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出版者:University of Chicago Press

作者:Ya B. Zeldovich

出品人:

頁數:0

译者:

出版時間:1982-2

價格:USD 18.00

裝幀:Paperback

isbn號碼:9780226979564

叢書系列:

圖書標籤:

• 天體物理學
• 相對論
• 廣義相對論
• 黑洞
• 中子星
• 宇宙學
• 高能天體物理學
• 引力波
• 天體物理
• 物理學

宇宙的結構與演化：從早期宇宙到星係形成 一、 導論：宇宙學的基本框架與觀測基礎 本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的宇宙學圖景，重點關注宇宙的起源、演化曆史以及當前觀測到的宏偉結構。我們將從最基本的宇宙學原理齣發，探討描述宇宙整體行為的物理學基礎，如廣義相對論在宇宙學尺度上的應用。 首先，我們將詳細闡述標準宇宙學模型——ΛCDM模型的核心要素。這包括對宇宙膨脹的精確描述，引入的關鍵概念如哈勃常數、物質密度參數（$Omega_m$）、暗能量密度參數（$Omega_Lambda$）以及麯率參數（$Omega_k$）。我們將追溯這些參數是如何通過對宇宙微波背景（CMB）輻射的精確測量、大尺度結構（LSS）的統計分析以及 Ia 型超新星對宇宙加速膨脹的觀測而確定的。 接下來的章節將聚焦於早期宇宙的物理過程。我們將深入探討暴脹理論（Inflation），解釋它如何解決瞭標準大爆炸模型中的視界問題、平坦性問題和磁單極子問題。暴脹的量子漲落如何被拉伸並轉化為後來宇宙中結構形成的種子，這一機製的物理細節將得到詳盡的分析。隨後，我們將跟隨宇宙從極熱、緻密的狀態開始冷卻、演化的曆程：誇剋-膠子等離子體的形成、強子化、以及至關重要的太初核閤成（Big Bang Nucleosynthesis, BBN）。BBN 的預測與可觀測的輕元素（氫、氦、鋰）豐度的吻閤，是早期宇宙理論最強有力的證據之一，我們將詳細分析影響 BBN 元素産量的關鍵物理參數。 二、 宇宙微波背景輻射：宇宙的嬰兒快照 宇宙微波背景（CMB）輻射是理解宇宙演化的金鑰匙。本章將係統性地介紹 CMB 的物理起源——復閤時期（Recombination），即電子與質子結閤形成中性原子的過程，以及光子如何得以自由傳播，形成我們今天觀測到的均勻黑體輻射。 我們將詳細剖析 CMB 各嚮異性（Anisotropy）的物理起源，重點講解薩剋斯-沃爾夫效應（Sachs-Wolfe effect）、多極矩（Multipole moments）的物理意義。通過分析 CMB 的功率譜（Power Spectrum），我們可以提取齣宇宙學參數的精確值，並檢驗基礎物理模型的有效性。對極化信息（E-模式和B-模式）的分析，尤其是 B-模式，被視為探測原初引力波的“聖杯”，它能直接揭示暴脹時期的物理性質。 三、 從微擾到大尺度結構：物質的聚集與演化 宇宙在大爆炸後的初期幾乎是完全均勻的，但極微小的密度漲落（源自暴脹）在引力的作用下逐漸放大，形成瞭我們今天看到的星係、星係團乃至超星係團的宏偉網絡。 我們將引入綫性微擾理論來描述這些早期密度漲落的增長。重點分析物質密度的增長因子如何受到宇宙中不同組分（物質、輻射、暗能量）主導時期演化速率的影響。暗物質的作用至關重要，由於它隻通過引力相互作用，其密度漲落可以更早地開始增長，形成物質分布的“骨架”。本書將詳述冷暗物質（Cold Dark Matter, CDM）模型在解釋觀測到的結構形成方麵的成功之處。 隨後，我們將過渡到非綫性結構形成。我們將介紹暈結構形成理論（Halo Formation Theory），基於晶格理論（Press-Schechter Formalism）或其現代改進版，來預測不同質量尺度上結構（暗物質暈）的形成率。隨後，我們將討論如何將恒星和星係形成的過程（星係形成與反饋機製）嵌入到這些物質暈的演化中，以再現觀測到的星係數量、顔色分布和星係形態隨紅移的變化。我們將探討星係閤並、恒星形成率的演化、超大質量黑洞反饋對星係演化的影響。 四、 探測工具與關鍵觀測窗口 理解宇宙學的進展離不開先進的觀測技術。本章將介紹用於繪製大尺度結構和測量宇宙膨脹曆史的關鍵觀測項目和技術。 我們將深入探討星係紅移巡天（如 Sloan Digital Sky Survey, DESI 等）如何用於構建三維的物質分布圖，並通過測量重子聲學振蕩（Baryon Acoustic Oscillations, BAO）的特徵尺度，精確測量宇宙在不同時期的膨脹曆史。BAO 作為宇宙的“標準尺”，其作用機製和對暗能量參數的約束能力將被詳細闡述。 此外，我們還將迴顧引力透鏡效應（Gravitational Lensing），包括弱引力透鏡和強引力透鏡，如何作為獨立探針來測量物質的分布（包括暗物質）和確定宇宙學參數。這些多重、互補的觀測方法共同構建瞭我們對宇宙演化的現代理解。 五、 宇宙的終局與前沿挑戰 最後，本書將探討當前宇宙學麵臨的理論與觀測前沿問題。我們將分析當前數據對暗能量性質的限製，例如它是否是宇宙學常數（$Lambda$），還是具有時間變化的動態場（如Quintessence）。我們將考察各種替代引力理論對宇宙演化的潛在影響。 此外，我們還將討論哈勃張力（Hubble Tension）——即早期宇宙（CMB）推導的哈勃常數與本地宇宙（超新星、星係測距）測量值之間的顯著不一緻——這一現象可能預示著標準模型中存在尚未被發現的新物理。本書將總結當前試圖解決這些基本難題的理論方嚮，並展望下一代觀測項目將如何進一步揭示宇宙的最終命運。 本書力求在保持物理嚴謹性的同時，為對宇宙學有濃厚興趣的讀者提供一個連貫且深刻的知識體係，從萬物之初的量子漲落，到今天星係間的廣袤尺度。

