Khám phá Vũ trụ Toán học: An Introduction to Mathematical Cosmology (2nd ed)

Khám phá vũ trụ toán học qua "Giới thiệu về vũ trụ học toán học" của J. Islam (bản tái bản lần 2). Tìm hiểu sâu sắc về các mô hình vũ trụ và cơ sở toán học của chúng.

Trường đại học

University Of Chittagong

Chuyên ngành

Cosmology

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Textbook

2004

264
0
0

Phí lưu trữ

55 Point

Mục lục chi tiết

Preface to the first edition

Preface to the second edition

1. Some basic concepts and an overview of cosmology

2. Introduction to general relativity

2.1. Summary of general relativity

2.2. Some special topics in general relativity

2.3. Gauss and Stokes theorems

2.4. The action principle for gravitation

2.5. Some further topics

3. The Robertson–Walker metric

3.1. A simple derivation of the Robertson–Walker metric

3.2. Some geometric properties of the Robertson– Walker metric

3.3. Some kinematic properties of the Robertson– Walker metric

3.4. The Einstein equations for the Robertson–Walker metric

3.5. Rigorous derivation of the Robertson–Walker metric

4. The Friedmann models

4.2. Exact solution for zero pressure

4.3. Solution for pure radiation

4.5. Exact solution connecting radiation and matter eras

4.6. The red-shift versus distance relation

4.7. Particle and event horizons

5. The Hubble constant and the deceleration parameter

5.4. Further remarks about observational cosmology

6. Models with a cosmological constant

6.2. Further remarks about the cosmological constant

6.3. Limits on the cosmological constant

6.4. Some recent developments regarding the cosmological constant and related matters

6.2. An exact solution with cosmological constant

6.3. Restriction of parameter space

7. Singularities in cosmology

7.3. Some results of general relativistic hydrodynamics

7.4. Definition of singularities

7.5. An example of a singularity theorem

7.6. An anisotropic model

7.7. The oscillatory approach to singularities

7.8. A singularity-free universe?

8. The early universe

8.2. The very early universe

8.3. Equations in the early universe

8.4. Black-body radiation and the temperature of the early universe

8.5. Evolution of the mass-energy density

8.6. Nucleosynthesis in the early universe

8.7. Further remarks about helium and deuterium

8.8. Neutrino types and masses

9. The very early universe and inflation

9.2. Inflationary models – qualitative discussion

9.3. Inflationary models – quantitative description

9.4. An exact inflationary solution

9.5. Further remarks on inflation

9.6. More inflationary solutions

10. Quantum cosmology

10.3. The Schrödinger functional equation for a scalar field

10.4. A functional differential equation

10.5. Solution for a scalar field

10.6. The free electromagnetic field

10.7. The Wheeler–De Witt equation

10.10. Further remarks about quantum cosmology

11. The distant future of the universe

11.2. Three ways for a star to die

11.3. Galactic and supergalactic black holes

11.4. Black-hole evaporation

11.5. Slow and subtle changes

11.6. A collapsing universe

Appendix

Bibliography

Index

Tóm tắt

I. Tổng Quan về Vũ Trụ Học Toán Học Cách Tiếp Cận Vũ Trụ

Vũ trụ học là ngành nghiên cứu về cấu trúc và sự tiến hóa của vũ trụ trên quy mô lớn. Vũ trụ học toán học sử dụng các công cụ và phương pháp toán học để mô tả và giải thích các hiện tượng vũ trụ, từ nguồn gốc của vũ trụ (Big Bang) đến sự hình thành và phát triển của các thiên hà và cụm thiên hà. Cách tiếp cận toán học cho phép các nhà khoa học xây dựng các mô hình vũ trụ chính xác và đưa ra các dự đoán có thể kiểm chứng bằng các quan sát thiên văn. Một trong những nguyên tắc cơ bản của vũ trụ học toán học là Nguyên lý Vũ trụ học, cho rằng vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng trên quy mô đủ lớn, giúp đơn giản hóa các phương trình và mô hình. Việc nghiên cứu vũ trụ học toán học không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về vũ trụ mà còn cung cấp những kiến thức sâu sắc về vật lý, toán học và các ngành khoa học liên quan.

