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出版者:Springer

作者:Papantonopoulos, E. 编

出品人:

页数:527

译者:

出版时间:2009-1-29

价格:USD 129.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9783540884590

丛书系列:

图书标签:

• 物理
• 黑洞
• 数学
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穿越宇宙的边界：黑洞物理的深层探索 图书名称： 暂定为《引力奇点的边界：广义相对论与天体物理的交汇》 目标读者： 具有扎实物理学基础（特别是经典力学、电磁学和初步的微分几何概念）的本科高年级学生、研究生以及对现代天体物理学前沿抱有浓厚兴趣的科研人员和爱好者。 书籍定位： 本书旨在提供一个全面、深入且富有启发性的视角，聚焦于描述和理解宇宙中最极端、最迷人的天体——黑洞的理论框架、观测证据以及它们对时空结构、信息保存和宇宙演化的深远影响。它将超越纯粹的数学推导，强调物理直觉的培养和实验观测的联系。 --- 第一部分：时空的几何学基础与引力场方程的胜利 (The Geometric Stage) 本书伊始，我们将从爱因斯坦的广义相对论（GR）的基石出发，为理解黑洞的结构奠定必要的数学和概念基础。我们不会将GR视为一个给定的公理系统，而是将其视为描述引力现象的必然结果。 第一章：黎曼几何与时空度规 本章将系统回顾理解弯曲时空所必需的数学工具。重点在于度规张量 $mathbf{g}_{mu u}$ 如何编码时空曲率，以及协变导数、测地线方程和里奇张量的重要性。我们将详细探讨黎曼曲率张量在区分引力和惯性运动中的核心作用，并引入洛伦兹流形的概念，强调时间维度与其他三个空间维度的根本差异。目标是让读者能够用张量语言精确描述“弯曲”的含义。 第二章：爱因斯坦场方程的物理意义 我们将深入剖析核心的爱因斯坦场方程（EFE）：$G_{mu u} = frac{8pi G}{c^4} T_{mu u}$。方程的左侧（几何部分）如何与右侧（物质-能量内容）耦合，是本书理解一切复杂物理现象的起点。本章将侧重于方程的物理诠释，包括能量守恒（通过 Bianchi恒等式体现）以及对真空解的初步探索。我们将讨论沙洛夫（Regge）的“岩石堆”类比，帮助读者直观理解能量如何“弯曲”时空。 第三章：静态球对称解——史瓦西几何的诞生 基于最简单的物理假设——完美的真空和球对称性，本章将完整推导史瓦西度规。我们不仅会展示其数学形式，更重要的是剖析其物理结构：视界（Event Horizon）、奇点（Singularity）以及静力学边界（Static Limit）之间的微妙区别。我们将严格定义视界为光锥指向未来的边界，并探讨粒子在史瓦西背景下的测地线运动，特别是光线的弯曲和轨道稳定性分析。 --- 第二部分：黑洞的分类、结构与动力学 (Structure and Dynamics) 在建立了史瓦西解后，我们将扩展到包含角动量和电荷的更一般的黑洞模型，并探讨这些奇异天体在广义相对论框架下的动态特性。 第四章：克尔解与雷纳解——旋转与电荷的引入 旋转是宇宙中普遍存在的物理量，因此克尔（Kerr）度规的引入至关重要。本章将详述克尔黑洞的独特特征，如能层（Ergosphere）的形成及其导致的彭罗斯过程，这是提取黑洞旋转能的理论基础。随后，我们将讨论雷纳（Reissner-Nordström）解，分析电荷对视界结构（内、外视界）的影响，并引出裸奇点（Naked Singularity）的潜在可能性及其对物理预测的挑战。 第五章：黑洞的“无毛”定理与热力学 “黑洞无毛定理”是黑洞物理学的核心哲学断言之一。本章将从数学和物理直觉两个层面探讨为什么一个静态黑洞只能由质量、角动量和电荷三个参数完全确定。紧接着，本书将引入黑洞的热力学类比——黑洞面积定理（Hawking's Area Theorem），它是第二定律在引力领域的体现，并以此为桥梁，引出霍金辐射的奠基性工作。 第六章：霍金辐射与信息悖论的序曲 本章将基于半经典引力理论（将量子场论应用于弯曲背景）来导引霍金辐射的定性描述。我们将侧重于视界面附近的虚粒子对分离机制，以及黑洞的温度和熵的定量关系（$S = A/4$）。此概念的提出，深刻地挑战了量子力学中的信息守恒原则，为现代理论物理设定了最艰难的挑战之一。 --- 第三部分：强引力场的观测证据与前沿课题 (Observation and Frontier) 理论的价值最终取决于它能否解释和预测观测现象。本部分将聚焦于当代天体物理学对黑洞存在的直接和间接证据，并展望未来研究的方向。 第七章：吸积盘、喷流与相对论性等离子体 黑洞的“捕食”行为产生了宇宙中最明亮的天体现象。本章将分析物质落入黑洞周围时形成的吸积盘的物理过程，包括粘滞性、辐射谱的形成（特别是X射线和伽马射线波段）。我们将详细讨论高能相对论性喷流的形成机制，以及这些喷流如何将黑洞的巨大能量投射到星系尺度上。 第八章：引力波天文学的黎明 2015年LIGO/Virgo探测器的成功标志着黑洞物理进入了全新的实验时代。本章将详细介绍二进制黑洞并合（BBH）的动力学模拟（数值相对论的基础），以及从引力波信号（GW150914等）中提取的参数（质量、自旋、偏振态）。我们将探讨引力波如何作为“纯粹的引力场扰动”来检验广义相对论的精确性，特别是视界周围的“回声”信号。 第九章：星系中心巨型黑洞的印记 本章转向超大质量黑洞（SMBHs）的研究。我们将回顾间接证据（如恒星轨道运动、活动星系核的能量输出），并重点分析事件视界望远镜（EHT）项目对M87和人马座A（Sgr A）的突破性成像。我们将分析“阴影”的几何形状如何与克尔/史瓦西模型的预测进行比对，强调这是人类首次直接“看到”视界边缘的强引力效应。 第十章：量子引力与信息悖论的终极探究 作为本书的收尾和展望，我们将讨论当前理论物理学试图解决信息悖论的几条主要路径：火墙猜想（Firewall）、软毛（Soft Hair）理论，以及弦理论和圈量子引力论对奇点和视界性质的重新描述。本章旨在激发读者对下一代物理学革命的思考，即如何将量子力学与广义相对论统一起来，从而完整描述时空最深层的本质。 --- 总结： 本书将引导读者从基础的几何概念出发，逐步攀登到当今最尖端的观测前沿。它强调理论的严谨性与观测的现实性相结合，力求在读者心中构建一个清晰、动态且充满未解之谜的黑洞宇宙图像。阅读本书后，读者将不仅掌握黑洞物理的核心知识体系，更将理解现代物理学在探索宇宙极端物理限制时所面临的深刻挑战。

