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出版者:7-122

作者:刘光华

出品人:

页数:424

译者:

出版时间:2007-10

价格:48.00元

装帧:

isbn号码:9787122010223

丛书系列:

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• 科学
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《星际航行与引力波物理学》 书籍简介 本书旨在为高等物理学、天体物理学以及航空航天工程领域的学生和研究人员提供一个全面、深入的视角，探讨当前科学前沿——星际航行所需的物理学基础以及利用引力波探测宇宙深处奥秘的前沿理论与技术。我们着重于那些直接影响人类实现长期深空探索和理解宇宙基本结构的核心物理学分支。 第一部分：超光速与曲速驱动的理论探索 (The Theoretical Landscape of Faster-Than-Light Travel) 本部分将严格基于广义相对论的数学框架，深入剖析“旅行者悖论”和“因果律”在超光速航行中的挑战。我们不会涉及任何纯粹的科幻概念，而是聚焦于理论物理学家们在爱因斯坦场方程的解空间中寻找的有限且具有物理可行性的路径。 第一章：时空几何与黎曼流形基础 我们将从微分几何和黎曼几何的视角重新审视广义相对论。重点讲解度规张量、克里斯托费尔符号的物理意义，以及如何利用这些工具描述弯曲时空。对于星际航行而言，理解如何局部地操纵时空曲率是至关重要的先决条件。本章将详细推导静态球对称引力场下的度规，并引入类地坐标系与非惯性系之间的转换，为后续分析曲速场做准备。 第二章：阿尔库比耶雷驱动的再评估 本章集中分析墨西哥物理学家米格尔·阿尔库比耶雷提出的曲速泡（Warp Bubble）模型。我们将严格按照其原始论文（Classical and Quantum Gravity, 1994）建立数学模型，详细计算维持曲速泡所需的能量密度张量。关键在于深入探讨负能量密度（或称奇异物质）的物理学含义，并评估其在量子场论背景下（如卡西米尔效应的宏观尺度应用）的可能性与限制。我们还将比较Warp Drive与基于“虫洞”理论的瞬时传输机制在能量需求和稳定性方面的差异。讨论的重点将放在如何通过精细调控度规张量，使得船只本身保持在局部的平坦时空中，从而规避狭义相对论的速度限制。 第三章：等效原理与惯性质量的修正 星际航行，尤其是高加速度机动，要求我们理解惯性质量在强引力场或高时空曲率变化下的行为。本章探讨强场引力下的等效原理，以及如何利用“零能量条件”和“弱能量条件”来约束可实现的驱动场。我们将分析通过外部电磁场或极端物质分布来模拟有效质量降低的可能性，尽管这仍处于理论的边缘，但其数学框架是基于已证实的场方程。 第二部分：引力波：宇宙的声学与探测技术 (Gravitational Waves: The Universe's Acoustics and Detection Technologies) 引力波是时空本身的涟漪，为我们提供了观测宇宙中最大质量事件的全新窗口。本部分将聚焦于引力波的产生机制、传播特性以及地面和空间探测器的设计原理。 第四章：线性化引力与四极矩公式 本章从爱因斯坦场方程的线性化近似出发，推导出引力波的产生源——四极矩公式。详细讲解如何利用这一公式计算双星系统（如黑洞并合、中子星碰撞）辐射出的引力波的波形特征。我们将分析波形的极化（横向与纵向分量），并阐明引力波能量的辐射过程与角动量守恒的关系。 第五章：引力波的传播与背景噪声 引力波在传播过程中会受到宇宙介质（包括暗物质分布）的影响，虽然影响极微弱，但在高精度探测中必须加以考虑。本章分析了引力波在平坦时空中的传播方程，并着重讨论了随机引力波背景（Stochastic Gravitational Wave Background）的来源，包括早期宇宙的相变、超大质量黑洞的合并等。我们将深入探讨如何从背景噪声中分离出可识别的信号。 第六章：干涉测量原理与激光干涉仪设计 激光干涉引力波天文台（LIGO/Virgo/KAGRA）是当前引力波探测的主力。本章详细解析了迈克尔逊干涉仪在探测引力波时所发生的微小臂长变化。内容涵盖了从理论模型到实际工程设计的跨越：光束的锁定技术（Power Recycling, Signal Recycling）、高真空系统、米制级量子噪声（辐射压力噪声与散粒噪声）的理论建模，以及如何通过多通道数据处理来抑制地面振动和环境噪声。特别强调了如何利用干涉仪的两个正交臂来区分引力波的横向极化分量与环境噪声。 第七章：空间引力波探测与未来展望 地基探测器受限于地球振动和低频段（毫赫兹至赫兹）的探测极限，无法观测超大质量黑洞合并事件。空间激光干涉仪（如LISA项目）是填补这一空白的关键。本章将详细介绍空间任务的挑战：长期激光频率稳定性的维持、卫星间的相对位置控制精度要求（皮米/$sqrt{ ext{Hz}}$级别），以及如何处理太阳风和轨道运动带来的系统误差。我们将探讨将引力波与电磁波或中微子观测相结合（多信使天文学）对验证广义相对论和研究极端天体物理过程的深远意义。 结语：跨越界限的物理学 本书的最终目标是展示理论物理学的严谨性如何与最前沿的实验技术相结合，共同推动人类对时间和空间的理解。无论是试图在时空结构中开辟新航道的工程师，还是试图聆听宇宙最剧烈事件的物理学家，都必须首先掌握这些基础且深刻的物理学原理。