1.1. Giới thiệu các khái niệm cơ bản của Vũ trụ học

Vũ trụ học nghiên cứu cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ, xem vũ trụ là một chỉnh thể thống nhất. Trong những thập kỷ gần đây, vũ trụ học đã chứng minh vũ trụ không chỉ là một tập hợp ngẫu nhiên các vật chất phân bố không đều mà là một thực thể duy nhất, tất cả các bộ phận đều liên kết với nhau. Các thành phần cơ bản trong vũ trụ học là các thiên hà, tập hợp khoảng 10^11 ngôi sao liên kết với nhau bằng lực hấp dẫn. Các thiên hà có xu hướng tập hợp thành các cụm, mỗi cụm chứa từ vài đến vài nghìn thiên hà. Có bằng chứng về sự tồn tại của các siêu cụm, nhưng không có nhiều bằng chứng về các hệ thống phân cấp cao hơn. Các quan sát cho thấy các thiên hà được phân bố đồng đều khắp vũ trụ tại bất kỳ thời điểm nào. Điều này có nghĩa là nếu xem xét một phần của vũ trụ lớn hơn nhiều so với khoảng cách giữa các thiên hà lân cận (khoảng một triệu năm ánh sáng), thì số lượng thiên hà trong phần đó gần bằng số lượng trong phần khác có cùng thể tích tại bất kỳ thời điểm nào.

1.2. Vai trò của Toán học trong việc mô tả Vũ trụ

Phân tích toán học vũ trụ cung cấp các công cụ để xây dựng các mô hình vũ trụ từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm Mô hình ΛCDM mô tả năng lượng tối và vật chất tối, cũng như các mô hình lạm phát vũ trụ giải thích sự giãn nở nhanh chóng của vũ trụ trong giai đoạn đầu. Các phương trình toán học cho phép các nhà khoa học đưa ra các dự đoán về sự tiến hóa của vũ trụ, từ sự hình thành các cấu trúc lớn như thiên hà và cụm thiên hà đến số phận cuối cùng của vũ trụ. Thuyết tương đối rộng của Einstein cung cấp nền tảng cho việc mô tả vũ trụ, sử dụng các phương trình toán học phức tạp để liên hệ giữa hình học không thời gian và sự phân bố vật chất và năng lượng.

II. Thách Thức trong Giải Thích Vũ Trụ Bằng Toán Học Điểm Nghẽn

Mặc dù vũ trụ học toán học đã đạt được nhiều thành tựu, vẫn còn nhiều thách thức chưa được giải quyết. Một trong những thách thức lớn nhất là sự hiểu biết về năng lượng tốivật chất tối, hai thành phần chiếm phần lớn năng lượng và vật chất trong vũ trụ nhưng lại chưa được hiểu rõ về bản chất. Ngoài ra, việc dung hòa thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử trong bối cảnh vũ trụ học lượng tử vẫn là một vấn đề nan giải. Các quan sát thiên văn ngày càng chính xác cũng đặt ra những câu hỏi mới về tính đồng nhất và đẳng hướng của vũ trụ, cũng như sự phù hợp của các mô hình vũ trụ hiện tại với dữ liệu thực tế. Việc giải quyết những thách thức này đòi hỏi sự phát triển của các lý thuyết và phương pháp toán học mới.

2.1. Những bí ẩn chưa được giải đáp về Vật chất tối và Năng lượng tối

Năng lượng tốivật chất tối là hai thành phần bí ẩn của vũ trụ, chiếm phần lớn năng lượng và vật chất nhưng lại không tương tác với ánh sáng hoặc vật chất thông thường. Vật chất tối được cho là tạo thành một mạng lưới bao quanh các thiên hà, giữ chúng lại với nhau và ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của các cấu trúc lớn trong vũ trụ. Năng lượng tối được cho là gây ra sự giãn nở加速 của vũ trụ, đẩy các thiên hà ra xa nhau với tốc độ ngày càng tăng. Các nhà khoa học đang nỗ lực tìm kiếm và xác định vật chất tốinăng lượng tối thông qua các thí nghiệm và quan sát thiên văn, nhưng đến nay vẫn chưa có kết quả cuối cùng.

