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宇宙学

宇宙学
宇宙学
作者:(美)温伯格(Weinberg,S.)(著) 向守平(译)

图书详细信息:
ISBN:978-7-312-02993-6
估价:90.00元
版本:1
装帧:平装
预计出版年月:201303
丛书名称:国外科技经典与前沿著作译丛

图书简介:

  本书介绍了当代宇宙学研究的模型及相关公式,内容详尽,论述严谨.全书分为两部分,每一部分均可作为一个学期研究生课程的教材.第一部分讲述了宇宙学的各向同性和均匀性,第二部分则介绍了对各向同性和均匀性的偏离.本书尽可能地推导了各宇宙学现象的详细解析解,而不是仅仅转述他人数值计算的结果.本书内容包括了宇宙学的最新进展,对复合、微波背景辐射的极化、轻子合成、引力透镜、结构形成、多场暴胀等专题做了详尽的讲解,还引证了大量当前的研究工作.附录部分简要介绍了广义相对论并详细推导了宇宙学演化中用于描述光子和中微子的相对论性Boltzmann方程,书末附有习题集.
  本书可作为理论物理、天体物理高年级本科生或研究生教材,也可供从事宇宙学、天体物理和理论物理研究的科研工作者阅读.

前言:

序言

  在过去的四分之一世纪里,宇宙学的研究变得异常活跃.1980年代早期提出的暴胀理论,针对某些悬而未决的宇宙学疑难问题给出了解答,并提供了一种大尺度结构起源的机制,这种机制可以通过对宇宙微波背景辐射各向异性的观测得到验证.1989年11月,宇宙背景探测者(Cosmic Background Explorer)卫星升空.它的分光光度计的测量很快就确定了宇宙微波背景的热辐射性质,并且对其温度的测定达到了第三位小数,这一精度在宇宙学研究中是前所未有的.稍后,根据该卫星的辐射计所得到的数据,人们发现了长期寻觅的微波背景的各向异性.其后,由地基和球载仪器加上最终由Wilkinson微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)所作的观测表明,这些各向异性几乎与暴胀理论所预期的完全一样.1990年代晚期,利用Ia型超新星作为标准烛光从而发现了宇宙在加速膨胀,这意味着宇宙中的大部分能量是某种暗能量,它的压力与密度之比小于-1/3.这一点已经被微波背景辐射的精密观测以及大规模的星系巡天观测结果所证实,另外通过这些观测人们还得到了越来越精确的宇宙学参数值.
  与此同时,对于这些宇宙学参数,天文学的经典方法给出的独立限制也在不断改进.在年老恒星的大气中钍和铀光谱的发现,以及对球状星团主星序拐点持续的研究,已经缩小了宇宙年龄估计值的变化范围.对星际吸收中测量到的氘氢比结合宇宙学核合成的计算,已经给出了通常重子物质宇宙密度的一个很好的值,而且表明,这一密度大约仅仅是某种神秘的、非重子冷暗物质密度的五分之一.Hubble空间望远镜以及地面望远镜的观测结果中给出的Hubble常数值的精度也在不断提高.这些方法测量到的一些宇宙学参数值,与宇宙微波背景以及大尺度结构的研究所得结果相一致,这给予了我们极大的信心.
  进展还在继续.在今后数年里,我们可以期待关于暗能量密度是常量还是演化的确切信息,并希望看到引力辐射的踪迹,而这将开启观测宇宙暴胀的时代.我们还将利用新的大加速器人工制造暗物质粒子,或者通过天然暗物质粒子撞击地球,来揭示暗物质的本质.我们还希望能够看到,基础物理学可以提供一种明确的暴胀理论,或者对暗物质或暗能量作出解释.
  宇宙学这一新的激动人心时刻的到来,似乎受到了基本粒子物理学的启示.至1980年代,基本粒子和场的标准模型已经充分建立起来.尽管在当时,有重大意义的理论工作和实验工作都在持续进行着,但实验和新理论思想之间并没有多少接触,而没有这样的接触,粒子物理学就大大失去了活力.现在宇宙学带来的激励,正如粒子物理学在1960年代和1970年代所经历过的那样.
  在1999年我完成了关于场量子论(QTF)的三卷本著作.手头闲暇之余,我给自己分派了一项工作,即仔细认真地学习宇宙学过去二十年里所取得的巨大进展的理论基础.尽管过去我曾对宇宙学做过一些研究,但要跟上最新的科学成就,这一工作量对我来说还是不小的.宇宙学的评论文章对观测数据作出了很好的概述,但它们常常只是引用公式而没有给出公式的由来,并且在某些时候甚至连原始推导的参考文献也没有列出.偶尔公式错了,就使得我在重新推导时遇到极大的困难.当我能找到原始文献时,这些文章在其论述中有时却出现了脱漏,或者依赖于隐含的假设,或者使用未经解释的记号.常常是大量的计算机程序代替了分析研究.在许多情况下,我发现还是由自己来完成有关的理论更容易些.
  这本书就是我这样做的结果.它的目的是,对于现代宇宙学观测中使用并受到检验的观念和公式给出自洽的解释.本书分为两个部分.根据我的授课经验,每一部分都包含了足够的内容,可以作为一门一学期的研究生课程来讲.第一部分是从第1章到第4章,主要讲述各向同性且均匀的平均宇宙,只在第2.6节中简要介绍了微波背景的各向异性.这几章在时间顺序上或多或少有些颠倒:第1章集中讲述星系形成之后的宇宙,大约相应于红移z<10;第2章讲微波背景,它是在z1000时辐射的;第3章描述早期宇宙,从辐射主导宇宙膨胀的开始,到红移z104,此时辐射密度降到低于物质密度;第4章讲暴胀时期,相信它比辐射主导时期还要早.第二部分从第5章到第10章,专注于讨论对平均宇宙的偏离.在第5章介绍了一些普遍公式和在第6章把这些公式应用到非均匀性演化之后,我在第7章回到微波背景的各向异性,并在第8章讲述物质的大尺度结构.引力透镜稍晚些在第9章中讨论,因为它在宇宙学中最重要的应用可能就是利用微透镜来研究大尺度结构.第4章中对暴胀的讨论仅仅涉及宇宙在暴胀时期的平均性质,第10章再回到暴胀时,讨论的是由暴胀期间量子涨落开始的非均匀性的增长.