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这本书的封面上，那深邃的黑色背景如同宇宙本身，而中央那团扭曲的光晕，仿佛正是黑洞那令人敬畏的引力场在现实中的具象化。当我第一次看到这本书的名字《Physics of Black Holes》，内心便涌起一股强烈的求知欲。黑洞，这个宇宙中最神秘的存在，一直是我探索宇宙奥秘的焦点。我希望这本书能够不仅仅是停留在对黑洞现象的表面描述，而是能够深入剖析其背后的物理学原理。我渴望理解，广义相对论如何精确地描述黑洞周围时空的极度弯曲，以及视界这一概念的真正含义。更重要的是，我想了解在黑洞视界内部，那个被认为是物理定律失效的奇点，究竟隐藏着怎样的秘密？这本书能否为我揭示一些关于奇点的最新理论推测，甚至是一些关于量子引力如何试图统一广义相对论和量子力学的尝试？我对于霍金辐射的提出也充满好奇，它如何解释黑洞并非永恒不变，而是会缓慢蒸发？我期待这本书能够以一种生动、清晰且易于理解的方式，将这些极其抽象和复杂的物理概念呈现给我。我希望这本书的作者是一位能够用浅显的语言，辅以恰当的图示，将那些深奥的公式转化为能够激发思考的知识的传播者。总之，《Physics of Black Holes》对我而言，是开启理解宇宙终极奥秘的一扇大门，我迫不及待地想要踏入其中，感受那份来自宇宙最深处的震撼。

