相對論與相對論重力測量

作　者：申文斌，寧津生，晁定波 著

叢 書 名：武漢大學學術叢書出 版 社：武漢大學出版社ISBN：9787307063846 出版時間：2008-12-01版　次：1頁　數：328裝　幀：平裝開　本：16開所屬分類：圖書 > 科學與自然 > 物理學

本書著重闡述相對論基礎以及相對論重力測量。

以歷史發展為線索，以第一性原理為準則，以儘可能簡明的陳述和邏輯推演，闡述了大地測量發展史以及狹義相對論；基於流形概念引入張力分析和黎曼幾何，闡述了廣義相對論基礎，討論並闡述了支持廣義相對論的三大經典實驗檢驗以及建立相對論大地測量所需要的各類方程；以廣義相對論為基礎研究了地球重力場理論，特別深入研討了與物理大地測量密切相關的重力測量問題；研究了相對論意義下的絕對重力測量和相對重力測量；闡述了相對論大地水準面以下以及等頻大地水準面的概念，給出了利用頻移法確定重力位差以及外部重力場的方法；闡述了相對論重力梯度測量原理；討論了引力和慣性力的分析問題。

本書可作為理工科高年級本科生、研究生和相關科研人員的參考書。

申文斌，1960年10月生，新疆昌吉人；1996年獲奧地利格拉茨技術大學博士學位；武漢大學教授、博上生導師、珞珈學者特聘教授；武漢人學測繪學院地球物理系主任，湖北省天文學會剮理事長，湖北省地震學會理事，全國高等教育地球科學教學指導委員會委員，武漢人學學報信息科學版、人地測量與地球動力學、測繪科學等雜誌的編委；主要從事物理大地測量、相塒論人地測量及地球物理教學和研究：主持、參與了多項國家自然科學基金、國家863以及省部級科學技術發展基金項目；倡導學科之間的相互交叉融合發展理念，主張親近自然、探索自然，推崇多學科、多方位、多元化合作研究；發表學術淪文80餘篇，合作出版專著、教材3部。

寧津生，1932年10月生，安徽桐城人：1956年畢業於上海同濟大學測量系；武漢大學教授、博士生導師；中國工程院院士；全國高等學校測繪學科教學指導委員會主任，國家測繪局科學技術委員會委員，測繪學報編委，大百科全書總編委員，大辭海分科主編等；長期從事大地測量的教學和科研工作，主要研究方向是物理大地測量的理論與方法，包括地球形狀、外部重力場及其模型等方面的研究；最先自主建立了我國階次最高、精度最好的地球重力場模型；主持完成了多項國家自然科學基金、罔家863計劃和省部級科學技術項目，合作編著和翻譯出版教材、專著14部，發表論文200餘篇。

晁定波，1936年10月生，江西進賢人；1961年畢業於原武漢測繪學院天文大地測量系；武漢大學教授，博士生導師；1982～1984年赴美國俄亥俄州立大學大地測量科學系進修高等物理大地測量和空間大地測量並進行相關課題研究，1994年再次赴美國俄亥俄州立大學進行合作研究；長期從事地球物理大地測量、地球重力場逼近理論和方法的研究；負責完成了多項國家自然科學基金、國家攀登計劃、國家863計劃及國家測繪局測繪科技發展基金項目；發表學術論文100餘篇，合作出版專著、教材11部。

