Semi-Riemannian Geometry with Applications to Relativity

Semi-Riemannian Geometry with Applications to Relativity pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Academic Pr
作者:O'Neill, Barrett
出品人:
页数:468
译者:
出版时间:1983-6
价格:$ 143.51
装帧:HRD
isbn号码:9780125267403
丛书系列:PURE AND APPLIED MATHEMATICS: A series of Monographs and Textbooks
图书标签:
  • 黎曼几何
  • 数学
  • 微分几何7
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  • 几何学
  • 广义相对论
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  • 时空
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  • 数学物理
  • 拓扑学
  • 流形
  • 张量分析
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具体描述

This book is an exposition of semi-Riemannian geometry (also called pseudo-Riemannian geometry)--the study of a smooth manifold furnished with a metric tensor of arbitrary signature. The principal special cases are Riemannian geometry, where the metric is positive definite, and Lorentz geometry. For many years these two geometries have developed almost independently: Riemannian geometry reformulated in coordinate-free fashion and directed toward global problems, Lorentz geometry in classical tensor notation devoted to general relativity. More recently, this divergence has been reversed as physicists, turning increasingly toward invariant methods, have produced results of compelling mathematical interest.

《相对论几何学导论:从黎曼到半黎曼空间》 本书旨在为读者提供一个关于广义相对论背后的数学基石——黎曼几何学及其推广——半黎曼几何学的清晰而全面的介绍。本书的重点在于建立对这些抽象概念的直观理解,并展示它们如何在描述引力现象的现代物理学理论中发挥核心作用。 第一部分:黎曼几何学的基石 本部分将带领读者从经典欧几里得几何学出发,逐步引入黎曼几何学的基本概念。我们将从流形的概念入手,解释如何将光滑的几何空间局部地近似于欧几里得空间,并通过切空间的概念来描述点附近的“局部行为”。 流形与切空间: 介绍光滑流形的定义,如何通过坐标图来描述流形,以及切空间的几何意义。我们将强调切向量在描述速度、方向等物理量时的作用。 张量分析: 详细阐述张量的概念,包括张量的定义、运算(加法、乘法、缩并等)以及在不同坐标系下的变换性质。张量是描述物理量(如度规、曲率)的关键工具,我们将通过具体的例子来说明其重要性。 度规张量: 这是黎曼几何学的核心。我们将介绍度规张量的定义,它如何赋予流形以距离和角度的概念,从而能够度量长度、体积和曲率。重点将放在度规张量如何定义流形上的内积,以及这如何允许我们计算向量之间的“接近程度”和“夹角”。 联络与协变导数: 解释联络的概念,它允许我们将向量在流形上“平行移动”。协变导数是衡量向量场在方向上的变化率,它克服了仅仅使用坐标导数所带来的不便。我们将深入探讨 Levi-Civita 联络,它是度规张量唯一确定的无挠率的联络,并在黎曼几何中占据主导地位。 曲率: 这是黎曼几何学最深刻的概念之一。我们将介绍黎曼曲率张量,它量化了流形弯曲的程度。通过黎曼曲率张量,我们可以定义截面曲率、Ricci 曲率和数量曲率,并理解它们各自的几何意义。例如,Ricci 曲率与物质能量密度的关系是广义相对论的基石。 测地线: 定义测地线为流形上两点之间“最短”或“最直”的路径,它们是黎曼几何中“直线”的推广。测地线的运动方程与流形上的曲率密切相关,这为我们理解自由落体运动提供了数学框架。 第二部分:半黎曼几何学:推广与应用 本部分将在黎曼几何的基础上,引入半黎曼几何学的概念,并着重探讨其在广义相对论中的核心应用。我们将解释在相对论中,时空的度规张量具有更一般的形式,允许出现负的平方距离,从而揭示了时空的因果结构。 半黎曼流形: 介绍半黎曼流形的概念,其度规张量具有任意符号的二次型。我们重点讨论洛伦兹度规,它在物理学中至关重要,因为时空的度规就是洛伦兹度规的推广。 因果结构: 解释在半黎曼几何中,由于度规的符号性质,存在光锥(light cone),它决定了因果关系的传播。我们将分析类时(timelike)、类空(spacelike)和零(null)向量的区别,以及它们在描述物理过程中的意义。 相对论中的度规: 深入探讨广义相对论中的爱因斯坦场方程,并说明其核心是时空度规张量。我们将展示度规张量如何描述时空的几何形状,以及物质和能量如何弯曲时空。 引力波: 介绍引力波作为时空涟漪的数学描述,它们是度规张量扰动的传播。我们将初步探讨引力波的数学性质,以及它们在天体物理学观测中的重要性。 黑洞几何: 讨论一些经典的半黎曼流形解,例如史瓦西度规,它们描述了黑洞的时空几何。我们将介绍事件视界、奇点等黑洞的基本概念,并从几何学的角度理解它们的性质。 第三部分:进阶主题与应用展望 本部分将对前两部分的内容进行深化,并展望半黎曼几何学在更广泛领域的应用。 时空中的运动: 进一步分析测地线方程在半黎曼流形中的形式,理解自由落体和光线传播的几何本质。 曲率与物理效应: 探讨曲率张量如何与潮汐力、引力透镜等可观测的物理效应联系起来。 几何学的数学工具: 介绍一些在研究半黎曼几何学中常用的高级数学工具,例如外微分、微分形式等,并简要说明它们在物理学中的应用。 模型与简化: 讨论在实际应用中,如何通过选择特殊的坐标系或对模型进行简化来解决复杂的几何问题。 本书的写作风格力求清晰易懂,避免过多晦涩的数学术语,并辅以大量的几何直观解释和物理学上的类比。我们相信,通过对本书的学习,读者将能够深刻理解支配宇宙运行的几何规律,并为进一步深入研究广义相对论及相关物理学领域打下坚实的基础。本书适合对数学物理、理论物理以及高等几何学感兴趣的本科生、研究生以及科研人员阅读。

