包邮天体物理学

本书特色

传说牛顿在自己的伍尔索普果园里看到苹果落下，顿时灵光一闪，想到月球也应该和苹果一样落下。如果这是真的，那么天体物理学便在此刻诞生了。将物理定律应用到地球之外的一切事物，这便是天体物理学。本书展示了天体物理学领域在过去一个世纪里的迅速发展，解释了如何应用物理学的基本原理来揭示重大的天文现象，阅读本书仿佛在目睹着一些不可思议的天文奇观。本书特别邀请到国科学院院士、中国科学院国家天文台研究员赵刚作序推荐。

内容简介

身处地球，我们如何得知遥远的星系里在发生什么？我们在地球上掌握的物理学定律，是否适用于宇宙中的天体？答案是肯定的。天体物理学便是基于永恒不变的物理学定律来研究地外天体的学科，借由它我们可以了解恒星如何形成、衰老与死亡，行星系统如何形成，星系之间如何相互联系。在本书中，詹姆斯·宾尼展示了天体物理学领域在过去一个世纪里的迅速发展，解释了如何应用物理学的基本原理——能量、质量和动量，以及相对论和量子力学这两大支柱，来揭示快速旋转的毫秒脉冲星到巨大螺旋星系的碰撞等重大天文现象，宇宙的奥秘由此向我们敞开。

前言

序 言
赵 刚
对于想要了解天体物理学的人来说，这本《天体物理学》无疑是一本很好的入门书。作者詹姆斯· 宾尼（James Binney）是一位杰出的理论天体物理学家，同时他还是牛津大学荣休教授、英国皇家学会院士、美国科学院外籍院士，以银河系和河外星系理论研究而闻名遐迩。宾尼教授的学术成就广受认可，特别是他撰写的两本星系方向研究专著《星系天文学》（2004）和《星系动力学》（2005），在天文界颇为流行，其中前者由我和我的学生联合翻译出版，后者由上海天文台宋国玄先生翻译出版。
这两本书长期以来一直被用作天体物理领域的教科书或参考书，而这本《天体物理学》是牛津大学Very Short Introductions系列丛书的经典之作，为广大读者开启了一扇通往天体物理学奇妙世界的大门。<p>序  言<br />赵 刚</p> <p>16世纪中叶，哥白尼创立的日心说标志着近代天文学的肇始。17世纪，望远镜的发明为天文学带来了革命性变化，牛顿提出的万有引力定律则奠定了天体力学基础。 19世纪，光谱学被应用于天文学，通过分析天体光谱以研究其物理和化学性质，这成为天体物理学的开端。 20世纪，相对论和量子力学创立，为天体物理学带来新的发展方向。恒星演化理论的建立、射电天文学的兴起和空间天文学的发展为人类提供了前所未有的全波段宇宙图景。21世纪，引力波的直接探测则开启了多信使天文学的新纪元。<br />对于想要了解天体物理学的人来说，这本《天体物理学》无疑是一本很好的入门书。作者詹姆斯· 宾尼（James Binney）是一位杰出的理论天体物理学家，同时他还是牛津大学荣休教授、英国皇家学会院士、美国科学院外籍院士，以银河系和河外星系理论研究而闻名遐迩。宾尼教授的学术成就广受认可，特别是他撰写的两本星系方向研究专著《星系天文学》（2004）和《星系动力学》（2005），在天文界颇为流行，其中前者由我和我的学生联合翻译出版，后者由上海天文台宋国玄先生翻译出版。<br />这两本书长期以来一直被用作天体物理领域的教科书或参考书，而这本《天体物理学》是牛津大学Very Short Introductions系列丛书的经典之作，为广大读者开启了一扇通往天体物理学奇妙世界的大门。<br />詹姆斯· 宾尼教授在这本书中展示了天体物理学领域在过去一个世纪里是如何迅速发展的，天体物理学如何利用地球上得出的物理定律去理解宇宙中那些遥不可及的天体和天体现象。作为一门综合性极强的学科，天体物理学融合了物理学、天文学、数学、化学等多学科的知识与方法。宾尼教授避开了繁杂的数学推导与专业术语的堆砌，以一种通俗易懂、生动形象的方式，向读者介绍了天体物理学的核心概念、关键理论以及重大发现。这本书从有关天文的一些重大思想讲起，过渡到星际气体、恒星、吸积、行星、星系等主题，从中描绘出宇宙的起源与命运的宏大场景。宾尼教授以清晰的逻辑、鲜活的实例、精练的篇幅和深入浅出的笔触，让即使没有深厚物理学背景的人也能够轻松理解，让读者仿佛置身于广袤无垠的宇宙之中，目睹着不可思议的天文奇观。<br />作为宾尼教授的同行和老朋友，我曾有幸收到他亲笔签名的此书的英文原版。如今，欣闻这部著作的双语版《天体物理学》即将问世，我感到格外高兴，它将让更多中文世界的读者有机会领略天体物理学的丰富内涵与持久魅力。<br />《天体物理学》双语版的出版，为中文读者提供了一本高质量的天体物理学科普读物。本书的译者杨晨是北京理工大学硕士，热爱翻译。我也阅读了“牛津通识读本”系列中他已经出版的另外两本译著《物理学》和《元素周期表》，行文流畅，皆为佳作，可以看出其具有很扎实的理科背景和深厚的翻译功力。由此，各位读者可以对这本《天体物理学》译作充满期待。<br />本书既可以作为普通读者了解天体物理学基础知识的入门书籍，也可以作为相关专业学生和科研人员拓展视野、启发思维的有益参考。希望广大读者跟随宾尼教授的视角，去感受天体物理学的无穷魅力，并燃起对宇宙探索的热情。通过阅读这本书，相信你一定可以体会到“开卷有益，掩卷有味”的读书愉悦。<br />2024年11月<br />于中国科学院国家天文台</p>

