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出版者:Cambridge University Press

作者:Thomas W. Baumgarte

出品人:

页数:720

译者:

出版时间:2010-04-30

价格:$ 107.35

装帧:Hardcover

isbn号码:9780521514071

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《星际旅行者的指南：探索宇宙的物理法则与前沿应用》 内容简介： 本书旨在为广大学生、科研人员以及对宇宙学、天体物理学和高等物理学抱有浓厚兴趣的读者，提供一个全面而深入的物理学知识框架。它避开了任何特定领域（如数值相对论）的深奥细节，而是聚焦于支撑我们理解宏观宇宙运行的核心物理学原理及其在现代科学中的广泛应用。全书结构严谨，逻辑清晰，力求在保持科学严谨性的同时，激发读者的探索热情。 第一部分：经典物理的基石与宏观世界的描绘 第一章：牛顿力学与万有引力定律的再审视 本章从艾萨克·牛顿奠定的经典力学体系入手，深入探讨了运动定律、能量守恒以及动量守恒这些物理学中最基本、最具普适性的概念。我们将重温这些定律如何成功地描述了从行星轨道到抛体运动的一切宏观现象。随后，本章将详尽阐述万有引力定律，不仅仅是介绍其数学形式，更重要的是解析它如何首次将地球上的物理现象与天体的运行规律统一起来，为后世天体力学的发展奠定了坚实的基础。我们将讨论开普勒定律的物理意义，并以现代视角审视牛顿引力理论的局限性，为下一部分向相对论的过渡做好铺垫。 第二章：电磁学的统一与光速的奥秘 本章致力于对经典电磁理论的系统梳理。从法拉第的感应定律到麦克斯韦方程组的构建，我们追踪了电与磁如何被统一为一个单一的、优雅的框架。重点将放在麦克斯韦方程组的内在一致性及其对光本质的预言——光即是电磁波。本章详细讨论了光速（$c$）在这些方程中扮演的关键角色，以及光速的恒定性如何开始挑战人们对时间和空间的传统观念，为狭义相对论的诞生埋下伏笔。 第三章：热力学与统计物理：微观之眼看宏观 本章将视角从宏大的运动规律转向物质的微观行为。我们将深入探讨热力学三大定律的物理意义，特别是熵的概念——它是衡量系统无序程度的量度，以及它如何决定了宇宙过程的方向性。随后，本章将引入统计力学的基本思想，解释宏观热力学量（如温度、压力）如何从大量粒子（分子、原子）的随机运动中涌现出来。我们将介绍玻尔兹曼分布和理想气体模型，展示统计方法在处理复杂系统时的强大威力。 第二部分：时空的新范式——相对论的建立与检验 第四章：狭义相对论：速度与时空的革命 本章是本书的核心转折点之一。我们将详细分析狭义相对论的两个基本假设——光速不变原理和相对性原理。基于这些假设，我们将推导出洛伦兹变换，并阐释它如何彻底改变了我们对时间和空间的理解，引出时间膨胀、长度收缩等反直觉但实验验证的现象。本章还将重点讨论质量与能量的等价性（$E=mc^2$），揭示能量和质量之间深刻的内在联系，这是理解核物理和高能天体现象的关键。 第五章：广义相对论的基础：引力的几何化 本章将主题提升至爱因斯坦的广义相对论。我们将从对牛顿引力的不适感出发，引入等效原理，即引力效应与加速度无法在局部区分。随后，本章将介绍微分几何的基本概念，如张量和黎曼几何，解释引力如何被描述为时空弯曲的体现。我们将重点分析爱因斯坦场方程的物理图像：物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。 第六章：广义相对论的观测证据与宇宙学应用 本章聚焦于广义相对论的强大预测及其在现代天文学中的验证。我们将详述水星近日点进动、光线在引力场中的弯曲（如引力透镜效应）以及引力红移等经典验证。此外，本章还将探讨广义相对论如何构成了现代宇宙学的基础，包括弗里德曼方程的推导及其对宇宙膨胀模型的描述。我们将简要介绍宇宙微波背景辐射和暗物质/暗能量的概念，展示相对论如何帮助我们绘制出宇宙的宏大图景。 第三部分：极端天体物理与前沿探索 第七章：黑洞的物理特性与事件视界 本章专门研究广义相对论在极端引力场下的最迷人产物——黑洞。我们将从史瓦西解入手，描述黑洞的几何结构，包括事件视界和奇点。本章将深入探讨黑洞的“无毛定理”，介绍霍金辐射的概念，解释黑洞并非完全“黑”的，它们具有温度并可能蒸发。我们还将讨论双黑洞并合的动力学行为，即便不涉及数值计算，也能体会其引力波的产生机制。 第八章：引力波天文学：时空的涟漪 本章将目光投向由加速大质量物体产生的时空涟漪——引力波。我们将解释引力波的产生机制（例如中子星合并或超新星爆发）及其线性化近似下的波动性质。本章将详细介绍现代引力波探测器（如LIGO/Virgo）的工作原理，以及它们如何开启了“引力波天文学”这一全新的观测窗口，使我们能够直接“聆听”宇宙中剧烈的物理事件。 第九章：高能现象与相对论性等离子体 本章将相对论物理应用于宇宙中最活跃的区域。我们将探讨活动星系核（AGN）、伽马射线暴（GRB）等现象背后的物理机制。重点在于理解相对论性喷流（Jets）的形成和辐射过程，包括同步辐射和逆康普顿散射。本章旨在展示，当物质以接近光速运动时，相对论效应如何主导了观测到的高能辐射谱。 第十章：量子力学的引入与未竟的统一 作为全书的收尾，本章将短暂地触及微观世界的另一根支柱——量子力学。虽然本书主体基于宏观的经典与相对论框架，但认识到量子效应在极端条件下（如黑洞内部或早期宇宙）的重要性是至关重要的。本章将概述量子场论的基本思想，并讨论将广义相对论与量子力学相统一的挑战，即探索量子引力的必要性与当前研究方向，为读者的进一步深入学习指明方向。 结语： 本书提供了一条从伽利略的落体实验到宇宙大爆炸模型、从麦克斯韦的方程到黑洞视界的清晰路径。它力求让读者掌握理解现代宇宙物理学的核心工具和基本概念，而非仅仅停留在对特定复杂计算方法的学习上。本书强调的是物理思想的演变、理论的构建与实验的验证，培养读者用物理学语言审视和思考自然界的能力。

