宇宙物理基礎

目錄
前言
第1章 經(jīng)典時空和相對論時空 1
1.1 經(jīng)典力學 1
1.1.1 牛頓力學 1
牛頓定律 1
伽利略協(xié)變性 1
慣性力和時空 3
1.1.2 分析力學 3
廣義坐標和位形空間 3
小作用量原理 4
兩類背景空間 5
1.1.3 兩類物理定律 5
1.1.4 平直的背景時空和彎曲的位形空間 7
1.1.5 曲線運動源于空間彎曲嗎？ 8
1.1.6 分析力學的廣義協(xié)變性 11
1.2 相對論 11
1.2.1 洛倫茲空間 11
洛倫茲協(xié)變性 11
洛倫茲空間是位形空間 12
經(jīng)典時空觀被顛覆了嗎？ 13
1.2.2 電磁場 14
1.2.3 如果電荷只有一種符號 16
第2章 相對論引力 18
2.1 彎曲空間引力場方程 18
2.1.1 數(shù)學方案 18
2.1.2 等效原理與廣義協(xié)變 19
2.2 相對論引力的局域背景時空和位形空間 23
2.2.1 時空坐標與廣義坐標 23
2.2.2 動力學的兩種表述方式 25
2.2.3 黎曼如何認識彎曲空間 27
2.3 物理與幾何 28
2.3.1 兩種協(xié)變性 28
2.3.2 守恒律與對稱性 32
2.4 平直時空引力場方程 33
2.4.1 物理方案 33
2.4.2 如果存在斥力物質(zhì) 36
2.4.3 線性化的愛因斯坦場方程 38
2.4.4 引力波 39
平直真空引力波方程 39
激光干涉探測引力波 39
彎曲時空產(chǎn)生和傳播引力波嗎？ 40
2.4.5 兩個引力場方程 41
2.5 周培源-彭桓武時空觀 43
2.5.1 彎曲時空與運動的背景時空 43
2.5.2 水星近日點進動 44
牛頓軌道沒有進動 44
彎曲時空中也沒有進動 44
平直時空中才有進動 46
彎曲時空無法解決進動問題 46
2.5.3 平直時空引力波 47
第3章 相對論宇宙學 49
3.1 局域和非局域物理 49
3.1.1 相對論引力的局域性 49
3.1.2 非局域的宇宙 50
3.2 標準宇宙模型 52
物質(zhì)密度 52
宇宙學常數(shù) 52
R-W 度規(guī) 52
理想流體 52
能量方程 53
動力學方程 53
標準宇宙模型的物理基礎 53
3.3 相對論宇宙學的困難 53
3.3.1 運動方程與牛頓宇宙學相同 53
3.3.2 兩個弗里德曼方程相互矛盾 55
3.3.3 驅(qū)動宇宙的是引力還是壓力？ 55
引力驅(qū)動 55
壓力驅(qū)動 57
3.3.4 違背能量守恒 58
宇宙學常數(shù) 58
能量方程 59
動力學方程 61
3.3.5 宇宙學常數(shù)不能使膨脹加速 61
3.3.6 等效原理不成立 62
第4章 均勻、各向同性和平直的宇宙 64
4.1 運動與時空 64
4.2 牛頓力學和牛頓宇宙學的困難 66
4.2.1 引力悖論和白夜悖論 67
紐曼-西利格悖論 67
奧柏斯悖論 67
4.2.2 奇性疑難 67
奇點 67
位能無限大 68
4.2.3 慣性系疑難 68
4.3 引力中性的宇宙 69
4.3.1 哲學家的觀點 69
4.3.2 局域引力與非局域引力 71
第5章 熱平衡的宇宙 72
5.1 熱和非熱輻射 72
5.1.1 運動電荷的非熱電磁輻射 72
5.1.2 凝聚體的熱電磁輻射 72
5.1.3 運動質(zhì)量的非熱引力輻射 72
5.1.4 宇宙的熱引力輻射 72
5.2 局域和非局域熱輻射 73
5.2.1 微波背景輻射黑體譜 73
5.2.2 沒有重子和光子的宇宙 75
5.2.3 引力的熱能化 76
5.3 暗宇宙的引力輻射 77
5.3.1 宇宙的熱平衡 77
局域熱輻射 77
非局域熱輻射 77
熱平衡和時間同步 77
5.3.2 凝聚態(tài)宇宙 78
5.3.3 光子和引力聲子 79
