廣義相對(duì)論基礎(chǔ)

前言

愛(ài)因斯坦1905年創(chuàng)建了狹義相對(duì)論，1915年又在狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論是一個(gè)關(guān)于時(shí)間、空間和引力的理論。它把萬(wàn)有引力解釋為時(shí)空的彎曲，認(rèn)為萬(wàn)有引力不同于其他力，是一種幾何效應(yīng)。相對(duì)論專(zhuān)家惠勒把廣義相對(duì)論形象地描述為“物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)”。這一人類(lèi)思想史上的創(chuàng)新杰作，是愛(ài)因斯坦一生最引以為自豪的成就。他曾說(shuō)道：“狹義相對(duì)論如果我不發(fā)現(xiàn)，5年之內(nèi)就會(huì)有人發(fā)現(xiàn)，廣義相對(duì)論如果我不發(fā)現(xiàn)，50年之內(nèi)也不會(huì)有人發(fā)現(xiàn)?！睆V義相對(duì)論誕生至今已近100年了。在過(guò)去的100年中，與相對(duì)論同時(shí)降生的量子論取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，相形之下，廣義相對(duì)論卻發(fā)展緩慢。除去數(shù)學(xué)上的困難和物理內(nèi)容不好理解之外，最重要的原因是缺少檢驗(yàn)引力理論的實(shí)驗(yàn)。有一段時(shí)間，相對(duì)論的研究幾乎停步不前。著名量子論專(zhuān)家費(fèi)曼在參加1962年于華沙舉行的廣義相對(duì)論研討會(huì)時(shí)，忍不住在給妻子的信中寫(xiě)下了如下的感想：“我沒(méi)有從會(huì)上獲得任何東西。我什么也沒(méi)有學(xué)到。因?yàn)闆](méi)有實(shí)驗(yàn)，這是一個(gè)沒(méi)有活力的領(lǐng)域，幾乎沒(méi)有一個(gè)頂尖的人物來(lái)做工作。結(jié)果是一群笨蛋（126個(gè)）到這兒來(lái)了，這對(duì)我的血壓很不好。以后記著提醒我再不要參加任何有關(guān)引力的會(huì)議了?！辈贿^(guò)情況很快有了改觀。類(lèi)星體、中子星和微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)了黑洞物理、宇宙學(xué)和引力波的研究。整體微分幾何的引進(jìn)又大大推動(dòng)了時(shí)空理論的發(fā)展，取得了諸如“時(shí)空因果結(jié)構(gòu)”、“奇性定理”、“面積定理”等一系列重要成果，并最終導(dǎo)致了黑洞熱力學(xué)的創(chuàng)建。此外，超弦和引力場(chǎng)量子化的探討也進(jìn)一步增強(qiáng)了廣義相對(duì)論在學(xué)術(shù)領(lǐng)域的地位。作者曾長(zhǎng)期從事廣義相對(duì)論的研究和教學(xué)，常年在北京師范大學(xué)為物理系和天文系的研究生與本科生講授廣義相對(duì)論，近年來(lái)又在清華大學(xué)開(kāi)設(shè)此課程，在長(zhǎng)期的教學(xué)過(guò)程中，逐漸形成了自己的風(fēng)格與特點(diǎn)。我們的課程強(qiáng)調(diào)物理基礎(chǔ)和物理概念，突出物理思想和物理圖像，力求用較短的時(shí)間把初學(xué)者領(lǐng)進(jìn)廣義相對(duì)論的大門(mén)，并把他們引向科研的前沿。值此廣義相對(duì)論受到越來(lái)越多重視的時(shí)期，我們感到有必要把自己常年使用的講義編寫(xiě)成正式的教材，奉獻(xiàn)給讀者。我們長(zhǎng)期追隨劉遼先生學(xué)習(xí)和研究廣義相對(duì)論，他在被錯(cuò)劃成“右派”的困難日子里自強(qiáng)不息，終于在北京師范大學(xué)建立起國(guó)內(nèi)一個(gè)重要的相對(duì)論研究基地。他傾畢生精力編寫(xiě)的《廣義相對(duì)論》一書(shū)，內(nèi)容豐富，包括對(duì)廣義相對(duì)論理論基礎(chǔ)的深刻分析和引力與相對(duì)論天體物理的前沿內(nèi)容，在國(guó)內(nèi)相對(duì)論界產(chǎn)生了很大影響。我們正是在他的引導(dǎo)下跨進(jìn)了相對(duì)論研究的大門(mén)。

