Flat and Curved Space-Times pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Oxford University Press, USA

作者:George F. R. Ellis

出品人:

页数:388

译者:

出版时间:2001-01-11

价格:USD 85.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780198506560

丛书系列:

图书标签:

• 物理
• 广义相对论
• 时空几何
• 微分几何
• 引力
• 宇宙学
• 黑洞
• 物理学
• 数学物理
• 张量分析
• 弯曲时空

《时空的织锦：探寻宇宙的几何奥秘》 我们生活的宇宙，并非一块平坦无奇的画布，而是一张由引力编织的、错综复杂而又壮丽无比的时空织锦。在这张织锦中，物质与能量的分布雕刻着它的形状，而这形状反过来又决定着物质与能量的运动轨迹。这本书，正是为了揭开这张宏伟织锦的神秘面纱，带领读者踏上一段深度探索宇宙几何本质的旅程。我们将从最基本的概念出发，逐步攀登到令人惊叹的理论前沿，领略广义相对论所描绘的那个充满活度与动态的宇宙。 第一章：平直空间的几何学基石——欧几里得的遗产 在开始探索弯曲的时空之前，我们必须牢固掌握其“默认”状态——平直空间。本章将带领读者回顾欧几里得几何学那简洁而深刻的原理。我们将从点、线、面等基本概念出发，探讨公理系统的重要性，以及平行公理如何定义了我们直观理解的空间。我们将深入理解三角形内角和为180度、两点之间直线最短等基本定理，认识到在欧几里得几何框架下，距离测量、角度计算以及形状的性质都遵循着一套清晰而统一的规则。我们会简要提及笛卡尔坐标系的出现如何将几何学与代数紧密结合，使得描述空间中的点和形状变得更加便捷，为后来的理论发展奠定了坚实的基础。这一章的目的是让读者对“平直”这一概念建立起清晰、直观的认识，为后续理解“弯曲”的深刻含义做好铺垫。 第二章：迈向非欧几何——打破平直的桎梏 当我们将目光投向宇宙的宏观尺度，或者在极端引力条件下，欧几里得几何的适用性便开始受到挑战。本章将介绍非欧几里得几何学的诞生，这是一个革命性的思想飞跃。我们将探讨高斯、黎曼等伟大数学家是如何质疑平行公理的，以及他们如何构建出与欧几里得几何截然不同的几何体系。我们将深入理解双曲几何和椭圆几何的概念，了解在这些几何空间中，三角形的内角和将不再是180度，直线也不再是唯一的“最短路径”。我们将通过直观的类比和简单的例子，帮助读者体会这些抽象的数学概念，理解空间本身的曲率是如何影响几何性质的。这一章将打破读者对空间“固定不变”的刻板印象，为理解弯曲时空做思想上的准备。 第三章：相对论的曙光——爱因斯坦的引力革命 物理学的历史长河中，牛顿的万有引力定律曾是描述天体运动的圭臬，但它也存在着一些难以解释的现象，例如水星近日点的进动。爱因斯坦的广义相对论正是为了解决这些问题而生，它颠覆了我们对引力本质的理解。本章将详细介绍狭义相对论的核心思想，包括光速不变原理、时间和空间的相对性，以及质能等价（E=mc²）这一深刻的洞见。我们将理解狭义相对论如何将时间和空间融合成一个统一的四维时空连续体。在此基础上，我们将引出广义相对论的根本突破：引力不再是一种作用在远处的力，而是物质与能量对时空几何造成的弯曲。本章将以通俗易懂的方式，介绍广义相对论的开创性思想，为后续深入探讨弯曲时空奠定理论基础。 第四章：时空曲率的数学语言——黎曼几何与张量分析 要精确描述弯曲的时空，我们迫切需要强大的数学工具。本章将深入探讨广义相对论赖以构建的数学框架——黎曼几何与张量分析。我们将介绍黎曼度规张量，它如同一个“尺子”，能够测量弯曲时空中的距离和角度。我们将理解测地线的概念，它是弯曲时空中“直线”的推广，物体在不受外力作用下会沿着时空的测地线运动，这正是我们感受到的“引力”。