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出版者:Cambridge University Press

作者:Marquis de Pierre Simon Laplace Marquis De

出品人:

页数:700

译者:Mary Somerville

出版时间:2009-7-20

价格:USD 60.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781108001571

丛书系列:Cambridge Library Collection - Physical Sciences

图书标签:

• 天文学
• 历史
• 科学史
• 机械
• 宇宙
• 哲学
• 文艺复兴
• 哥白尼
• 天体运动
• 科学

《天体运转的奥秘》 目录 第一章：宇宙的初始与演化 1.1 宇宙大爆炸理论及其证据 1.2 早期宇宙的物质形成与结构演化 1.3 星系的形成与分类 1.4 恒星的诞生、生命周期与死亡 1.5 元素的合成与宇宙的化学组成 第二章：行星的构成与动力学 2.1 行星的形成模型：星云假说 2.2 太阳系行星的分类与特征 2.2.1 类地行星：水星、金星、地球、火星 2.2.2 巨行星：木星、土星 2.2.3 冰巨星：天王星、海王星 2.3 行星的内部结构与地质活动 2.4 卫星的形成与多样性 2.5 小行星、彗星与矮行星：太阳系中的边缘居民 第三章：引力的法则与天体运动 3.1 牛顿万有引力定律：奠基之石 3.2 开普勒行星运动三大定律：对观测的精准描述 3.3 orbits and perturbations 3.3.1 椭圆轨道与轨道参数 3.3.2 轨道摄动：来自其他天体的扰动 3.3.3 轨道共振现象 3.4 潮汐力与天体同步自转 3.5 轨道力学在航天任务中的应用 第四章：恒星的物理性质与演化 4.1 恒星的光谱与分类：揭示其温度与化学组成 4.2 恒星的光度与质量-光度关系 4.3 恒星的内部结构：能量产生与输运 4.3.1 核聚变反应：恒星的动力源 4.3.2 辐射与对流：能量的传递 4.4 恒星演化的不同路径：主序星、红巨星、白矮星 4.5 极端天体：中子星与黑洞 第五章：星系的结构与动力学 5.1 星系的分类：旋涡星系、椭圆星系、不规则星系 5.2 银河系：我们的宇宙家园 5.2.1 银河系的结构：盘、核球、晕 5.2.2 银河系的自转与动力学 5.3 星系际物质与星系团 5.4 星系碰撞与合并：宇宙的动态塑造 5.5 潜藏的巨兽：星系中心的黑洞 第六章：宇宙的宏观结构与宇宙学 6.1 宇宙膨胀：哈勃定律与红移现象 6.2 宇宙微波背景辐射：大爆炸的余晖 6.3 暗物质与暗能量：宇宙的神秘组成 6.4 宇宙的几何形状与未来命运 6.5 宇宙的尺度与观测极限 引言 自古以来，人类便仰望星空，对那浩瀚的夜空充满了无尽的好奇与敬畏。星辰的闪烁，月亮的圆缺，行星的规律运行，都曾引发哲学家、天文学家和无数普通人的深刻思考。我们如何理解这些天体？它们为何会按照如此精确的轨迹运动？宇宙的起源是什么？它的未来又将走向何方？《天体运转的奥秘》正是旨在探索这些 fundamental 的问题，带领读者走进一个迷人的宇宙科学世界。 本书并非对某一特定天体或现象进行孤立的分析，而是致力于构建一个系统的、连贯的宇宙观。我们从宇宙的宏大开端出发，逐步深入到构成宇宙的基本单元，再回到宏观的宇宙结构。本书的逻辑线索清晰，层层递进，力求将复杂的科学概念以严谨而又不失趣味的方式呈现出来。 我们相信，理解天体的运行机制，不仅是满足人类求知欲的体现，更是我们认识自身在宇宙中位置的关键。每一颗遥远的星辰，每一个神秘的黑洞，都以其独特的方式讲述着宇宙的故事。通过深入研究这些故事，我们能够更好地理解物理定律的普适性，以及生命在宇宙中诞生的可能性。 本书的编写，汲取了数百年来天文学和物理学发展的最新成果，并力求以深入浅出的语言，为对宇宙奥秘感兴趣的读者提供一份详实而富有启发性的读物。我们希望，当您合上这本书时，能够对宇宙的浩瀚与精妙有更深的体会，并被科学探索的精神所激励。 --- 第一章：宇宙的初始与演化 宇宙并非永恒不变，而是经历了一个漫长而复杂的演化过程。