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《Numerical Relativity》这本书，对我而言，是一次充满启发的阅读体验。我一直对宇宙的奥秘，特别是广义相对论所描绘的引力场与时空几何之间的深刻联系，抱有浓厚的兴趣。然而，理论的抽象性常常让我感到难以把握。这本书以其独特的视角，将理论的严谨性与数值计算的实践性完美地结合起来，为我提供了一个理解和探索的绝佳途径。我尤其被书中关于数值模拟在解决黑洞动力学、引力波传播等复杂问题中的核心作用的阐述所吸引。作者并非直接抛出枯燥的公式，而是循序渐进，从基本概念的引入，到算法的构建，再到模拟结果的解读，逻辑清晰，引人入胜。书中对数值方法在处理强引力场和极端时空曲率时的挑战以及应对策略的讨论，让我对科学研究的严谨性和创造性有了更深刻的认识。我被书中关于黑洞合并、中子星碰撞等引力波源的数值模拟结果所深深吸引，这些生动的可视化图像，仿佛让我亲眼见证了宇宙中最壮丽的物理过程。这本书无疑点燃了我对天体物理学和计算科学更浓厚的兴趣，让我看到了科学研究中逻辑、创新和坚持的力量。

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《Numerical Relativity》这本书，与其说是一本教科书，不如说是一扇通往宇宙奥秘的大门。我一直对宇宙的浩瀚和神秘充满好奇，特别是关于黑洞、中子星碰撞以及引力波的理论，总让我觉得遥不可及。然而，当我开始阅读这本书时，我发现作者用一种非常清晰且富有逻辑的方式，将这些复杂的概念一步步展现在我面前。我尤其欣赏书中对数值方法在解决爱因斯坦场方程中的作用的深入探讨。作者并没有回避数学的严谨性，但同时又能巧妙地将其与物理直觉相结合，使得那些看似高深的公式变得更容易理解。我被书中关于数值稳定性和收敛性的讨论所吸引，这让我意识到，即使是模拟宇宙中的宏伟事件，也需要精密的计算和细致的验证。书中的示例代码和算法介绍，虽然我可能无法亲自实践，但它们清晰地展示了理论如何转化为实际的计算工具。我开始想象，有多少科学家和工程师，夜以继日地工作，利用这些工具来探索宇宙的奥秘，去理解那些我们肉眼无法看到的物理过程。这本书，无疑点燃了我对天体物理学和计算科学更浓厚的兴趣，让我看到了科学研究中逻辑、创新和坚持的力量。

