格理论（Press-Schechter Formalism）或其现代改进版，来预测不同质量尺度上结构（暗物质晕）的形成率。随后，我们将讨论如何将恒星和星系形成的过程（星系形成与反馈机制）嵌入到这些物质晕的演化中，以再现观测到的星系数量、颜色分布和星系形态随红移的变化。我们将探讨星系合并、恒星形成率的演化、超大质量黑洞反馈对星系演化的影响。 四、 探测工具与关键观测窗口 理解宇宙学的进展离不开先进的观测技术。本章将介绍用于绘制大尺度结构和测量宇宙膨胀历史的关键观测项目和技术。 我们将深入探讨星系红移巡天（如 Sloan Digital Sky Survey, DESI 等）如何用于构建三维的物质分布图，并通过测量重子声学振荡（Baryon Acoustic Oscillations, BAO）的特征尺度，精确测量宇宙在不同时期的膨胀历史。BAO 作为宇宙的“标准尺”，其作用机制和对暗能量参数的约束能力将被详细阐述。 此外，我们还将回顾引力透镜效应（Gravitational Lensing），包括弱引力透镜和强引力透镜，如何作为独立探针来测量物质的分布（包括暗物质）和确定宇宙学参数。这些多重、互补的观测方法共同构建了我们对宇宙演化的现代理解。 五、 宇宙的终局与前沿挑战 最后，本书将探讨当前宇宙学面临的理论与观测前沿问题。我们将分析当前数据对暗能量性质的限制，例如它是否是宇宙学常数（$Lambda$），还是具有时间变化的动态场（如Quintessence）。我们将考察各种替代引力理论对宇宙演化的潜在影响。 此外，我们还将讨论哈勃张力（Hubble Tension）——即早期宇宙（CMB）推导的哈勃常数与本地宇宙（超新星、星系测距）测量值之间的显著不一致——这一现象可能预示着标准模型中存在尚未被发现的新物理。本书将总结当前试图解决这些基本难题的理论方向，并展望下一代观测项目将如何进一步揭示宇宙的最终命运。 本书力求在保持物理严谨性的同时，为对宇宙学有浓厚兴趣的读者提供一个连贯且深刻的知识体系，从万物之初的量子涨落，到今天星系间的广袤尺度。

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我得说，这本书的行文风格简直就像是在聆听一位饱经风霜的资深天体物理学家在星空下娓娓道来，充满了那种老派的、对知识的敬畏与热忱。它没有过多地追求时髦的“科普化”表达，而是选择了一种更为严谨、甚至略带学术腔调的笔触来描绘那些最令人心驰神往的宇宙奇观。这种坦诚的学术态度令人敬佩，它要求读者拿出百分之百的注意力去啃食那些精妙的逻辑链条和复杂的数学推导。其中关于活动星系核（AGN）能量输出机制的章节尤其出色，作者没有满足于标准的标准模型解释，而是深入挖掘了不同能谱观测结果背后的物理限制与未解之谜，这种批判性的思维贯穿始终。阅读过程更像是一场智力上的马拉松，需要不断地停下来，在脑海中构建出那些看不见摸不着的时空几何模型。对于那些真正渴望深入理解事物本质、不满足于浅尝辄止的读者来说，这本书无疑是一份沉甸甸的馈赠，它考验你的耐心，更回报你的智慧。

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这本书的排版和插图质量实在令人称道，这在严肃的物理学著作中往往是容易被忽视的一环。每一张图表都经过精心设计，不仅仅是数据的罗列，更是对复杂物理图像的一种直观翻译。例如，在讨论引力透镜效应时，作者提供的那些三维扭曲空间视图，比任何文字描述都更有效地帮助我理解光线是如何被大质量物体弯曲的。而且，书中对历史背景的梳理也颇具匠心，它没有将这些知识点视为凭空出现的真理，而是追溯了从牛顿引力到现代场论的演变历程，让你能体会到科学发展中的那些关键的“Aha!”时刻。这种对科学史的尊重，让原本冰冷的物理定律焕发出了人文的光彩。我尤其欣赏作者在章节末尾设置的“思考题”部分，它们大多不是标准教科书式的计算题，而是引导读者去思考当前理论的局限性或尚未解决的重大问题，极大地激发了我的探索欲。

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这本书最让我感到惊喜的是它对“观测局限性”的坦诚探讨。很多科普读物倾向于描绘一个完美、可被完全测量的宇宙，但这本书却花了大量篇幅去讨论我们当前技术的不足，以及这些不足如何反过来影响我们对极端天体的认知。从背景辐射的微小扰动，到高能宇宙射线源头的追踪难题，作者丝毫不回避当前研究的“灰色地带”。这种现实主义的态度，反而让整个学科显得更加真实和充满活力。它让人明白，物理学的进步并非线性上升，而是充满了反复和修正。特别是关于早期宇宙暴胀理论的各种模型对比分析，作者没有武断地下结论，而是清晰地列举了每种模型在当前观测限制下的优缺点，这种平衡和审慎的论述方式，极大地增强了这本书的可信度和学术价值。它教会我的不只是物理知识，更是一种严谨的科学精神。

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这本巨著简直是宇宙学爱好者的福音，它以一种令人惊叹的清晰度和深度，将我们带入了一个由引力、光速和时空弯曲构筑的奇妙世界。作者的叙述功力深厚，仿佛一位技艺精湛的向导，引导着读者穿梭于黑洞的事件视界边缘，领略中子星的极端致密。书中对爱因斯坦场方程的阐释并非枯燥的数学堆砌，而是与实际观测现象紧密结合，让人真切感受到广义相对论是如何精准地描绘我们宇宙的宏大结构。特别是对引力波的起源、传播及其探测方法的论述，不仅详尽，而且充满了对未来物理学可能性的浪漫想象。读完这部分内容，我对宇宙的认识仿佛被彻底刷新，那些曾经遥不可及的理论概念，现在变得触手可及，充满了令人兴奋的物理实在感。这本书的结构安排也十分巧妙，从基础概念的铺陈，到复杂现象的深入剖析，过渡自然流畅，即便是初学者也能凭借毅力跟上节奏，而资深研究者也能在其中找到新的视角和深刻的洞见。

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坦白讲，这本书的阅读体验是极具挑战性的，它更像是为已经有扎实基础的本科高年级学生或研究生准备的工具书，而非面向大众的入门读物。开篇对张量分析和微分几何的快速回顾，就足以让那些对数学工具不熟练的读者感到晕眩。然而，一旦跨过了这道门槛，你会发现这本书的“密度”是无与伦比的。它不会用大量篇幅去重复已经被广泛接受的常识，而是将笔墨集中在那些前沿且存在争议的领域，比如时空奇点的性质、宇宙学常量的起源，以及与量子力学交汇处的理论困境。作者的论述极为凝练，信息量极大，阅读速度必须放得很慢，否则很容易漏掉关键的逻辑跳跃。这是一种需要反复研读、甚至在旁边空白处做大量笔记的阅读方式，它强迫你不仅要“知道”，更要“理解”支撑起这一切的底层数学框架。

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