  这本书自始至终,我尽最大可能对宇宙现象进行解析式计算,而不是仅仅转述他人根据数值计算所得的结果.为了把观测与理论相比较,文中所做的计算必须要考虑到许多细节.而这样一来,或者就使解析处理变为不可能,或者就模糊了计算内容的主要物理特征.在这种情况下,我会为了把问题说明白而不惜舍弃一定的计算精度.特别是在从第6.2节到第6.5节的宇宙涨落的流体力学处理,以及第8章关于大尺度结构的处理中,我都是这样做的.但是在第6.1节和附录H中,我也阐述了现代宇宙学计算程序所依据的更精确的动力学理论.在第7章宇宙微波背景各向异性的讨论中,解析方法和数值计算方法都会用到.
  自从1960年代以来,宇宙学研究中发生了如此众多的事件,使得我在1972年所写的《引力论和宇宙论》(Gravitation and Cosmology,以后简称G & C)一书中的相关论述已远远不够.有时我会提到那本书中的一些内容,但这些内容看来已不值得在本书中再重复一遍了.自1972年以来,经典的广义相对论并没有发生多少改变(除了它的实验检验变得更强了之外),因而本书没有必要再把引力也纳入进来,与宇宙学放在一起讨论.但是,为了方便那些希望更新自己广义相对论知识的读者,也为方便我建立记号法,我在附录B中给出了广义相对论的一个扼要介绍.其他附录部分列出的是本书中所需的相关技术资料.同时,在本书的后面我补充了一个符号列表,这些符号在不止一节中出现;还有一批各式各样的习题.
  为使本书内容协调,便于处理,我决定舍弃一些过于纯理论的东西.这样,本书中就不包括有关高维宇宙学理论、人择推理、全息宇宙学、暴胀细节猜想,以及许多其他新概念的内容.我可能会在接下来的一卷书中讨论其中的某些论题.当前这本书主要关注已成为主流宇宙学的那些内容:暴胀由一个或多个标量场所驱动,接下来是由辐射、冷暗物质、重子物质以及真空能量主导的大爆炸.
  本书所涉及论题的讨论有效至200n年,这里的n对书中不同部分是一个从1到7的整数.我曾试图给出直到那一时间的完整的天体物理参考文献,但是毫无疑问我没有找到某些文章.仅仅缺少一篇参考文献并不意味着我所介绍的都是原创性的成果,尽管它们中的确有原创性的.我列出的文献大部分是在学术刊物上公开发表的,也有一些来自Cornell文献库http://arxiv.org.在有些情况下,当论文遇到某些问题还没有正式发表,甚至于还没有投稿时,我只能列出其Cornell文献编号.我引用了所有我所知道的宇宙学参数的最新观测数据,部分原因是,我想给读者一个感性认识,即目前的观测可能达到什么程度.但是我没有试图把不同类型的观测结果合并,因为我不认为这样做将增加更多的物理内涵,而且任何这样的宇宙学整合都将很快过时.
  我对我的Texas大学的同事们谨表诚挚的感谢,其中有Thomas Barnes, Fritz Benedict, Willy Fischler, Karl Gebhardt, Patrick Greene, Richard Matzner, Paul Shapiro, Craig Wheeler;特别是Duane Dicus,他做了许多数值计算以及校正工作;Eiichiro Komatsu通篇阅读了原稿,而且从不漏掉宇宙学研究中各种信息资料及深入分析的出处;在图表和计算方面得到了我的研究生Raphael Flauger的大量帮助,他还和另外一些学生一起纠正了书稿中的许多错误,他们是Yingyue Li Boretz, Kannokkuan Chaicherdsakul, Bo Li, Ian Roederer, 以及Yuki Watanabe;Matthew Anderson 在宇宙学核合成的数值计算方面帮了我很大的忙.我还从与下列同行就专门论题的来往通信中受益匪浅:Ed Bertschinger, Dick Bond, Latham Boyle, Robert Cahn, Alan Guth, Robert Kirshner, Andrei Linde, Eric Linder, Viatcheslav Mukhanov, Saul Perlmutter, Jonathan Pritchard, Adam Riess, Uros Seljak, Paul Steinhardt, Edwin Turner以及Matias Zaldarriaga.
  还应该感谢Jan Duffy 和 Terry Riley给予的许多帮助.当然,对于书中还可能存在的任何错误,我个人担负全部责任.如果读者发现了任何错误的地方,希望能够告诉我,我将把这些错误在我的网页上张贴出来:http://zippy.ph.utexas.edu/ ~weinberg/corrections.html.

