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出版者:哈工大

作者:房晓勇 刘竟业

出品人:

页数:238

译者:

出版时间:2004-2

价格:28.00元

装帧:

isbn号码:9787560319766

丛书系列:

图书标签:

• 固体物理
• 凝聚态物理
• 材料物理
• 物理学
• 量子力学
• 晶体结构
• 能带理论
• 半导体物理
• 电子能谱
• 热物理性质

宇宙的织锦：从量子纠缠到时空涟漪的探索 一、导言：在无限与微观的交汇点 本书并非聚焦于晶格振动、能带理论或晶体结构这些传统固体物理学的核心议题。相反，它将带领读者跨越宏观与微观的边界，深入探索那些驱动宇宙基本运作机制的深刻物理原理。我们将从最基本的量子力学概念出发，逐步构建起一个理解时空、物质和信息如何在最底层逻辑上相互关联的理论框架。我们的旅程将穿越爱因斯坦的宏伟场方程所描绘的引力疆域，抵达量子场论的微观战场，最终触及信息物理学的尖端领域。 二、量子纠缠的非局域性及其宇宙学意义 我们的第一部分将致力于解析量子力学中最令人费解的现象——量子纠缠（Quantum Entanglement）。我们将系统地回顾贝尔不等式的实验验证历史，阐述 EPR 佯谬所揭示的实在性与定域性之间的张力。 2.1 纠缠的几何化描述： 摒弃传统的狄拉克符号，我们采用张量网络（Tensor Networks）和高维希尔伯特空间的几何视角来描述多体纠缠态。重点讨论 MERA (Multiscale Entanglement Renormalization Ansatz) 结构，如何利用这种分层结构来模拟临界现象和量子场论的红外/紫外行为，尽管我们不讨论具体的固体材料，但MERA的数学结构本身是理解复杂量子系统的通用语言。 2.2 纠缠与时空几何的联系： 深入探讨 AdS/CFT 对偶（反德西特空间/共形场论对应）的核心思想。我们将解释 Ryu-Takayanagi 公式如何建立起区域的最小曲面面积与边界CFT中纠缠熵之间的精确联系。这暗示着时空几何本身可能并非基础实体，而是由底层的量子纠缠“编织”而成的涌现现象。我们会分析 ER = EPR 猜想，探讨虫洞（爱因斯坦-罗森桥）是否本质上是纠缠的几何表现形式。 2.3 量子信息论在宇宙学中的应用： 考察黑洞信息悖论的新进展，特别是防火墙（Firewall）悖论如何挑战了信息守恒的基本假设。我们将探讨信息流和信息丢失在宇宙演化中的角色，以及如何利用量子信息熵的概念来衡量宇宙学模型的复杂度。 三、时空的结构与引力的量子本质 第二部分将聚焦于引力的本质——时空本身。我们将避开对经典广义相对论的详细复述，转而探讨如何将引力纳入量子框架的尝试。 3.1 圈量子引力（LQG）的几何化路径： 介绍规范性引力理论（如 Ashtekar 变量）如何重构广义相对论，使其更接近于量子理论的结构。重点分析“自旋网络”（Spin Networks）和“自旋泡沫”（Spin Foams）的概念，展示它们如何描述离散化的、原子的时空结构，从而消除传统理论中无穷大的问题。我们将讨论在这些离散化时空中，时间流逝的意义如何被重新定义。 3.2 弦论的景观与维度： 尽管弦论是描述基本粒子的统一理论，但其核心在于对更高维时空结构的研究。本节将概述超弦理论的五个不同版本如何统一于 M 理论之下。我们将详述卡拉比-丘流形（Calabi-Yau Manifolds）在紧致化过程中所扮演的角色，解释这些额外维度如何影响我们观测到的四维物理定律（例如基本常数的值），即使我们不涉及晶体对称性，这些维度紧致化的拓扑结构本身就是物理学的核心研究对象。 3.3 引力子与时空涟漪的量子场论描述： 审视在背景时空上微扰地处理引力场（引力子）的尝试。讨论引力子作为玻色子在量子场论框架下的不可重整化问题，以及这种失败如何激励了上述背景无关的量子引力尝试。我们将解析引力波的传播，并探讨它们的量子涨落如何在极高能标下影响时空本身的结构。 四、信息物理学与计算的极限 第三部分将转向信息在物理系统中的中心地位，探讨信息如何成为连接物质、能量和时空的桥梁。 4.1 兰道尔原理与热力学极限： 探讨计算的物理基础，特别是兰道尔原理（Landauer's Principle）——擦除一个比特信息所必须耗散的最小热量。我们将分析这一原理如何将信息处理与热力学第二定律紧密联系起来，揭示信息作为一种物理实体的地位。 4.2 熵与复杂度的度量： 区分经典香农熵与冯·诺依曼量子熵。我们将讨论复杂性理论中的“量子复杂度”概念，即测量一个系统状态（无论是一个量子态还是一个时空几何）的演化路径所需的最小资源量。重点分析“对偶性”在衡量系统复杂性上的作用。 4.3 量子计算的原理与超越图灵机： 简要介绍量子比特（Qubits）的叠加和纠缠特性如何带来计算能力的指数级提升。我们将讨论 Shor 算法和 Grover 算法背后的数学结构，而不是它们在特定材料上的实现细节。探讨量子计算的潜力及其对现有加密体系和科学模拟的根本性挑战。 五、结论：统一图景的展望 本书的结尾将汇集前述所有主题，描绘一幅基于信息、纠缠和几何的统一物理图景。我们主张，理解宇宙的终极真理，可能不在于寻找更小的粒子，而在于理解描述这些粒子之间相互作用的底层信息结构。时空可能是信息传播和纠缠演化的投影，而我们所感知的物质定律，则是这种涌现结构的宏观表现。这是一场关于“存在”的本质的形而上学探讨，完全建立在严谨的数学物理基础之上。