2.2. Hạn chế của Thuyết Tương đối rộng trong Vũ trụ học lượng tử

Thuyết tương đối rộng mô tả vũ trụ trên quy mô lớn, trong khi cơ học lượng tử mô tả thế giới vi mô của các hạt và trường. Vũ trụ học lượng tử cố gắng dung hòa hai lý thuyết này để mô tả nguồn gốc và sự tiến hóa của vũ trụ trong giai đoạn đầu, khi mật độ và năng lượng rất cao. Tuy nhiên, việc kết hợp thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử gặp nhiều khó khăn, và đến nay vẫn chưa có một lý thuyết thống nhất và hoàn chỉnh. Một trong những vấn đề lớn nhất là sự xuất hiện của các kỳ dị (singularities), những điểm trong không thời gian nơi các định luật vật lý thông thường không còn áp dụng được, chẳng hạn như tại thời điểm Big Bang.

III. Phương Pháp Giải thích Sự Giãn Nở Vũ Trụ Phương Trình Einstein

Một trong những công cụ quan trọng nhất trong vũ trụ học toán họcphương trình Einstein, mô tả mối quan hệ giữa hình học không thời gian và sự phân bố vật chất và năng lượng. Phương trình Einstein cho phép các nhà khoa học xây dựng các mô hình vũ trụ khác nhau, từ các mô hình đơn giản như mô hình Friedmann đến các mô hình phức tạp hơn có xét đến năng lượng tối, vật chất tốilạm phát vũ trụ. Bằng cách giải phương trình Einstein, các nhà khoa học có thể mô phỏng sự giãn nở của vũ trụ và dự đoán số phận cuối cùng của nó. Nghiên cứu này còn giúp làm sáng tỏ các phương trình toán học được sử dụng trong vũ trụ học. Thuyết tương đối rộng đóng vai trò không thể thiếu trong vũ trụ học toán học.

3.1. Ứng dụng Phương trình Einstein trong mô hình Friedmann

Mô hình Friedmann là một trong những mô hình vũ trụ đơn giản nhất, dựa trên phương trình Einstein và giả định về tính đồng nhất và đẳng hướng của vũ trụ. Mô hình Friedmann mô tả sự giãn nở của vũ trụ và dự đoán rằng vũ trụ có thể có ba hình dạng khác nhau: mở, đóng hoặc phẳng, tùy thuộc vào mật độ vật chất và năng lượng trong vũ trụ. Mô hình Friedmann đã được sử dụng để giải thích nhiều quan sát thiên văn, chẳng hạn như sự giãn nở của vũ trụ và sự tồn tại của nền vi sóng vũ trụ.

3.2. Mô hình ΛCDM Kết hợp năng lượng tối và vật chất tối

Mô hình ΛCDM là một mô hình vũ trụ phức tạp hơn, kết hợp phương trình Einstein với các thành phần năng lượng tốivật chất tối. Mô hình ΛCDM giải thích nhiều quan sát thiên văn, chẳng hạn như sự giãn nở加速 của vũ trụ, sự tồn tại của nền vi sóng vũ trụ và sự hình thành các cấu trúc lớn trong vũ trụ. Mô hình ΛCDM hiện là mô hình vũ trụ được chấp nhận rộng rãi nhất, nhưng vẫn còn nhiều câu hỏi chưa được giải đáp về bản chất của năng lượng tốivật chất tối.

IV. Vai Trò của Lạm Phát Vũ Trụ Cách giải thích nguồn gốc vũ trụ

Lạm phát vũ trụ là một lý thuyết cho rằng vũ trụ đã trải qua một giai đoạn giãn nở cực nhanh trong giai đoạn đầu, khoảng 10^-36 giây sau Big Bang. Lạm phát vũ trụ giải thích nhiều đặc điểm của vũ trụ, chẳng hạn như tính đồng nhất và đẳng hướng của vũ trụ, cũng như sự tồn tại của các biến động lượng tử nhỏ đã tạo ra các cấu trúc lớn trong vũ trụ. Lạm phát vũ trụ cũng có thể liên quan đến vật lý hạt, vì nó có thể được gây ra bởi các trường scalar hoặc các hạt cơ bản khác. Lạm phát vũ trụ vẫn là một chủ đề nghiên cứu tích cực, với nhiều mô hình và lý thuyết khác nhau đang được phát triển.

