The Geometry of Special Relativity

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出版者:
作者:Dray, Tevian
出品人:
页数:150
译者:
出版时间:2012-7
价格:345.00元
装帧:
isbn号码:9781466510470
丛书系列:
图书标签:
  • 物理-相对论
  • 物理
  • 数学-微分几何
  • 物理学
  • 相对论
  • 狭义相对论
  • 几何学
  • 数学物理
  • 时空
  • 闵可夫斯基空间
  • 洛伦兹变换
  • 高等教育
  • 教材
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具体描述

The Geometry of Special Relativity provides an introduction to special relativity that encourages readers to see beyond the formulas to the deeper geometric structure. The text treats the geometry of hyperbolas as the key to understanding special relativity. This approach replaces the ubiquitous gamma symbol of most standard treatments with the appropriate hyperbolic trigonometric functions. In most cases, this not only simplifies the appearance of the formulas, but also emphasizes their geometric content in such a way as to make them almost obvious. Furthermore, many important relations, including the famous relativistic addition formula for velocities, follow directly from the appropriate trigonometric addition formulas. The book first describes the basic physics of special relativity to set the stage for the geometric treatment that follows. It then reviews properties of ordinary two-dimensional Euclidean space, expressed in terms of the usual circular trigonometric functions, before presenting a similar treatment of two-dimensional Minkowski space, expressed in terms of hyperbolic trigonometric functions. After covering special relativity again from the geometric point of view, the text discusses standard paradoxes, applications to relativistic mechanics, the relativistic unification of electricity and magnetism, and further steps leading to Einstein's general theory of relativity. The book also briefly describes the further steps leading to Einstein's general theory of relativity and then explores applications of hyperbola geometry to non-Euclidean geometry and calculus, including a geometric construction of the derivatives of trigonometric functions and the exponential function.

