相对论与非欧几何

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出版者:科学出版社
作者:费保俊
出品人:
页数:161
译者:
出版时间:2005-5
价格:25.00元
装帧:简裝本
isbn号码:9787030144850
丛书系列:
图书标签:
  • 非欧几何
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具体描述

本书系统介绍微分几何的基础知识和非欧几何的基本定理。重点讨论狭义相对论的速度与双曲几何的关系,证明了3维相对论速度构成双曲几何的射影模型,相对论速度和时空的Lorentz变换正是双曲几何的非齐次和齐次坐标变换。

《相对论与非欧几何》 引言 本书旨在深入浅出地剖析现代物理学两大基石——相对论(包括狭义相对论和广义相对论)与非欧几何——之间的深刻联系及其各自独立发展的辉煌历程。我们将带领读者踏上一段穿越时空、探索空间弯曲的智慧之旅,理解这两门学科如何革命性地改变了我们对宇宙的认知。 第一部分:相对论的宇宙观 第一章:时空的革命——狭义相对论 伽利略相对性原理的局限: 从亚里士多德到牛顿,经典力学体系建立在绝对时空观之上。然而,光速不变的实验证据(迈克尔逊-莫雷实验)挑战了这一根深蒂固的观念。 爱因斯坦的勇敢飞跃: 狭义相对论的核心是两个基本假设:相对性原理(物理定律在所有惯性系中都相同)和光速不变原理(真空中的光速对所有惯性观察者来说是恒定的)。 时空是统一的整体: 狭义相对论揭示了时间和空间并非独立存在,而是交织在一起形成一个四维时空。时间流逝的速度取决于观察者的运动状态,运动越快,时间越慢(时间膨胀)。 长度的收缩与质量的增加: 运动物体在运动方向上的长度会缩短(长度收缩),其质量也会随着速度的增加而增加。 E=mc²:质量与能量的等价性: 这是狭义相对论中最著名的公式,它表明质量和能量可以相互转化,揭示了蕴藏在物质内部的巨大能量,为核能的利用奠定了理论基础。 洛伦兹变换: 这是狭义相对论数学框架的核心,它描述了不同惯性系之间时空坐标的转换关系,取代了伽利略变换。 第二章:引力的几何解读——广义相对论 等效原理: 爱因斯坦在狭义相对论的基础上,提出了等效原理,认为引力效应与加速度效应是不可区分的。这意味着在封闭的电梯里,你无法分辨是处于地球引力场中,还是在太空中以某个加速度向上加速。 引力即时空弯曲: 广义相对论最大的突破是将引力不再视为一种力,而是物质(特别是大质量物体)导致其周围时空弯曲的表现。物体在弯曲的时空中沿着“测地线”运动,这就是我们所感知到的引力作用。 引力红移与光线偏折: 广义相对论预言了引力会使光子失去能量(引力红移),以及光线在经过大质量物体附近时会发生弯曲(引力透镜效应)。这些预言后来都得到了实验的验证。 黑洞与引力波: 广义相对论预言了黑洞的存在,即时空极度弯曲以至于连光都无法逃脱的区域。同时,它也预言了引力波的存在,即时空本身的涟漪,是宇宙大事件(如黑洞合并)产生的时空扰动。 第二部分:空间的几何变革——非欧几何 第三章:欧几里得几何的边界 第五公设(平行公设): 欧几里得《几何原本》中,前四个公设和公理被普遍接受,但第五公设(过直线外一点,有且只有一条直线与已知直线平行)一直备受争议,因为它相对复杂且不如其他公设“明显”。 追求“欧几里得之外”的探索: 数百年来,许多数学家试图证明或否定第五公设,但都未果,反而开启了对平行公设性质的深入思考。 第四章:奇异而美好的新世界——非欧几何的诞生 罗巴切夫斯基与黎曼的突破: 19世纪,俄国数学家罗巴切夫斯基和德国数学家黎曼独立开创了非欧几何。 罗巴切夫斯基几何(双曲几何): 在否定第五公设(过直线外一点,有无数条直线与已知直线平行)的基础上,构建了一个所有三角形内角和小于180度的几何空间。在这个空间里,“直线”是钟形曲线,两直线相交会比欧几里得几何更频繁。 黎曼几何(椭圆几何): 在否定第五公设(过直线外一点,不存在与已知直线平行的直线)的基础上,构建了一个所有三角形内角和大于180度的几何空间。在这个空间里,不存在平行线,任何两条“直线”(大圆)最终都会相交,例如地球表面上的经线。 几何的相对性: 非欧几何的出现,标志着几何不再是描述一个绝对、唯一空间的工具,而是可以描述不同性质空间的数学语言。 第三部分:交织的智慧之光 第五章:相对论与非欧几何的亲缘关系 广义相对论的几何语言: 广义相对论的数学描述,其核心正是非欧几何,特别是黎曼几何。时空的曲率由物质和能量的分布决定,而物体的运动轨迹则遵循弯曲时空中的测地线。 物质告诉时空如何弯曲,弯曲的时空告诉物质如何运动: 这是广义相对论的核心思想,而“时空如何弯曲”正是黎曼几何所描述的。 从平坦到弯曲的过渡: 狭义相对论是在平坦(欧几里得)时空中描述运动,而广义相对论则是在弯曲时空中描述引力。非欧几何为理解和描述这种弯曲提供了必不可少的数学工具。 物理学的统一性: 相对论与非欧几何的结合,展现了数学的抽象力量与物理世界的深刻统一。它不仅改变了我们对宇宙的宏观理解,也为更深层次的物理理论(如弦理论、量子引力)奠定了基础。 结语 《相对论与非欧几何》并非仅仅是一本科普读物,它是一次对人类智慧边界的探索。通过理解相对论的宇宙观和非欧几何的空间观,我们将更深刻地认识到,我们所处的宇宙并非是我们日常直觉所能完全把握的。它是一部关于想象力、逻辑推理以及科学革命的壮丽史诗,激励着我们不断追问“是什么”以及“为什么”。