4.1. Cơ chế và Bằng chứng của Lạm phát Vũ trụ

Cơ chế của lạm phát vũ trụ vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn, nhưng có nhiều mô hình khác nhau đang được nghiên cứu. Một trong những mô hình phổ biến nhất là mô hình lạm phát dựa trên các trường scalar, các trường có giá trị tại mọi điểm trong không gian và thời gian. Các bằng chứng ủng hộ lạm phát vũ trụ bao gồm tính đồng nhất và đẳng hướng của vũ trụ, sự tồn tại của các biến động lượng tử nhỏ và các quan sát về nền vi sóng vũ trụ.

4.2. Ảnh hưởng của Lạm phát lên cấu trúc Vũ trụ

Lạm phát vũ trụ có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc của vũ trụ. Trong giai đoạn lạm phát, các biến động lượng tử nhỏ đã được khuếch đại thành các biến động mật độ lớn, tạo ra các hạt giống cho sự hình thành các cấu trúc lớn như thiên hà và cụm thiên hà. Lạm phát vũ trụ cũng dự đoán sự tồn tại của các sóng hấp dẫn nguyên thủy, có thể được phát hiện thông qua các quan sát về nền vi sóng vũ trụ.

V. Nghiên Cứu Nền Vi Sóng Vũ Trụ Cách giải thích nguồn gốc vũ trụ

Nền vi sóng vũ trụ (CMB) là bức xạ còn sót lại từ giai đoạn đầu của vũ trụ, khi vũ trụ chỉ mới khoảng 380.000 năm tuổi. CMB là một nguồn thông tin vô giá về vũ trụ, cung cấp những dữ liệu quan trọng về tuổi, hình dạng, thành phần và sự tiến hóa của vũ trụ. Các nhà khoa học sử dụng CMB để kiểm tra các mô hình vũ trụ và tìm kiếm các dấu hiệu của lạm phát vũ trụ, vật chất tốinăng lượng tối. Các thông số vũ trụ học chính, có thể được suy ra từ phân tích toán học nền vi sóng vũ trụ

5.1. Sự hình thành và đặc điểm của Nền vi sóng vũ trụ

CMB được hình thành khi vũ trụ trở nên đủ lạnh để các electron và proton kết hợp thành các nguyên tử hydro trung hòa. Trước thời điểm này, vũ trụ là một plasma nóng, trong đó các photon (hạt ánh sáng) liên tục tương tác với các electron tự do. Khi các electron và proton kết hợp thành các nguyên tử hydro, các photon trở nên tự do di chuyển trong không gian, tạo thành CMB. CMB có nhiệt độ gần như đồng đều, khoảng 2.7 Kelvin, nhưng có những biến động nhỏ về nhiệt độ, cho thấy sự tồn tại của các biến động mật độ trong giai đoạn đầu của vũ trụ.

5.2. Thông tin chứa đựng trong Nền vi sóng vũ trụ

CMB chứa đựng nhiều thông tin về vũ trụ. Các biến động nhiệt độ trong CMB cho thấy sự tồn tại của các biến động mật độ trong giai đoạn đầu của vũ trụ, đã tạo ra các cấu trúc lớn như thiên hà và cụm thiên hà. CMB cũng cung cấp thông tin về hình dạng của vũ trụ, cho thấy vũ trụ có hình dạng phẳng. Ngoài ra, CMB còn cung cấp thông tin về thành phần của vũ trụ, cho thấy vũ trụ chứa khoảng 5% vật chất thông thường, 27% vật chất tối và 68% năng lượng tối.

VI. Tương Lai của Vũ Trụ Học Toán Học Khám Phá Vũ Trụ Tận Cùng

Vũ trụ học toán học tiếp tục phát triển và mở ra những hướng nghiên cứu mới. Các nhà khoa học đang nỗ lực phát triển các lý thuyết mới để giải thích các bí ẩn chưa được giải đáp của vũ trụ, chẳng hạn như bản chất của năng lượng tốivật chất tối, cũng như sự dung hòa giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử. Các quan sát thiên văn ngày càng chính xác cũng cung cấp những dữ liệu mới để kiểm tra các mô hình vũ trụ và tìm kiếm những dấu hiệu của các hiện tượng mới. Vũ trụ học toán học hứa hẹn sẽ tiếp tục mang lại những khám phá đột phá về vũ trụ trong tương lai.