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坦白讲，我对材料科学领域的新进展一直抱持着一种审慎的怀疑态度，因为很多前沿成果往往伴随着夸大的宣传。然而，这本书给我带来的震撼是建立在扎实的实验数据和严谨的理论推导之上的。它在描述高熵稀土合金的相稳定性时，引用的热力学计算模型和分子动力学模拟结果，详尽到令人发指。我特地去查阅了其中引用的几篇核心文献，发现这本书的内容更新速度非常贴合当前研究的最前沿。特别是它对一些新兴应用场景的分析，比如稀土在固态电池电解质界面稳定性方面的作用，不仅提供了理论模型，还探讨了实际制备工艺中可能遇到的热点难题。这种既仰望星空（基础理论），又脚踏实地（工程实践）的写作态度，使得这本书的学术价值和实用价值得到了完美的平衡。对于一个在实验室摸爬滚打多年的研究人员来说，这样的参考书是无比珍贵的，它能帮你绕开许多弯路，直接触及问题的核心。

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这本书最令我欣赏的一点，是其独特的叙事结构和对历史脉络的尊重。它没有采用传统的“元素A、元素B、元素C”的分类方式，而是以“功能导向”组织章节。比如，一个章节专门讨论“磁性起源与调控”，然后将涉及钐、钕、镝等多种稀土元素在永磁材料中的应用和机理统一阐述。这种宏观视角使得读者能够跳出单一元素的局限性，从整个材料体系的功能需求出发去理解材料的构成。更妙的是，书中穿插了许多对早期科学家的致敬和对其关键发现的背景介绍。例如，在讨论永磁性的起源时，作者详细描述了在特定历史时期，科学家们是如何通过艰苦的实验和理论探索，才逐步揭示出这些奇特性能的。这种对科学史的梳理，不仅增添了阅读的趣味性，更重要的是，它告诉我们科学发现并非一蹴而就，而是无数次失败和灵感的结晶，这对于我们这些在科研路上探索的人来说，是一种无声的激励。

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这本书的装帧设计真是没得说，拿到手里沉甸甸的，封面上那抽象的金属晶格图案，用深邃的钴蓝色和跳跃的亮橙色点缀，一下子就把人带进了一种既古老又前沿的材料世界。内页的纸张质感也相当考究，不是那种廉价的泛白纸，而是略带米黄、触感温润的哑光纸，这对长时间阅读来说简直是福音。更让人惊喜的是，书中插图的精细程度达到了博物馆级的标准。那些关于稀土元素电子结构和能级跃迁的示意图，线条流畅，色彩过渡自然，即便是复杂的物理图像，也清晰到让人一眼就能抓住核心概念。尤其是一些晶体结构的三维渲染图，立体感十足，仿佛触手可及，极大地降低了理解抽象概念的门槛。装帧的细节处理也体现了出版方的用心，比如书脊处的烫金工艺，在灯光下低调地闪烁着，透露出一种专业和严谨的气质。整体来看，这本书的设计语言是沉稳而富有洞察力的，它不仅仅是一本教材或专著，更像是一件值得收藏的工艺品，光是翻阅它的过程，就足以让人感受到内容深度的重量。

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这本书的阅读体验可以说是“痛并快乐着”。我承认，它的某些部分对于初学者来说，门槛是相当高的。那些关于四f电子轨道耦合、朗德g因子精确计算以及稀土在强磁场下反常霍尔效应的章节，需要读者具备相当扎实的量子物理基础。我花了数周时间，反复咀嚼其中的公式和推导过程，有好几次都差点想放弃。但正是这种挑战性，让我对内容的掌握更为牢固。作者似乎故意设置了这些“硬骨头”，目的是筛选出真正想要深入理解物理本质的读者。当经过一番努力，终于能清晰地勾勒出三价铕离子在不同晶格环境下的光谱分裂规律时，那种豁然开朗的感觉，远胜于简单地背诵结论。它像一位严厉而高明的导师，逼迫你走出舒适区，去真正掌握这门学科的精髓。因此，我更倾向于把它视为一本进阶的“内功心法”而非入门手册。

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我是在一个非常偶然的机会下接触到这本书的，当时我正在为一个关于高效率永磁材料的课题寻找可靠的理论基础。市面上同类的专业书籍汗牛充栋，但大多内容老旧，或者过于侧重实验操作而缺乏对基础物理机制的深入剖析。这本《稀土材料学》的出现，简直像是干旱中的甘泉。它的叙述风格极其老道，不是那种教科书式的平铺直叙，而是充满了对材料体系演化历史的深刻洞察。作者在阐述特定稀土氧化物或合金体系时，总能巧妙地将冶金学、量子力学和应用物理学的知识点串联起来，形成一个完整的逻辑闭环。例如，书中关于掺杂对稀土发光材料荧光效率影响的讨论，不是简单地罗列数据，而是从晶格畸变到能量陷阱的形成机理，层层递进，逻辑严密到让人拍案叫绝。读完相关章节，我感觉自己对“为什么是这种材料，而不是另一种”有了更深层次的理解，这种“知其所以然”的满足感，是阅读其他材料学著作时很少能获得的。

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