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出版者:Routledge

作者:Levine, John M. (EDT)/ Moreland, Richard L. (EDT)

出品人:

页数:568

译者:

出版时间:2006-3

价格:$ 67.74

装帧:Pap

isbn号码:9780863775949

丛书系列:Key Readings in Social Psychology

图书标签:

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《微观粒子与宇宙的边界》 深入探索物质的根基与时空的极限 这是一部雄心勃勃的著作，旨在带领读者穿越当代物理学最前沿的迷雾，直抵宇宙运作的根本法则。本书并非对已建立理论的简单回顾，而是一场关于“我们如何理解真实”的深度哲学与数学的交织之旅。我们聚焦于描述自然界最微小尺度的理论——粒子物理学，以及试图统一所有基本力的宏大叙事——量子引力。 第一部分：亚原子世界的万花筒 我们从标准模型（The Standard Model）的坚实基石开始，但很快便要揭示其局限。标准模型，这一将电磁力、弱核力和强核力统一在量子场论框架下的杰出成就，成功地描述了除引力外的所有已知基本相互作用，并精确预言了希格斯玻色子的存在。 第一章：粒子的身份识别与相互作用的信使 本章详细剖析了十二种基本费米子（夸克与轻子）的性质、代际结构以及它们如何通过玻色子（光子、W和Z玻色子、胶子）进行交换。我们深入探讨量子场论（QFT）的数学结构，阐释“粒子”并非实体，而是量子场的激发态。重点分析了色荷（Color Charge）的概念，这是理解强相互作用（QCD）的基石。通过对渐近自由（Asymptotic Freedom）的讨论，我们揭示了夸克如何在极高能量下近乎自由运动，以及在低能量下如何被限制在强子内部的夸克禁闭（Confinement）现象。 第二章：对称性的崩塌与质量的起源 本书的核心谜团之一在于质量的产生。本章详尽阐述了自发对称性破缺（Spontaneous Symmetry Breaking）的机制，特别是希格斯机制。我们不仅复盘了希格斯场的数学定义，更探讨了其物理意义：场在真空态中选择了一个非零的期望值，从而赋予了W和Z玻色子以及费米子质量。我们还将讨论CP破坏（Charge-Parity Violation），特别是萨卡哈罗夫条件，以及它在解释宇宙中物质-反物质不对称性方面面临的挑战。 第三章：超越标准模型：未解之谜的索引 标准模型并非终极理论。本章系统梳理了当前粒子物理实验中观测到的“异常”和理论上的不足。这包括： 1. 中微子质量问题： 标准模型预测中微子无质量，但振荡实验证明它们具有微小的质量。我们考察跷跷板机制（Seesaw Mechanism）和其他扩展模型如何解释这种微小质量的来源，以及是否暗示着存在比标准模型粒子重得多的惰性中微子。 2. 暗物质的幽灵： 宇宙学证据强烈表明宇宙中存在约27%的暗物质。本书将详细分析WIMP（弱相互作用重粒子）、轴子（Axions）等候选者，并探讨其在超对称理论（Supersymmetry, SUSY）中的自然位置。 3. 层次结构问题（Hierarchy Problem）： 为什么引力比其他三种基本力弱得多？希格斯玻色子的质量为何没有被量子修正到普朗克尺度？我们将审视天然的解决方案，如超对称或小（Extra）维度理论。 第二部分：时空的结构与引力的几何化 在探索了微观粒子之后，我们将视角提升至宇宙尺度，审视爱因斯坦的广义相对论（GR）所描绘的动态时空。 第四章：引力的几何本质：时空弯曲的涟漪 本章从黎曼几何的数学语言入手，阐释了物质和能量如何决定时空的曲率，而曲率反过来决定了物质的运动轨迹。我们深入分析了爱因斯坦场方程的解，特别是史瓦西解和克尔解，用以描述静态和旋转的黑洞。重点在于理解黑洞的视界、奇点以及事件发生视界之外的物理边界。我们也将讨论引力波的产生机制和LIGO/Virgo探测器如何为GR提供了最直接的动态证据。 第五章：量子引力的召唤：统一的迫切性 广义相对论在处理宏观引力时无往不利，但在普朗克尺度（$10^{-35}$米，时间$10^{-43}$秒）或黑洞奇点处，它与量子力学发生冲突。本章专门研究当前最具前景的量子引力候选理论。 1. 超弦理论（Superstring Theory）： 弦论如何通过将基本粒子替换为一维的振动的“弦”来解决引力子的不可重整化问题。我们将讨论T对偶性、模空间、以及M理论的出现，它暗示着我们所感知的四维时空可能只是一个更高维度（如十维或十一维）的“膜”（Brane）上的投影。 2. 圈量子引力（Loop Quantum Gravity, LQG）： LQG采取了一种不同的路径，它不对引力子进行量子化，而是直接对时空本身进行量子化。本章将阐释自旋网络（Spin Networks）和自旋泡沫（Spin Foams）的概念，它们预示着时空在普朗克尺度下是离散的、由“量子几何”构成的。我们探讨了LQG如何为宇宙的“大爆炸”提供了一个“大反弹”（Big Bounce）的替代性图景。 第三部分：维度、全息与宇宙的极限 本书的最后部分将目光投向那些挑战我们直觉的、关于宇宙本质的推测性前沿。 第六章：高维度的印记与膜世界 如果弦论是正确的，我们为何感觉不到额外的空间维度？本章探讨了卡拉比-丘流形（Calabi-Yau Manifolds）对额外维度进行“紧致化”（Compactification）的数学机制，以及这些卷曲的维度如何影响我们观察到的基本粒子和作用力强度。我们还将分析布兰位理论（Brane Cosmology），其中我们的四维宇宙被视为一个高维空间中的“膜”，暗示着引力子可能泄漏到这些隐藏的维度中，从而解释了引力的相对弱小。 第七章：信息、黑洞与全息原理 黑洞不仅仅是时空中的引力陷阱，它们更是信息论和量子力学的交汇点。本章聚焦于霍金辐射（Hawking Radiation）及其引发的黑洞信息悖论。我们将详细介绍全息原理（Holographic Principle），特别是AdS/CFT对偶性（反德西特空间/共形场论对应）。这个数学上的“字典”表明，一个具有量子引力的时空（例如一个黑洞内部）可以完全等效于一个维度更低、没有引力的量子场论。这暗示着我们所感知的“体积”可能源于其边界上的“信息”。 第八章：宇宙学的终极尺度与可验证性 物理学的目标是描述可观测的现实。本章探讨了如何将这些极端的理论与宇宙学观测联系起来。我们考察了暴胀模型（Inflation）的量子涨落如何转化为宇宙微波背景辐射（CMB）中的原始密度扰动，以及超弦和LQG对早期宇宙演化的不同预测。最后，我们将探讨下一代实验（如LHC的更高能量升级、下一代引力波探测器，以及可能探测到原初引力波的实验）在检验这些宏大理论的边界上的潜在作用。 《微观粒子与宇宙的边界》力求以清晰的逻辑和严谨的描述，带领读者领略物理学最深刻的挑战。它是一部为对自然法则的终极奥秘抱有强烈好奇心的求知者准备的指南。

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