引力波的三维模型与接收原理

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出版者:科学技术文献出版社
作者:王士珊
出品人:
页数:218
译者:
出版时间:2016-4-1
价格:48.00元
装帧:平装
isbn号码:9787502398040
丛书系列:
图书标签:
  • 民科
  • 天文
  • 引力波
  • 天文学
  • 物理学
  • 广义相对论
  • 探测器
  • 信号处理
  • 三维建模
  • 数据分析
  • 科学计算
  • 空间物理学
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具体描述

宇宙的低语:时空涟漪的探测与探索 本书聚焦于现代物理学中最激动人心的前沿领域之一:引力波天文学。它不涉及对特定三维模型的构建过程或具体的接收设备原理的深度技术剖析,而是将视野投向引力波这一现象的宏大背景、其物理本质的阐释,以及我们如何通过地球上最精密的仪器“聆听”宇宙深处的事件。 第一章:时空织锦的颤动——引力波的理论基石 引力波,作为爱因斯坦广义相对论的必然预言,是时空结构本身在质量和能量剧烈变化下产生的涟漪。本章将追溯这一概念的诞生历程,从牛顿的超距作用力到爱因斯坦革命性的时空几何学描述。我们将深入探讨广义相对论的核心方程,解析物质如何弯曲时空,以及这种弯曲如何以波的形式向外传播。 我们将详细阐述引力波的产生机制:什么样的宇宙事件能够产生可观测的引力波?黑洞的合并、中子星的碰撞、超新星爆发的非对称塌缩,乃至宇宙大爆炸初期的残留印记,都是这一“时空涟漪”的源头。本章会清晰区分引力波与电磁波在产生机理、传播特性以及与物质相互作用上的根本差异。我们着重于波的特征——波长、频率和能量的量纲分析,而非具体的工程实现细节。 理论部分将解析引力波的四极辐射特性,解释为何引力波的探测难度远超电磁波。通过对洛伦兹规范下的扰动方程的梳理,我们得以理解引力波如何以光速传播,并以极微弱的应变形式扭曲沿途的空间,这是理解后续探测挑战的逻辑起点。 第二章:来自死寂深处的信号——引力波源的宇宙学意义 引力波天文学为我们打开了一扇观察宇宙的全新窗口——“引力波宇宙学”。本章探讨引力波如何帮助我们超越电磁辐射的局限,探察那些光线无法穿透的宇宙角落和极端物理环境。 我们将回顾经典天文学的局限性,特别是对于黑洞和中子星这类不发光或辐射极弱天体的观测难题。引力波的出现,使得我们首次能够直接“听到”黑洞的“歌声”——合并前的旋近、剧烈的碰撞以及合并后的“振铃”过程。这为检验强引力场下的物理定律提供了无可替代的实验室。 本章深入探讨引力波源的物理模型: 1. 双黑洞系统(BBH):分析合并前双星的轨道衰减过程(能量损失主要通过引力波辐射),以及不同质量黑洞合并后产生的最终黑洞的性质。 2. 双中子星系统(BNS):重点阐述中子星合并的“多信使天文学”意义。引力波信号的捕获与后续电磁辐射(如千新星)的关联观测,如何揭示了重元素(如金、铂)的核合成过程。 3. 超大质量黑洞(SMBH):讨论星系中心黑洞合并产生的极低频引力波信号,及其对早期宇宙结构形成的指示作用。 通过分析信号的波形特征(如啁啾信号的频率和调幅),我们可以反推出源头的质量、自旋、距离和方向,从而将引力波数据转化为宝贵的宇宙学参数。 第三章:聆听微小的颤动——探测引力波的物理挑战与观测范式 引力波事件对地球时空产生的形变极其微小,尺度可达 $10^{-21}$ 级别。本章旨在阐述科学家们为捕捉这些时空中的“耳语”所采用的宏大物理学实验设计思想,而不深入到具体的仪器结构或电子学细节。 核心挑战在于如何精确测量时空尺度的相对变化。我们将讨论干涉测量学的基本原理,即如何利用光波的相位变化来间接测量距离的微小变化。重点分析干涉仪的固有噪声来源: 热噪声:来自镜面材料内部原子的随机运动。 散粒噪声:光子数统计带来的随机性。 地震噪声与环境噪声:如何通过复杂的隔振系统将地球本身的振动隔离出去。 本章着重阐述大尺度基线的必要性。为什么探测器需要延伸至公里量级?这与引力波的波长范围密切相关,特别是对于描述星系尺度或更小尺度事件的引力波而言。我们将讨论地面探测器与未来空间探测任务在频率覆盖范围上的互补性,以及这种频率覆盖如何对应于不同的物理源头(例如,地面阵列关注高频的恒星级黑洞合并,而空间任务则瞄准低频的超大质量黑洞合并)。 第四章:多信使宇宙学的黎明——引力波与电磁波的协同视角 引力波观测的真正威力在于它与其他天文学分支的结合,即“多信使天文学”。本章探讨如何将引力波的定位信息与望远镜(射电、红外、光学、X射线和伽马射线)的观测结果进行时间上的精确对准和空间上的交叉验证。 我们将以中子星并合事件(GW170817)为例,阐释多信使观测的完整流程: 1. 引力波预警:快速确定事件的大致天空位置和时间窗口。 2. 电磁波盲目搜索:利用快速反应望远镜阵列,在预警区域内寻找瞬时(伽马射线暴)或延迟(千新星)的电磁信号。 3. 物理参数的互补:引力波提供源头的质量和轨道信息,而电磁波则揭示了事件发生的环境(宿主星系类型、物质抛射量、元素丰度)。 这种协同观测不仅验证了广义相对论在强场下的有效性,更直接解决了宇宙学中长期悬而未决的关键问题,例如宇宙中许多重元素的起源之谜。 结论:超越视界的聆听者 本书的最终目标是描绘引力波物理学如何从一个纯粹的理论预测,演变为一门成熟的、具有强大解释力的天文学分支。它不仅仅是关于测量极小位移的工程壮举,更是人类拓展感官、深入时空结构本源探索的深刻体现。我们探讨了理论的深度、源头的多样性以及探测手段的复杂性,为读者构建了一幅理解宇宙新物理图景的知识框架。