穿越时空之维:引力波、黑洞与宇宙的终极奥秘 本书将带您踏上一场引人入胜的宇宙探索之旅,深入触及现代物理学最前沿的奥秘。我们不再局限于狭义相对论的二维时空模型,而是将目光投向更为广阔、更为深邃的引力场,揭示隐藏在宇宙结构背后的精妙法则。 第一部分:时空不再平坦——广义相对论的革命 在本部分,我们将深入剖析爱因斯坦的广义相对论,理解它如何颠覆我们对引力的传统认知。 引力并非力,而是时空的弯曲: 我们将从直观的几何学角度出发,理解质量和能量如何扭曲周围的时空,而我们所感受到的“引力”,实际上是物体沿着弯曲时空中的“测地线”运动所产生的效应。我们将通过生动的类比和概念性的图示,帮助您摆脱牛顿力学的惯性思维,真正领会引力几何学的魅力。 爱因斯坦场方程的精髓: 尽管篇幅有限,我们仍会深入探讨爱因斯坦场方程的核心思想。您将了解到这个简洁而强大的方程如何精确地描述物质与时空之间的相互作用,成为理解宇宙演化的基石。我们将聚焦于方程的物理意义,而非繁复的数学推导,让您领略其深刻的洞察力。 引力透镜效应的奇观: 想象一下,遥远星系的光线经过前景大质量天体时发生弯曲,形成多个影像,甚至被放大。这就是引力透镜效应。我们将详细解释这一现象背后的几何原理,并展示它如何成为天文学家观测遥远宇宙、探测暗物质的重要工具。您将了解如何利用引力透镜推断宇宙的尺度和物质分布。 水星近日点进动之谜的解答: 牛顿万有引力定律在解释水星轨道近日点异常进动时遇到了困难。广义相对论的预言与观测数据完美契合,为这一历史性难题提供了令人信服的答案。我们将回顾这一经典案例,体会理论的严谨与精确。 第二部分:宇宙的极端疆域——黑洞的诞生与探索 黑洞,作为广义相对论最令人惊叹的预言之一,是宇宙中最神秘、最极端的区域。 黑洞的形成机制: 从超新星爆发到恒星的引力坍缩,我们将追溯恒星演化的终点,理解大质量恒星如何能够形成时空上的“奇点”,吞噬一切物质和光线。我们将探讨不同质量黑洞的形成过程,以及它们在宇宙中的分布。 事件视界:宇宙的单向阀门: 事件视界是黑洞的边界,一旦越过,任何事物都无法逃脱。我们将详细解析事件视界的几何性质,理解它如何定义黑洞的“不归点”,以及它对观测者和落入者的不同意义。 视界附近的时空扭曲: 在黑洞视界附近,时空被极度扭曲,产生了令人难以置信的效应,如时间膨胀和引力红移。我们将通过形象的比喻,让您理解这些效应的物理含义,以及它们对我们理解黑洞行为的重要性。 霍金辐射与黑洞的蒸发: 物理学家斯蒂芬·霍金提出的霍金辐射理论,为黑洞并非完全“黑”提供了新的视角。我们将介绍这一革命性的概念,理解量子效应如何在黑洞视界附近产生粒子对,导致黑洞缓慢蒸发。您将了解到关于黑洞信息悖论的讨论。 引力波的探测:来自宇宙深处的呼唤: 引力波是时空涟漪,由大质量天体的剧烈运动产生,如黑洞合并。本部分将重点介绍近年来引力波探测的重大进展,如LIGO和Virgo的成功观测。您将了解到引力波信号如何成为我们直接“聆听”宇宙极端事件的金钥匙,开启了引力波天文学的新时代。我们将探讨引力波数据如何帮助我们验证广义相对论,并探索宇宙的起源和演化。 第三部分:宇宙的宏观图景——引力波与宇宙学 引力波不仅仅是黑洞合并的证据,它们更是理解整个宇宙演化的强大工具。 宇宙大爆炸的余晖: 早期宇宙的剧烈扰动可能产生了原始引力波。如果能够探测到这些早期引力波,将为我们提供关于宇宙大爆炸瞬间的直接证据,帮助我们理解宇宙的年龄、组成和膨胀历史。 暗物质和暗能量的印记: 引力波的传播特性会受到宇宙中物质分布的影响。通过分析不同来源的引力波信号,我们有望揭示暗物质和暗能量的性质,这些构成宇宙绝大部分的神秘成分。 宇宙膨胀的精确测量: 引力波事件可以作为“标准汽笛”,为我们提供独立的宇宙距离测量方法。结合其他观测手段,引力波数据能够帮助我们更精确地确定哈勃常数,从而更准确地描绘宇宙的膨胀蓝图。 多信使天文学的黎明: 引力波与电磁波的联合观测,即多信使天文学,正在开启天文学的新纪元。当引力波信号与电磁信号同时到达时,我们将获得关于同一事件前所未有的丰富信息,例如由中子星合并产生的电磁辐射,为我们理解宇宙的核合成过程提供关键线索。 本书旨在为广大科学爱好者、对宇宙奥秘充满好奇的读者提供一个深入了解广义相对论、黑洞物理和引力波天文学的窗口。我们将努力让复杂的概念变得易于理解,激发您对宇宙最深邃问题的探索热情。请准备好,与我们一同穿越时空的维,仰望星空,感受宇宙的壮丽与神秘。

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读后感

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这本书的封面设计简直是一场视觉盛宴,那种深邃的蓝色调和银色的几何图形交织在一起,立刻就把人拉入了一个充满未来感和思辨性的世界。光是看着书脊,我就能想象出里面那些复杂却又无比优美的数学结构。我一直觉得,物理学,尤其是涉及到时空本质的理论,如果不能用一种令人心悦诚服的几何语言来表达,就总像是缺少了那么一点灵魂。这本书似乎正是抓住了这一点,它没有沉湎于繁琐的代数推导,而是试图用最纯粹的几何直觉去构建起狭义相对论的宏伟大厦。我期待着能看到作者如何将洛伦兹变换这种看似抽象的数学操作,转化为对四维时空中的世界线和超曲面的直观理解。对于那些厌倦了教科书上那种硬邦邦的公式堆砌的读者来说,这本书的叙事方式,从排版到插图的选择,都透露出一种对物理美学的极致追求,让人忍不住想立刻翻开,去探索光锥内部的奥秘。它不仅仅是一本物理书,更像是一本哲学思辨录,关于我们如何“看”待时间和空间。

