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出版者:

作者:Tan, Arjun

出品人:

页数:281

译者:

出版时间:

价格:$ 41.81

装帧:

isbn号码:9789812709127

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图书标签:

• 轨道力学
• 天体力学
• 卫星轨道
• 航天动力学
• 物理学
• 数学
• 工程学
• 引力
• 轨道计算
• 空间飞行

宇宙的编织：天体力学与现代天体物理学导论 作者： [此处留空，意指并非您的特定著作] 出版社： [此处留空] 版次： [此处留空] --- 卷一：经典力学的基石与牛顿的遗产 本书致力于构建一个坚实的基础，探究驱动天体运动的普适物理定律。我们将从艾萨克·牛顿爵士奠定的基石开始，深入解析万有引力定律的数学形式及其在解释行星运动中的革命性意义。 第一章：运动学的精确描述 本章聚焦于如何使用纯粹的几何和微积分来描述物体在三维空间中的轨迹，而不考虑产生这些运动的力。我们将详细探讨开普勒三大定律的由来，从观测数据到其精确数学表达的过渡。重点分析椭圆、抛物线和双曲线轨道在参数方程下的表示方法，并引入拉普拉斯-朗格朗日（Laplace-Lagrange）变量，用以简化多体系统的初始条件描述。我们将严谨地推导角动量守恒定律在无外力矩作用下的绝对性，并将其应用于理解太阳系中行星轨道的稳定性。 第二章：牛顿引力与势能理论 深入探讨牛顿万有引力定律的向量形式。本章的核心在于引力势能的概念。我们将详细推导球对称物体（如理想化的行星）外部和内部的引力场，运用高斯引力定理来简化计算。势能函数的概念不仅是能量守恒的数学工具，更是后续分析束缚态（如行星环绕恒星）的关键。此外，还将引入牛顿万有引力与电磁力的数学类比，为理解更广阔的场论打下基础。 第三章：两体问题与轨道根数 两体问题是天体力学的核心，其可积性是后续所有复杂系统分析的起点。本章将详尽求解经典的二体常微分方程组，证明轨道必是圆锥曲线。我们将系统地定义和计算六个独立轨道根数（或称六个开普勒参量）：半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点黄经、近日点幅角和真近点角（或平近点角/平近点角）。对这些参数的微小变化（摄动）的敏感性分析将是后续讨论摄动理论的基础。 --- 卷二：刚体动力学与稳定性分析 天体并非质点，它们的自转、形状和相互作用引入了非保守力和非中心力，这要求我们超越简化的两体模型。 第四章：刚体转动与欧拉方程 本章转向描述具有非零尺寸和有限刚性的天体。重点在于理解刚体转动张量（惯性张量）的构建及其在主惯性轴下的对角化。随后，我们将详细推导欧拉运动方程，这是刚体动力学的核心。通过分析无力矩（零力矩）情况下的运动，探讨自由章动（如陀螺仪的进动）的周期性行为。本章还将讨论地球自转的观测证据和其长期演化。 第五章：拉格朗日力学与最小作用量原理 为了更优雅地处理约束系统和推广到广义坐标系，本章引入拉格朗日力学。从达朗贝尔原理和最小作用量原理（哈密顿原理）出发，推导出拉格朗日方程。我们将展示如何利用拉格朗日量来自然地导出角动量和能量守恒定律，并将其应用于复杂的刚体系统，例如描述卫星的姿态控制。 第六章：哈密顿正则方程与相空间分析 将力学框架提升至更高层次的抽象——哈密顿力学。本章将系统地介绍正则坐标和相空间的概念，并推导出哈密顿正则方程。我们将探索泊松括号的结构及其在守恒量发现中的作用。相空间的轨迹分析，特别是对于周期性运动的描绘，为理解混沌现象提供了必要的数学工具。 --- 卷三：多体摄动与轨道摄动论 在太阳系尺度上，行星的引力相互作用使得精确解析解消失。本卷关注于如何通过微扰方法来处理这些复杂性。 第七章：摄动理论基础：常数变易法 本章将摄动理论应用于轨道力学。以二体问题为基础解，将其他天体的引力视为微小的摄动项。核心是拉格朗日常数变易法（Lagrange’s Planetary Equations），该方法直接描述了轨道根数随时间的变化率。我们将详细推导并应用此方法来计算主要摄动，如月球对地球轨道的影响，以及木星对火星轨道的影响。 第八章：周期性摄动与平均化方法 对于周期性或准周期性的摄动，直接积分常数变易方程是不可行的。本章引入平均化方法，特别是汉密尔顿-雅可比理论的初步应用，用以消除微小项中快速变化的周期性项，从而揭示轨道的长期演化趋势。我们将讨论平均轨道的概念，以及共振现象（如柯伊伯带天体）的产生机制，这些是理解太阳系长期稳定性的关键。 第九章：天体力学中的近似与数值积分 在无法进行解析处理时，数值方法成为必需。本章回顾了几种主流的数值积分方法，包括龙格-库塔法（Runge-Kutta）以及特别适用于保守系统的辛积分器（Symplectic Integrators）。我们将比较这些方法的精度、稳定性和计算效率，强调辛积分器在长期轨道模拟中保留能量和角动量特性的重要性，这对于模拟数百万年的太阳系演化至关重要。 --- 卷四：更广阔的视野：引力场与广义相对论的边界 本卷将视角从牛顿框架推向更极端的物理环境，并引入现代物理学的修正。 第十章：非中心力与行星光压效应 现实中的天体并非完美的质点，它们有扁率和潮汐力。本章分析扁率摄动对轨道的影响，特别是对近地轨道卫星和快速自转行星的影响。此外，我们将引入太阳光压对小天体（如彗星和人造卫星）的影响，并计算其对轨道偏心率和半长轴的长期累积效应。 第十一章：广义相对论的轨道修正 牛顿引力在强引力场或需要极高精度时不再适用。本章系统地引入爱因斯坦的广义相对论，并推导出其在弱场、慢速运动极限下的后牛顿近似解。我们将详细分析水星近日点进动的相对论性修正，证明其与观测结果的完美吻合。最后，探讨引力时间延迟效应在深空探测中的应用。 第十二章：混沌、非线性动力学与长期稳定性 本卷以对复杂系统的探索作结。我们将探讨三体问题（如“限制性三体问题”）的不可积性，引入庞加莱截面等工具来识别系统的混沌行为。通过探讨利普诺夫指数，我们可以量化系统对初始条件的敏感性，从而深入理解长期预测的内在限制，以及太阳系在数十亿年尺度上动力学演化的不确定性。 --- 附录： 常用物理常数表、坐标系变换矩阵、特殊函数与级数展开。 目标读者： 本书适用于具有扎实微积分和微分方程基础的物理学、天文学和航空航天工程专业的高年级本科生和研究生。它旨在提供一个严谨而全面的天体力学框架，为未来从事轨道设计、行星科学研究或高精度天体运动建模的研究人员奠定不可或缺的知识基础。