內(nèi)容概要

　　《廣義相對(duì)論基礎(chǔ)》是一本簡(jiǎn)明扼要的廣義相對(duì)論入門(mén)教材，在內(nèi)容選擇上，突出物理圖像、物理內(nèi)容和物理思想，同時(shí)在數(shù)學(xué)上自給自足。注意把廣義相對(duì)論基礎(chǔ)與科研前沿銜接起來(lái)，希望能讓初學(xué)者盡快進(jìn)入科研的大門(mén)，然后再“干中學(xué)”，邊研究，邊學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中逐步提高。敘述上兼顧了科學(xué)性和可讀性，作者盡可能闡釋相對(duì)論的關(guān)鍵和難點(diǎn)，幫助讀者克服學(xué)習(xí)中的困難，掌握相對(duì)論的精髓。書(shū)中還介紹了廣義相對(duì)論研究的若干前沿問(wèn)題，注意把廣義相對(duì)論展示為一個(gè)開(kāi)放的科學(xué)領(lǐng)域，讓讀者看到它發(fā)展的曲折經(jīng)歷，以及當(dāng)前尚未解決的問(wèn)題，特別是其中的基本問(wèn)題。內(nèi)中一些帶有根本性的問(wèn)題，也許會(huì)給讀者帶來(lái)愉快的、有益的思考。此外，書(shū)中還評(píng)述了相對(duì)論的建立和發(fā)展過(guò)程中的一些重要突破，增加了學(xué)習(xí)的趣味性，并使讀者能從中體會(huì)科學(xué)研究的方法，提高科研創(chuàng)新的能力。　　《廣義相對(duì)論基礎(chǔ)》可用于研究生和本科生一學(xué)期的教學(xué)，也可用于具有大學(xué)理工科一、二年級(jí)數(shù)理水平的讀者自學(xué)。目的是使他們能在半年內(nèi)掌握廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)，基本內(nèi)容和具體的計(jì)算方法，并進(jìn)入科學(xué)研究的前沿。

作者簡(jiǎn)介

趙崢，男，祖籍江西萍鄉(xiāng)，1943年8月出生于四川成都。1962年畢業(yè)于北京一中，1967年畢業(yè)于中國(guó)科技大學(xué)物理系，1981年于北京師范大學(xué)天文系獲碩士學(xué)位（導(dǎo)師劉遼教授），1987年于布魯塞爾自由大學(xué)獲博士學(xué)位（導(dǎo)師普利高津教授，諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者）。曾任北京師范大學(xué)研究生院副院長(zhǎng)、物理系主任、中國(guó)引力與相對(duì)論天體物理學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、中國(guó)物理學(xué)會(huì)理事?，F(xiàn)為北京師范大學(xué)物理系教授，理論物理博士生導(dǎo)師、教育學(xué)博士生導(dǎo)師、中國(guó)引力與相對(duì)論天體物理學(xué)會(huì)理事。
趙崢教授長(zhǎng)期從事理論物理的教學(xué)與研究，為本科生和研究生講授過(guò)統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)、近代物理學(xué)進(jìn)展、物理學(xué)史、廣義相對(duì)論、黑洞物理學(xué)和彎曲時(shí)空量子場(chǎng)論等課程。近年來(lái)同時(shí)在清華大學(xué)和北京師范大學(xué)講授廣義相對(duì)論。參加和承擔(dān)過(guò)多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，在相對(duì)論、黑洞物理等領(lǐng)域發(fā)表論文100余篇，在黑洞熱性質(zhì)、時(shí)空奇點(diǎn)、時(shí)間測(cè)量理論、鐘速同步和熱力學(xué)的關(guān)系等方面有創(chuàng)新性的工作。1986年、1996年兩次獲國(guó)家教委科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
劉文彪（男），1968年12月出生于吉林九臺(tái)，2000年于北京師范大學(xué)物理系獲博士學(xué)位，導(dǎo)師趙崢教授，現(xiàn)任北京師范大學(xué)物理系教授。參加多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和一項(xiàng)“973”項(xiàng)目，主要研究興趣為引力與相對(duì)論天體物理、黑洞物理和宇宙學(xué)。