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当我翻开《Numerical Relativity》这本书的时候，我脑海中浮现的首先是对宇宙深处奥秘的好奇，以及一种对人类智慧能够模拟和理解如此宏大现象的敬畏。书本厚实，封面设计简洁而富有科技感，立刻激发了我深入探索的欲望。序言部分，作者娓娓道来，将读者带入数值相对论的世界，解释了为何我们需要这些复杂的计算方法来解决爱因斯坦场方程的难题。我尤其被作者对于“黑洞合并”这一宇宙盛事的研究前景的描述所吸引，仿佛看到无形的引力波在时空中激荡，而这本书便是解开这些秘密的钥匙。书中对数学概念的引入，并非生硬的堆砌，而是巧妙地融入到对物理现象的讲解中，使得即便我不是理论物理的专家，也能逐渐理解其逻辑和精妙之处。我迫不及待地想要学习如何利用计算机模拟黑洞的形成、演化以及它们之间的相互作用，去亲眼“见证”那些在宇宙尺度上发生的震撼事件。这本书不仅仅是关于物理学和数学的知识，更是一种探索未知、挑战极限的精神的体现，它让我对科学研究的严谨性和创造性有了更深刻的认识。我期待着在接下来的阅读中，能够逐步掌握那些强大的数值工具，为解开宇宙的终极谜团贡献自己的一份力量，即使这只是理论上的憧憬。

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《Numerical Relativity》这本书，对我来说，是一场思维的冒险。我一直对物理世界的深层规律着迷，尤其是爱因斯坦的广义相对论，它所描绘的引力场与时空几何之间的深刻联系，总是让我心驰神往。然而，理论的抽象性常常让我望而却步。这本书恰恰弥补了这一不足，它将复杂的理论与实际的计算方法相结合，为我提供了一个理解和探索的桥梁。我被书中关于数值方法如何处理强引力场和极端时空曲率的讨论所吸引。作者详细阐述了数值模拟在黑洞物理、引力波天文学等前沿领域的重要性，让我意识到，没有这些计算工具，我们对宇宙许多现象的理解将举步维艰。书中的案例分析，特别是关于数值模拟如何验证引力波探测器数据，让我感到既震撼又兴奋。我开始想象，那些活跃在科研前线的科学家们，如何利用这些复杂的代码和强大的计算资源，去模拟那些在宇宙尺度上发生的壮丽事件。这本书不仅仅是知识的传递，更是对人类探索未知、挑战极限精神的赞颂，它让我看到了科学研究中逻辑、创新和坚持的力量。

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《Numerical Relativity》这本书，对我而言，是一次令人兴奋的学术探索之旅。我一直对宇宙的起源、演化以及其中发生的各种壮丽事件抱有浓厚的兴趣，尤其是对爱因斯坦的广义相对论及其在描述宇宙现象中的关键作用。然而，理论的抽象性常常让我感到难以深入。这本书以其独特的视角，将理论的严谨性与数值计算的实践性巧妙地融合在一起，为我提供了一个理解和探索宇宙的绝佳平台。我尤其欣赏书中对数值方法在求解非线性偏微分方程，尤其是爱因斯坦场方程中的核心作用的深入剖析。作者并非简单地罗列晦涩的公式，而是通过清晰的逻辑推理和引人入胜的案例讲解，将复杂的数值算法和物理概念一一呈现。书中对数值稳定性、精度控制以及算法优化等方面的讨论，让我深刻体会到科学研究的严谨性与创新性。我被书中关于黑洞合并、引力波探测等前沿领域的研究成果所深深吸引，这些精密的数值模拟结果，仿佛让我亲身参与到了对宇宙奥秘的探索之中。这本书不仅拓宽了我对物理世界的认知，更激发了我对科学研究的热情，让我看到了人类智慧在揭示宇宙真相过程中所展现出的无限可能。

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第一次翻阅《Numerical Relativity》这本书，我就被其深邃的内涵和精炼的语言所吸引。作为一名对宇宙演化和天体物理现象充满好奇的读者，我一直渴望能够更深入地理解那些构成宇宙运行基础的物理定律。然而，广义相对论的数学复杂性常常让我感到困惑。这本书以其独特的视角，将理论的严谨性与数值计算的实践性巧妙地结合起来，为我打开了一扇通往宇宙深处的大门。我尤其欣赏书中对数值方法在求解爱因斯坦场方程时的关键作用的阐释。作者并非简单地列举公式，而是层层递进，从问题的提出，到方法的选择，再到结果的分析，条理清晰，逻辑严密。书中关于数值稳定性和精度控制的讨论，让我认识到，即使在模拟宏伟的宇宙事件时，细节的严谨性也是至关重要的。我被书中关于黑洞合并、中子星碰撞等引力波源的数值模拟结果所深深吸引，这些图表和数据，仿佛让我亲眼见证了宇宙中最壮观的物理过程。这本书不仅拓宽了我对宇宙的认知，更激发了我对科学研究的敬畏之心，让我看到了人类智慧在探索未知领域中所展现出的无穷力量。