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这本书的封面设计就足够吸引我了，深邃的黑色背景下，一团扭曲的光影，似乎正将周围的一切吞噬。仅仅是看到这样的视觉呈现，就足以点燃我内心深处对宇宙奥秘的好奇。我一直以来都对那些超越我们日常经验的概念充满着浓厚的兴趣，而黑洞无疑是宇宙中最神秘、最令人着迷的存在之一。我曾无数次在科普纪录片和科幻小说中窥探过黑洞的冰山一角，但总觉得隔靴搔痒，无法深入理解其背后蕴含的物理原理。想象着光线如何在这里被弯曲，时间如何在那里凝固，物质如何被撕裂，这一切都像是打开了一个潘多拉魔盒，让我迫切地想要一探究竟。我期待这本书能够以一种我能够理解的方式，解释那些深奥的物理学理论，例如广义相对论在黑洞形成和演化过程中的关键作用，以及量子力学如何试图解释黑洞视界内的奇异现象。我希望能在这本书里找到关于黑洞事件视界、奇点、霍金辐射等概念的清晰阐释，甚至是对黑洞合并、引力波产生等最新研究进展的探讨。我不是一名物理学专业的学生，所以这本书的语言风格和解释的深度对我来说至关重要。如果它能用生动形象的比喻，配合精美的插图，将那些抽象的数学公式和物理概念转化为易于接受的知识，那我将不胜感激。这本书的出现，无疑是给我打开了一扇通往更广阔宇宙知识的大门，我已迫不及待地想要踏入其中，体验一场关于黑洞的智识冒险。

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我一直对宇宙中那些最极端、最令人费解的现象情有独钟，而黑洞无疑是其中的佼佼者。这本书的名字《Physics of Black Holes》就如同一个充满诱惑的邀请，让我忍不住想要探索它所包含的知识宝藏。我渴望了解黑洞是如何形成的，它们是恒星死亡的终极归宿，还是宇宙初期形成的产物？我迫切想知道，在黑洞的事件视界之外，我们能够通过哪些方式来观测它们，以及这些观测结果是如何印证理论预测的。我对黑洞内部那个被认为是时空无限弯曲的奇点感到尤为好奇，那里的物理定律是否会失效？这本书是否能够提供一些关于这个神秘区域的推测和理论，哪怕只是初步的设想？我同样对霍金辐射这一颠覆性的理论充满兴趣，它提出黑洞并非完全“黑”，而是会发出辐射并最终蒸发，这一概念本身就足以令人震撼。我希望这本书能够以一种我这个非专业人士也能接受的方式，解释这些复杂而迷人的物理概念。无论是关于广义相对论对黑洞的描述，还是量子力学在黑洞蒸发过程中的角色，我都希望能在这本书中找到清晰的答案。这本书不仅仅是一本书，更是我通往宇宙深处理解黑洞秘密的钥匙，我期待它能够带我进行一场关于宇宙最黑暗角落的精彩探索。

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从封面上那深邃的黑色背景，到书名《Physics of Black Holes》所蕴含的神秘感，我就被深深吸引了。作为一名对宇宙奥秘有着强烈好奇心的读者，黑洞无疑是我最为着迷的对象之一。我希望这本书能够带领我深入了解黑洞的物理本质，而不仅仅是停留在科普的层面。我想要理解，爱因斯坦的广义相对论是如何精确预言了黑洞的存在，并且描述了时空在黑洞强大引力作用下的扭曲。我对黑洞的视界——那个光线也无法逃脱的边界——充满了疑问，它是否代表着我们物理认知的终结？更令我着迷的是黑洞内部的奇点，那个被认为是时空无限弯曲的点，它究竟意味着什么？这本书能否为我揭示一些关于奇点的最新理论推测，甚至是对量子引力如何试图解释这些极端情况的介绍？我同样对霍金辐射这一革命性的理论感到好奇，它如何颠覆了黑洞“永不消失”的观念？我期待这本书能够以一种循序渐进、通俗易懂的方式，将这些高深的物理概念，例如黑洞的热力学、黑洞信息悖论等，清晰地呈现在我的面前。我希望作者能够运用生动形象的比喻和恰当的插图，让我在享受阅读的同时，也能深刻理解黑洞背后所蕴含的深刻物理意义。总之，《Physics of Black Holes》对我来说，是一次渴望已久的智力探索之旅，我期待它能够满足我对宇宙最黑暗角落的无限好奇。

