Lecture Notes on the General Theory of Relativity pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Gron, Oyvind

出品人:

页数:268

译者:

出版时间:2009-4

价格:$ 101.64

装帧:

isbn号码:9780387881331

丛书系列:

图书标签:

• 广义相对论
• 引力
• 物理学
• 天体物理学
• 时空
• 黑洞
• 宇宙学
• 爱因斯坦
• 理论物理
• 相对论

宇宙的编织：一部关于宏观宇宙与时空结构的探索 图书名称：《时空几何的奥秘：从牛顿引力到量子引力之路》 内容提要： 本书旨在为读者构建一个关于我们宇宙宏观结构和基本动力学的完整图景，其核心聚焦于时空本身的几何性质，以及物质与能量如何塑造这些几何。我们不会仅仅停留在对现有理论的机械性复述，而是深入探讨驱动这些理论发展的哲学基础、数学工具，以及它们在观测证据面前的演变历程。 第一部分：牛顿的遗产与引力的局限 本部分追溯了我们对引力理解的起点——艾萨克·牛顿的万有引力定律。我们将详细剖析牛顿理论的成功之处，它如何精确地描述了行星运动、潮汐现象以及抛物体轨迹，并确立了绝对空间和绝对时间的经典物理图像。 然而，真正的科学进步往往始于对现有框架的质疑。本章将深入探讨牛顿引力在以下关键领域的局限性： 1. 瞬时作用的困境： 探讨超距作用的概念，及其与电磁学中光速限制的矛盾。这为寻求更精细的、基于场论的引力描述奠定了基础。 2. 水星近日点进动之谜： 详细分析了牛顿理论在解释水星轨道微小异常方面的失败，这一经验上的不一致成为推动新理论诞生的关键催化剂。 3. 质量与能量的不可分割性： 在相对论的黎明前，牛顿体系无法整合能量守恒与质量的概念，这暴露出其在高速运动和强引力场描述上的先天不足。 第二部分：爱因斯坦的革命——狭义相对论与时空统一 在引力理论的重大突破之前，必须先理解运动和时空本身的本质。本部分专注于阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论。 我们将从两个基本公设出发——光速不变原理和相对性原理——推导出洛伦兹变换。重点将放在： 时空的新几何观： 介绍闵可夫斯基时空，解释时间间隔和空间距离如何依赖于观察者的参考系。这不仅仅是数学上的操作，更是对“同时性”这一日常概念的深刻颠覆。 质能等价（$E=mc^2$）： 深入探讨这一公式背后的物理意义，它揭示了质量的内在能量属性，为后续的核物理和粒子物理学奠定了基石。 相对论性动力学： 阐述在高速情况下，动量和能量如何重新定义，并讨论时间膨胀和长度收缩的实验验证。 第三部分：广义相对论的几何化——引力的本质 本书的核心部分，旨在系统地阐述广义相对论（GR）如何将引力从一种“力”的概念转化为时空的几何属性。 1. 等效原理的建立： 详细解读爱因斯坦的关键洞察——引力效应与加速运动的局部不可区分性。我们将通过思想实验（如自由落体电梯和加速火箭）来揭示质量如何引起时空弯曲。 2. 黎曼几何的语言： 介绍必要的数学工具，特别是微分几何。重点解释张量微积分在描述弯曲时空中的作用，包括度规张量（$g_{mu u}$）如何编码时空的信息。 3. 爱因斯坦场方程（EFE）的推导与解析： 深入剖析场方程 $G_{mu u} = frac{8pi G}{c^4} T_{mu u}$。我们将逐一分析其左侧（描述时空几何的爱因斯坦张量）和右侧（描述物质和能量分布的应力-能量张量）。我们将讨论该方程的非线性特性，正是这种非线性使得引力自身也具有能量和动量。 4. 经典解的考察： 详细分析几个关键的精确解： 史瓦西解（Schwarzschild Metric）： 对非旋转、不带电的球对称质量的精确描述，由此引出黑洞的理论预测，包括事件视界和奇点的概念。 克尔解（Kerr Metric）： 描述旋转黑洞的复杂几何，探讨其能层（ergosphere）和内部结构。 弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FLRW）度规： 这是描述均匀且各向同性宇宙膨胀的度规，是现代宇宙学的基础。 第四部分：广义相对论的观测验证与宇宙学 本部分将理论推导与实际观测联系起来，展示GR如何成功地解释了牛顿理论无法解释的现象，并预言了全新的宇宙事件。 光线弯曲的实验证实： 详述1919年日食观测如何确认了太阳对星光的偏折，这是对GR的首次重大胜利。 引力红移： 讨论引力势场对时间流逝速度的影响，以及这在地球和卫星系统中的实际应用（如GPS校正）。 轨道摄动的终极解释： 重新审视水星近日点的精确运动，展示GR如何完美吻合观测数据。 引力波的诞生与探测： 深入讨论由加速的质量（如双星系统并合）在时空中产生的涟漪。我们将回顾理论上对引力波的预测，以及LIGO/Virgo等探测器如何首次直接捕捉到这些时空振动，开启了引力波天文学的新纪元。 现代宇宙学模型： 基于FLRW度规，构建大爆炸理论的框架。讨论宇宙的加速膨胀、暗物质和暗能量的引入，以及它们在场方程中的体现。 第五部分：迈向统一——量子引力的挑战 尽管广义相对论在宏观尺度上取得了巨大成功，但它在描述黑洞中心奇点或宇宙大爆炸的极早期状态时，与量子力学产生了不可调和的矛盾。本部分探讨了现代物理学面临的终极挑战。 量子场论与GR的冲突： 解释为什么尝试简单地“量子化”引力场会导致无穷大的、不可重整化的结果。 弯曲时空中的量子效应： 讨论霍金辐射的概念，即黑洞并非绝对“黑”，而是通过量子效应蒸发，这表明时空结构在普朗克尺度下必须具有量子性质。 前沿探索： 概述当前主流的量子引力尝试，例如弦理论（及其对额外维度的要求）和圈量子引力（LQG，对时空本身的量子化处理），强调这些理论如何试图在普朗克尺度上恢复物理学的一致性。 结论： 全书以一种叙事性的方式，将引力理论的演变视为人类理解时空本质的持续旅程。它不仅仅是一本关于公式的书，更是一部关于如何用最优雅的数学语言来描述宇宙最基本运作方式的编年史，激励读者思考在下一个理论飞跃中，我们对时间和空间的认知又将如何被重塑。本书侧重于几何、动力学和宇宙学之间的深刻联系，为读者提供一套严谨而富有洞察力的时空结构解析框架。

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