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出版者:人民交通出版社

作者:谷正气

出品人:

页数:267

译者:

出版时间:2005-8

价格:26.0

装帧:平装

isbn号码:9787114056420

丛书系列:

图书标签:

• 汽车
• 到现在都记得当时上课的老师一口气说半分钟都不带喘的
• 汽车工程
• 空气动力学
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• 汽车技术

探寻宇宙深处的奥秘：黑洞、引力波与时空几何的交织 本书聚焦于现代物理学的两大前沿领域——广义相对论的宏观描述与量子场论的微观图景，深度剖析黑洞的形成、性质、演化及其与时空结构之间的深刻联系。这不是一本面向初学者的科普读物，而是为具备扎实高等数学和理论物理基础的读者准备的、详尽的理论探究与前沿进展综述。 --- 第一部分：广义相对论的几何基础与场方程的精妙 本书的开篇将回顾并深化对爱因斯坦广义相对论（GR）的理解。我们不会停留在简单的等效原理层面，而是直接进入到黎曼几何的数学框架，这是描述弯曲时空的基础工具。 1.1 测地几何与曲率张量： 我们将详细探讨度规张量、黎曼曲率张量、里奇张量和斯卡拉曲率在描述物质分布对时空几何影响中的作用。重点分析如何利用微分几何的语言来精确刻画时空的局部和整体性质。引入费恩曼-拉伊夫斯（Feynmann-Ralfes）引理，用于分析度规微扰下曲率的变化，这对于后续处理引力波的线性化至关重要。 1.2 爱因斯坦场方程的精确解法： 本部分将系统梳理求解爱因斯坦场方程（EFE）的几种主要方法。不仅限于常见的静态球对称解（如史瓦西解），还将深入探讨： 克尔度规（Kerr Metric）： 旋转黑洞的精确解，对能层（Ergosphere）的动力学和能提取过程进行严谨的数学推导。讨论克尔黑洞的奇点结构——环状奇点而非点奇点——及其对物质穿越的物理意义。 弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FLRW）度规： 在各向同性和均匀性假设下，对宇宙学模型的建立和演化方程的推导进行详尽论述，连接到宇宙大爆炸模型。 波恩-英费尔德（Born-Infeld）理论的引入： 探讨非线性引力理论对标准爱因斯坦方程的修正，分析其在处理强场区域时的潜在优势与挑战。 1.3 能量、动量与守恒律： 广义相对论中能量和动量的局部守恒是一个复杂问题。本书将详细分析科维斯基恒等式（Covariant Identities）在能流张量导出中的应用，并讨论庞加莱/洛伦兹群的超规条件（Super-Gauge Conditions）下，如何定义“孤立系统”的总能量和角动量，引入庞加莱正则形式（ADM Formalism）的初步概念。 --- 第二部分：黑洞的构造、视界与奇点物理 黑洞是时空极端弯曲的产物，是检验广义相对论极限性能的天然实验室。 2.1 史瓦西黑洞与事件视界的性质： 对史瓦西半径的精确定义，以及事件视界作为单向膜的拓扑学性质的分析。深入探讨普罗霍夫-彭罗斯（Penrose）坐标系，理解视界内部的因果结构——物质如何不可避免地被导向中心奇点。我们还将分析霍金辐射的半经典推导过程，重点关注视界附近量子真空涨落的分解，以及视界熵（Bekenstein-Hawking Entropy）的微观起源问题。 