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从排版和图示的角度来看，这本书的编排也体现了极高的专业水准。我发现作者在解释复杂物理概念时，对配图的运用达到了出神入化的地步。这些图表绝非简单的插图点缀，而是论证过程不可或缺的一部分。比如，在介绍布里渊区和倒易点阵的概念时，书中的三维空间投影图清晰地勾勒出了高维数学结构的直观物理图像，这比单纯的数学定义要有效得多。更值得称道的是，作者在引入新概念时，往往会穿插一些历史背景的简短介绍，这使得学习过程不再是枯燥的公式堆砌，而是仿佛在追溯物理学发展的脉络。比如，他会提及布洛赫提出的周期性势场解的意义，这让学习者能更好地理解这些理论是如何一步步建立起来的，而非空中楼阁。装帧设计也十分考究，纸张的选择和字体的搭配，长时间阅读下来眼睛的疲劳感也明显低于其他一些同类书籍。这表明出版方在制作过程中，充分考虑到了读者长时间学习的实际需求，这一点在学术专著中是难能可贵的细节体现。

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这本书的习题部分绝对是衡量其学术价值的一个重要标尺，而它在这方面的表现堪称卓越。习题的设计兼顾了基础巩固和思维拓展的双重目的。初级的练习题通常是对应于章节核心概念的直接应用，帮助读者检验对基本公式和定义的掌握程度。然而，更令人称道的是那些“思考题”或者“进阶挑战”：它们往往需要读者综合运用好几个章节的知识点，有时甚至需要进行一些小的理论推导或模型简化。例如，在处理晶格缺陷的应力场分布时，习题要求我们结合弹性理论和格林函数的方法来构建一个初步模型，这极大地锻炼了我的问题分解和建模能力。解答这些难题的过程虽然耗时，但带来的成就感和对理论的深刻理解是看书和做简单计算无法比拟的。此外，这本书的注释和参考文献列表也极为丰富，作者毫不吝啬地指出了不同理论的局限性和发展方向，这为那些想要进一步钻研特定子领域的读者提供了清晰的导航图。总而言之，这是一本鼓励主动学习和深度思考的优秀教材。