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读后感

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用户评价

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我特别欣赏作者在书中对物理学发展史的梳理。他并没有将相对论和非欧几何的诞生视为一个孤立的事件,而是将其置于更广阔的科学史背景下进行考察。从牛顿的万有引力定律,到黎曼几何的奠基,再到爱因斯坦的相对论,作者清晰地勾勒出了这条思想演进的脉络。我仿佛看到了科学的火炬是如何一代代传承和发扬光大的。这种对历史的尊重,让我对这些伟大的科学成就有了更深的敬意。同时,我也能从中看到,每一个伟大的理论,都不是凭空产生的,而是建立在前人的研究基础之上,并融入了新的思想和方法。

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总而言之,《相对论与非欧几何》这本书是一次极其愉快的阅读体验。它不仅拓宽了我的知识视野,更重要的是,它改变了我看待世界的方式。我不再仅仅将宇宙看作是一个由固定规则支配的巨大机器,而是将其视为一个充满弹性、动态变化、并且可能蕴含着无限可能的奇妙存在。这本书让我对科学的魅力有了更深的体会,也让我对人类探索未知的好奇心和智慧有了更深的认识。我强烈推荐给所有对宇宙、对科学、对思想解放感兴趣的读者,相信你们也一定会从中获益匪浅。

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我是一名热爱科幻小说的读者,一直以来都对那些关于虫洞、时空旅行的奇妙设定充满好奇。而《相对论与非欧几何》这本书,恰恰为我提供了理解这些科幻构想的科学基础。作者在解释相对论的某些效应时,不自觉地触及到了许多科幻作品中常见的元素,比如时间旅行的可能性,以及宇宙尺度的扭曲。我甚至能够看到,那些虚构的故事情节,其实都源于对现实世界物理法则的深刻洞察和大胆推演。这种将科学理论与文学想象相结合的方式,让我阅读体验更加丰富和深刻。我仿佛不再只是一个被动的读者,而是能够通过这本书,参与到对宇宙奥秘的探索之中。

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这本书给我的一个最深刻的感受是,我们对于“现实”的理解,其实充满了主观性和局限性。在相对论的世界里,没有绝对的“现在”,没有绝对的“长度”。我们所感知到的现实,很大程度上取决于我们自身的运动状态和观察角度。这不仅仅是物理学上的颠覆,更是一种哲学上的启示。它让我开始质疑很多习以为常的观念,思考我们对世界的认知是否真的那么客观。作者在书中也巧妙地引入了一些哲学上的思考,探讨了科学理论与人类认知能力之间的关系。这种跨领域的对话,让这本书的阅读体验更加耐人寻味。