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这本书的封面设计乍一看有点朴实无华，深蓝色的背景配上白色的衬线字体，散发着一种老派的学术气息。拿到手里分量不轻，感觉内容肯定很扎实。我最初是冲着作者名气来的，毕竟他在天体物理领域的几部早期著作都称得上是里程碑式的作品。翻开扉页，前言部分写得非常谦逊，但字里行间透露出一种对复杂物理现象的深刻洞察力。我最欣赏的是作者在构建理论框架时的那种严谨和条理感。他没有急于展示那些花哨的解法，而是耐心地从最基本的运动定律出发，逐步推演，确保读者每一步都能跟上思路。尤其在处理多体问题时，那种对拉格朗日点和摄动理论的细腻剖析，让人对引力相互作用的理解提升到了一个新的层次。虽然某些章节的数学推导确实需要读者有一定的背景知识，但作者总能在关键的转折点加入清晰的几何解释，这大大减轻了纯符号演算带来的枯燥感。阅读过程中，我多次停下来，对着图表反复揣摩，那些复杂的轨道参数和稳定性分析，不再是冰冷的公式，而像是宇宙中真实行星运行轨迹的投影。这本书更像是一份详尽的“航海图”，指导你如何精准地预测天体的未来位置，而非仅仅是停留在描述现象的层面。那种沉浸在纯粹物理美学中的感觉，非常享受。