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这本书最让我感到惊喜的是它对半导体物理的详尽讨论，这部分内容几乎占据了全书的很大篇幅，而且处理得极其透彻。作者没有止步于P型和N型半导体的基本掺杂模型，而是深入剖析了PN结在不同偏压下的能带弯曲情况，以及由此导致的二极管和晶体管的工作原理。我特别留意了对缺陷和杂质能级的讨论，作者非常细致地解释了杂质原子如何引入局域态，以及这些局域态如何影响载流子的寿命和复合机制。这种对实际器件物理的深度挖掘，使得原本抽象的固体能带理论获得了极为直观的应用场景。此外，在讨论光电效应时，作者将光子与电子的相互作用纳入了半导体能带的框架内进行分析，清晰地阐述了吸收光谱和发射光谱的物理本质。这种理论与工程应用的高度结合，极大地提升了我学习这门学科的兴趣，它让我明白，我们研究的这些“粒子”和“波”，最终都在改变着我们生活的电子设备。它成功地架起了理论物理和应用材料科学之间的桥梁。

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这本书简直是为我这种初入量子力学世界的门外汉量身定制的！它没有上来就抛出那些晦涩难懂的数学公式和高深的理论框架，而是用一种非常亲切、循序渐进的方式，将那些抽象的概念一点点地剥开，展现在我们眼前。比如，它在解释晶格振动时，不是直接搬出爱因斯坦模型或者德拜模型，而是先用一个非常形象的“弹簧连着小球”的模型来比喻原子间的相互作用，让我一下子就抓住了核心思想。后续的讨论，即便是涉及到傅里叶变换和布里渊区，作者也花了大量的篇幅去解释每一步的物理意义，而不是简单地给出数学推导。我尤其欣赏它在引入能带结构时所采取的策略，它巧妙地利用了薛定谔方程在周期性势场下的特性，一步步地引导我们理解为什么会有“禁带”和“导带”的存在。阅读过程中，我常常有种醍醐灌顶的感觉，那些曾经困扰我的难题，似乎都在作者清晰的逻辑下迎刃而解了。对于想要真正理解固体内部微观世界的奥秘，而不是仅仅停留在公式记忆层面的学习者来说，这本书的这种教学方法无疑是最有效的“引路人”。它不仅是知识的传递，更是一种思维方式的培养，让我学会了如何从微观粒子层面去审视宏观物质的性质。

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我必须说，这本书的深度和广度都达到了一个令人敬佩的水平，绝非市面上那些泛泛而谈的入门读物可比。它真正做到了对凝聚态物理领域核心内容的全面覆盖，并且在关键节点的处理上展现出了教科书级别的严谨性。例如，在处理磁性问题时，作者并没有仅仅停留在朗道提出的经典描述，而是深入探讨了交换相互作用的量子力学根源，并详尽地阐述了铁磁性、反铁磁性以及更复杂的斯皮诺尔（Spinor）模型。当我读到关于磁电阻效应的章节时，那种震撼是无与伦比的——作者不仅描述了现象，更深入挖掘了其背后的微观机制，将宏观测量的结果与电子在复杂能带结构中的输运行为紧密地联系起来。此外，关于超导理论的部分，虽然理论难度陡增，但作者对BCS理论的阐述却是教科书式的典范，从库珀对的形成到能隙的引入，逻辑链条完整得令人叹服。这本书的价值在于，它提供了一个坚实的理论基础，让读者有能力去阅读更前沿的专业文献，而不是在遇到复杂概念时就望而却步。对于有志于从事相关研究的人士，这本书无疑是案头必备的“镇山之宝”。

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