作者简介

民科。

目录信息

第1章 引力场里的物理参照系
1.1 引力场里的空间坐标系
1.2 引力场里的回路平均光速假设
1.3 引力场里*简单的同时性定义
1.4 引力场里的时间坐标系
1.5 引力场里的物理参照系运动标准钟的固有时假设
1.6 物理参照系判别定理
1.7 时空度规α、βi、γij的变换方程
第2章 物理参照系里的三维张量分析
2.1 张量分量的代数运算
2.2 标量场的偏微商与全微分
2.3 张量分量场的偏微商与全微分
2.4 矢量沿时间轴的平移操作
2.5 标量场与张量分量场对时间T的协变微商
2.6 矢量在无限二邻点间的同时性平移操作
2.7 标量场与张量分量场对空间坐标的同时性协变微商
2.8 矢量场的偏微商与全微分
第3章 物理参照系里的三维张量分析(续)
3.1 同时性梯度与同时性方向导数
3.2 同时性散度与同时性面积分
3.3 同时性旋度与同时性线积分
3.4 三维轴矢量K远离事件同时性的定理
3.5 三维极矢量N时间均匀性定理
3.6 同时性曲率张量Hmijk与同时性里奇张量Hij
3.7 同时性梯度、散度与旋度的公式
第4章 几个具有特殊时空结构的物理参照系
4.1 惯性系
4.2 匀速系
4.3 匀速转动系
4.4 加速系
第5章 三维物理方程举例
5.1 三维物理量数学表达式的同一性
5.2 质点的动量方程与能量方程
5.3 电荷守恒方程
5.4 物质连续体的能量方程
5.5 物质连续体的动量方程
5.6 小结(第1章~第5章)
第6章 物理参照系与物理坐标系之间的一一对应关系
6.1 物理参照系与物理坐标系之间的一一对应关系
6.2 某些四维几何量的三维表示式
第7章 物理量假设
7.1 四维速度与三维速度之间的关系式
7.2 四维协变张量在相伴协变四轴系上的投影
7.3 四维逆变张量在相伴逆变四轴系上的投影
7.4 物理量假设及其推论
第8章 物理方程假设
8.1 四维张量式的三维表示式
8.2 四维张量方程的三维表示式
8.3 物理方程假设
8.4 小结(第6章~第8章)
第9章 引力场对物质的三维作用力
9.1 自由质点四维动力学方程的三维表示式
9.2 引力场对自由质点的三维作用力与功率
9.3 物质连续体四维动力学方程的三维表示式
9.4 引力场对物质连续体的三维作用力密度与功率密度
第10章 K→N感应定律
10.1 四维降秩黎曼张量Rλλνγ的三维表示式
10.2 K→N感应定律
10.3 K场散度公式
第11章 物质流的K场效应
11.1 爱因斯坦引力场方程的三维表示式
11.2 物质流的K场效应
11.3 耦合系数κ=8πG/c4的证明
第12章 引力场的辅助方程组假设K→N感应定律
12.1 引力场的辅助方程组假设K→N感应定律
12.2 具有确定合理解的引力场方程组
12.3 小结(第9章~第12章)
第13章 引力波的三维模型与接收原理
13.1 引力波的三维模型
13.2 引力波的接收原理
13.3 小结
附录A (1.3.2 0)式的证明
附录B 偏微商φ,T是三维标量场的证明
附录C 同时性偏微商φ,k是三维(o,1)阶张量分量场的证明