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這本書最讓我感到驚喜的是它對“觀測局限性”的坦誠探討。很多科普讀物傾嚮於描繪一個完美、可被完全測量的宇宙，但這本書卻花瞭大量篇幅去討論我們當前技術的不足，以及這些不足如何反過來影響我們對極端天體的認知。從背景輻射的微小擾動，到高能宇宙射綫源頭的追蹤難題，作者絲毫不迴避當前研究的“灰色地帶”。這種現實主義的態度，反而讓整個學科顯得更加真實和充滿活力。它讓人明白，物理學的進步並非綫性上升，而是充滿瞭反復和修正。特彆是關於早期宇宙暴脹理論的各種模型對比分析，作者沒有武斷地下結論，而是清晰地列舉瞭每種模型在當前觀測限製下的優缺點，這種平衡和審慎的論述方式，極大地增強瞭這本書的可信度和學術價值。它教會我的不隻是物理知識，更是一種嚴謹的科學精神。

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這本巨著簡直是宇宙學愛好者的福音，它以一種令人驚嘆的清晰度和深度，將我們帶入瞭一個由引力、光速和時空彎麯構築的奇妙世界。作者的敘述功力深厚，仿佛一位技藝精湛的嚮導，引導著讀者穿梭於黑洞的事件視界邊緣，領略中子星的極端緻密。書中對愛因斯坦場方程的闡釋並非枯燥的數學堆砌，而是與實際觀測現象緊密結閤，讓人真切感受到廣義相對論是如何精準地描繪我們宇宙的宏大結構。特彆是對引力波的起源、傳播及其探測方法的論述，不僅詳盡，而且充滿瞭對未來物理學可能性的浪漫想象。讀完這部分內容，我對宇宙的認識仿佛被徹底刷新，那些曾經遙不可及的理論概念，現在變得觸手可及，充滿瞭令人興奮的物理實在感。這本書的結構安排也十分巧妙，從基礎概念的鋪陳，到復雜現象的深入剖析，過渡自然流暢，即便是初學者也能憑藉毅力跟上節奏，而資深研究者也能在其中找到新的視角和深刻的洞見。

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坦白講，這本書的閱讀體驗是極具挑戰性的，它更像是為已經有紮實基礎的本科高年級學生或研究生準備的工具書，而非麵嚮大眾的入門讀物。開篇對張量分析和微分幾何的快速迴顧，就足以讓那些對數學工具不熟練的讀者感到暈眩。然而，一旦跨過瞭這道門檻，你會發現這本書的“密度”是無與倫比的。它不會用大量篇幅去重復已經被廣泛接受的常識，而是將筆墨集中在那些前沿且存在爭議的領域，比如時空奇點的性質、宇宙學常量的起源，以及與量子力學交匯處的理論睏境。作者的論述極為凝練，信息量極大，閱讀速度必須放得很慢，否則很容易漏掉關鍵的邏輯跳躍。這是一種需要反復研讀、甚至在旁邊空白處做大量筆記的閱讀方式，它強迫你不僅要“知道”，更要“理解”支撐起這一切的底層數學框架。

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這本書的排版和插圖質量實在令人稱道，這在嚴肅的物理學著作中往往是容易被忽視的一環。每一張圖錶都經過精心設計，不僅僅是數據的羅列，更是對復雜物理圖像的一種直觀翻譯。例如，在討論引力透鏡效應時，作者提供的那些三維扭麯空間視圖，比任何文字描述都更有效地幫助我理解光綫是如何被大質量物體彎麯的。而且，書中對曆史背景的梳理也頗具匠心，它沒有將這些知識點視為憑空齣現的真理，而是追溯瞭從牛頓引力到現代場論的演變曆程，讓你能體會到科學發展中的那些關鍵的“Aha!”時刻。這種對科學史的尊重，讓原本冰冷的物理定律煥發齣瞭人文的光彩。我尤其欣賞作者在章節末尾設置的“思考題”部分，它們大多不是標準教科書式的計算題，而是引導讀者去思考當前理論的局限性或尚未解決的重大問題，極大地激發瞭我的探索欲。

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我得說，這本書的行文風格簡直就像是在聆聽一位飽經風霜的資深天體物理學傢在星空下娓娓道來，充滿瞭那種老派的、對知識的敬畏與熱忱。它沒有過多地追求時髦的“科普化”錶達，而是選擇瞭一種更為嚴謹、甚至略帶學術腔調的筆觸來描繪那些最令人心馳神往的宇宙奇觀。這種坦誠的學術態度令人敬佩，它要求讀者拿齣百分之百的注意力去啃食那些精妙的邏輯鏈條和復雜的數學推導。其中關於活動星係核（AGN）能量輸齣機製的章節尤其齣色，作者沒有滿足於標準的標準模型解釋，而是深入挖掘瞭不同能譜觀測結果背後的物理限製與未解之謎，這種批判性的思維貫穿始終。閱讀過程更像是一場智力上的馬拉鬆，需要不斷地停下來，在腦海中構建齣那些看不見摸不著的時空幾何模型。對於那些真正渴望深入理解事物本質、不滿足於淺嘗輒止的讀者來說，這本書無疑是一份沉甸甸的饋贈，它考驗你的耐心，更迴報你的智慧。

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