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在我看来，《Numerical Relativity》这本书所提供的不仅仅是知识，更是一种思维方式的启迪。作为一名对宇宙充满无限憧憬的读者，我一直渴望能够深入了解那些构成宇宙基石的物理定律，特别是爱因斯坦的广义相对论。然而，理解其复杂的数学形式一直是我的一大难题。这本书以其独特的视角，将理论的严谨性与数值计算的实践性完美结合，为我打开了一扇全新的窗口。书中对数值方法如何求解非线性偏微分方程的讲解，虽然充满了专业术语，但作者却能通过形象的比喻和精妙的逻辑，引导我一步步理解其核心思想。我尤其被书中关于数值误差分析和算法收敛性的讨论所打动，这让我意识到，在模拟宇宙现象时，即使是微小的计算偏差，也可能导致巨大的结果差异。书中的大量图表和模拟数据，更是将那些抽象的物理概念具象化，让我能够“亲眼”看到黑洞的形成、引力波的传播以及中子星的碰撞。这种身临其境的阅读体验，让我对科学研究的严谨性和创造性有了更深层次的认识，也更加坚定了我要继续探索宇宙奥秘的决心。

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老实说，在拿起《Numerical Relativity》这本书之前，我对于“数值相对论”这个概念是模糊的，甚至有些畏惧。我通常更倾向于阅读一些轻松愉快的科普读物，或者一些讲述科学家传奇故事的人物传记。然而，这次的尝试，完全颠覆了我之前的印象。这本书以一种非常引人入胜的方式，将抽象的理论物理概念具象化，让我仿佛置身于一个由代码和数据构成的宇宙实验室。书中的案例分析，特别是关于引力波探测的最新进展，让我对天体物理学的前沿有了直观的认识。作者在讲解复杂算法时，并非直接抛出公式，而是从实际问题的出发，逐步引导读者理解算法的设计思路和物理意义。我注意到书中对数值误差的讨论，以及如何通过优化算法来提高模拟的精度和效率，这让我认识到即便在模拟宏伟的宇宙事件时，细节的严谨性也是至关重要的。书中的图表和可视化模拟，更是将那些肉眼无法触及的物理过程，生动地呈现在我眼前，仿佛我正通过望远镜，但比任何望远镜都要强大，能够“看到”黑洞视界的涟漪，以及宇宙大爆炸的早期景象。这种沉浸式的阅读体验，让我对科学研究的魅力有了全新的体会，也激发了我对数学和计算科学更深层次的兴趣。

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当我开始阅读《Numerical Relativity》这本书时，我便被它所描绘的宇宙图景所深深吸引。作为一名对宇宙的运作机制充满好奇的读者，我一直渴望能够深入理解爱因斯坦的广义相对论，以及它如何描述引力这一宇宙中最基本的相互作用。然而，理论的数学复杂性常常令人生畏。这本书巧妙地将理论的精髓与数值计算的实践性相结合，为我打开了一扇通往宇宙深处的大门。我尤其赞赏书中对数值方法在求解爱因斯坦场方程这一核心问题上的重要性的阐述。作者并非简单地罗列枯燥的公式，而是通过层层递进的讲解，以及生动的案例分析，将复杂的概念变得清晰易懂。书中对数值稳定性、收敛性以及误差分析的深入讨论，让我认识到，即使在模拟宇宙尺度的宏大现象时，每一个计算细节都至关重要。我被书中关于黑洞合并、中子星碰撞等引力波源的数值模拟结果所深深打动，这些精美的可视化图像，仿佛让我亲眼见证了宇宙中最壮观的物理过程。这本书不仅拓宽了我对宇宙的认知，更让我看到了科学研究中严谨、创新和不懈探索的精神。

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坦白讲，《Numerical Relativity》这本书的内容对我来说，是充满挑战性的。我并非物理学或数学领域的专业人士，更多的是一个对宇宙充满好奇的业余爱好者。然而，这本书的作者却用一种令人惊叹的方式，将如此复杂的领域变得相对易于理解。我印象最深刻的是书中对数值模拟在理解引力波事件中的作用的阐述。作者详细解释了为什么解析解在描述黑洞合并等极端情况下会失效，以及数值方法如何成为不可或缺的工具。书中的图示，特别是那些关于黑洞视界附近的扭曲时空以及引力波传播的模拟图，给我留下了极其深刻的印象。它们让我能够“看到”那些理论上描述的现象，即使我无法完全理解背后的数学推导。我特别喜欢书中对不同数值方案的比较和分析，这让我认识到，在科学研究中，方法的选择和优化是多么重要。这本书不仅拓宽了我对宇宙的认知，更让我看到了科学研究中严谨的逻辑、精密的计算以及不懈的探索精神。它让我明白，即使是遥不可及的宇宙奥秘，也能够通过人类的智慧和工具，逐渐被揭开面纱。

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