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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Bohr, Aage/ Mottelson, Ben R.

出品人:

页数:1219

译者:

出版时间:

价格:1351.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9789810231972

丛书系列:

图书标签:

• 核结构
• 原子核物理
• 核反应
• 核模型
• 放射性衰变
• 核谱学
• 量子力学
• 粒子物理
• 核天体物理
• 重离子碰撞

宇宙的深层奥秘：量子场论与粒子物理学前沿探索 内容提要： 本书深入剖析了现代物理学的两大支柱——量子场论（QFT）与粒子物理学——在揭示物质最基本组成和相互作用规律方面的核心理论框架、实验验证以及未来挑战。全书结构严谨，从相对论量子力学的基本概念出发，逐步构建起洛伦兹协变、定域性的量子场论体系，涵盖了对标准模型（Standard Model, SM）的详尽阐述，特别是对电磁力、弱核力与强核力的微观描述。书中着重探讨了量子电动力学（QED）的精密计算及其对电子磁矩的精确预测，并深入讲解了量子色动力学（QCD）中的夸克-胶子等离子体、渐进自由性与夸克禁闭等非微扰现象。 随后，本书将视角转向标准模型之外的物理学（BSM Physics），系统梳理了希格斯机制的完备性、中微子物理学的最新进展（如质量起源与振荡机制），并对超对称理论（SUSY）、额外维度理论（Extra Dimensions）以及超越标准模型的暗物质和暗能量候选者进行了深入的理论模型构建与实验可探测性分析。本书不仅为高年级本科生和研究生提供了坚实的理论基础，也为从事理论或实验高能物理研究的人员提供了前沿课题的全面概览。 --- 第一部分：量子场论的基石与重整化 第一章：从相对论到场论的跃迁 本章首先回顾狭义相对论对量子力学的修正，引出泡利方程的局限性，并详细阐述了狄拉克方程的构造与反物质（正电子）的必然性。重点在于理解相对论性量子力学如何自然地导向场的概念，即粒子被视为场的激发态。通过分析自由场的拉格朗日密度，构建了玻色子场（如Klein-Gordon场）和费米子场（如狄拉克场）的正则对易关系与对易关系，奠定了量子化过程的数学基础。 第二章：规范场论的构建与规范对称性 规范对称性是描述基本相互作用力的核心要求。本章详述了对定域规范不变性原理的引入，以及如何通过引入规范玻色子（光子、胶子等）来维持这种不变性。我们细致地考察了Abelian U(1)规范群（QED的结构）和非Abelian SU(N)规范群（如SU(2)和SU(3)的结构）。通过规范场论的生成，清晰地展示了相互作用力的传递机制——虚粒子交换。 第三章：相互作用的微扰展开与费曼图 在量子场论中，精确求解相互作用场的演化是极其困难的。本章聚焦于微扰论方法，详细介绍了S矩阵的构造及其在微分散射截面计算中的应用。S矩阵的展开式通过费曼图进行直观的几何表示，每条线和顶点都对应于特定的代数因子。本章详细解析了费曼规则的推导过程，并以最简单的电子-电子散射为例，展示如何利用这些规则计算高阶修正。 第四章：发散与重整化——消除无穷大 微扰计算往往导致紫外（UV）和红外（IR）发散，这是量子场论早期面临的巨大挑战。本章的核心是重整化程序。首先，通过截断法和正则化方法（如维数正则化），系统地处理发散项。随后，详细阐述了“重整化”的物理思想：将裸参数（定义在UV截断点）与观测到的有限物理参数联系起来。通过重整化群方程（RGE），展示了物理量如何随能量尺度变化，这是理解物理学内在一致性的关键。 --- 第二部分：标准模型的精妙结构 第五章：规范群与标准模型的骨架 标准模型建立在 $SU(3)_C imes SU(2)_L imes U(1)_Y$ 的规范群之上。