相关资料

**章 重大的思想
牛顿之前只有天文学，之后才有了天体物理学。传说他在自己的伍尔索普果园里看到苹果落下，顿时灵光一闪，想到月球也应该和苹果一样落下。如果这是真的，那么天体物理学便在此刻诞生了。也就是说，月球等天体并不像牛顿的前辈设想的那样，按照神明定下的轨迹在天空滑行，它们与一个明天就可能被鸟兽啃去一半、让人不屑一顾的苹果一样，都遵循着相同的物理定律。
这个思想的力量，在于我们可以用实验室中提炼的物理定律解释远在宇宙深处的天体。于是，牛顿的思想使我们在思维中旅行，穿过宇宙那超乎想象的广袤空间，观察遥远星系中心的巨大黑洞—而如今即使用上射电望远镜，也只能收到微弱的信号。
牛顿还从另一个重要方面奠定了天体物理学的基础：我们可以通过具有恰当定义的物理定律，得到精确的定量预测。因此，他不仅能对已有的观测做出一致的物理解释，还能预测未来可能观测到的结果。为此，他必须发明一种新的数学—微积分，用它的语言概括物理定律。牛顿时代之后，大部分物理定律便采用了微分方程的形式，它通过描述函数的变化率来确定函数。微分方程包含了给定物理情境的一切情况，我们需要根据初始条件找到表示特定情形的函数。例如，手枪打出的子弹的轨迹是牛顿方程 m dv/dt = F的解。这个方程通常简化为 f = ma，将速度（v）的变化率（即加速度）与力（F）联系了起来。牛顿方程适用于一切子弹和下落的苹果，也适用于月球，是个普适方程。月球、子弹、苹果之所以有不同的轨迹，是因为它们的初始条件不同：月球远离地心，运动速度非常快；子弹在地表附近射出，速度慢得多；苹果也在地表附近运动，但它一开始是静止的。不同的初始条件应用到相同的普适方程中，就得到了三条完全不同的轨迹。于是，牛顿发明的数学变身为有力的工具，我们由此确定是什么让不同的现象具有共性，又是什么让它们有所区别。
其中必有关联