附录D (2.3.1 0)式~(2.3.1 3)式的证明
附录E 四维里奇张量Rμυ的三维表示式
附录F 四维张量式(Aμυ),的三维表示式
附录G 四维张量式(Gμ)νUν的三维表示式
附录H 谐和坐标条件的三维表示式
附录I (13.1.4 )式与(13.1.1 1)式的证明
附录J 主要符号及索引
参考文献
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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《引力波的三维模型与接收原理》这本书,绝对是我近年来阅读过的最令我印象深刻的科技读物之一。作者在书中对于引力波三维模型的构建,可谓是匠心独运。他不仅仅是展示了模型的最终形态,更重要的是,他带领读者一步步地理解模型是如何从基础物理原理推导出来的。这种循序渐进的教学方式,让我这个对引力波知之甚少的人,也能逐渐理解其深奥之处。而关于接收原理的部分,更是让我大开眼界,那些精密的探测器,仿佛是人类的“耳朵”,倾听着宇宙最古老的声音。

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这本书的价值远不止于理论的讲解,它更像是为我打开了一扇通往宇宙奥秘的大门。通过阅读《引力波的三维模型与接收原理》,我对引力波探测器的工作原理有了前所未有的深刻理解。从激光干涉仪的精密设计,到微小的震动如何被过滤和抑制,再到数据处理中复杂的算法,作者都一一娓娓道来。我仿佛亲身站在LIGO或Virgo的控制室里,看着那些闪烁的屏幕和跳跃的数据,感受着科学家们如何从海量的信息中辨识出引力波的信号。书中对不同探测技术优劣势的比较分析,也让我对这个领域的未来发展有了更清晰的认识,充满了无限的可能性。

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阅读《引力波的三维模型与接收原理》的过程,就像是在进行一场穿越宇宙的探险。作者以一种非常引人入胜的方式,为我们描绘了引力波的三维模型,让我得以在脑海中勾勒出时空涟漪的形状和运动轨迹。这种可视化讲解,极大地降低了理解门槛。更重要的是,书中对引力波接收原理的深入剖析,让我深刻体会到了科学研究的严谨与艰辛。那些微弱的信号,是如何在无数干扰中被识别出来,这背后凝聚了多少智慧和汗水,令人肃然起敬。

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坦白说,刚开始翻阅《引力波的三维模型与接收原理》时,我被书名吓到了。以为会充斥着大量的数学公式和专业术语,读起来会像是在啃一本天书。然而,作者的笔触却异常流畅,他对复杂概念的讲解如同抽丝剥茧,层层递进。即使是一些非常前沿的理论,在作者的描绘下也变得清晰可见。书中对于引力波在黑洞合并、中子星碰撞等极端宇宙事件中扮演角色的描述,更是将理论知识与实际观测完美地结合在一起,让我对这些宇宙奇观有了更直观的感受。我特别喜欢书中关于如何通过引力波信号反推源天体性质的章节,那是一种“听声辨物”的智慧,让人惊叹不已。

