Modern Cosmology（現代宇宙學）

引用

Dodelson, S., & Schmidt, F. (2025). Modern Cosmology (3rd ed.). Academic Press.

章節概要

第三版共14章，約520頁。出版社介紹了其兩階段的結構：先從弗裡德曼–勒梅特–羅伯遜–沃克（FLRW）度規描述的光滑、均勻的宇宙講起，仔細處理暗能量、大爆炸核合成、複合和暗物質；然後引入圍繞FLRW宇宙的擾動，包括藉助愛因斯坦–玻爾茲曼方程的演化、由暴脹產生的原初擾動，以及它們在宇宙微波背景（CMB）、引力透鏡和星系成團中的觀測後果。最後一章轉向模型與資料比較的統計方法。

第1–4章：The Concordance Model of Cosmology；The Expanding Universe；The Fundamental Equations of Cosmology；The Origin of Species

本書中光滑宇宙的部分。第一章介紹協調模型（concordance model），隨後幾章展開膨脹的宇宙和基本方程。出版社的介紹把暗能量、大爆炸核合成、複合和暗物質列為這一部分仔細處理的話題。

第5–6章：The Inhomogeneous Universe: Matter & Radiation；The Inhomogeneous Universe: Gravity

從光滑宇宙邁向擾動的一步。一章講物質與輻射，另一章講引力，二者合起來通向介紹中所說用於演化擾動的愛因斯坦–玻爾茲曼方程。

第7–8章：Initial Conditions；Growth of Structure: Linear Theory

擾動如何開始（介紹把它與暴脹產生原初擾動聯絡起來），以及線上性理論中如何演化。

第9–10章：The Cosmic Microwave Background；The Polarized CMB

CMB溫度譜的聲學峰，隨後是偏振及其分解為E模和B模。

第11–13章：Probes of Structure: Tracers；Growth of Structure: Beyond Linear Theory；Probes of Structure: Lensing

結構的示蹤物（介紹中提到星系成團中的重子聲學振盪標準尺和紅移空間畸變）、超越線性理論的結構增長，以及CMB和大尺度結構的引力透鏡。

第14章：Analysis and Inference

最後一章講如何分析宇宙學資料並推斷引數；出版社提到這一版新增了關於新興分析技術的一節。

核心概念

• 協調模型與FLRW宇宙：標準圖景及其光滑背景（第1–3章）。
• 暗能量、核合成、複合與暗物質：背景宇宙的主要成分和事件，如出版社介紹所列（第1–4章）。
• 愛因斯坦–玻爾茲曼方程：演化擾動的耦合方程（第5–6章）。
• 來自暴脹的初始條件：結構的原初種子（第7章）。
• 結構的線性增長：擾動還很小時的演化（第8章）。
• CMB聲學峰與E/B偏振：CMB的核心觀測量（第9–10章）。
• BAO標準尺與紅移空間畸變：星系成團中的探針（第11章）。
• 引力透鏡：CMB和大尺度結構的透鏡效應（第13章）。
• 統計推斷：由資料估計引數（第14章）。

評析

優點

• 從背景到資料的完整路徑。 章節順序由膨脹的宇宙經擾動理論，到CMB、大尺度結構、引力透鏡和推斷，展示了理論如何與測量銜接。
• 面向實踐。 Elsevier列出的特點之一是，提供學習如何進行宇宙學計算的實用方法。
• 針對近期進展的更新。 第三版新增了引力波、線強度對映和新興分析技術的內容，擴充了CMB次級效應的章節，加入關於非線性結構的理論、模擬和分析的材料，並修訂了插圖和教學處理。
• 作者活躍在該領域。 作者的研究涉及CMB、大尺度結構、暗能量和非線性結構形成，與本書的側重點相對應。

侷限

• 研究生層次且較專門。 出版社將讀者定位為選修宇宙學課程的物理學研究生和研究人員；目錄中沒有入門天文學或廣義相對論預備知識的章節。
• 集中於擾動和觀測量。 14章中大部分講不均勻性、CMB和大尺度結構；恆星、星系等更廣泛的天體物理話題，只在結構和示蹤物的層面出現在目錄裡。
• 所需的背景知識較多。 站內將廣義相對論或宇宙學、統計力學、量子力學和傅立葉方法列為先修要求，因此不適合初次接觸這一學科的讀者。

在課程中的定位

Dodelson與Schmidt是天體物理與宇宙學書單中的研究生宇宙學教材，其他幾本書是通往它的階梯。Fraknoi、Morrison與Wolff的Astronomy 2e是對整個宇宙的、基本不用數學的入門，Binney的Astrophysics: A Very Short Introduction則專注於天體中起作用的物理過程。Carroll與Ostlie的An Introduction to Modern Astrophysics是以宇宙學收尾的、基於微積分的綜合概覽，Maoz的Astrophysics in a Nutshell是以宇宙學為最後一個話題的簡明一學期課程。Liddle的An Introduction to Modern Cosmology是進入大爆炸宇宙學的簡短本科路徑，在牛頓論證夠用的地方就用它來推導膨脹和熱歷史。

對以研究宇宙學為目標的學生，自然的順序是先讀Liddle這樣的本科層次讀物，再讀Dodelson與Schmidt，學習擾動理論和觀測量。

如何使用本書

本書適合學過本科層次廣義相對論或宇宙學、統計力學和量子力學、並熟悉傅立葉方法的物理學研究生和研究人員。

實用的讀法：用第1–3章建立背景，如果學過本科宇宙學，可當作複習。第5–8章是技術核心：愛因斯坦–玻爾茲曼方程、初始條件和線性增長。之後CMB各章（第9–10章）和大尺度結構各章（第11–13章）可按課程側重點任選先後。第14章適合要處理資料的讀者。由於本書教授的是宇宙學計算，應親手推導，而不是被動地閱讀。