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內容簡介

　　《現代物理基礎叢書·典藏版：經典宇宙和量子宇宙》係統地闡述瞭宇宙學近年來的新進展，包括作者和閤作者們以及國內外同行學者們的近期研究成果。全書包括引力理論基礎、廣義相對論宇宙學、宇宙的暴脹、量子宇宙學等4篇；宇宙動力學方程、弗裏德曼宇宙模型、其他宇宙模型、奇點定理、暗物質和暗能量、宇宙的暴脹、dilaton宇宙解、宇宙暴脹的機製、哈特一霍金宇宙波函數、宇宙結構的起源、蟲洞波譜、Vilenkin的量子宇宙學、誘導引力及其量子宇宙學模型、圈量子宇宙學的解析錶述、宇宙創生的量子特性、額外維度和膜宇宙理論等21章114節。
　　《現代物理基礎叢書·典藏版：經典宇宙和量子宇宙》可供理論物理、天體物理和應用數學專業的碩士生、博士生和研究人員閱讀，也可供高年級本科學生和自考者參考。

內頁插圖

目錄

前言/序言

　　宇宙是物理學研究的最大對象。宇宙學是建立在引力理論基礎上的。1687年，牛頓創立瞭第一個引力理論，這是人類對自然界普遍存在的力——引力的認識的第一次升華，牛頓引力理論首次揭開瞭行星運動之謎，奇跡般地預言瞭兩個行星（海王星和冥王星）的存在並被天文觀測所證實，從此牛頓的名字譽滿全球，直至20世紀初，這一理論是人們普遍接受的、唯一正確的引力理論。隨著人類智慧的發展，牛頓引力理論的睏難日益引起學者們的重視：它無法解釋天文學傢觀測到的事實——水星近點的移動，無法解釋物體的引力質量等於慣性質量……
　　牛頓引力理論無法研究宇宙。用牛頓引力理論研究宇宙會導緻著名的Newman疑難。
　　1916年，愛因斯坦以全新的觀點創立瞭新的引力理論——廣義相對論，這是人類對引力認識的第二次升華。愛因斯坦引力理論將時一空幾何和引力場統為一體，以其簡潔的邏輯和優美的結構令學者們嘆服甚至陶醉。它圓滿地解決瞭牛頓引力理論的睏難，並將牛頓引力理論納入自己的特殊情況（弱場近似）。
　　愛因斯坦引力理論（廣義相對論）的建立，第一次為宇宙學提供瞭動力學基礎，使宇宙學成為一門定量的科學。愛因斯坦的引力場方程可以用於宇宙，作為宇宙演化的動力學方程。因此，應用廣義相對論，可以根據宇宙的現在研究宇宙的過去和未來，
　　本書的內容包括廣義相對論宇宙學（即標準宇宙學或大爆炸宇宙學）、宇宙的暴脹和量子宇宙學三個部分。在內容安排上側重於宇宙的暴脹和量子宇宙學，特彆是該領域近年來的新進展，包括宇宙暴脹的機製、暴脹和膨脹的自然銜接、dilaton宇宙解、膜宇宙以及近兩年用圈量子宇宙學方法給齣的宇宙創生過程的量子特性。
　　本書第一篇是愛因斯坦引力理論基礎，為後幾篇的敘述做必要的準備。第二篇闡述廣義相對論大爆炸宇宙學。大爆炸宇宙學成功地解釋瞭自t=10-2S（輕核形成）至t=10（10）y（現在）宇宙演化階段的觀測事實。其中包括元素的起源（氦豐度測量）、星係光譜的宇宙學紅移、3K微波背景輻射、星係計數、宇宙大尺度的均勻各嚮同性等，宇宙背景輻射的觀測兩次獲得諾貝爾物理學奬（1978年，2006年），就是因為它們支持瞭大爆炸宇宙模型。由於大爆炸宇宙模型普通為人們所接受，故稱之為標準宇宙模型。然而標準宇宙模型也有它的睏難，就是在t〈10（-10）S這一極早期演化階段中的4個問題：奇點問題、視界問題，平直性問題和磁單極問題。書中第三篇比較詳細地闡述瞭20世紀80年代誕生的暴脹宇宙學理論。這一理論解決瞭上述4個問題中的後三個。它已經把我們帶到瞭t=10（-36）S的宇宙極早期，已接近宇宙的開端。我們可以把加入瞭暴脹理論的大爆炸宇宙模型稱為新的標準宇宙模型，
　　近年來，人們把超弦理論用於研究暴脹宇宙，發現弦宇宙方程的解可以分成兩個對偶分支。一個分支描述膨脹的Friedmann-Robertson-Walker宇宙，另一個分支描述暴脹宇宙，隻要dilaton勢取通常的確定值，其中任何一個分支便可以平穩地演化到另一個分支。即宇宙可以由弗裏德曼膨脹自然過渡到暴脹，再由暴脹自然過渡到弗裏德曼膨脹，自然地解決瞭宇宙暴脹的“從容退齣”問題。dilation宇宙解對於揭示宇宙暴脹的機製是至關重要的。書中比較詳細地論述瞭弦宇宙方程和dilation宇宙解。
　　標準宇宙模型4個睏難問題還剩下一個，即宇宙的初始奇點（宇宙的創生）問題，這是本書第四篇（量子宇宙學）的內容。
　　廣義相對論宇宙學是建立在愛因斯坦引力理論基礎上的。嚴格地說，量子宇宙學應該建立在量子引力理論的基礎上，然而，至今尚未建立一個令人滿意的量子引力理論。盡管如此，人們仍然可以根據已經瞭解到的量子引力的某些特徵，去尋找各種途徑，嘗試解決量子宇宙學的主要問題——宇宙的創生問題。20世紀80年代初，哈特（Hartle）、霍金（Hawking）、Vilenkin等提齣，用宇宙波函數來描述宇宙的量子狀態，宇宙動力學方程即惠勒一德維特方程，這樣，隻要確定宇宙的邊界條件，便可定量地研究宇宙的創生問題瞭。
　　對於宇宙波函數的選擇和宇宙邊界條件的確定，哈特一霍金和Vilenkin分彆提齣瞭不同的方案，這兩個方案構成瞭目前量子宇宙學的兩個學派。本書第四篇比較詳細地闡述瞭哈特一霍金的量子宇宙學理論和韋連金的量子宇宙學理論，並對這兩個理論進行瞭比較。
　　2006年，美國物理學傢Ashtekar，Pawlowski和Singh用圈量子宇宙學理論給齣的量子方程做瞭係統的解析推導和數值計算，發現在大爆炸之前可以存在一個與我們的觀測宇宙相似的收縮的經典宇宙，演化一直進入普朗剋區域內。在這兩個經典宇宙中時空都是連續的，廣義相對論精確成立。在收縮的經典宇宙和膨脹的經典宇宙之間的量子通道隻持續非常短的一段“時間”，其間廣義相對論失效，這個APS模型中不存在大爆炸奇點，但與已有的反彈宇宙模型不同，它是在圈量子宇宙學框架內經過嚴格的解析推導和數值計算得到的，唯一遺憾的是假定宇宙是均勻各嚮同性的。書中第9章比較詳細地論述瞭宇宙學這一最新進展，
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