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用户评价

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当我真正深入到章节内容时,我立刻体会到作者在构建知识体系上的匠心独运。这本书的叙事节奏把握得极其微妙,它没有一开始就将读者抛入纯粹的抽象泥潭中,而是循序渐进地,像是用一把精密的尺子丈量着读者的认知边界。开篇部分对于微分流形基础概念的回顾,既全面又避免了冗余,每一个定义和定理的引入都带着明确的“为什么”的指向性。最让我印象深刻的是它处理曲率概念演变的方式,从黎曼几何的经典视角,如何平滑过渡到伪黎曼流形的概念,其间的逻辑跳跃被处理得几乎无缝连接。这种行文风格,不是那种填鸭式的说教,而更像是一位经验丰富的导师,他懂得何时需要停下来让你消化,何时需要加速引导你探索更深的领域。特别是对测地线方程的推导,作者采用了一种非常直观的变分原理出发的路径,这极大地增强了我对物理直觉与数学形式统一性的理解,而非仅仅停留在符号操作层面。

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这本书的装帧和印刷质量简直是奢华的享受,厚实的纸张带着沉甸甸的质感,触感光滑细腻,那种油墨散发出的微弱香气,让每一次翻阅都像是在进行一场仪式。我特别喜欢它封面设计的那种古典与现代交织的韵味,深邃的蓝色调,配上那几行精准的几何图形,让人一眼就能感受到内容的严谨和深度。内页的排版布局也极为考究,字体选择优雅又不失清晰度,公式的呈现逻辑分明,即便是面对那些复杂到令人望而生畏的张量计算,也能在视觉上得到极大的安抚。这不仅仅是一本教科书,更像是一件值得收藏的艺术品,那种对细节的极致追求,体现了出版方对数学美学的深刻理解。每次合上书本,指尖划过封面的纹理,都能感受到一种来自知识殿堂的沉静力量,它以一种近乎虔诚的态度对待物理世界最深层次的结构描述,让人心生敬畏。书中的插图,虽然数量不多,但每一张都恰到好处地起到了画龙点睛的作用,用最简洁的图形语言揭示了高维空间中的拓扑特性,这种视觉辅助效果的克制与精准,是许多同类书籍难以企及的。

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这本书的参考书目和索引部分,本身就是一份高质量的研究资源清单。我欣赏作者在引文方面的严谨性,几乎每一处关键思想的引入,都能找到其原始出处或最权威的阐释来源,这极大地便利了那些希望进一步深挖特定主题的读者。索引的编排细致入微,无论是晦涩的术语还是关键的数学符号,都能快速定位,这在进行特定公式检索时显得尤为重要。此外,我注意到作者在脚注中偶尔会穿插一些关于历史发展或不同学派观点的简短评论,这些非核心内容的补充,虽然不影响主体论证,却极大地丰富了阅读体验,让人感受到作者作为一位资深学者的广阔视野和深厚积累。总而言之,这本书的实用性和学术价值是毋庸置疑的,它为所有严肃对待广义相对论和现代几何物理研究的人,提供了一个无可替代的、结构坚实且充满智慧的基石。

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这本书对于“应用”部分的深度和广度,远超出了我最初的预期,这绝对不是一本纯粹的理论“工具箱”。它没有满足于仅仅罗列爱因斯坦场方程,而是花了大量篇幅去探讨这些几何结构如何在不同的物理场景中“呼吸”。我特别关注了关于奇点理论的讨论,作者不仅仅是描述了潘洛斯-霍金奇点定理的数学表述,更是深入剖析了该定理背后的物理哲学含义——即时空必然性的崩溃。这种对物理背景的深入挖掘,使得那些冰冷的数学公式获得了鲜活的生命力。更不用提关于非对易几何的某些章节的引入,虽然难度陡增,但它展现了作者试图跨越传统框架,探索更前沿物理模型的雄心。它强迫读者去思考,当我们脱离了经典度量张量框架时,我们还能用什么工具去描述时空结构?这种前瞻性,让这本书的价值超越了单纯的教材范畴,更像是一本“思想激发器”。

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坦率地说,这本书的难度曲线相当陡峭,它对读者的预备知识要求极高,如果你期望能轻松地“看”完它,那可能会让你大失所望。阅读过程中,我发现自己不得不频繁地查阅和回顾基础的拓扑学和线性代数知识,甚至需要回溯到高等微积分的张量分析部分。这并不是批评,恰恰是这本书“硬核”魅力的体现。它不试图取悦初学者,而是直接将读者带入了研究生的前沿领域。作者的表达风格有时会显得极为凝练,特别是在推导复杂定理的关键步骤上,常常会省略一些被作者认为是“显而易见”的中间步骤。对于经验不足的读者来说,这些地方可能就是“卡点”。但这同时也意味着,当你最终攻克了某个难点,那种豁然开朗的成就感是无与伦比的。它像一块磨刀石,将你数学思维的锋刃不断打磨,让你真正拥有驾驭这些工具的能力,而不是仅仅停留在“知道”的层面。

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