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阅读完最后一章,我合上书本,深吸了一口气。这本书给我的感觉,与其说是学习了一套理论,不如说是进行了一场深入的、近乎冥想的智力探险。它成功地将爱因斯坦的洞察力,通过一种极具美感的数学框架进行了重构。作者对细节的关注达到了近乎苛刻的地步,例如对不同坐标系下张量表示法的引入,虽然增加了阅读的难度,但却为读者打下了未来进一步学习广义相对论的坚实基础,没有丝毫的含糊其辞。它不会让你读完后觉得自己掌握了什么“速成秘籍”,而是让你明白,真正的物理理解需要时间和对基本公理的深刻尊重。这本书像是一座精心建造的几何迷宫,带领我们穿梭于时间和空间交织的结构中,最终让我们对宇宙的基本规律有了更加深刻、更加优雅的认识。

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这本书的叙事风格异常沉稳,带着一种近乎学者的严谨,但又时不时地流露出对自然界深刻洞察后的那种由衷的赞叹。它不是那种为了取悦大众而刻意降低难度的科普读物,更像是一本为物理爱好者和进阶学生准备的精修手册。最让我印象深刻的是其中对于双生子佯谬的讨论。许多书都会用时间膨胀公式简单带过,但这本书却用了大量的篇幅,通过不同参考系下路径的几何差异来剖析问题,将一个看似悖论的物理情景,还原为对四维轨迹测量的清晰对比。这种深入核心的解析,极大地增强了理论的可信度和内在一致性。每当我在一个复杂的几何构造中找到突破口时,都会有一种豁然开朗的体验,仿佛推开了一扇通往更深层物理规律的大门。这种学习的成就感,是其他许多阅读体验无法比拟的。

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我一直认为,要真正掌握狭义相对论,就必须克服我们根深蒂固的三维欧几里得空间思维定势。这本书在这方面做得极其出色,它不断地将读者的思维拉回到那个不可或缺的“时间”维度上。作者在讲解如何从勾股定理过渡到时空间隔公式时,处理得极其细腻,他用各种类比和图示来软化这种思维的转变,但从不牺牲准确性。我仿佛能“看到”光锥的边缘如何限制了信息和因果的传播。而且,这本书在配图上的选择也很有匠心,那些简洁而信息量巨大的图表,往往比大段的文字更能说明问题,它们本身就是一种高效的语言。我甚至觉得,这本书的价值不仅在于教授知识,更在于重塑读者对“实在”本身的感知结构,让人开始用一种全新的、更具包容性的几何视角去审视日常的一切运动。

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坦白说,我初次翻阅时,曾被其中一些章节的密度吓到。这绝不是那种可以轻松地在通勤路上消遣的读物,它要求读者拿出全部的注意力,甚至需要备好纸笔,准备随时停下来,仔细琢磨那些看似简单的几何定义背后隐藏的深刻含义。然而,正是这种挑战性,让我感到物有所值。作者在引入基本概念时,那种循序渐进、层层递进的逻辑构建,像是在雕琢一件精密的仪器。他没有回避那些晦涩难懂的数学工具,而是巧妙地将它们融入到对物理现象的阐释之中,使得数学不再是阅读的障碍,反而是理解宇宙真相的钥匙。我特别欣赏他对惯性系的描述,那种将所有事件投影到闵可夫斯基空间中的做法,瞬间将相对论的“相对性”转化成了一种清晰、可测量的空间关系。读完这些章节,我感觉自己对“同时性”的理解,已经彻底超越了牛顿力学的框架,进入了一个全新的维度。

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