**章 重大的思想

天地同规律
牛顿之前只有天文学，之后才有了天体物理学。传说他在自己的伍尔索普果园里看到苹果落下，顿时灵光一闪，想到月球也应该和苹果一样落下。如果这是真的，那么天体物理学便在此刻诞生了。也就是说，月球等天体并不像牛顿的前辈设想的那样，按照神明定下的轨迹在天空滑行，它们与一个明天就可能被鸟兽啃去一半、让人不屑一顾的苹果一样，都遵循着相同的物理定律。
这个思想的力量，在于我们可以用实验室中提炼的物理定律解释远在宇宙深处的天体。于是，牛顿的思想使我们在思维中旅行，穿过宇宙那超乎想象的广袤空间，观察遥远星系中心的巨大黑洞—而如今即使用上射电望远镜，也只能收到微弱的信号。
牛顿还从另一个重要方面奠定了天体物理学的基础：我们可以通过具有恰当定义的物理定律，得到精确的定量预测。因此，他不仅能对已有的观测做出一致的物理解释，还能预测未来可能观测到的结果。为此，他必须发明一种新的数学—微积分，用它的语言概括物理定律。牛顿时代之后，大部分物理定律便采用了微分方程的形式，它通过描述函数的变化率来确定函数。微分方程包含了给定物理情境的一切情况，我们需要根据初始条件找到表示特定情形的函数。例如，手枪打出的子弹的轨迹是牛顿方程 m dv/dt = F的解。这个方程通常简化为 f = ma，将速度（v）的变化率（即加速度）与力（F）联系了起来。牛顿方程适用于一切子弹和下落的苹果，也适用于月球，是个普适方程。月球、子弹、苹果之所以有不同的轨迹，是因为它们的初始条件不同：月球远离地心，运动速度非常快；子弹在地表附近射出，速度慢得多；苹果也在地表附近运动，但它一开始是静止的。不同的初始条件应用到相同的普适方程中，就得到了三条完全不同的轨迹。于是，牛顿发明的数学变身为有力的工具，我们由此确定是什么让不同的现象具有共性，又是什么让它们有所区别。
其中必有关联
詹姆斯· 克拉克 · 麦克斯韦是爱丁堡一个富裕律师的独子。他很早就显露出数学和物理的高超天赋，在气体和热理论，以及土星环的动力学分析等领域做出了巨大的贡献。但他*大的成就，是通过纯思维的方式拓展了电磁学的定律。他设想了一个特别的实验装置，其中有交流电在电路中来回流动。电路里有一个电容，这是一种由两块金属板组成的元件，中间夹着一层很薄的绝缘体，原则上可以是真空。电流流到一块金属板上，使它带正电， 从另一块金属板流出，使它带负电。麦克斯韦运用安德烈—玛丽 · 安培提出的法则计算这个电路产生的磁场。他在1865年证明，如果以不同的方式运用安培的法则，就会得出全然不同的结果，除非电容金属板之间的绝缘体中也有电流通过。这个结果使麦克斯韦提出假设，认为随时间变化的电场会产生“位移电流”。从数学上看，原先的微分方程表达了传统电流与它生成的磁场的关联，而这假想的电流在其中添加了额外的一项。
这个额外的项带来了惊人的影响，它使得电场和磁场能够相互维持，而不需要电荷参与其中。在此之前，电场围绕在带电物体周围，磁场则围绕在通电线圈周围。但有了这个额外项后，随时间变化的电场能够生成一个随时间变化的磁场。迈克尔 · 法拉第已经证明，这样的磁场可以生成随时间变化的电场。因此，在不需要任何电荷参与的情况下，这个磁场又可以重新生成原先的电场！这个惊人的结论正确吗？方程中的额外项是否是愚蠢的错误？
麦克斯韦计算了电场和磁场的耦合振荡在真空中传播的速度，结果与光速测量值在实验误差内吻合。于是麦克斯韦得出结论说，他的额外项是正确的，光是电场和磁场相互维持的振荡。因为光的波长非常短（约为0.0 005毫米），所以振荡频率一定很高。频率较低的振荡对应较长的波长。 1886年，海因里希 · 赫兹发射并检测到了这样的“射电”波。
因此，麦克斯韦重新解释了一个古老的现象—光。他将传统的物理学定律应用于思想实验之中，然后论证这些定律需要修正，从而使整个理论前后一致，并由此预言了一种全新现象。这一步，石破天惊。
永永远远
我们相信物理定律永远正确：有确凿证据证明，它们自138亿年前宇宙诞生后的一分钟起便是如此。宇宙从爆炸的火球经历寒冷、黑暗的时期，创生出**批恒星与星系（现在正由巨型望远镜研究），其间的物理定律始终是对的，而且至今依然正确。
虽然物理定律在过去的 138亿年间一直保持着稳定，但宇宙却已然改头换面。这里再次体现了牛顿式物理定律与物理定律所描述的现象的区别：物理定律体现为微分方程，它在任何时刻、任何地点都是对的；物理现象则会因为方程需要的初始条件急剧变化而完全改变。
因为物理定律在宇宙中的每个部分都有效，所以我们可以在头脑中畅游遥远的星系；因为物理定律在任何时间都有效，所以我们可以在头脑中回溯*初的时刻。物理定律这种普遍、永恒不变的性质让我们在想象中成为时空的旅行者。
将物理定律应用到地球之外的一切事物，这便是天体物理学。因此，它是其他科学的晚辈，但在规模上傲视群雄。

作者简介

作者
詹姆斯·宾尼 英国杰出理论天体物理学家，牛津大学荣休教授，英国皇家学会院士，美国科学院外籍院士，以银河系和河外星系理论研究而著名。著有经典天文学教材《星系天文学》（2004）和《星系动力学》（2005）。

序言作者
赵刚 中国科学院院士，中国科学院国家天文台研究员，“郭守敬望远镜”（LAMOST）科学委员会主任。在恒星元素丰度、太阳系外行星、银河系形成与演化、实验室天体物理等领域开展研究。成果多次被评为中国年度十大天文科技进展，利用恒星丰度探索银河系化学演化的研究获国家自然科学二等奖。目前担任国家自然科学基金委“基础科学中心”项目负责人，以及国家重点研发计划“基于LAMOST 巡天的银河系研究”项目首席科学家。