6.1. Các vấn đề mở và hướng nghiên cứu mới trong Vũ trụ học

Vẫn còn nhiều vấn đề mở trong vũ trụ học toán học. Một trong những vấn đề quan trọng nhất là bản chất của năng lượng tốivật chất tối. Các nhà khoa học cũng đang nỗ lực tìm hiểu về nguồn gốc của lạm phát vũ trụ, cũng như sự dung hòa giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử. Ngoài ra, các quan sát thiên văn ngày càng chính xác cũng đặt ra những câu hỏi mới về tính đồng nhất và đẳng hướng của vũ trụ.

6.2. Vai trò của các công nghệ và dữ liệu mới trong nghiên cứu Vũ trụ

Các công nghệ và dữ liệu mới đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu vũ trụ. Các kính thiên văn mạnh mẽ hơn, như Kính viễn vọng Không gian James Webb, cung cấp những hình ảnh và dữ liệu chi tiết hơn về vũ trụ, cho phép các nhà khoa học kiểm tra các mô hình vũ trụ và tìm kiếm những dấu hiệu của các hiện tượng mới. Các thí nghiệm vật lý hạt cũng đang được sử dụng để tìm kiếm vật chất tối và kiểm tra các lý thuyết về vật lý hạt.

27/09/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

TLFeBOOK This page intentionally left blank www.com TLFeBOOK AN INTRODUCTION TO MATHEMATICAL COSMOLOGY This book provides a concise introduction to the mathematical aspects of the origin, structure and evolution of the universe. The book begins with a brief overview of observational and theoretical cosmology, along with a short introduction to general relativity. It then goes on to discuss Friedmann models, the Hubble constant and deceleration parameter, singularities, the early universe, inflation, quantum cosmology and the distant future of the universe. This new edition contains a rigorous derivation of the Robertson–Walker metric.

It also discusses the limits to the parameter space through various theoretical and observational constraints, and presents a new inflationary solution for a sixth degree potential. This book is suitable as a textbook for advanced undergradu- ates and beginning graduate students. It will also be of interest to cosmologists, astrophysicists, applied mathematicians and mathematical physicists.    received his PhD and ScD from the University of Cambridge.