書(shū)籍目錄

緒論 第1章 廣義相對(duì)論的物理基礎(chǔ) 1.1 狹義相對(duì)論的成就與困難 1.2 等效原理與廣義相對(duì)性原理 1.3 對(duì)新理論的構(gòu)想 習(xí)題 第2章 黎曼幾何與張量分析 2.1 狹義相對(duì)論中的張量 2.2 廣義相對(duì)論中的張量 2.3 張量代數(shù) 2.4 平移與聯(lián)絡(luò) 2.5 協(xié)變微商 2.6 測(cè)地線與仿射參量 2.7 曲率與撓率 2.8 度規(guī)張量 2.9 克里斯多菲符號(hào) 2.10 短程線 2.11 黎曼空間的曲率張量 2.12 幾個(gè)重要的運(yùn)算 習(xí)題 第3章 愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程與時(shí)空的基本理論 3.1 廣義相對(duì)論中的時(shí)間與空間 3.2 同時(shí)的傳遞性 3.3 場(chǎng)方程與運(yùn)動(dòng)方程 3.4 運(yùn)動(dòng)方程的導(dǎo)出及其牛頓近似 3.5 廣義相對(duì)論中的力學(xué)和電磁學(xué)方程 3.6 場(chǎng)方程的牛頓近似 3.7 坐標(biāo)條件與邊界條件 習(xí)題 第4章 廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 4.1 史瓦西解 4.2 史瓦西時(shí)空的坐標(biāo)量和固有量 4.3 測(cè)量及測(cè)量的比較 4.4 引力紅移 4.5 史瓦西時(shí)空中的運(yùn)動(dòng)方程 4.6 水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng) 4.7 光線偏折 4.8 若干引力實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介 習(xí)題 第5章 引力波初步 5.1 平面引力波 5.2 引力場(chǎng)的能量 5.3 引力輻射能 5.4 脈沖雙星的引力輻射 5.5 引力四級(jí)共振 5.6 引力波的探測(cè) 習(xí)題 第6章 黑洞物理入門(mén) 6.1 史瓦西黑洞 6.2 克魯斯卡時(shí)空和彭若斯圖 6.3 克爾-紐曼黑洞 6.4 黑洞的非熱效應(yīng) 6.5 黑洞的熱性質(zhì) 6.6 霍金輻射的證明 習(xí)題 第7章 宇宙學(xué)簡(jiǎn)介 7.1 相對(duì)論宇宙學(xué)的進(jìn)展 7.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)宇宙論 7.3 動(dòng)力學(xué)宇宙論 7.4 極早期宇宙 7.5 暴漲模型 7.6 關(guān)于宇宙學(xué)的評(píng)注 7.7 時(shí)空隧道 7.8 時(shí)間機(jī)器 習(xí)題 第8章 時(shí)空理論若干問(wèn)題探討 8.1 慣性的起源 8.2 時(shí)間尺度變換的補(bǔ)償效應(yīng) 8.3 黑洞的定義 8.4 動(dòng)力學(xué)黑洞的熱輻射 8.5 信息疑難 8.6 奇性疑難 8.7 時(shí)間的性質(zhì) 8.8 時(shí)間的測(cè)量 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：從在阿勞中學(xué)上補(bǔ)習(xí)班的時(shí)候起，愛(ài)因斯坦就開(kāi)始思考一個(gè)“追光”實(shí)驗(yàn)：如果一個(gè)觀測(cè)者追上光，以光速運(yùn)動(dòng)，將會(huì)看見(jiàn)什么？他覺(jué)得這個(gè)觀測(cè)者會(huì)看到不隨時(shí)間變化的波場(chǎng)，但是誰(shuí)也沒(méi)有見(jiàn)過(guò)這種現(xiàn)象。如果這個(gè)以光速運(yùn)動(dòng)的人在前面用手舉著一個(gè)鏡子，他能在鏡中看見(jiàn)自己的像嗎？如果能看見(jiàn)，那么自己的臉發(fā)出的光相對(duì)于自己的速度還是C嗎？如果還是c，那么依據(jù)伽利略變換，靜止于地面的觀測(cè)者豈不將看到此光相對(duì)于自己的速度是2C嗎？但是誰(shuí)也沒(méi)有見(jiàn)過(guò)以速度2C運(yùn)動(dòng)的光，所有測(cè)得的光速都是同一個(gè)值C，似乎應(yīng)該承認(rèn)不存在以光速運(yùn)動(dòng)的、相對(duì)于光靜止的觀測(cè)者，光相對(duì)于所有觀測(cè)者都是運(yùn)動(dòng)的，而且運(yùn)動(dòng)速度都相同，都是同一個(gè)值C。也就是說(shuō)，應(yīng)該承認(rèn)光速與光源相對(duì)于觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)。愛(ài)困斯坦還知道，天文學(xué)上對(duì)雙星的觀測(cè)也支持光速與光源運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的觀點(diǎn)。

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《廣義相對(duì)論基礎(chǔ)》是由清華大學(xué)出版社出版的。

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