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出版者:

作者:Kavokin, Alexey V./ Baumberg, Jeremy J./ Malpuech, Guillaume/ Laussy, Fabrice P.

出品人:

页数:448

译者:

出版时间:2007-12

价格:$ 169.50

装帧:

isbn号码:9780199228942

丛书系列:

图书标签:

• 光子晶体
• 微腔
• 光学
• 纳米光子学
• 半导体
• 量子光学
• 谐振器
• 材料科学
• 光电
• 微结构

跨越光年的回响：当代天文学的宏大叙事与微观探索 本书聚焦于二十世纪末至二十一世纪初的宇宙学、天体物理学以及行星科学领域的革命性进展。它并非探讨单个技术器件或特定实验装置的运作原理，而是着眼于人类理解宇宙结构、起源与演化过程中所采纳的宏观理论框架、观测策略的范式转移，以及由此引发的哲学反思。 第一部分：暗物质与暗能量的宇宙之谜——重塑物质世界的边界 本书的开篇深入剖析了自上世纪八十年代以来，观测天文学如何被“缺失的质量”和“加速膨胀”的证据所彻底颠覆。我们不再满足于牛顿或爱因斯坦（广义相对论）对可见物质的描述，而是必须引入两种不可见的、占据宇宙总能量密度约95%的实体：暗物质和暗能量。 1.1 暗物质的谱系与证据链 本部分详尽梳理了支持暗物质存在的关键观测证据。首先，通过对星系旋转曲线的精细分析，展现了维拉·鲁宾等先驱者如何揭示星系外围恒星速度的异常平坦性，这直接指向了包裹着旋涡星系的巨大、不可见的晕结构。随后，我们将目光投向更大尺度： 引力透镜效应的定量分析： 详细介绍了强透镜（如星系团的强烈畸变）和弱透镜（大尺度结构上的统计性扭曲）如何被用作精确绘制宇宙中物质分布图的“宇宙标尺”。重点讨论了2006年“子弹星系团”（1E 0657-56）的观测，该事件被视为暗物质和普通物质分离的最直接证据，清晰地划分了X射线辐射的重子物质与引力场中心（暗物质）的脱钩。 宇宙微波背景辐射（CMB）的精细结构： 分析了COBE、WMAP和Planck任务对CMB各向异性的小尺度波动的测量。这些波动不仅是早期宇宙物质密度的“化石”，更是确定宇宙总物质密度参数$Omega_m$的基石。书中论述了声子峰（Acoustic Peaks）的高度和位置如何精确地量化了重子物质与暗物质的比例。 在理论层面，本书回顾了当时主流的暗物质候选模型，包括WIMPs（弱相互作用大质量粒子）的理论框架及其在地下直接探测实验（如XENON、LUX）中受到的严格限制。同时也讨论了如轴子（Axions）等轻量级粒子的搜索策略及其在特定频率范围内的可能信号特征。 1.2 暗能量：宇宙加速的驱动力 从观测到宇宙加速膨胀的发现（1998年，由高红移Ia型超新星观测得出），是现代天文学的标志性事件。本章侧重于分析这些“标准烛光”如何被用来测量遥远距离： Ia型超新星（Type Ia Supernovae）的普适性挑战： 解释了这类白矮星爆炸的内在亮度如何依赖于其前身星的金属丰度（即“二次演化”效应）以及如何通过光变曲线的展宽进行“标准修正”。 宇宙学参数的演化： 阐述了利用$Omega_m$（物质密度）和$Omega_Lambda$（暗能量密度）构建的FLRW度规如何成功拟合观测数据，并将宇宙的命运从过去的“减速坍缩”转变为“加速膨胀”。 本书并未深入探讨微观的量子场论模型，而是聚焦于对暗能量最直接的物理解释——宇宙学常数（Cosmological Constant, $Lambda$），以及基于此的ΛCDM模型的成功，并简要对比了如“精质”（Quintessence）等动态暗能量模型的观测约束边界。 第二部分：大尺度结构的形成与演化——从量子涨放到星系群的谱系 本部分关注宇宙在引力作用下，如何从近乎均匀的早期状态，演化成如今我们观测到的复杂、丝状的宇宙网。 2.1 早期宇宙的扰动与线性增长理论 详细阐述了线性引力不稳定理论在描述物质密度小扰动如何随时间增长中的作用。重点在于： 物质-辐射主导的转换点： 分析了在CMB产生（复合时期，Recombination Epoch）前后，物质（冷暗物质）和辐射（光子/CMB）对结构形成速率的不同影响。在物质主导时期，密度涨落以恒定速度增长；在辐射主导时期，声波振荡阻止了物质的聚集。 重子声波振荡（BAO）作为标准尺度的应用： 探讨了BAO信号如何作为一种“冷流体痕迹”，在星系团分布中留下周期性的密度峰值，这为独立于超新星的距离测量提供了强大的交叉验证工具，并有效约束了膨胀历史。 2.2 星系形成与反馈机制 本书将视角从纯粹的引力模拟转向涉及星系内部物理过程的复杂性： “自上而下”与“自下而上”的竞争： 对比了早期宇宙学模型中，物质如何首先形成较小的结构（矮星系/暗物质晕）再通过并合形成大型星系（自下而上），与早期大型结构快速坍缩的预测。现代观点倾向于后者主导了初始阶段。 恒星形成与超大质量黑洞（SMBH）的反馈： 深入讨论了恒星形成过程（特别是超新星爆发）和SMBH的剧烈活动（如活动星系核AGN）如何通过向星系际介质注入能量和动量，有效“清理”或“加热”气体，从而抑制了星系内部的恒星形成率。这种反馈机制是解释为什么大质量星系内部往往是“红且死”的关键。 第三部分：系外行星的发现浪潮与宜居带的重新定义 本部分转向银河系尺度，关注太阳系外的世界，探讨了二十年来系外行星学领域从零星发现到大规模普查的转变。 3.1 探测方法的突破与偏见 详述了开创性的探测技术如何系统性地揭示了行星的多样性： 凌日法（Transit Method）： 重点分析开普勒（Kepler）任务如何通过观测恒星亮度的周期性微小下降，统计性地发现了大量系外行星，并揭示了“热木星”和“超级地球”等在太阳系中不存在的行星类别。讨论了如何利用凌日时间变化（TTV）来推断多行星系统的质量和轨道构型。 径向速度法（Radial Velocity/Doppler Spectroscopy）： 回顾了该方法如何通过测量恒星的摆动来确定行星的最小质量。并讨论了该方法对靠近恒星的、质量较大的行星的探测偏见。 3.2 行星环境与生命潜能的评估 本书的核心观点之一是，宜居性不再仅仅取决于行星是否位于传统意义上的“液态水宜居带”（Habitable Zone, HZ）。 行星大气光谱的初步分析： 介绍了詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）时代对系外行星大气成分（如水蒸气、甲烷、二氧化碳）的初步探测能力。强调了识别“生物信号”的复杂性，特别是如何区分由生物活动产生的气体（如大量氧气）与非生物地质或化学过程（如光解作用）产生的假阳性信号。 “潮汐锁定”与“稀薄大气”的挑战： 分析了围绕红矮星（M型星）运行的行星所面临的极端环境——潮汐锁定导致的极端温差和高能耀斑对大气层的剥离风险，挑战了传统对M型星宜居带的乐观估计。 本书以一种广阔的视角，勾勒出当代天文学家面对的知识图景：宇宙在最大尺度上由不可见的能量驱动，在星系尺度上充满了复杂的物理反馈，而在最近的邻域内，行星系统的多样性正远远超出我们太阳系的朴素模型。

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