宇宙早期暴漲引起的原初密度擾動是我們現在觀測到的大尺度結構的種子. 對宇宙微波背景輻射的更加深入的分析研究有助于我們深刻理解宇宙的演化歷史, 同時宇宙暴漲機制的理論模型也對粒子物理基本理論提出了挑戰. 另外, 天文學家在1998 年通過超新星的觀測發現了宇宙現在處于加速膨脹階段, 從而表明宇宙中存在一種看不見的反引力的、被稱為暗能量的物質；而星系的旋轉曲線及宇宙中的引力透鏡等觀測結果表明了宇宙中還存在大量的不發光的暗物質.《宇宙學基本原理》 同時從物理學和天文學的角度來理解宇宙學的基本原理, 包括了天文學及物理學中的宇宙學內容, 如宇宙學場方程的熱力學對應、距離測量及數據擬合方法、宇宙原初核合成、密度擾動的自求解方法及增長因子、暴漲宇宙學模型及原初擾動譜的計算、宇宙微波背景輻射各向異性的計算、宇宙加速膨脹的超新星觀測證據、暗能量參數化、吸引子解的動力學分析等.
為天文系及物理系的研究生以及想從事宇宙學研究的物理學家及天文學家。可作為研究生及相關科技工作者的基礎理論讀物，估計學習宇宙學的研究生及從事宇宙學相關研究工作的科研工作者會使用該書。
龔云貴，華中科技大學，教授，長期從事粒子物理及宇宙學的研究工作
前言第1章標準宇宙學模型....................................................... 1
1.1 宇宙學原理.............................................................2
1.2 牛頓宇宙學.............................................................3
1.3羅伯遜–沃克度規.......................................................4
1.4 弗里德曼方程.......................................................... 5
1.5 物質為主的宇宙........................................................ 8
1.5.1愛因斯坦–德西特宇宙............................................... 9
1.5.2 開宇宙........................................................... 10
1.5.3 閉宇宙........................................................... 10
1.6 輻射為主的宇宙.......................................................11
1.6.1 平坦宇宙......................................................... 12
1.6.2 開宇宙........................................................... 12
1.6.3 閉宇宙........................................................... 13
1.7 含有宇宙學常數的模型............................................... 13
1.7.1 靜態宇宙......................................................... 15
1.7.2 德西特宇宙....................................................... 15
1.7.3 勒梅特模型....................................................... 15
1.7.4愛丁頓–勒梅特模型................................................ 16
1.8 視界及宇宙熱力學.................................................... 16
第2 章觀測宇宙學........................................................... 20
2.1 宇宙學紅移........................................................... 20
2.2距離–紅移關系........................................................ 21
2.3 微波背景輻射......................................................... 23
2.4 距離測量.............................................................. 27
2.4.1 三角視差......................................................... 27
2.4.2 星團視差......................................................... 28
2.4.3 視光度........................................................... 28
2.4.4土利–費什爾方法.................................................. 30
2.5 哈勃常數.............................................................. 30
2.5.1 Ia 型超新星.......................................................30
2.5.2 哈勃空間望遠鏡重點計劃...........................................31
2.6 宇宙年齡.............................................................. 32
2.6.1 放射性元素的年齡................................................. 32
2.6.2 宇宙的年齡....................................................... 33
2.7 宇宙中物質的密度及暗物質........................................... 34
2.8 星際吸收.............................................................. 36
2.8.1岡–皮特森效應.................................................... 37
2.8.2 AP 檢驗..........................................................38
2.9 χ2 擬合方法與邊緣化方法............................................ 40
2.9.1 邊緣化方法....................................................... 41
2.9.2 MINUIT 程序代碼................................................ 43
第3 章宇宙的熱歷史.........................................................48
3.1 平衡態熱力學......................................................... 48
3.2 宇宙熱歷史........................................................... 51
3.2.1中微子溫度及物質–輻射相等....................................... 53
3.2.2 重結合及退耦..................................................... 55
3.3 原初核合成........................................................... 56
3.3.1 原子核統計平衡................................................... 57
3.3.2 初始條件......................................................... 57
3.3.3 輕元素的合成..................................................... 59
第4 章宇宙學微擾理論...................................................... 63
4.1 金斯理論.............................................................. 63
4.2 牛頓理論中的線性微擾動力學........................................ 64
4.3 輻射為主時期的密度擾動............................................. 66
4.4 自求解方法........................................................... 68
4.5 增長因子.............................................................. 69
4.6 微擾的非線性演化.................................................... 72
4.6.1 臨界密度......................................................... 74
4.6.2 質量函數......................................................... 74
4.7 相對論微擾理論.......................................................76
4.7.1 張量的分解....................................................... 76
4.7.2 度規的標量擾動................................................... 77
4.7.3 共形牛頓規范下的標量微擾........................................ 79
4.7.4 同步規范下的標量擾動.............................................83
4.7.5 規范變換......................................................... 85
4.7.6 張量擾動......................................................... 88
第5 章暴漲宇宙學........................................................... 89
5.1 標準宇宙學中的困難.................................................. 89
5.1.1 視界問題......................................................... 89
5.1.2 平坦性問題....................................................... 89
5.2 標量場模型........................................................... 91
5.2.1 重新加熱......................................................... 93
5.2.2 冪次勢........................................................... 94
5.2.3 小暴漲勢......................................................... 95
5.2.4 冪次暴漲......................................................... 96
5.3 標量場的量子微擾.................................................... 96
5.4 引力場的量子微擾................................................... 100
第6 章宇宙微波背景輻射...................................................102
6.1 溫度各向異性........................................................ 102
6.1.1 偶極矩.......................................................... 103
6.1.2薩克斯–沃爾夫效應...............................................104
6.1.3 非高斯性........................................................ 105
6.2 玻爾茲曼方程........................................................ 107
6.2.1 光子的玻爾茲曼方程..............................................108
6.2.2 張量微擾........................................................ 111
6.2.3 中微子玻爾茲曼方程..............................................111
6.2.4 遞推方程........................................................ 111
6.2.5 冷暗物質的玻爾茲曼方程......................................... 113
6.3 超視界密度擾動與初始條件..........................................113
6.3.1 超視界冷暗物質的密度擾動....................................... 115
6.3.2 大尺度各向異性.................................................. 116
6.4 緊耦合極限.......................................................... 117
6.5 沿視線積分方法......................................................119
6.6 微波背景輻射的極化................................................. 122
6.6.1 斯托克斯參數.................................................... 122
6.6.2 CMB 極化.......................................................123
6.6.3 湯姆孫散射...................................................... 124
6.7 張量微擾的玻爾茲曼方程............................................ 126
6.7.1 全角動量方法.................................................... 127
6.7.2 積分解.......................................................... 129
第7 章暗能量模型.......................................................... 130
7.1 暗能量的觀測證據................................................... 130
7.1.1 超新星與標準燭光................................................130
7.1.2 超新星觀測結果.................................................. 132
7.2 暗能量的參數化......................................................134
7.3 標量場模型.......................................................... 142
7.3.1 標度解.......................................................... 142
7.3.2 追蹤解及物態方程參數的演化速度................................. 144
7.3.3 瓦解模型的近似解................................................146
7.4 動力學分析.......................................................... 147
7.5 最一般的標量場追蹤解.............................................. 150
7.6 全息暗能量模型......................................................152
7.7 契浦利金氣體模型................................................... 154
參考文獻.......................................................................156
索引........................................................................... 162