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在阅读《相对论与非欧几何》的过程中,我经常会停下来,反复思考作者提出的观点。它不仅仅是一本信息量巨大的书,更是一本能够激发思考的书。作者在解释非欧几何时,提到了高斯对曲面的研究,以及他所发现的“绝妙定理”。这些历史性的研究过程,让我看到了科学家们是如何一步步突破现有认知,开创新的学科领域的。这让我深受鼓舞,也让我开始反思自己在学习和生活中的一些思维定势。这本书让我明白,真正的知识探索,不是简单的记忆和模仿,而是需要敢于质疑,敢于创新。

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对于我这种对物理和数学都有一定基础但又非专业人士的读者来说,《相对论与非欧几何》是一本绝佳的读物。它既有足够的深度,能够满足我对科学知识的渴求,又足够通俗易懂,不会让我因为艰深的理论而望而却步。作者在处理复杂概念时,总是能够找到最恰当的比喻和最清晰的解释,让我能够循序渐进地理解那些看似难以理解的物理现象。例如,在解释洛伦兹变换时,作者并没有直接抛出复杂的公式,而是通过一个非常形象的例子,让我理解了不同参照系下观察者之间的时间和空间测量差异。这种教学方式,让我感到非常受益。

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我一直对几何学有着浓厚的兴趣,但直到读了《相对论与非欧几何》之后,我才真正理解几何学的博大精深。在学校里,我们学到的欧几里得几何是如此的“正常”和“理所当然”,以至于我从未怀疑过它的绝对性。然而,这本书向我展示了一个截然不同的几何世界——非欧几何。作者通过对不同几何公理体系的介绍,让我看到了平行线不止一种可能,三角形的内角和也不总是等于180度。这种思想的解放感是前所未有的。特别是关于“双曲几何”和“椭圆几何”的描述,我仿佛看到了宇宙本身存在的多种可能性。作者甚至还联系了这些非欧几何的性质在现代宇宙学中的应用,比如宇宙的形状和膨胀,让我对宇宙的认知又增添了新的维度。

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这本书简直是打开了我对宇宙的全新视角!在阅读之前,我一直以为物理学的世界是固定不变的,牛顿的经典力学已经足够解释一切。然而,《相对论与非欧几何》这本书彻底颠覆了我的认知。它不仅仅是一本关于科学理论的书,更像是一次思想的探险。作者用极其生动、甚至可以说充满诗意的语言,将爱因斯坦的相对论娓娓道来。我从未想过,时间并非绝对,空间也并非平坦。那些关于光速不变、时间膨胀、长度收缩的概念,在作者的笔下变得异常鲜活。特别是当作者将这些抽象的理论与我们日常的生活经验联系起来时,我感到一阵阵惊叹。例如,关于GPS定位系统的运行原理,我一直以为只是一个复杂的计算机程序,但原来背后竟然蕴含着如此深奥的相对论效应!这让我对现代科技的理解又提升了一个层次。

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这本书的叙述方式非常独特,它不是那种枯燥的教科书式的讲解,而是更像一位饱学之士在与你促膝长谈,分享他最深刻的见解。作者在解释相对论时,并没有回避那些可能令人望而却步的数学公式,但他巧妙地将数学语言转化为直观的图像和生动的比喻,让即使是数学基础不那么扎实的读者也能体会到其中的精妙。我尤其喜欢作者对于“弯曲时空”概念的描述。他没有直接抛出“黎曼几何”这个词,而是通过一个简单的例子——想象一张被重物压弯的床单——来解释引力是如何产生的。这种类比的力量是惊人的,它瞬间让那个看似遥不可及的理论变得触手可及。读到这里,我感觉自己仿佛置身于一个巨大的宇宙画布前,而那些星辰大海,都在这张被弯曲的时空中翩翩起舞。

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这本书最让我着迷的地方在于它将两个看似无关的领域——相对论和非欧几何——完美地融合在一起。我之前总是将相对论理解为物理学中的一个分支,而将非欧几何看作是纯粹的数学概念。然而,作者以一种令人惊叹的方式揭示了它们之间深层的联系。他解释了广义相对论是如何建立在非欧几何的基础之上的,爱因斯坦正是运用了黎曼几何的数学工具,才得以描述引力对时空造成的弯曲。这让我意识到,科学的进步往往是不同学科相互渗透、相互启发的结晶。我开始反思,很多时候我们对世界的认知是否过于狭隘,是否局限于固有的学科框架?这本书无疑为我提供了一个全新的思考角度。

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