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出版者:华夏出版社

作者:刘良科主编

出品人:

页数:248

译者:

出版时间:2005-6

价格:23.00元

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isbn号码:9787508037318

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深度解析：现代量子场论与粒子物理学进展 导言：跨越微观与宏观的理论框架 本书旨在为读者提供一个全面而深入的现代量子场论（Quantum Field Theory, QFT）及其在粒子物理学前沿应用的知识体系。我们认识到，理解宇宙在最基本尺度上的运作规律，必须依赖于一种能够统一量子力学、狭义相对论和经典场论的数学框架——量子场论。本书将从基础概念的构建出发，逐步深入到当今粒子物理学研究的核心课题，为有志于探索自然界最深层秘密的研究人员和学生提供坚实的理论基石。 全书内容结构严谨，逻辑清晰，力求在保持数学严谨性的同时，兼顾物理图像的直观性。我们避免了对现有基础教材的简单重复，而是专注于阐述那些在构建当代标准模型（Standard Model）及其扩展理论中至关重要的关键技术和物理洞察。 --- 第一部分：量子场论的数学与物理基础重构 本部分着重于重塑读者对经典场论到量子场论过渡的理解，强调了正则量子化、路径积分表述以及重整化理论的内在联系。 第一章：从经典场到量子场：正则量子化与初识规范对称性 我们从拉格朗日密度形式的经典场论出发，系统阐述了如何通过哈密顿力学导出的正则对易关系将经典场提升为量子算符。重点讨论了玻色场（如Klein-Gordon场和电磁场）的量子化过程，详述了粒子态（Fock空间）的构建及其与对易关系之间的关系。随后，引入了费米子场的量子化，着重探讨了泡利不相容原理的内含，并通过狄拉克方程的协变形式，展示了旋量场理论的构建。 核心内容： 场算符的对易与反对易关系、真空态的定义与粒子激发、规范不变性在经典场论中的体现及其对量子化过程的约束。我们深入探讨了规范不变性如何要求我们必须引入规范玻色子。 第二章：路径积分表述：费曼图的诞生与微扰论的深化 路径积分（Path Integral）表述被认为是现代量子场论中最为强大和灵活的工具。本章将详细介绍如何利用泛函积分来构造关联函数和散射矩阵。 我们首先回顾费曼的路径积分思想，并展示其在自由场论中的具体应用。随后，本书的重点转向相互作用理论：如何利用微扰展开得到与费曼图一一对应的项。详细分析了S矩阵的微扰展开式，并引入了Wick定理作为计算工具。本章的难点在于对因果序和时间排序算符的深刻理解，这些是构建所有相互作用微扰论的基础。 核心内容： 泛函积分的数学基础、费曼图的几何与物理意义、时间排序算符在构建关联函数中的作用。 第三章：不可避免的无穷大：重整化理论的完备解析 量子场论的微扰计算不可避免地会导致紫外无穷大。本章是全书的理论核心之一，系统讲解了如何处理这些无穷大，并构建出物理上可预测的理论。 我们从最简单的$phi^4$理论入手，通过一圈图的计算展示了紫外发散的来源。随后，详细介绍维度正则化（Dimensional Regularization）作为一种现代、系统性的正则化手段。关键在于解释重整化群（Renormalization Group, RG）的概念，它描述了物理定律如何随着我们观察尺度的变化而变化。本书将区分可重整化和不可重整化理论，并解释在何种物理情境下（如有效场论）不可重整化理论仍具有预测能力。 核心内容： 发散的分类（紫外与红外）、截断方案与正则化、跑动耦合常数（Running Coupling Constants）的概念、Callan-Symanzik方程的物理含义。 --- 第二部分：规范场论与粒子物理学标准模型 本部分将量子场论的工具应用于描述基本相互作用，重点构建和分析粒子物理学的核心理论——规范场论。 