2.2 旋转黑洞的物理边界： 详细分析克尔黑洞的三个关键边界：事件视界、静力学边界（Ergosphere）和固定点。着重阐述彭罗斯过程（Penrose Process）的机制，通过角动量提取过程，计算理论上可从黑洞中获取的最大能量，并将其与黑洞的“无毛定理”联系起来。 2.3 奇点理论与宇宙审查假说： 奇点是当前理论的断裂点。我们将审视史瓦西解中的“时空爆炸”奇点和克尔解中的“环状”奇点。核心内容将围绕罗杰·彭罗斯的“强宇宙审查假说”（Strong Cosmic Censorship Conjecture）展开，探讨裸奇点存在的可能性及其对可预测性的破坏，并对比分析其在不同拓扑结构中的表现。 --- 第三部分：引力波的产生、传播与探测原理 引力波是时空曲率的波动，它们携带着来自极端天体物理事件的信息。 3.1 线性化引力与四极公式： 从爱因斯坦方程的微扰出发，推导线性化引力场的波动方程。重点推导双星系统（如双中子星或双黑洞并合）产生的引力辐射的功率公式——经典的四极矩近似，并分析其有效性范围。 3.2 极化模式与应变张量： 详细区分引力波的“加性”（Plus）和“交叉性”（Cross）两种极化模式，并利用张量表示法清晰地展示它们如何扭曲通过传播路径上的测试粒子。分析这些应变在地球尺度上引起的微小时空形变（量级约为 $10^{-21}$）。 3.3 引力波天文学的实际挑战： 激光干涉仪原理： 深入剖析LIGO/Virgo等地面探测器的工作原理，包括Fabry-Perot腔的增强效应、信号提取的相位调制技术以及环境噪声的抑制（如地震噪声、量子噪声）。 脉冲星定时阵列（PTA）： 阐述如何利用银河系内毫秒脉冲星的时钟稳定性，通过监测它们接收到的引力波信号（主要为低频波段，可能来自超大质量黑洞并合），来建立纳赫兹范围的引力波背景。 未来探测任务： 简要展望LISA（激光干涉空间天线）在探测宇宙早期、中等质量黑洞并合事件方面的潜力，及其在测试广义相对论的非线性效应中的关键作用。 --- 第四部分：黑洞的合并动力学与数值相对论（NR） 理解双黑洞系统的并合过程，是现代计算物理学对引力理论应用的核心挑战。 4.1 数值相对论的建立： 介绍将EFE转化为适用于数值计算的演化方程组的几种主要方法，例如3+1分解（ADM框架）和Boyer-Lindquist坐标下的守恒律形式。讨论数值稳定性的关键——约束方程（如哈密顿约束和动量约束）的满足性。 4.2 并合过程的三个阶段： 将双黑洞并合过程分解为： 1. 初始螺旋下降（Inspiral）： 辐射损失导致轨道半径减小。 2. 最终和声（Merger）： 两个视界接触并融合成一个扭曲的黑洞。 3. 环绕和衰减（Ringdown）： 新形成的黑洞弛豫至克尔稳态，释放出特征的“铃声”——引力波的准正态模式。 4.3 准正态模式与黑洞的识别： 详细分析环绕阶段的引力波信号在频域中的表现，即其特征频率和衰减因子，这些参数直接编码了最终黑洞的质量和角动量。这部分内容将展示如何通过“模板匹配滤波”技术，从复杂背景噪声中提取出合并事件的精确波形。 --- 总结与展望 本书的最后部分将探讨广义相对论在面对量子力学时的局限性，并简要勾勒出当前试图统一这两者的理论尝试，如圈量子引力（LQG）和弦理论在描述黑洞奇点和早期宇宙问题上的初步成果，为读者提供一个对引力物理未来方向的宏观理解。 本书面向理论物理研究生、高能天体物理研究人员，以及希望深入钻研弯曲时空几何与引力辐射动力学的专业人士。