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这本《引力波的三维模型与接收原理》绝对是我近期阅读体验中最令人兴奋的一本。初拿到书时,我原本以为会是一本晦涩难懂的理论著作,毕竟“三维模型”和“接收原理”听起来就颇具技术性。然而,当我翻开第一页,就被作者严谨而又富有逻辑的叙述深深吸引。书中对于引力波产生的根源、其在宇宙中的传播方式,以及如何通过极其精密的探测器捕捉到这些微弱的信号,都有着详尽的阐述。我尤其欣赏的是书中对引力波三维模型的构建过程,作者并非简单地罗列公式,而是通过一系列生动的类比和图示,将抽象的空间几何与动态的物理过程巧妙地结合起来,让我这个非专业读者也能窥见引力波在时空中荡漾的壮丽景象。

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当我合上《引力波的三维模型与接收原理》这本书时,脑海中依然回荡着引力波穿越宇宙的壮丽图景。作者用极具感染力的文字,将引力波这一抽象的概念,生动地呈现在我眼前。书中对引力波三维模型的构建,不仅是一种理论上的推演,更是一种空间想象力的拓展。它让我看到了引力波如何携带着宇宙最深处的信息,如同宇宙的信使,穿越时间和空间,来到我们面前。而对于接收原理的深入讲解,则让我理解了人类是如何通过巧妙的设计和精密的仪器,捕捉到这些几乎不存在的信号。

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在阅读《引力波的三维模型与接收原理》的过程中,我最大的感受就是“豁然开朗”。许多我之前对引力波模糊的概念,在这本书的引导下变得清晰起来。作者对引力波三维模型的构建,并非简单的几何堆砌,而是融入了爱因斯坦广义相对论的核心思想,通过对时空弯曲的理解,才能真正把握引力波的本质。而对于接收原理的阐述,更是让我体会到人类智慧的极限在哪里。那些比原子核还要微小的形变,竟然能够被探测到,这简直是科学的奇迹。这本书让我重新审视了我们对宇宙的认知,以及我们探索宇宙的能力。

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《引力波的三维模型与接收原理》这本书,在我看来,不仅仅是一本物理学的科普读物,它更像是一本关于人类探索宇宙边界的史诗。作者在字里行间流露出的对科学的严谨态度和对未知的好奇心,深深地感染了我。书中对引力波探测技术发展历程的回顾,那些无数个日夜的实验、无数次的失败与重来,都让我对科研工作者们的付出充满了敬意。尤其让我印象深刻的是,作者是如何将抽象的“时空涟漪”概念,具象化为我们可以理解的三维模型,并且详细解释了这些模型如何帮助我们理解引力波的传播路径和强度。

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这本《引力波的三维模型与接收原理》真是一本宝藏!我之前对引力波的认识非常模糊,总觉得它是一个只存在于理论中的概念。但是,这本书彻底改变了我的看法。作者在书中构建的三维模型,让引力波不再是抽象的数学符号,而是有了具体的形态和运动轨迹,仿佛我能亲眼看到它们在时空中荡漾。最让我震撼的是,书中对接收原理的讲解,竟然能把如此微弱的信号捕捉到,这简直是工程学的奇迹。这本书让我对宇宙的认知又上了一个台阶,也让我对科学探索的魅力有了更深的体会。

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《引力波的三维模型与接收原理》这本书,对于我来说,是一次知识的洗礼,也是一次思维的拓展。作者在书中构建的引力波三维模型,不仅仅是数学公式的堆砌,更是对时空本质的一次深刻洞察。它让我们得以窥视引力波在宇宙中的“舞姿”,理解其传播的规律。而对于接收原理的详细解读,更是让我惊叹于人类在科技上的巨大进步。从激光干涉的原理到信号的提取,每一个环节都充满了智慧和挑战。这本书让我对宇宙的理解,不再局限于可见的光,而是延伸到了更深邃的时空波动。

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