5.4 膨脹宇宙的能量轉(zhuǎn)換 80
5.4.1 實物和輻射 80
5.4.2 能量守恒 82
5.4.3 光子-聲子熱傳遞 83
5.5 熱力學中的熱質(zhì)能疑難 84
5.5.1 過增元問題 84
5.5.2 薛定諤問題 84
第6章 宇宙動力學 86
6.1 宇宙時空的對稱性 86
6.1.1 非洛倫茲的宇宙時空 86
6.1.2 伽利略協(xié)變、洛倫茲協(xié)變和“廣義協(xié)變” 87
6.1.3 宇宙時空的伽利略對稱性 88
6.2 中性真空動力學 89
6.2.1 膨脹宇宙的物理圖像 89
均勻各向同性系統(tǒng) 89
膨脹宇宙 90
還原與涌現(xiàn) 90
6.2.2 能量方程和運動方程 92
能量方程 92
運動方程 94
6.2.3 無相變宇宙的膨脹 95
6.2.4 宇宙相變 96
朗道理論 96
昂薩格倒易關系 97
6.2.5 中性凝聚宇宙的膨脹 98
6.2.6 宇宙臨界現(xiàn)象 100
6.3 局域和非局域運動 101
6.3.1 宇宙真空的膨脹 101
6.3.2 質(zhì)點動力學 102
第7章 宇宙的起源 103
7.1 暴脹 103
7.2 相互作用和基本粒子的產(chǎn)生 105
7.2.1 宇宙學常數(shù)問題 105
7.2.2 大數(shù)定律 106
7.3 微波背景各向異性四極矩缺失 108
第8章 宇宙的構成 114
8.1 宇宙物質(zhì)的組成 114
8.2 非局域擾動 115
8.3 暗物質(zhì) 116
8.3.1 有暗物質(zhì)粒子嗎？ 116
8.3.2 暗物質(zhì)暈熱力學 117
8.3.3 暗物質(zhì)暈動力學 117
小尺度問題 117
宇宙的“邪惡軸” 119
8.4 暗能量 120
8.4.1 宇宙空洞 121
8.4.2 黑洞硬核 121
超新星爆發(fā)機制 121
脈沖星運動方向 122
黑洞噴流 122
第9章 物理學的基礎架構 126
9.1 時間與空間 126
9.1.1 慣性系與平直時空 126
9.1.2 慣性力與反作用 127
9.2 老子宇宙論 129
9.2.1 泰勒斯與老子 129
西方的智慧 129
東方的智慧 130
9.2.2 一與多 131
“萬物負陰而抱陽” 131
大爆炸與真空相變 132
“三生萬物” 132
9.3 三個物理世界 132
9.3.1 宇宙學、宏觀物理和微觀物理 132
宇觀世界 133
宏觀世界 133
微觀世界 134
三種對稱性 135
時序保護猜想 135
9.3.2 廣義相對論的位置 136
9.4 物理學的發(fā)展 137
9.4.1 物理學的革命？ 137
9.4.2 廣域與局域 138
9.4.3 連續(xù)與離散 138
9.4.4 線性與非線性 138
愛因斯坦的論斷 138
自然定律必須在彎曲時空中描述嗎？ 139
非線性現(xiàn)象必須用非線性方程描述嗎？ 139
兩種非線性 140
9.4.5 回歸物理 141
“非線性數(shù)學綱領” 141
數(shù)學條件與經(jīng)驗 141
兩種物理理論 142
托勒密體系的現(xiàn)代版 144
均勻時空 144
物理定律能否統(tǒng)一？ 146
9.5 方法論和世界觀 147
9.5.1 描摹現(xiàn)象與揭示規(guī)律 148
唯象理論 148
廣義相對論與繪畫 150
廣義相對論與機器學習 152
關鍵事實與大數(shù)據(jù) 154
9.5.2 單極世界與多元宇宙 155
導航空間 155
“重力霸權” 156
9.5.3 “沖氣以為和” 156
9.5.4 理性與和諧的根基 158
附錄 1 線性化引力場方程 161
附錄 2 施瓦西引力場中軌道的穩(wěn)定性 164
參考文獻 166
后記 規(guī)范場與彎曲時空 179
《現(xiàn)代物理基礎叢書》已出版書目