本书的第一章，将从宇宙的诞生开始，回溯那一段塑造了我们所知一切的创世历程。 1.1 宇宙大爆炸理论及其证据 现代宇宙学最成功的模型——宇宙大爆炸理论（Big Bang Theory）——描绘了一个宇宙从一个极度炽热、致密的奇点开始膨胀并冷却的过程。这个理论并非一个虚无缥缈的猜想，而是建立在坚实的观测证据之上。 宇宙膨胀（Cosmic Expansion）：1929年，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）观测到，远处的星系都在远离我们，而且距离越远的星系，其远离的速度越快。这种普遍的退行现象，通过测量星系光谱的红移（Redshift）来证实，即来自遥远星系的光，由于多普勒效应，其波长被拉长，向光谱的红色端移动。这种“哈勃定律”是宇宙在膨胀的最直接证据，暗示着宇宙在过去曾经更小、更密集。 宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background Radiation, CMB）：1964年，阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）偶然发现了来自宇宙各个方向的微弱微波辐射。这种辐射被认为是宇宙大爆炸后，宇宙冷却到一定程度时，光子从物质中解耦，自由传播的结果。CMB具有近乎完美的黑体谱，温度约为2.7开尔文，其微小的各向异性（温度的细微起伏）记录了早期宇宙密度涨落的信息，是连接大爆炸模型与宇宙大尺度结构的关键证据。 轻元素的丰度（Abundance of Light Elements）：宇宙大爆炸核合成理论（Big Bang Nucleosynthesis, BBN）预测了早期宇宙在极高温度下形成的氢、氦、锂等轻元素的丰度比例。观测到的宇宙中这些元素的丰度，与BBN理论的预测高度吻合，为大爆炸模型提供了另一项强有力的支持。 1.2 早期宇宙的物质形成与结构演化 在大爆炸之后，宇宙经历了几个关键的演化阶段： 暴胀时期（Inflationary Epoch）：在大爆炸的极早期（约10^-36秒到10^-32秒），宇宙经历了指数级的快速膨胀。这一过程解释了宇宙的平坦性、均匀性以及CMB的微小各向异性。 物质-反物质湮灭（Matter-Antimatter Annihilation）：在早期的高温高能环境中，粒子与反粒子不断产生与湮灭。一个微小的物质-反物质不对称（即物质比反物质稍多）导致了最终我们观测到的宇宙主要是由物质构成。 基本粒子形成（Formation of Elementary Particles）：随着宇宙的冷却，夸克、轻子等基本粒子得以形成。 原子核的形成（Formation of Atomic Nuclei）：在大约1秒钟后，宇宙温度下降到足以让质子和中子结合形成稳定的原子核，主要是氢和氦的同位素。 宇宙的黑暗时代（Dark Ages）：在大约38万年后，宇宙冷却到足以让电子与原子核结合形成中性原子。此时，宇宙变得透明，光子得以自由传播（形成CMB），但还没有恒星和星系发光，因此被称为“黑暗时代”。 再电离时期（Reionization Epoch）：大约在宇宙诞生几亿年后，第一批恒星和星系开始形成，它们发出的紫外辐射重新电离了宇宙中的中性氢，结束了黑暗时代。 1.3 星系的形成与分类 星系的形成是一个复杂而漫长的过程，主要源于早期宇宙中物质密度的微小涨落。 引力坍缩（Gravitational Collapse）：在早期宇宙中，密度稍高的区域，其引力也稍大，开始吸引周围的物质。随着物质的聚集，这些区域的引力越来越强，最终坍缩形成原初的团块。 暗物质的作用（Role of Dark Matter）：暗物质，一种不与电磁波相互作用的神秘物质，在星系形成中起到了关键作用。它提供了引力势阱，使得普通物质能够在其周围聚集。 气体聚集与恒星形成（Gas Accumulation and Star Formation）：坍缩的原初团块吸引了大量的氢和氦气体。在气体冷却并达到足够密度时，便开始形成第一代恒星。 星系的演化（Galaxy Evolution）：这些早期的恒星聚集在一起，构成了原始的星系。随着时间的推移，星系通过引力作用不断聚集和合并，形成我们今天观测到的各种大小和形状的星系。 