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我一直以来都对宇宙的浩瀚和神秘充满了无尽的好奇，而黑洞，作为宇宙中最极端、最令人着迷的存在之一，更是我关注的焦点。这本书的题目《Physics of Black Holes》瞬间就抓住了我的眼球，它预示着一次深入探索黑洞物理学的旅程。我希望这本书能够为我揭示黑洞是如何在宇宙中形成并演化的，是恒星坍缩的必然结果，还是宇宙早期形成的遗迹？我对黑洞视界这个概念充满了疑问，它究竟是物理存在的界限，还是只是我们理解的极限？我迫切想知道，在视界内部，那个被称为奇点的区域，究竟隐藏着怎样的物理法则，我们现有的物理学是否在那里失效？此外，霍金辐射的理论，即黑洞会发出粒子并最终蒸发的设想，更是让我对宇宙的运作方式产生了全新的认识。我期望这本书能够以一种易于理解的方式，将这些复杂的物理概念，包括广义相对论和量子力学在黑洞研究中的应用，清晰地呈现在我面前。我希望能在这本书中找到关于黑洞观测的最新进展，例如通过引力波探测到的黑洞合并事件，以及这些观测如何验证或挑战现有的理论。对我而言，《Physics of Black Holes》不仅仅是一本书，更是一次与宇宙最深层奥秘对话的机会，我期待它能点燃我对宇宙的更多求知欲。

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作为一个对天文学充满热情的业余爱好者，我一直以来都在寻找能够深入挖掘宇宙奥秘的书籍。当我看到《Physics of Black Holes》这本书名时，我的眼睛立刻亮了起来。我对黑洞这个概念的迷恋由来已久，它们是宇宙中最极端的物理对象，挑战着我们对空间、时间和物质的理解。我希望这本书能够不仅仅停留在对黑洞现象的描述上，而是能够深入到其背后支撑的物理学理论。我渴望了解爱因斯坦的广义相对论是如何预言黑洞的存在，并且描述黑洞周围的时空是如何弯曲的。我也对黑洞内部的奇点这一概念感到无比好奇，以及在那极端环境下，我们现有的物理学定律是否仍然适用。当然，霍金辐射以及黑洞的蒸发机制也是我非常感兴趣的课题。这本书能否以一种易于理解的方式，解释这些量子力学和广义相对论的交叉领域，是我最为关注的。我希望作者能够用生动而清晰的语言，辅以恰当的图示，将那些复杂的物理概念一一剖析。我期待能够在这本书中找到关于黑洞分类、形成过程、观测证据以及最新研究进展的全面介绍。例如，引力波探测器对黑洞合并事件的发现，无疑是近年来天文学领域的重大突破，我希望这本书能够对此有深入的探讨。总而言之，《Physics of Black Holes》这本书的出现，让我看到了一个深入理解宇宙终极奥秘的绝佳机会，我迫切地希望它能满足我那份对星辰大海的无限憧憬。

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我一直对宇宙的浩瀚和那些超越我们日常理解的现象深感着迷，而黑洞，作为宇宙中最具吸引力的存在之一，更是我探索的焦点。《Physics of Black Holes》这个书名本身就充满了神秘和力量，预示着一次深入了解这些宇宙巨兽物理学本质的旅程。我希望这本书能为我揭示黑洞是如何在宇宙的舞台上形成并演化的，是那些濒临死亡的恒星的终极命运，还是宇宙诞生之初就存在的古老遗迹？我对黑洞视界——那个光线也无法逃脱的“事件边界”——的物理意义感到尤为好奇，它究竟是如何形成的，又是如何影响着周围的时空结构？更令我着迷的是黑洞内部那个被称为“奇点”的神秘区域，那里被认为是时空曲率无限大的地方，我们现有的物理定律是否在那里失效？我期待这本书能够以一种易于理解的方式，为我解释广义相对论如何描述黑洞，以及量子力学如何试图理解黑洞视界附近的现象，例如霍金辐射。我希望这本书能够提供一些关于黑洞观测的最新进展，例如通过引力波探测到的黑洞合并事件，以及这些观测如何验证或挑战我们现有的理论。对我而言，《Physics of Black Holes》不仅仅是一本书，更是我探索宇宙深处奥秘的一把钥匙，我迫不及待地希望它能点燃我更多的求知欲。