本章对这个群结构进行深入分析，解释了强核力（QCD）、弱核力（涉及手性）和电磁力是如何通过这个统一框架自然产生的。我们讨论了基本费米子（夸克与轻子）在这些规范群下的表示，强调了手性（Chirality）在描述弱相互作用中的核心地位。 第六章：自发对称性破缺与质量的起源 标准模型中的规范玻色子和费米子是如何获得质量的，是本部分的核心议题。本章详细阐述了希格斯机制：如何通过引入一个具有非零真空期望值的标量场（希格斯场），在保持规范不变性的前提下，自发地破坏 $SU(2)_L imes U(1)_Y$ 对称性。我们精确计算了W和Z玻色子的质量，并解释了费米子如何通过Yukawa耦合获得质量，同时保持规范玻色子（光子）的零质量。 第七章：量子电动力学（QED）的精度 QED作为第一个被完全重整化的量子场论，代表了理论物理的巅峰成就之一。本章专注于QED的精确预测能力。我们将计算电子的正常化因子、电子的电荷的跑动（Running of Charge），并详细推导了电子的异常磁矩 $left(g-2 ight)$ 的量子修正。我们将理论计算结果与实验测量值进行对比，凸显QED在检验量子电动力学自洽性上的决定性作用。 第八章：量子色动力学（QCD）与强相互作用 QCD描述了夸克和胶子之间的强核力。本章探讨了QCD的三个核心特征： 1. 渐进自由性（Asymptotic Freedom）： 解释了在短距离/高能下，强耦合常数变弱的机制，这使得高能实验中的微扰计算成为可能。 2. 夸克禁闭（Confinement）： 解释了为何夸克和胶子不能单独存在。通过讨论胶子链和弦模型，展望了非微扰QCD（如格点QCD）的计算方法。 3. 手征对称性破缺： 讨论了QCD真空如何通过低能下的自发破缺机制，解释了大量强子质量的起源（与希格斯机制导致的夸克质量分离）。 --- 第三部分：标准模型之外的探索与前沿挑战 第九章：中微子物理学的复兴 标准模型最初认为中微子是无质量的。然而，中微子振荡的实验发现（太阳中微子问题和大气中微子问题）证明了中微子具有质量，这是标准模型最重大的不完备性之一。本章系统分析了中微子振荡的动力学，并深入探讨了引入“海索性”中微子的“跷跷板机制”（Seesaw Mechanism），以解释为何中微子质量比带电荷的轻子小得多，并预测了可能的CP破坏现象。 第十章：超对称性（Supersymmetry, SUSY）的理论构建 超对称性是解决标准模型中层子质量（Hierarchy Problem）和自然性问题的最主要候选理论。本章详细介绍了SUSY的基本假设：每个玻色子都有一个对应的费米子超伴子，反之亦然。我们将构建最小超对称标准模型（MSSM）的拉格朗日量，讨论其在加速粒子对撞机上的潜在探测信号，以及SUSY如何提供暗物质的稳定候选者（如最轻超伴子LSP）。 第十一章：暗物质与暗能量的粒子物理学图像 观测证据确凿地表明宇宙中存在大量的暗物质和暗能量。本章将从粒子物理的角度考察暗物质的各种候选者。除了SUSY的LSP之外，我们还将详细讨论：轴子（Axions）作为解决强CP问题的遗留物；WIMPs（弱相互作用重粒子）的遗迹丰度计算（Thermal Relic Density）；以及惰性中微子模型。同时，也将简要探讨暗能量的本质（如宇宙学常数或Quintessence模型）与量子场论的真空能密度之间的巨大矛盾（真空灾难）。 第十二章：超越标准模型的理论展望与下一代实验 本章总结了当前理论物理学家正在探索的其他重要方向。这包括：大统一理论（GUTs）的尝试，如何将 $SU(3) imes SU(2) imes U(1)$ 统一到一个更大的规范群；额外维度理论（如Kaluza-Klein理论和布兰妮世界模型），探讨引力在微小尺度上如何“泄漏”；以及对引力量子化的初步探索。最后，本书展望了未来实验（如LHC的更高亮度运行、I-LC/FCC对希格斯与新物理的精确测量、以及深层地下暗物质直接探测实验）将如何检验这些前沿理论预测。