 

S·温伯格
Austin,Texas
2007年6月

目录:

序言

标记法

第1章宇宙的膨胀

1.1时空几何

1.2宇宙学红移

1.3小红移时的距离:Hubble常数

1.4光度距离与角直径距离

1.5膨胀的动力学

1.6大红移时的距离

1.7宇宙膨胀还是光子疲劳?

1.8年龄

1.9质量

1.10星系际吸收

1.11计数

1.12精质

1.13视界

参考文献及注释

 

第2章宇宙微波辐射背景

2.1微波背景的预期与发现

2.2平衡时期

2.3复合与最后散射

2.4偶极各向异性

2.5Sunyaev-Zel’dovich效应

2.6微波背景的原初涨落:概观

参考文献及注释

 

第3章早期宇宙

3.1热历史

3.2宇宙学核合成

3.3重子生成与轻子生成

3.4冷暗物质

参考文献及注释

 

第4章暴胀

4.1三个疑难

4.2慢滚暴胀

4.3混沌暴胀,永恒暴胀

参考文献及注释

 

第5章小涨落的普遍理论

5.1场方程

5.2Fourier分解和随机初始条件

5.3选择规范

5.4视界外的守恒

参考文献及注释

 

第6章宇宙学涨落的演化

6.1标量扰动——动理学理论

6.2标量扰动——流体动力学极限

6.3标量扰动——长波情况

6.4标量扰动——短波情况

6.5标量扰动——内插及转移函数

6.6张量扰动

参考文献及注释

 

第7章微波天空的各向异性

7.1温度涨落的普遍公式

7.2温度多极系数:标量模式

7.3温度多极系数:张量模式

7.4偏振

参考文献及注释

 

第8章结构生长

8.1复合之后的线性扰动

8.2非线性增长

8.3重子物质的坍缩

参考文献及注释

 

第9章引力透镜

9.1质点的透镜方程

9.2放大:强透镜与微透镜

9.3延展透镜

9.4时间延迟

9.5弱透镜

9.6宇宙弦

参考文献及注释

 

第10章暴胀作为宇宙学涨落的起源

10.1暴胀期间的标量涨落

10.2暴胀期间的张量涨落

10.3暴胀期间的涨落:慢滚相近似

10.4多重场暴胀

参考文献及注释

 

附录A 一些有用的常数(量)

附录B 广义相对论回顾

附录C 辐射与电子之间的能量转移

附录D 各态遍历定理

附录E Gauss分布

附录F Newton宇宙学

附录G 光子极化

附录H 相对论性Boltzmann方程

符号列表

习题

作者索引

主题索引



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