In 1984 he became Professor of Mathematics at the University of Chittagong, Bangladesh, and is currently Director of the Research Centre for Mathematical and Physical Sciences, University of Chittagong. Professor Islam has held research positions in university departments and institutes throughout the world, and has published numerous papers on quantum field theory, general relativity and cosmology. He has also written and contributed to several books.com TLFeBOOK www.com TLFeBOOK AN IN T ROD U CT IO N T O MATHEM AT ICAL C OSMO LOG Y Second edition J. ISLAM Research Centre for Mathematical and Physical Sciences, University of Chittagong, Bangladesh www.com TLFeBOOK           The Pitt Building, Trumpington Street, Cambridge, United Kingdom    The Edinburgh Building, Cambridge CB2 2RU, UK 40 West 20th Street, New York, NY 10011-4211, USA 477 Williamstown Road, Port Melbourne, VIC 3207, Australia Ruiz de Alarcón 13, 28014 Madrid, Spain Dock House, The Waterfront, Cape Town 8001, South Africa http://www.org © Cambridge University Press 1992, 2004 First published in printed format 2001 ISBN 0-511-01849-5 eBook (netLibrary) ISBN 0-521-49650-0 hardback ISBN 0-521-49973-9 paperback www.com TLFeBOOK Contents Preface to the first edition page ix Preface to the second edition xi 1 Some basic concepts and an overview of cosmology 1 2 Introduction to general relativity 12 2.1 Summary of general relativity 12 2.2 Some special topics in general relativity 18 2.3 Gauss and Stokes theorems 24 2.4 The action principle for gravitation 28 2.5 Some further topics 32 3 The Robertson–Walker metric 37 3.1 A simple derivation of the Robertson–Walker metric 37 3.2 Some geometric properties of the Robertson– Walker metric 42 3.3 Some kinematic properties of the Robertson– Walker metric 45 3.4 The Einstein equations for the Robertson–Walker metric 51 3.5 Rigorous derivation of the Robertson–Walker metric 53 4 The Friedmann models 60 4.2 Exact solution for zero pressure 64 4.3 Solution for pure radiation 67 4.5 Exact solution connecting radiation and matter eras 68 v www.com TLFeBOOK vi Contents 4.6 The red-shift versus distance relation 71 4.7 Particle and event horizons 73 5 The Hubble constant and the deceleration parameter 76 5.4 Further remarks about observational cosmology 85 Appendix to Chapter 5 90 6 Models with a cosmological constant 94 6.2 Further remarks about the cosmological constant 98 6.3 Limits on the cosmological constant 100 6.4 Some recent developments regarding the cosmological constant and related matters 102 6.2 An exact solution with cosmological constant 104 6.3 Restriction of parameter space 107 7 Singularities in cosmology 112 7.3 Some results of general relativistic hydrodynamics 115 7.4 Definition of singularities 118 7.5 An example of a singularity theorem 120 7.6 An anisotropic model 121 7.7 The oscillatory approach to singularities 122 7.8 A singularity-free universe? 126 8 The early universe 128 8.2 The very early universe 135 8.3 Equations in the early universe 142 8.4 Black-body radiation and the temperature of the early universe 143 8.5 Evolution of the mass-energy density 148 8.6 Nucleosynthesis in the early universe 153 8.7 Further remarks about helium and deuterium 159 8.8 Neutrino types and masses 164 www.com TLFeBOOK Contents vii 9 The very early universe and inflation 166 9.2 Inflationary models – qualitative discussion 167 9.3 Inflationary models – quantitative description 174 9.4 An exact inflationary solution 178 9.5 Further remarks on inflation 180 9.6 More inflationary solutions 183 Appendix to Chapter 9 186 10 Quantum cosmology 189 10.3 The Schrödinger functional equation for a scalar field 195 10.4 A functional differential equation 197 10.5 Solution for a scalar field 199 10.6 The free electromagnetic field 199 10.7 The Wheeler–De Witt equation 201 10.10 Further remarks about quantum cosmology 209 11 The distant future of the universe 211 11.2 Three ways for a star to die 211 11.3 Galactic and supergalactic black holes 213 11.4 Black-hole evaporation 215 11.5 Slow and subtle changes 216 11.6 A collapsing universe 218 Appendix 220 Bibliography 238 Index 247 www.com TLFeBOOK www.com TLFeBOOK Preface to the first edition Ever since I wrote my semi-popular book The Ultimate Fate of the Universe I have been meaning to write a technical version of it.

There are of course many good books on cosmology and it seemed doubtful to me whether the inclusion of a chapter on the distant future of the universe would itself justify another book. However, in recent years there have been two interesting developments in cosmology, namely inflationary models and quantum cosmology, with their connection with particle physics and quantum mechanics, and I believe the time is ripe for a book containing these topics. Accordingly, this book has a chapter each on inflationary models, quantum cosmology and the distant future of the universe (as well as a chapter on singularities not usually contained in the standard texts). This is essentially an introductory book.

None of the topics dealt with have been treated exhaustively. However, I have tried to include enough introductory material and references so that the reader can pursue the topic of his interest further. A knowledge of general relativity is helpful; I have included a brief exposition of it in Chapter 2 for those who are not familiar with it. This material is very standard; the form given here is taken essentially from my book Rotating Fields in General Relativity.

In the process of writing this book, I discovered two exact cosmological solutions, one connecting radiation and matter dominated eras and the other representing an inflationary model for a sixth degree potential. These have been included in Sections 4.4 respectively as I believe they are new and have some physical relevance. I am grateful to J. Rees for providing some useful references.

I am indebted to a Cambridge University Press reader for helpful comments; the portion on observational cosmology has I believe improved considerably as a result of these comments. I am grateful to ix www.com TLFeBOOK x Preface to the first edition F. Dyson for his ideas included in the last chapter. I thank Maureen Storey of Cambridge University Press for her efficient and constructive subediting.

