A Primer on the Physics of the Cosmic Microwave Background pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Giovannini, Massimo

出品人:

页数:474

译者:

出版时间:

价格:$ 113.00

装帧:

isbn号码:9789812791429

丛书系列:

图书标签:

• Cosmic Microwave Background
• Cosmology
• Astrophysics
• Physics
• Early Universe
• Radiation
• Big Bang
• Cosmic Radiation
• Inflation
• Observational Cosmology

宇宙微波背景物理学导论 作者：[在此处填入作者姓名，若无则留空] 出版社：[在此处填入出版社名称] 第一部分：宇宙学的基石 本书深入探讨了宇宙学的核心领域——宇宙微波背景（CMB）辐射的物理学。CMB是宇宙大爆炸后遗留下来的最古老的“快照”，为我们理解宇宙的起源、演化以及最终命运提供了无可替代的观测证据。本书旨在为研究生和高年级本科生提供一个全面、严谨且易于理解的框架，用以掌握CMB观测、理论建模以及数据分析的关键概念。 第1章：早期宇宙与大爆炸的遗迹 本章从现代宇宙学模型——ΛCDM模型——的建立讲起。我们将回顾哈勃定律、宇宙膨胀的证据，并详细阐述大爆炸理论的核心支柱。重点将放在早期宇宙的极端物理条件下，物质和辐射的相互作用如何塑造了我们今天观测到的CMB。我们将探讨早期宇宙的等离子体阶段，以及光子与自由电子的散射过程，为理解CMB的形成机制奠定基础。 第2章：光子在早期宇宙中的演化：复合与退耦 本章的核心是“复合”（Recombination）事件，即大约在宇宙年龄为38万年时，质子和电子结合形成中性氢原子的关键时刻。我们将精确计算这一过程的热力学和动力学。退耦（Decoupling）——光子从物质中自由传播——是CMB诞生的直接原因。本章将详细分析光子自由传播时所经历的红移效应，以及温度如何从约3000 K下降到今天的2.725 K。我们将引入玻尔兹曼方程及其在早期宇宙流体动力学中的应用。 第3章：微波背景的各项异性：温度与偏振 虽然CMB在宏观上表现为近乎完美的黑体辐射，但其温度在天空中的微小波动（各向异性）却是宇宙结构形成的种子。本章将详细介绍这些各向异性的来源。我们将深入探讨声子振荡（声学峰）的物理机制，这是由早期宇宙中重子-光子流体中的引力不稳定性和辐射压力共同驱动的。通过分析CMB的功率谱，我们可以提取出关键的宇宙学参数。此外，本章还将介绍CMB的偏振结构，包括E模和B模偏振，它们分别记录了复合时期的密度扰动和引力波的印记。 第二部分：理论模型与观测工具 第4章：线性扰动理论与玻尔兹曼方程求解 构建精确的CMB理论模型需要依赖线性扰动理论。本章将引入描述物质和辐射场扰动的关键微分方程组。我们将系统地推导和求解用于描述CMB温度和偏振各向异性的运动学方程。重点在于如何处理重子流体与光子的耦合项，以及如何通过数值方法求解这些耦合方程，最终输出理论上的功率谱。 第5章：仪器、天空与系统误差 CMB观测的挑战在于其极其微弱的信号与地球、太阳系乃至银河系自身的强大前景信号的竞争。本章将回顾历史上主要的CMB实验（如COBE, WMAP, Planck）及其关键仪器设计。我们将详细讨论探测器技术（如低温制冷、微波/毫米波接收机）以及如何从原始数据中提取出纯净的CMB信号。数据处理部分将包括前景去除技术，例如对银河系辐射、太阳系尘埃和释光体污染的精确建模与扣除。 第6章：功率谱分析与宇宙学参数推断 CMB的观测核心在于其角功率谱 $C_l$。本章将详细解释如何将理论计算的功率谱与观测数据进行拟合。我们将深入探讨功率谱的各个特征峰（尤其是一次、二次和三次声学峰）所对应的物理意义，它们直接关联到宇宙的曲率、暗物质与重子的相对密度。本章还将介绍马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）等统计推断方法，用于从数据中提取精确的宇宙学参数，包括哈勃常数 $H_0$ 和物质密度 $Omega_m$。 第三部分：超越标准模型 第7章：暴胀模型与原初引力波 如果CMB各向异性是宇宙早期量子涨落的冻结，那么暴胀理论则解释了这些涨落的起源和如何演化成我们今天的宇宙结构。本章将介绍暴胀的动力学框架，并重点探讨它对CMB的独特预测：原初引力波的背景。这些引力波会在CMB中留下独特的B模偏振信号。本章将分析如何通过观测B模信号来检验不同的暴胀势能模型。 第8章：后复合时代的宇宙学：重电离与透镜效应 CMB光子在退耦之后，并非一路畅通无阻。大约在宇宙年龄为数亿年后，第一批恒星和星系形成，它们发出的紫外线将中性氢再次电离（Reionization）。本章将分析重电离过程对CMB产生的次级效应，特别是对功率谱的抑制（小尺度信息损失）。此外，我们还将探讨引力透镜效应：星系团和大规模结构对CMB光线路径的微小弯曲，这为测量物质分布和几何学提供了强大的工具。 第9章：CMB的精细结构：非高斯性和未来展望 标准模型（平坦的、暴胀驱动的）预测CMB的温度波动应遵循高斯分布。本章将探讨对高斯性的偏离（非高斯性），这可能揭示出超出标准暴胀模型的物理过程。最后，本书将展望未来CMB观测的前沿领域，包括对极低频（射电波段）的探测，以及新一代实验如何致力于实现对原初B模的最终确认，从而打开通往量子引力时代的窗口。 本书的特点在于平衡了深厚的理论基础与前沿的观测实践，通过详尽的数学推导和清晰的物理图像，使读者能够完全掌握宇宙微波背景辐射这一“宇宙学圣杯”的全部奥秘。

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