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我一直以来对宇宙中的宏大叙事和终极问题都充满着浓厚的兴趣，而黑洞，作为宇宙中最极端、最神秘的存在，无疑是这一切的核心。当我看到《Physics of Black Holes》这本书的名字时，我的内心就已经被点燃了。我渴望的不仅仅是关于黑洞是什么的简单介绍，而是想要深入理解“为什么”和“如何”。我想要弄清楚，黑洞是如何在宇宙的舞台上诞生的，是恒星燃烧殆尽后的必然归宿，还是宇宙形成初期便已存在的遗迹？我迫切地想知道，关于黑洞视界——那个令人敬畏的“不归点”——它究竟是如何形成的，以及它对周围时空产生了怎样的影响？更令我着迷的是黑洞内部那个被称为“奇点”的终极之地，那里的物理定律是否依然有效？这本书是否能为我提供一些前沿的理论推测，甚至是关于如何用量子力学来理解这些极端情况的尝试？霍金辐射，这个颠覆了“黑洞是绝对黑暗”认知的理论，更是让我对宇宙的运作方式有了全新的思考。我期待这本书能够以一种既严谨又不失生动的方式，将这些复杂的物理概念，例如广义相对论在黑洞描述中的应用，以及量子力学在黑洞蒸发过程中的作用，清晰地呈现出来。对我而言，《Physics of Black Holes》不仅仅是一本书，更是一次深入宇宙核心的探险，我期待它能为我打开一扇通往宇宙终极奥秘的大门。

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我对宇宙的着迷，很大程度上源于那些挑战我们现有认知的现象，而黑洞无疑是其中的翘楚。当我在书架上看到《Physics of Black Holes》这本书时，我的内心深处的好奇心被瞬间点燃。我不仅仅满足于知道黑洞的存在，我更想了解它们是如何在宇宙的演化过程中扮演角色的。我希望能在这本书中找到关于黑洞形成机制的详细阐述，是那些质量巨大的恒星走向生命终点时的必然坍缩，还是宇宙大爆炸早期遗留下来的古老天体？我对于黑洞视界——那个所有物质和光线都无法逃脱的神秘边界——的物理学意义感到尤为困惑。这本书能否以一种我能够理解的方式，解释时空是如何在黑洞的强大引力作用下发生极度扭曲的？而黑洞内部那个被称为“奇点”的区域，一个被认为是时空曲率无限大的地方，它究竟隐藏着怎样的秘密？我非常期待这本书能够为我揭示一些关于奇点的最新理论推测，甚至是如何将广义相对论与量子力学相结合来尝试理解这些极端情况的研究进展。此外，霍金辐射，这个关于黑洞会发出辐射并最终蒸发的理论，更是让我对宇宙的动态变化产生了全新的认识。总而言之，《Physics of Black Holes》对我来说，是一次对宇宙最深层秘密的求索，我期待它能为我带来一场关于物理学最前沿知识的精彩体验。

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我对宇宙的着迷，很大程度上源于那些挑战我们现有认知的现象，而黑洞无疑是其中的翘楚。当我在书架上看到《Physics of Black Holes》这本书时，我的内心深处的好奇心被瞬间点燃。我不仅仅满足于知道黑洞的存在，我更想了解它们是如何在宇宙的演化过程中扮演角色的。我希望能在这本书中找到关于黑洞形成机制的详细阐述，是那些质量巨大的恒星走向生命终点时的必然坍缩，还是宇宙大爆炸早期遗留下来的古老天体？我对于黑洞视界——那个所有物质和光线都无法逃脱的神秘边界——的物理学意义感到尤为困惑。这本书能否以一种我能够理解的方式，解释时空是如何在黑洞的强大引力作用下发生极度扭曲的？而黑洞内部那个被称为“奇点”的区域，一个被认为是时空曲率无限大的地方，它究竟隐藏着怎样的秘密？我非常期待这本书能够为我揭示一些关于奇点的最新理论推测，甚至是如何将广义相对论与量子力学相结合来尝试理解这些极端情况的研究进展。此外，霍金辐射，这个关于黑洞会发出辐射并最终蒸发的理论，更是让我对宇宙的动态变化产生了全新的认识。总而言之，《Physics of Black Holes》对我来说，是一次对宇宙最深层秘密的求索，我期待它能为我带来一场关于物理学最前沿知识的精彩体验。

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