I am grateful to my wife Suraiya and daughters Nargis and Sadaf and my son-in-law Kamel for support and encouragement during the period this book was written. I have discussed plans for my books with Mrs Mary Wraith, who kindly typed the manuscript for my first book. For more than three decades she has been friend, philosopher and mentor for me and my wife and in recent years a very affectionate godmother (‘Goddy’) to my daughters. This book is fondly dedicated to this remarkable person.

Jamal Nazrul Islam Chittagong, 1991 www.com TLFeBOOK Preface to the second edition The material in the earlier edition, to which there appears to have been a favourable response, has been kept intact as far as possible in this new edition except for minor changes. A number of new additions have been made. Some standard topics have been added to the introduction to general relativity, such as Killing vectors. Not all these topics are used later in the book, but some may be of use to the beginning student for mathe- matical aspects of cosmological studies.

Observational aspects have been brought up to date in an extended chapter on the cosmological constant. As this is a book on mathematical cosmology, the treatment of observa- tions is not definitive or exhaustive by any means, but hopefully it is ade- quate. To clarify the role of the cosmological constant, much discussed in recent years, an exact, somewhat unusual solution with cosmological con- stant is included. Whether the solution is new is not clear: it is meant to provide a ‘comprehension exercise’.

One reviewer of the earlier edition wondered why the Hubble constant and the deceleration parameter were chosen for a separate chapter. I believe these two parameters are among the most important in cosmology; adequate understanding of these helps to assess observations generally. Within the last year or two, through anal- yses of supernovae in distant galaxies, evidence seems to be emerging that the universe may be accelerating, or at least the deceleration may be not as much as was supposed earlier. If indeed the universe is accelerating, the nomenclature ‘deceleration parameter’ may be called into question.

In any case, much more work has to be done, both observational and theoretical, to clarify the situation and it is probably better to retain the term, and refer to a possible acceleration as due to a ‘negative deceleration parame- ter’ (in case one has to revert back to ‘deceleration’!). I believe it makes sense, in most if not all subjects, constantly to refer back to earlier work, observational, experimental or practical, as well as theoretical aspects, for xi www.com TLFeBOOK xii Preface to the second edition this helps to point to new directions and to assess new developments. Some of the material retained from the first edition could be viewed in this way. A new exact inflationary solution for a sixth degree potential has been added to the chapter on the very early universe.

The chapter on quantum cosmology is extended to include a discussion on functional differential equations, material which is not readily available. This topic is relevant for an understanding of the Wheeler–De Witt equation. Some additional topics and comments are considered in the Appendix at the end of the book. Needless to say, in the limited size and scope of the book an exhaus- tive treatment of any topic is not possible, but we hope enough ground has been covered for the serious student of cosmology to benefit from it.

As this book was going to press, Fred Hoyle passed away. Notwith- standing the controversies he was involved in, I believe Hoyle was one of the greatest contributors to cosmology in the twentieth century. The con- troversies, more often than not, led to important advances. Hoyle’s predic- tion of a certain energy level of the carbon nucleus, revealed through his studies of nucleosynthesis, confirmed later in the laboratory, was an out- standing scientific achievement.

A significant part of my knowledge of cosmology, for what it is worth, was acquired through my association with the then Institute of Theoretical Astronomy at Cambridge, of which the Founder-Director was Hoyle, who was kind enough to give me an appoint- ment for some years. I shall always remember this with gratitude. I am grateful to Clare Hall, Cambridge, for providing facilities where the manuscript and proofs were completed. I am grateful for helpful comments by various CUP readers and refer- ees, although it has not been possible to incorporate all their suggestions.

I thank the various reviewers of the earlier edition for useful comments. I am grateful to Simon Mitton, Rufus Neal, Adam Black and Tamsin van Essen for cooperation and help at various stages in the preparation of this edition. I thank ‘the three women in my life’ (Suraiya, Sadaf and Nargis) and my son-in-law Kamel for support and encouragement. Jamal Nazrul Islam Chittagong, November 2000 www.com TLFeBOOK IN MEMORIAM Mary Wraith (1908–1995) in affection, admiration and gratitude www.com TLFeBOOK www.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