星系可以通过其形态进行分类： 椭圆星系（Elliptical Galaxies）：通常呈椭球状，恒星成分以老年星为主，恒星形成活动较少。 旋涡星系（Spiral Galaxies）：具有明显的旋臂结构，中心有一个核球，盘状结构中包含年轻的恒星、气体和尘埃，恒星形成活跃。我们的银河系就是一个旋涡星系。 不规则星系（Irregular Galaxies）：没有规则的形状，通常是由于星系间的引力作用或早期形成不完全所致。 1.4 恒星的诞生、生命周期与死亡 恒星是宇宙中最基本的发光天体，它们的生命周期是宇宙演化史的重要组成部分。 恒星的诞生（Stellar Birth）：恒星诞生于巨大的分子云（Molecular Clouds）中，这些云主要是由氢和氦气体以及少量尘埃组成。当分子云的某个区域由于内部扰动或外部冲击（如超新星爆发）而变得不稳定时，会发生引力坍缩。坍缩过程中，物质密度增加，温度升高，最终在核心区域达到能够触发核聚变（Nuclear Fusion）的温度和压力。 主序星（Main Sequence Stars）：一旦核聚变开始，氢原子核在核心发生聚变，产生氦原子核，并释放出巨大的能量。这些能量以光和热的形式向外辐射，形成一个稳定的状态，维持了恒星的结构。处于这个阶段的恒星称为主序星。恒星在主序带上的时间和质量有关，质量越大的恒星，寿命越短，因为它们消耗燃料的速度更快。 恒星演化的晚期（Late Stages of Stellar Evolution）：当主序星核心的氢燃料耗尽后，其演化路径会分化，取决于恒星的质量。 低质量恒星（如太阳）：核心收缩，温度升高，开始通过外壳的氢聚变产生能量，使恒星膨胀成红巨星（Red Giant）。之后，核心温度可能达到足以进行氦聚变，形成碳和氧。最后，恒星的外层物质被抛射出去，形成行星状星云（Planetary Nebula），留下一个致密的白矮星（White Dwarf）核心。 高质量恒星：它们的演化更为壮观。核心可以经历更复杂的聚变过程，形成碳、氧、氖、镁、硅，直至铁。铁是核聚变能的“终点”，因为铁的聚变不再释放能量，反而需要吸收能量。当核心积累到一定量的铁时，会发生引力坍缩，导致一次剧烈的超新星爆发（Supernova），将恒星的大部分物质抛入太空，并合成比铁更重的元素。 恒星死亡的遗迹（Remnants of Stellar Death）： 白矮星：由低质量恒星留下，密度极高，缓慢冷却。 中子星（Neutron Star）：由高质量恒星超新星爆发后留下的核心构成，由中子组成，密度极高，自转速度非常快，有时会发出脉冲信号（脉冲星，Pulsar）。 黑洞（Black Hole）：如果超新星爆发后留下的核心质量足够大（通常超过太阳质量的3倍），引力会压倒一切，形成一个时空曲率无限大的区域，即黑洞，连光也无法逃脱。 1.5 元素的合成与宇宙的化学组成 我们今天所知的宇宙，其化学组成主要是由恒星的生命周期所塑造。 宇宙的原始元素：大爆炸理论预测，宇宙早期主要产生了氢（约75%）和氦（约25%），以及极少量的锂。 恒星内部的核合成（Stellar Nucleosynthesis）：在恒星的核心，核聚变将氢转化为氦。随着恒星演化到晚期，质量更大的恒星能够在更复杂的聚变过程中合成更重的元素，如碳、氮、氧、氖、硅、硫等。 超新星爆发与重元素的生成：超新星爆发是合成比铁更重元素的唯一途径。在爆炸的极高能量环境下，中子俘获过程（n-capture process）迅速发生，生成金、银、铂、铀等各种重元素。 元素在宇宙中的传播：当恒星死亡，无论是通过行星状星云还是超新星爆发，它们合成的元素都会被抛射到星际空间中。这些富含重元素的物质会与原始的气体和尘埃混合，形成新的分子云，进而孕育出新一代的恒星和行星。我们的太阳系，包括地球以及我们自身，都是由这些经过多代恒星“炼制”过的元素构成。因此，可以说我们都是“星尘”。 本章为我们构建了一个动态的、不断演化的宇宙图景。从宇宙的黎明到恒星的生死，再到元素的生成与传播，无不体现着物理定律的深刻力量。接下来的章节，我们将聚焦于行星的形成与运动，以及支配这一切的天体运转的根本法则。

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