An Introduction to Modern Cosmology（现代宇宙学导论）

引用

Liddle, A. (2015). An Introduction to Modern Cosmology (3rd ed.). Wiley.

章节概要

本书篇幅不长，正文约180页，其结构在序言中交代得很清楚：十五个主干章节构成一条中心“脊柱”（spine），本身就是一个完整的入门；另有六个“进阶专题”（Advanced Topic）章节，各自注明了预备知识，可按需要加入。作者建议在满足预备知识之后尽早学习相应的进阶专题。序言还解释了方法上的关键选择：膨胀宇宙的方程可以从牛顿引力得到，因此课程可以完全避开广义相对论。

第1–2章：宇宙学观念的（极简）历史；观测概览

第1章从宇宙学原理说起，即我们在宇宙中的位置毫无特殊之处，并将它与长期盛行的以地球为中心的图景作对比。第2章概览可见光及其他波段下的宇宙、均匀性与各向同性、宇宙膨胀，以及宇宙中的粒子，包括热分布与黑体谱。

第3–5章：牛顿引力；宇宙的几何；简单宇宙学模型

理论的核心。第3章用牛顿方式导出弗里德曼方程、流体方程和加速度方程，并讨论膨胀的含义。第4章描述平直、球面和双曲几何、无限宇宙与可观测宇宙，以及曲率参数 k 的三种取值。第5章转向哈勃定律、红移、物质、辐射及其混合情形下的解、数密度，以及包含曲率的演化。

第6–9章：观测参数；宇宙学常数；宇宙的年龄；宇宙的密度与暗物质

第6章引入哈勃常数、密度参数和减速参数。第7章引入Λ及其流体描述和含Λ的模型，第8章讨论宇宙的年龄。第9章用多种方法“称量”宇宙，并讨论暗物质可能是什么以及如何搜寻。

第10–12章：宇宙微波背景；早期宇宙；核合成：轻元素的起源

第10章涉及微波背景的性质、光子与重子之比及其起源，起源部分还有第二个进阶的处理。第11章是关于早期宇宙的一个短章。第12章讲氢和氦、与观测的比较，以及退耦与核合成的对比。

第13–15章：暴胀宇宙；初始奇点；综述：标准宇宙学模型

第13章陈述热大爆炸的问题（平直性、视界、遗留粒子），描述暴胀式膨胀及其如何解决这些问题，探讨需要多少暴胀，并把暴胀与粒子物理联系起来。第14章是对初始奇点的简短讨论，第15章把整幅图景汇总为标准宇宙学模型。

进阶专题1–6

六个扩展章节分别是：广义相对论宇宙学（时空度规与爱因斯坦方程）、经典宇宙学：距离与光度、中微子宇宙学、重子生成、宇宙中的结构、对宇宙学模型的约束（包括“标准宇宙学模型：2014年版”）。全书以参考文献以及习题的数值答案与提示收尾。

核心概念

第1–5章：观测、牛顿引力、几何、简单模型

• 宇宙学原理：我们的位置并不特殊，因此宇宙在大尺度上各处看起来相同的假设。
• 弗里德曼方程：支配膨胀的方程，第3章由牛顿引力得到。
• 曲率参数 k：区分平直、球面或双曲几何的标记。
• 红移与哈勃定律：膨胀与观测到的光谱位移之间的关系。

第6–9章：参数、Λ、年龄、暗物质

• 密度参数：以区分三种几何的临界值为基准衡量的密度。
• 宇宙学常数：第7章展开其流体描述及其对模型影响的额外项。
• 暗物质：第9章依据多条证据推断出的物质，例如星系自转曲线和星系团的组成。

第10–15章：微波背景、核合成、暴胀

• 宇宙微波背景：宇宙更致密、更热时期遗留下来的辐射。
• 核合成：轻元素的形成，并与观测到的丰度比较。
• 暴胀：一段快速膨胀的时期，用来解决平直性、视界和遗留粒子丰度的问题。

评析

优点

• 有意减轻预备知识的负担。 序言说明，预备知识全是很标准的物理，重点在物理直觉而非数学严谨。以牛顿引力为起点，使得无需事先修读广义相对论。
• 模块化的结构。 十五章的主干自成一体，六个注明预备知识的进阶专题让课程可以在需要的地方增加深度。第10章本身也含有“进阶”的一节，同样的模式在章内也有体现。
• 便于自学。 出版社介绍说，带有提示和数值答案的学生习题穿插在各章中，目录也显示书末有数值答案与提示的部分。作者维护着一个提供勘误、更新和彩色图像的网站。
• 短小且定期更新。 约180页，一个学期即可读完。出版社称第三版纳入了普朗克任务的成果，序言也说每一版都吸收了新的发现。

局限

• 牛顿式的捷径。 序言本人把这一推导称为“一点巧妙的取巧”（a subtle bit of cheating）。广义相对论只出现在进阶专题1中，篇幅仅数页，所以需要基于度规的处理的读者必须另找资料。
• 重直觉轻严谨，对微扰着墨不多。 对微波背景各向异性和结构起源的详细处理仅限于进阶专题5，篇幅只有十几页；讲授结构增长的课程需要更高阶的资料。
• 观测数值很快过时。 进阶专题6给出的是2014年的标准模型，作者也指出宇宙学没有长期确立的基础，因此具体数值需要根据最新数据更新。

在课程中的定位

在本课程书单中，Liddle 的书是以物理为出发点、篇幅紧凑的本科宇宙学教材。Fraknoi、Morrison 和 Wolff 的 Astronomy 2e 以及 Binney 的 Astrophysics: A Very Short Introduction 作为不用微积分或只用极少数学的概览位于它之前，而 Maoz 的 Astrophysics in a Nutshell 是一学期的高年级课程，宇宙学是其最后一个主题。Carroll 与 Ostlie 的 An Introduction to Modern Astrophysics 是一本综合性的概览，把宇宙学放在长得多的一本书的末尾；Liddle 则用少得多的篇幅专门讲这个主题。

Dodelson 与 Schmidt 的 Modern Cosmology 是研究生层次的下一步：它推导微扰的玻尔兹曼方程和爱因斯坦方程，并用于微波背景和星系成团，这些正是 Liddle 只在进阶专题5中勾勒的内容。

如何使用本书

据序言，本书源自一门约20讲的课程，面向学士学位最后一年或硕士学位倒数第二年的学生；出版社把读者范围扩展到刚开始宇宙学研究的人。具备一年级物理和微积分就足够，不需要广义相对论。

对于短课程，按顺序阅读十五个主干章节，把第3–5章当作技术核心：膨胀方程的牛顿式推导、几何和简单模型，后面所有内容都要用到。第6–9章把模型与测量联系起来；第10–13章讲微波背景、早期宇宙、核合成和暴胀。若需要相对论式的处理和距离度量，可在第5章之后读进阶专题1和2；讲结构形成的进阶专题5可在第10章之后读。边读边使用穿插的习题和书末的提示，并到作者的网站查看勘误和更新的观测结果。