暴胀宇宙学在过去20年发展历程中已经解决了宇宙的标准热大爆炸模型中存在的许多严重问题.利用其原创的方法,本书解释了现代宇宙学的基础,并且阐明了理论结果的来源.本书分为两个部分:第一部分处理均匀及各向同性的宇宙模型,而第二部分讨论初始不均匀性如何解释我们观测到的宇宙结构.本书为一些传统上高度依赖于数值计算的论题,例如原初核合成、复合、宇宙微波背景辐射各向异性等,提供了解析处理方法.暴胀以及量子宇宙学扰动理论讲述得尤为详尽.通过讨论更具推测性质的想法,本书将读者引领到目前宇宙学研究的前沿.
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目录
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第一部分均匀各向同性的宇宙
第1章膨胀宇宙的运动学和动力学3
1.1哈勃定律4
1.2牛顿宇宙学中的尘埃的动力学8
1.2.1连续性方程8
1.2.2加速方程9
1.2.3牛顿解9
1.3从牛顿到相对论的宇宙学12
1.3.1均匀及各向同性空间的几何12
1.3.2爱因斯坦方程和宇宙演化17
1.3.3弗里德曼方程20
1.3.4共形时间和相对论性的解22
1.3.5米尔恩宇宙25
1.3.6德西特宇宙27
第2章光的传播和视界34
2.1光的测地线34
2.2视界35
2.3共形图38
2.4红移50
2.4.1用红移来测量时间和距离52
2.5运动学检验55
2.5.1角直径-红移关系55
2.5.2光度-红移关系58
2.5.3计数61
2.5.4红移演化61
第3章热宇宙63
3.1宇宙的组分63
3.2热简史65
3.3热力学基本原理68
3.3.1最大熵状态,热谱,守恒律,化学势69
3.3.2能量密度,压强,物态方程73
3.3.3计算积分75
3.3.4极端相对论性粒子79
3.3.5非相对论性粒子81
3.4轻子时期83
3.4.1化学势86
3.4.2中微子退耦和电子-正电子湮灭88
3.5核合成91
3.5.1中子的冻结92
3.5.2“氘瓶颈”97
3.5.3氦-4101
3.5.4氘.103
3.5.5其他轻元素108
3.6复合111
3.6.1氦复合112
3.6.2氢复合:平衡态处理114
3.6.3氢复合:动理学方法115
第4章极早期宇宙.122
4.1基础123
4.1.1局域规范不变性123
4.1.2非阿贝尔规范理论125
4.2量子色动力学和夸克-胶子等离子体128
4.2.1跑动的耦合常数和渐近自由131
4.2.2宇宙学夸克-胶子相变136
4.3电弱理论139
4.3.1费米子部分140
4.3.2U(1)对称性的“自发破缺”142
4.3.3规范玻色子143
4.3.4费米子相互作用147
4.3.5费米子质量149
4.3.6CP破坏151
4.4“对称性恢复”和相变153
4.4.1有效势154
4.4.2U(1)模型158
4.4.3高温时的对称性恢复161
4.4.4相变163
4.4.5电弱相变165
4.5瞬子,鞍点子,以及早期宇宙169
4.5.1势阱中粒子的逃离169
4.5.2亚稳真空的衰变173
4.5.3规范理论的真空结构179
4.5.4手征反常和费米子数的不守恒184
4.6超出标准模型186
4.6.1暗物质候选者191
4.6.2重子生成196
4.6.3拓扑缺陷201
第5章暴胀一:各向同性极限210
5.1初条件疑难210
5.2暴胀:主要思想213
5.3引力何以成为“排斥性的”?217
5.4如何实现p≈.ε的物态方程218
5.4.1简单例子:V=12m2'2 219
5.4.2一般势:慢滚近似224
5.5预热和重加热226
5.5.1基本理论227
5.5.2窄共振228
5.5.3宽共振232
5.5.4物理含义238
5.6暴胀方案的“菜单”239
第二部分不均匀的宇宙
第6章牛顿理论中的引力不稳定性249
6.1基本方程249
6.2金斯理论251
6.2.1绝热扰动252
6.2.2矢量扰动254
6.2.3熵扰动254
6.3膨胀宇宙中的不稳定性255
6.3.1绝热扰动256
6.3.2速度扰动258
6.3.3自相似解259
6.3.4存在辐射或暗能量时的冷物质259
6.4超越线性近似262
6.4.1托尔曼解265
6.4.2泽尔多维奇解268
6.4.3宇宙网270
第7章广义相对论中的引力不稳定性273
7.1扰动和规范不变量274
7.1.1扰动的分类274
7.1.2规范变换和规范不变量275
7.1.3坐标系279
7.2宇宙学扰动的方程281
7.3流体力学扰动284
7.3.1标量扰动284
7.3.2矢量和张量扰动294
7.4重子-辐射等离子体和冷暗物质296
7.4.1方程297
7.4.2扰动的演化和转移函数300
第8章暴胀二:原初不均匀性的起源308
8.1描述扰动308
8.2暴胀的扰动(慢滚近似)311
8.2.1哈勃尺度内部313
8.2.2产生的扰动谱314
8.2.3我们为什么需要暴胀?318
8.3量子宇宙学扰动319
8.3.1方程320
8.3.2经典解322
8.3.3量子化扰动326
8.4暴胀产生的引力波334
8.5宇宙的自复制338
8.6暴胀理论的预言能力340
第9章宇宙微波背景各向异性342
9.1基础343
9.2萨克斯-沃尔夫效应346
9.3初条件348
9.4关联函数和多极矩350
9.5大角度上的各向异性353
9.6延迟复合和有限厚度效应354
9.7小角度的各向异性359
9.7.1转移函数359
9.7.2多极矩361
9.7.3参数363
9.7.4计算功率谱367
9.8确定宇宙学参数369
9.9引力波374
9.10宇宙微波背景的偏振378
9.10.1偏振张量378
9.10.2汤姆孙散射和偏振380
9.10.3延迟复合和偏振382
9.10.4E模和B模偏振以及它们的关联函数383
9.11再电离388
参考文献391
索引402
译后记407
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