第四章：非阿贝尔规范场论：杨-米尔斯理论的构建 电磁相互作用（QED）的规范对称性是阿贝尔（Abelian）的，而强核力和弱核力则基于非阿贝尔（Non-Abelian）的$SU(N)$群。本章专注于杨-米尔斯（Yang-Mills）理论的构建，这是描述强作用和弱作用的数学骨架。 我们强调了规范不变性如何直接决定了场的动力学和伴随规范玻色子的存在。重点解析了规范场与物质场的耦合项的构造，特别是如何引入非对易的结构常数。详细讨论了非阿贝尔规范理论中规范玻色子之间的自相互作用，这是QCD（量子色动力学）中夸克禁闭现象的根源之一。 核心内容： 规范群的表示论基础、规范协变导数、场强张量的非阿贝尔推广、规范玻色子的自相互作用项。 第五章：自发对称性破缺与希格斯机制 描述弱相互作用要求规范对称性在真空态中被“自发地”破缺。本章系统讲解了这一至关重要的物理过程。 我们从简单的Ginzburg-Landau模型引入概念，随后深入到规范场论中的Goldstone定理。关键在于解释希格斯机制如何利用规范对称性来赋予规范玻色子（W和Z玻色子）质量，同时避免了基本费米子（如夸克和轻子）获得“不合理”的质量项。精确分析了电弱统一中的$SU(2)_L imes U(1)_Y$规范群的破缺过程，并推导了标准模型中希格斯场的势能和激发粒子。 核心内容： Goldstone玻色子的吸收、电弱对称性破缺的数学实现、规范玻色子质量的起源、标准模型中费米子耦合到希格斯场的Yukawa项。 第六章：量子色动力学（QCD）的渐近自由与禁闭 QCD是描述强相互作用的杨-米尔斯理论，基于$SU(3)$规范群。本章深入探讨了QCD区别于QED的关键特性：渐近自由和夸克禁闭。 通过重整化群方程，我们将详细推导QCD中胶子和夸克的有效耦合常数如何随能量尺度变化。解析渐近自由的物理图像（高能下耦合常数变弱），并讨论其实验验证。对于夸克禁闭，我们将探讨其非微扰根源，包括格子QCD（Lattice QCD）的数值模拟方法及其在计算低能强子谱中的作用。 核心内容： 三阶的QCD $eta$函数、有效耦合常数的跑动、胶子场的特殊性质（零质量但自相互作用）、低能有效理论（如Chiral Perturbation Theory）的必要性。 --- 第三部分：超越标准模型的前沿课题 本部分将目光投向粒子物理学的未解之谜，探讨当前理论物理学界正在积极探索的方向。 第七章：中微子物理学：马约拉纳与质量之谜 标准模型预测中微子是马约拉纳费米子且无质量。然而，中微子振荡的实验结果无可辩驳地证明了中微子具有微小但非零的质量。本章聚焦于如何将中微子质量引入现有框架。 详细分析了Seesaw（跷跷板）机制的各个版本（I型、II型、III型），解释了它如何利用重中微子的存在来解释轻味中微子的小质量。讨论了实验上寻找双贝塔衰变（Neutrinoless Double Beta Decay）的意义，这直接关系到中微子是狄拉克费米子还是马约拉纳费米子。 核心内容： 中微子振荡的动力学、有效拉格朗日量中引入质量项的限制、跷跷板机制的数学形式与物理推断。 第八章：有效场论（EFT）与新物理的搜索策略 在缺乏直接新粒子证据的今天，有效场论（EFT）已成为连接已知物理（标准模型）与未知物理（超越标准模型，BSM）的桥梁。 本章阐述了EFT的构建原则：基于对称性和尺度分离。我们将EFT的拉格朗日量写成规范不变项加上各种尺寸更高的算符（Higher-Dimensional Operators）的形式，并解释这些高维算符的系数如何编码了“重”新物理的效应。重点讨论了标准模型有效场论（SMEFT）在描述高能对撞机实验中新物理迹象方面的应用。 核心内容： 尺度分离假设、有效算符的维度分析、基于对称性的算符列表、如何利用低能精度约束高能理论参数。 --- 结论：理论的展望与计算的挑战 本书的最后一部分总结了当前理论物理面临的核心挑战，例如处理非微扰效应、量子引力对场论的修正，以及如何在高精度计算中纳入自旋效应和有限温度效应。我们强调了现代计算工具，如格点方法和符号微扰论，在推动理论前沿中的不可替代的作用。本书希望激励读者运用这套强大的理论工具，继续探索自然界最深层的奥秘。