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这本书给我带来的最大震撼，来自于它处理复杂数学工具时的那种“毫不留恋”。它不会停留在欧拉-拉格朗日方程的基础应用上，而是迅速切换到更高级的辛几何和哈密顿-雅可比理论。对我这个工程背景出身的人来说，最初面对这些抽象概念时，确实感到有些吃力，仿佛被扔进了一个全是希腊字母和偏微分方程的迷宫。然而，作者的叙述方式非常巧妙，他总能在关键时刻引入一个实际的例子——比如对一个探测器进行引力助推的路径优化——来“锚定”这些抽象的数学结构。你会突然意识到，那些看似高深莫测的符号，其实是对真实物理过程最经济、最优雅的描述。我特别喜欢其中关于轨道共振现象的讨论，它不仅仅停留在共振的发生条件，还深入探讨了共振在轨道长期演化中起到的“搅拌”作用。这本书的排版略显拥挤，有些图例的标注也稍显模糊，但这更像是一种“时间磨损感”，仿佛这本书经历了无数次的修订和使用，才沉淀出它如今的模样，充满了历史的厚重感。

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老实说，这本书的阅读体验有点像是在攀登一座技术含量极高的山峰，需要极强的毅力和耐心。我尝试过几个不同的版本和译本，但原著的行文风格总是带着一种近乎哲学的深度。作者似乎并不在乎是否能取悦所有读者，他更专注于构建一个逻辑无懈可击的知识体系。我特别留意了其中关于非保守系统在长期演化中的行为分析，这部分内容在许多同类教材中往往被一笔带过，但在这里却被赋予了相当大的篇幅，并且引入了一些非常新颖的稳定判据。有那么几个晚上，我几乎是抱着这本书睡着的，醒来后做的第一个动作就是重新审视前一晚没完全理解的那个积分方程组。这本书的价值不在于它能给你现成的答案，而在于它教会你如何提出正确的问题，并用最根本的物理原理去拆解这些问题。它的结构非常线性，章节之间的衔接紧密得像一个精密机械的齿轮组，少了一个环节，整个系统都会失灵。对于那些想从“知道轨道是椭圆的”升级到“理解为什么必须是椭圆的，以及在什么微小扰动下它会变成什么形状”的人来说，这本书简直是无价之宝，尽管它要求你付出相应的努力。

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如果要用一个词来形容这本书的阅读体验，我会选择“沉浸”。它不是一本你可以随便翻阅，摘取只言片语的工具书。相反，它要求你全身心地投入到作者构建的那个纯粹的、由引力支配的宇宙模型中去。我注意到作者在引用文献时非常审慎，很少出现为了凑篇幅而堆砌大量近期论文的情况，更多的是回归到那些奠定基础的经典研究。这使得全书的论述具有极强的内聚性和稳定性。在处理周期性轨道稳定性分析时，作者使用了非常巧妙的李雅普诺夫指数分析方法，这比我以往接触的任何稳定性测试都要直观和强大。有一部分内容专门探讨了小行星带和柯伊伯带物体的轨道离散化问题，其洞察力之深，让我对太阳系结构的理解焕然一新。这本书的缺点可能在于，对于初学者来说，它提供的“脚手架”搭建得过于精巧，以至于没有扎实基础的人可能在第一章就感到无从下手。但对于已经有一定基础的研究者，它提供的则是通往更深层次理解的秘密通道。

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这本书的风格是极其严肃和内敛的，它不会用任何花哨的语言来“推销”自己的内容。然而，一旦你适应了它的节奏，就会发现其中蕴含着无与伦比的逻辑美感。我尤其欣赏作者在探讨“不完美”轨道时所展现出的细致入微。例如，在分析潮汐力对近地轨道的影响时，他不仅计算了能量的耗散，还精妙地引入了时间依赖的参数来描述轨道参数的缓慢漂移。这使得理论模型与真实观测数据之间的鸿沟被大大缩小。书中的习题部分设计得非常巧妙，它们不是简单的计算练习，而是引导你思考如何将理论应用于未知的、更复杂的情境。我花了一个周末的时间来攻克其中关于非均匀引力场下物体进动的证明题，那种在黑暗中摸索，最终找到关键突破口的感觉，是阅读这本书最大的回报。它让你感觉自己不仅仅是在学习一门学科，更是在参与一场与人类最伟大思想家之一的智力对话，尽管这位“对话者”只通过文字来表达。这本书无疑是该领域内的一部殿堂级著作，需要时间去品味，去消化，去真正掌握。

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