我们将简要介绍协变微分等概念，它们是描述张量在弯曲空间中变化的必要工具。虽然本章会涉及一定的数学推导，但我们将重点放在概念的理解和物理意义的阐释上，力求让读者领会这些数学工具在描述引力现象中的强大威力。 第五章：爱因斯坦场方程——时空几何的运动规律 爱因斯坦场方程是广义相对论的核心，它精确地描述了物质与能量如何决定时空的几何，以及时空几何又如何影响物质与能量的运动。本章将详细阐释爱因斯坦场方程的含义。我们将看到，方程的左侧代表着时空的几何（曲率），而右侧则代表着物质与能量的分布（能量-动量张量）。这个方程揭示了一种深刻的动态平衡：物质告诉时空如何弯曲，而时空告诉物质如何运动。我们将探讨场方程的复杂性，并简要介绍一些重要的解，例如史瓦西解，它描述了引力场中球对称物体的时空几何，为理解黑洞的存在奠定了理论基础。 第六章：引力透镜与引力波——时空弯曲的直接证据 广义相对论并非空中楼阁，其预言已经得到了大量观测证据的证实。本章将聚焦于这些令人信服的证据，以增强读者对弯曲时空理论的信心。我们将详细介绍引力透镜现象，即光线在经过大质量天体附近时会发生弯曲，使得遥远天体的图像发生扭曲或出现多个像。我们将探讨如何利用引力透镜效应来探测暗物质和研究宇宙的结构。接着，我们将深入介绍引力波——时空涟漪的探测。引力波的产生源于宇宙中剧烈的动力学事件，如黑洞合并、中子星碰撞等。我们将回顾引力波探测的历史，特别是LIGO和Virgo等探测器取得的里程碑式成果，它们直接“听到”了宇宙深处的“声音”，开启了引力波天文学的新纪元。 第七章：黑洞的奥秘——时空极端的终结 当物质高度集中，其产生的引力可以强大到连光也无法逃脱，这就形成了黑洞。本章将深入探索黑洞这一迷人的天体。我们将基于史瓦西解，理解黑洞的视界（event horizon）——一个单向的边界，一旦越过，便无法返回。我们将探讨黑洞的奇点（singularity），一个密度和曲率趋于无限的点，但此处也是现有理论的失效之处。我们将讨论黑洞的形成机制，以及黑洞对周围时空产生的剧烈影响。我们还将触及黑洞的热力学性质，例如霍金辐射，尽管这涉及到量子效应，但它表明黑洞并非完全“黑暗”。黑洞的存在是广义相对论在极端条件下最令人惊叹的体现之一。 第八章：宇宙的膨罗与膨胀——时空的宇宙学尺度 广义相对论不仅描述了局域的引力现象，更是理解整个宇宙演化的基石。本章将带领读者将目光放眼整个宇宙。我们将介绍宇宙学原理，即宇宙在大尺度上是均匀且各向同性的。我们将讨论弗里德曼方程，它们是爱因斯坦场方程在考虑整个宇宙均匀分布物质情况下的简化形式，能够描述宇宙的膨胀。我们将回顾宇宙大爆炸理论的证据，例如宇宙微波背景辐射和轻元素的丰度。我们还将探讨宇宙膨胀的加速，以及暗能量在其中扮演的角色。本章将展现广义相对论如何为我们理解宇宙的起源、演化和最终命运提供了一个宏大的框架。 第九章：时空之外的探索——量子引力与未来展望 尽管广义相对论取得了辉煌的成就，但在描述黑洞奇点和宇宙大爆炸的极早期等极端情况下，它与量子力学存在着不兼容。本章将简要介绍量子引力的研究领域，探讨科学家们试图统一这两个物理学巨柱的努力，例如弦理论和圈量子引力。我们将认识到，理解量子引力将是揭示宇宙最深层秘密的关键。最后，本章将展望未来，探讨弯曲时空理论在天体物理学、宇宙学以及可能的新技术（如引力操纵）等方面的潜在应用。我们将强调，对时空几何的探索永无止境，它将持续驱动人类对宇宙的认知边界不断拓展。 《时空的织锦：探寻宇宙的几何奥秘》是一次思想的探险，一次认知的飞跃。它将引导读者从习以为常的平直空间，跨越到广袤而动态的弯曲时空。通过深入浅出的讲解和对关键概念的细致剖析，本书旨在点燃读者对宇宙的好奇心，培养严谨的科学思维，并让他们深刻体会到，我们所处的现实，远比我们最初想象的要奇妙得多。

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