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这本书在理论阐述之外，对于实际应用案例的选取和分析也做得相当出色。很多物理类书籍往往将理论讲得头头是道，但一旦涉及如何将这些抽象概念转化为现实世界中的工程问题时，就显得力不从心了。然而，这本教材很巧妙地平衡了理论深度与工程实践的广度。它没有满足于教科书式的“理想化模型”，而是引入了许多贴近当前科研和工业前沿的真实案例，比如某些先进传感器的设计原理，或者特定材料在极端环境下的响应分析等。这些案例不仅生动地佐证了前面章节所学的理论，更重要的是，它们启发了我们去思考，如何运用这些基础知识去解决尚未解决的问题。在我看来，一本优秀的教材，不仅要教你“是什么”，更要教你“怎么用”，而这本书在这方面做得非常到位，读完后感觉自己的“工具箱”里装满了实用的分析工具。

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初翻阅这本教材时，最直观的感受是其内容的逻辑组织达到了一个非常高的水准。作者显然花费了大量心血来构建知识的脉络，从最基础的公理出发，每一步推导都如同搭积木般层层递进，让人能清晰地看到理论是如何一步步被建立起来的。不像有些教科书那样，常常在关键的推导步骤上留下一大片空白，让人只能靠猜测去填补，这本书详尽地展示了每一步的数学处理过程，即便是涉及到高阶微积分和线性代数的部分，也提供了足够的背景知识回顾，使得跨学科学习的门槛被显著降低。对于我这种需要时间来消化复杂数学模型的读者来说，这种“手把手”的讲解方式简直是福音。它没有为了追求篇幅而堆砌冗余的文字，而是用最精炼的语言，辅以恰到好处的图示，构建了一个坚实而又易于攀爬的知识阶梯。这种编排方式，让学习过程不再是枯燥的记忆，而更像是一次充满发现的探险。

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坦率地说，这本书的深度是毋庸置疑的，它毫不避讳地触及了许多复杂且前沿的物理领域，某些章节的内容，即便是研究生阶段的教材也未必敢如此深入地展开。然而，这种深度并没有带来难以逾越的晦涩感，这得益于作者在语言风格上的克制与精准。作者的笔调既有学者的严谨，又不失对知识的热情，没有使用过多华而不实的术语堆砌，而是用一种非常“对话式”的叙事方式来引导读者。即便是面对像量子场论的某些基础概念时，作者也能找到恰当的比喻和类比，帮助我们这些“非科班出身”的读者建立直观的认识。读起来的感觉，就像是有一位经验极其丰富的导师，耐心地在你身边，为你清晰地剖析每一个难点，这种阅读体验，是市面上许多冷冰冰的参考书无法比拟的，让人愿意反复咀嚼那些看似简单实则蕴含深意的论述。

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我非常欣赏这本书在修订和更新方面所展现出的时代意识。科学技术的发展日新月异，一本优秀的教材必须紧跟时代步伐，否则很快就会沦为“历史文献”。从这本书的参考文献列表可以看出，作者团队对近几年的重大研究成果保持了高度的关注，新增的章节和对现有内容的补充，都充分体现了对最新实验数据和理论进展的吸收。例如，它对某些新兴的纳米尺度现象的讨论，就远远超越了我过去接触到的任何一本经典教材。这种与时俱进的态度，使得这本书不仅是一本学习基础知识的工具书，更是一张通往未来研究方向的路线图。对于立志从事相关领域研究的读者而言，这本教材提供的不仅仅是知识储备，更是一种保持学术敏锐度的训练，确保我们所学的“基础”是建立在当前最坚实、最新的知识地基之上的，而不是被过时的信息所局限。

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这本书的装帧设计得非常考究，封面采用了深邃的蓝色调，配上银色的金属质感文字，给人一种沉稳而又不失前沿科技感的印象。拿到手里时，就能感受到纸张的厚度与质感，内页的印刷清晰锐利，即便是复杂的公式和图表，也展现出极高的可读性。我尤其欣赏的是它在章节排版上的用心，每一章的开头都有一个引人入胜的引言，简要概括了本章的核心概念，这对于我们这些希望快速把握全局的学习者来说，无疑是极大的便利。更别提那详尽的索引和术语表，翻阅起来方便快捷，遇到不熟悉的术语能立刻查阅，大大提升了学习效率。当然，内容本身固然重要，但如此精良的制作工艺，无疑也让阅读过程本身变成了一种享受，让人更愿意沉浸其中，去探索那些深奥的物理世界。这套书从外观到内里，都散发着一种严谨的学术气息，让人对其内容质量抱有极高的期待。

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