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**书籍评价三** 这本书的叙事风格极其学术化，简直就像在听一场枯燥的博士生研讨会。作者似乎完全没有意识到，读者群体中也包括了那些希望将理论应用于实践的工程师和爱好者。全书充斥着大量的数学推导，每一个结论都建立在严格的假设和复杂的偏微分方程基础之上。举个例子，书中花了将近五十页来论证一个简单物体周围的亚音速流动特性，每一步的积分和变量替换都详尽到令人发指的程度，但对于如何根据这些数学模型快速估算出升阻力系数的经验公式，却一带而过。我特别想知道，在实际风洞测试中，工程师们是如何修正这些理论模型以贴近真实世界复杂工况的，比如路面湿滑、侧风干扰等，但书中对这些工程应用层面的讨论，显得非常保守和间接。这种“理论至上”的写作态度，让这本书的实用价值大打折扣，它更像是一份高度专业化的数学物理文献汇编，而非一本面向工程应用的技术手册。

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**书籍评价四** 我对这本书的章节逻辑安排感到非常困惑。它似乎将许多看似不相关的主题强行塞在了一起。比如，第一部分详细介绍了翼型设计，紧接着下一章就跳到了车辆悬挂系统对气动性能的间接影响，然后又突然插入了一大段关于材料科学在气动弹性中的应用。这种跳跃性的结构，让读者的知识体系很难建立起连贯性。我更希望看到的是一个线性的、层层递进的结构：从宏观概述到微观分析，再到系统集成。书中对某些关键概念的解释分散在不同的章节，我需要不断地翻来翻去才能把一个完整的问题的来龙去脉搞清楚。例如，关于地面效应的讨论，一部分在关于下压力设计的章节里提到，另一部分则被埋藏在车底扩散器优化的小节中。如果不是我事先对这方面有所了解，光是依靠这本书的结构，我恐怕很难形成一个全面的认知框架。这种缺乏清晰路线图的组织方式，极大地拖慢了我的学习进度。

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**书籍评价五** 这本书最大的遗憾在于其时效性问题。阅读过程中，我明显感觉到很多案例和数据都停留在上个世纪末的水平。例如，书中对尾翼设计的讨论，主要集中在传统的固定式扰流板的优化上，对现代赛车中广泛使用的DRS（减阻系统）或更复杂的柔性扰流结构的作用机理，几乎没有提及。同样，在讨论到计算流体力学（CFD）的应用时，书中引用的软件和方法论也显得非常陈旧，很多现代CFD求解器所具备的先进湍流模型和网格自适应技术，在这本书里完全找不到踪影。对于一个想要了解当前汽车工业空气动力学前沿动态的读者来说，这本书提供的视角显得太滞后了。它更像是一部优秀的“历史文献”，记录了某一阶段的技术水平，但无法为当下和未来的工程挑战提供有力的指导。如果出版商不及时更新内容，加入对电动汽车（因为没有内燃机进气口布局的限制，气动设计思路大为不同）和未来自动驾驶场景下气动需求的研究，这本书很快就会被市场淘汰。

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**书籍评价一** 这本书的装帧设计倒是挺吸引人的，封面那种硬壳的质感，摸起来挺有分量的，一开始我还以为是什么非常硬核的工程学著作。翻开内页，印刷质量没得挑，图表清晰度相当高，色彩还原度也很不错，看着那些复杂的流线图和压力分布图，感觉作者在排版上确实下了不少功夫。不过，当我真正开始阅读的时候，才发现内容似乎有点偏向于基础理论的介绍，对于我期待的那些关于赛车调校或者日常家用轿车空气动力学优化的实际案例着墨不多。它更像是一本大学入门教材，对伯努利原理、雷诺数这些基础概念的解释非常详尽，每一个公式推导都写得清清楚楚，对于初学者来说绝对是友好型的。但对于一个已经对流体力学有一定了解的读者来说，可能会觉得有些“水”，很多部分读起来像是复习旧知识，期待看到更多深入的、前沿的研究成果，比如主动气动技术或者极端天气下的气动特性分析，这些内容在这本书里几乎找不到踪影。整体而言，视觉体验很棒，但内容深度略显不足，更适合作为入门参考资料而非专业进阶读物。

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**书籍评价二** 说实话，这本书的阅读体验简直是一场灾难。我拿到手是平装版，纸张的克数明显偏轻，拿在手里感觉随时可能被风吹走，而且书脊的处理非常糟糕，稍微翻开一点看后面章节的内容，书页就开始发出刺耳的“吱嘎”声，生怕下一秒就要散架。更要命的是，排版极其拥挤，行距和字距都小得可怜，密密麻麻挤在一起，再加上大量的专业术语和希腊字母符号，使得阅读过程变得异常费神。我花了整整一个下午，才勉强啃完了前三章，眼睛干涩得厉害。而且，书中引用的许多图示，虽然编号清晰，但分辨率低得令人发指，很多关键的涡流结构或者边界层细节，在A4纸上放大后几乎变成了一团模糊的色块，根本无法准确判断气流分离点的位置。我感觉作者可能压根就没有审校过最终的印刷稿。这本书更像是作者写完初稿后直接投给出版社，缺乏必要的编辑和排版润色，对于追求阅读舒适度的读者来说，简直是视觉上的折磨，读下去的动力全无。

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