宇宙物理基础

目录
前言
第1章 经典时空和相对论时空 1
1.1 经典力学 1
1.1.1 牛顿力学 1
牛顿定律 1
伽利略协变性 1
惯性力和时空 3
1.1.2 分析力学 3
广义坐标和位形空间 3
小作用量原理 4
两类背景空间 5
1.1.3 两类物理定律 5
1.1.4 平直的背景时空和弯曲的位形空间 7
1.1.5 曲线运动源于空间弯曲吗？ 8
1.1.6 分析力学的广义协变性 11
1.2 相对论 11
1.2.1 洛伦兹空间 11
洛伦兹协变性 11
洛伦兹空间是位形空间 12
经典时空观被颠覆了吗？ 13
1.2.2 电磁场 14
1.2.3 如果电荷只有一种符号 16
第2章 相对论引力 18
2.1 弯曲空间引力场方程 18
2.1.1 数学方案 18
2.1.2 等效原理与广义协变 19
2.2 相对论引力的局域背景时空和位形空间 23
2.2.1 时空坐标与广义坐标 23
2.2.2 动力学的两种表述方式 25
2.2.3 黎曼如何认识弯曲空间 27
2.3 物理与几何 28
2.3.1 两种协变性 28
2.3.2 守恒律与对称性 32
2.4 平直时空引力场方程 33
2.4.1 物理方案 33
2.4.2 如果存在斥力物质 36
2.4.3 线性化的爱因斯坦场方程 38
2.4.4 引力波 39
平直真空引力波方程 39
激光干涉探测引力波 39
弯曲时空产生和传播引力波吗？ 40
2.4.5 两个引力场方程 41
2.5 周培源-彭桓武时空观 43
2.5.1 弯曲时空与运动的背景时空 43
2.5.2 水星近日点进动 44
牛顿轨道没有进动 44
弯曲时空中也没有进动 44
平直时空中才有进动 46
弯曲时空无法解决进动问题 46
2.5.3 平直时空引力波 47
第3章 相对论宇宙学 49
3.1 局域和非局域物理 49
3.1.1 相对论引力的局域性 49
3.1.2 非局域的宇宙 50
3.2 标准宇宙模型 52
物质密度 52
宇宙学常数 52
R-W 度规 52
理想流体 52
能量方程 53
动力学方程 53
标准宇宙模型的物理基础 53
3.3 相对论宇宙学的困难 53
3.3.1 运动方程与牛顿宇宙学相同 53
3.3.2 两个弗里德曼方程相互矛盾 55
3.3.3 驱动宇宙的是引力还是压力？ 55
引力驱动 55
压力驱动 57
3.3.4 违背能量守恒 58
宇宙学常数 58
能量方程 59
动力学方程 61
3.3.5 宇宙学常数不能使膨胀加速 61
3.3.6 等效原理不成立 62
第4章 均匀、各向同性和平直的宇宙 64
4.1 运动与时空 64
4.2 牛顿力学和牛顿宇宙学的困难 66
4.2.1 引力悖论和白夜悖论 67
纽曼-西利格悖论 67
奥柏斯悖论 67
4.2.2 奇性疑难 67
奇点 67
位能无限大 68
4.2.3 惯性系疑难 68
4.3 引力中性的宇宙 69
4.3.1 哲学家的观点 69
4.3.2 局域引力与非局域引力 71
第5章 热平衡的宇宙 72
5.1 热和非热辐射 72
5.1.1 运动电荷的非热电磁辐射 72
5.1.2 凝聚体的热电磁辐射 72
5.1.3 运动质量的非热引力辐射 72
5.1.4 宇宙的热引力辐射 72
5.2 局域和非局域热辐射 73
5.2.1 微波背景辐射黑体谱 73
5.2.2 没有重子和光子的宇宙 75
5.2.3 引力的热能化 76
5.3 暗宇宙的引力辐射 77
5.3.1 宇宙的热平衡 77
局域热辐射 77
非局域热辐射 77
热平衡和时间同步 77
5.3.2 凝聚态宇宙 78