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第1章　引論

1.1　大地測量發展簡史

1.1.1　歐幾里得幾何與大地測量學的興起

1.1.2　牛頓力學與物理大地測量學

1.1.3　慣性大地測量與空間大地測量的興起

1.2　相對論發展簡史

1.2.1　光速恆定原理

1.2.2　相對性原理與狹義相對論

1.2.3　牛頓引力理論與等效原理

1.2.4　非歐幾何

1.3　相對論大地測量概述

1.3.1　引言

1.3.2　相對論重力測量

1.3.3　相對論慣性大地測量

1.3.4　相對論參考系

1.3.5　相對論空間大地測量

第2章　狹義相對論導引

2.1　慣性定律、慣性參考系及伽利略相對性原理

2.2　兩個基本假設

2.3　洛倫茲變換及推論

2.3.1　洛倫茲變換

2.3.2　時間膨脹及雙生子佯謬

2.3.3　長度收縮

2.3.4　事件次序

2.4　洛倫茲變換的應用

2.4.1　速度變換

2.4.2　多普勒效應和光行差

2.4.3　慣性質量公式

2.4.4　質能公式

2.5　形式發展

2.5.1　閔可夫斯基空間

2.5.2　光速單位制

2.5.3　事件間隔

2.5.4　一般洛倫茲變換表示

2.6　相對論動力學

2.6.1　相對論力

2.6.2　能量和動量

2.7　矢量和張量

2.8　能量動量張量

2.9　粒子的自旋

第3章　廣義相對論基礎

3.1　等效原理

3.1.1　引力質量與慣性質量

3.1.2　等效原理的精確表述

3.1.3　度規張量與粒子在引力場中的運動

3.1.4　運動方程的牛頓極限

3.1.5　引力頻移效應

3.1.6　廣義協變原理

3.2　近代數學物理幾何方法

3.2.1　拓撲空間

3.2.2　映射

3.2.3　流形與張量

3.2.4　張量代數

3.2.5　張量密度

3.2.6　導數運算元與平行移動

3.2.7　仿射聯絡的變換

3.2.8　曲率與黎曼張量

3.2.9　測地線與測地線偏離方程

3.3　引力效應

3.3.1　對應原理

3.3.2　質點動力學

3.3.3　自旋運動方程

3.3.4　能量動量張量

3.3.5　引力、慣性力以及馬赫原理

3.4　愛因斯坦場方程

3.5　幾種常見的度規及應用

3.5.1　Schwarzschild度規

3.5.2　Robertson度規和Ken度規

3.5.3　一般運動方程

3.5.4　光線偏轉

3.5.5　粒子軌道的近點進動

3.5.6　時鐘、量桿及引力行為

3.5.7　粒子自旋的進動效應

3.5.8　光傳播的時間延遲效應

3.6　后牛頓近似及應用

3.6.1　后牛頓近似

3.6.2　質點和光子在後牛頓近似場中的運動方程

3.6.3　能量動量張量的計算

3.6.4　引力場與引力磁場

第4章　相對論重力測量

4.1　基本概念及度量標準

4.1.1　基本概念

4.1.2　時間標準

4.1.3　長度標準

4.1.4　研究方法

4.2　絕對重力測量和相對重力測量

4.2.1　引力與重力

4.2.2　絕對重力測量

4.2.3　相對重力測量

4.2.4　地球的質量

4.3　重力位與相對論大地水準面

4.3.1　重力位

4.3.2　相對論大地水準面的定義及註釋

4.3.3　相對論大地水準面與經典大地水準面的差異

4.4　高程差以及地球外部重力場的確定

4.4.1　測定重力位差的重力頻移法

4.4.2　大地水準面位常數的確定

4.4.3　利用頻移觀測量確定高程差的方法

4.4.4　用頻移法確定地球外部重力場的方法

4.5　實現全球高程基準統一的方法

4.5.1　利用GPS信號確定重力位差的方法

4.5.2　GPS信號頻移測量的誤差源分析

4.5.3　多普勒頻移消除法

4.5.4　全球高程基準的統一

4.6　軌道陀螺效應以及探測地球引力場精細結構的可能性

4.7　重力梯度測量

4.7.1　基本原理（牛頓框架）

4.7.2　引力與慣性力的分離問題

4.7.3　相對論重力梯度測量原理

附錄A　基本常數

A.1　物理常數

A.2　大地測量常數

參考文獻

索引

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作為地球科學特別是地球物理學的一個分支，大地測量學具有非常重要的地位。空間技術的發展將大地測量學推向了新的歷史舞台，相繼誕生了衛星大地測量學、慣性大地測量學乃至更廣義的空間大地測量學。

經典大地測量理論以歐幾里得空間為背景，以牛頓時空觀和經典物理學為基礎。大地測量的重要基礎之一是物理大地測量，或者說是重力測量理論。傳統的重力測量理論以牛頓力學為基礎，通稱牛頓重力測量理論（簡稱重力測量）。當相對精度要求接近或高於10-8～10-9量級時，牛頓重力測量理論不再保持有效，需要用以廣義相對論為基礎的重力測量理論——相對論重力測量理論來代替。隨著科學技術特別是空間觀測技術的發展，觀測量的精度越來越高，對許多待確定的量（如位置坐標、重力場、大地水準面等）的精度要求也隨之提高。因此，基於時代發展所需，有必要建立相對論重力測量理論。理論往往會走在實踐的前面，相對論重力測量也是如此。可以預見，在不久的將來，相對論重力測量將會得到廣泛應用。