5.3.3 光子和引力声子 79
5.4 膨胀宇宙的能量转换 80
5.4.1 实物和辐射 80
5.4.2 能量守恒 82
5.4.3 光子-声子热传递 83
5.5 热力学中的热质能疑难 84
5.5.1 过增元问题 84
5.5.2 薛定谔问题 84
第6章 宇宙动力学 86
6.1 宇宙时空的对称性 86
6.1.1 非洛伦兹的宇宙时空 86
6.1.2 伽利略协变、洛伦兹协变和“广义协变” 87
6.1.3 宇宙时空的伽利略对称性 88
6.2 中性真空动力学 89
6.2.1 膨胀宇宙的物理图像 89
均匀各向同性系统 89
膨胀宇宙 90
还原与涌现 90
6.2.2 能量方程和运动方程 92
能量方程 92
运动方程 94
6.2.3 无相变宇宙的膨胀 95
6.2.4 宇宙相变 96
朗道理论 96
昂萨格倒易关系 97
6.2.5 中性凝聚宇宙的膨胀 98
6.2.6 宇宙临界现象 100
6.3 局域和非局域运动 101
6.3.1 宇宙真空的膨胀 101
6.3.2 质点动力学 102
第7章 宇宙的起源 103
7.1 暴胀 103
7.2 相互作用和基本粒子的产生 105
7.2.1 宇宙学常数问题 105
7.2.2 大数定律 106
7.3 微波背景各向异性四极矩缺失 108
第8章 宇宙的构成 114
8.1 宇宙物质的组成 114
8.2 非局域扰动 115
8.3 暗物质 116
8.3.1 有暗物质粒子吗？ 116
8.3.2 暗物质晕热力学 117
8.3.3 暗物质晕动力学 117
小尺度问题 117
宇宙的“邪恶轴” 119
8.4 暗能量 120
8.4.1 宇宙空洞 121
8.4.2 黑洞硬核 121
超新星爆发机制 121
脉冲星运动方向 122
黑洞喷流 122
第9章 物理学的基础架构 126
9.1 时间与空间 126
9.1.1 惯性系与平直时空 126
9.1.2 惯性力与反作用 127
9.2 老子宇宙论 129
9.2.1 泰勒斯与老子 129
西方的智慧 129
东方的智慧 130
9.2.2 一与多 131
“万物负阴而抱阳” 131
大爆炸与真空相变 132
“三生万物” 132
9.3 三个物理世界 132
9.3.1 宇宙学、宏观物理和微观物理 132
宇观世界 133
宏观世界 133
微观世界 134
三种对称性 135
时序保护猜想 135
9.3.2 广义相对论的位置 136
9.4 物理学的发展 137
9.4.1 物理学的革命？ 137
9.4.2 广域与局域 138
9.4.3 连续与离散 138
9.4.4 线性与非线性 138
爱因斯坦的论断 138
自然定律必须在弯曲时空中描述吗？ 139
非线性现象必须用非线性方程描述吗？ 139
两种非线性 140
9.4.5 回归物理 141
“非线性数学纲领” 141
数学条件与经验 141
两种物理理论 142
托勒密体系的现代版 144
均匀时空 144
物理定律能否统一？ 146
9.5 方法论和世界观 147
9.5.1 描摹现象与揭示规律 148
唯象理论 148
广义相对论与绘画 150
广义相对论与机器学习 152
关键事实与大数据 154
9.5.2 单极世界与多元宇宙 155
导航空间 155
“重力霸权” 156
9.5.3 “冲气以为和” 156
9.5.4 理性与和谐的根基 158
附录 1 线性化引力场方程 161
附录 2 施瓦西引力场中轨道的稳定性 164
参考文献 166
后记 规范场与弯曲时空 179
《现代物理基础丛书》已出版书目