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这本书的插图简直是一场视觉盛宴，色彩的运用大胆而精准，将复杂的物理概念以一种近乎艺术品的方式呈现出来。我尤其喜欢作者在讲解那些高维空间结构时所采用的抽象表达手法，它成功地在保持科学严谨性的同时，极大地激发了读者的想象力。每一个图表的布局都经过深思熟虑，信息的密度恰到好处，不会让人感到压迫。更不用说那些精细的切面图和爆炸图，它们如同精密的手术刀一般，将物质内部的层次结构剖析得淋漓尽致。读这本书的过程，与其说是在学习理论，不如说是在进行一场精致的视觉漫游。我时常会停下来，仅仅是为了细细品味某一页的版式设计，那种对细节的极致追求，着实令人印象深刻。这绝非那种只有枯燥公式堆砌的教科书，它更像是一本精心编排的科学画册，只是内容涉及的领域极其前沿和深奥。这本书在装帧上的质感也非常好，纸张的触感温润而厚重，让人有种捧着珍宝的感觉，阅读体验因此得到了极大的提升。

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从实际应用和跨学科连接的角度来看，这本书的视野非常开阔。作者并没有将理论知识束之高阁，而是不断地将抽象的物理原理与现实世界中的工程挑战和技术进步联系起来。比如，他对不同核反应堆设计中，材料对中子流的截面响应差异的分析，其细致程度完全可以作为高级工程参考手册来使用。这种“理论指导实践”的思路贯穿始终，使得学习过程充满了现实意义和目标感。我特别欣赏作者对历史背景的梳理，他没有仅仅罗列时间线，而是深入剖析了每一次重大理论突破背后的社会需求和实验条件限制，这让理论的学习不再是孤立的知识点，而是鲜活的历史进程的一部分。这本书不仅教会了我“是什么”和“为什么”，更展示了这些知识如何被用来塑造我们的技术未来，极大地拓宽了我对该领域潜在价值的认知。

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作者的叙事节奏掌握得炉火纯青，行文流畅自然，仿佛一位经验丰富的大师在向你娓娓道来那些晦涩难懂的物理定律。他总能在恰当的时机引入一个巧妙的比喻，将那些宏大而抽象的概念瞬间拉到可以被日常经验所理解的层面。比如，当他解释量子纠缠的非定域性时，他所构建的那个“宇宙级的编织物”的比喻，让我一下子抓住了问题的核心。这种叙事手法避免了纯粹的数学推导带来的阅读疲劳，使得即便是涉及到高度专业化的内容，也依然能保持一种引人入胜的吸引力。我发现自己常常在不知不觉中就读完了原本计划只读一小节的内容，这完全归功于作者高超的文字驾驭能力。他没有刻意去“简化”复杂的概念，而是通过精妙的语言组织，引导读者主动去构建属于自己的理解框架，这种尊重读者的态度，令人十分欣赏。

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这本书的理论深度无疑是顶级的，它不仅仅是对现有知识的总结，更在很多地方体现了作者自己独到的见解和对未来研究方向的深刻洞察。特别是在批判性地审视某些长期以来被认为是铁律的理论模型时，作者表现出了惊人的勇气和逻辑的锐利性。他毫不留情地指出了现有模型在解释某些实验异常现象时的局限性，并提出了数个极具启发性的替代性假说。这些讨论并非空穴来风，而是基于对大量一手实验数据的严谨分析。阅读这些章节，我感觉自己像是参与了一场顶尖学者的闭门研讨会，能够接触到尚未被主流教科书广泛采纳的前沿思辨。对于那些渴望超越基础知识、直击学科前沿的进阶学习者来说，这本书提供了无与伦比的智力挑战和思维上的助推力。它强迫你跳出舒适区，重新审视你所坚信的物理图景。

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本书的参考资料和附录部分堪称典范，其详尽程度远超我所见过的任何同类书籍。每一个关键公式的推导过程都被完整地呈现了出来，并且标注了每一步背后的物理直觉，这对于那些想深入探究数学工具的读者来说，是无价之宝。更棒的是，作者似乎还贴心地为不同背景的读者设置了不同的“入口”：主文部分流畅易懂，侧重概念建立；而那些密集的数学推导和详细的数值模拟结果则被巧妙地放置在脚注或附录中，使得读者可以根据自己的需求选择性地深入钻研。我花了整整一个下午，仅仅在核对其中一个复杂积分的收敛条件，这种扎实的工作态度，无疑为这本书的权威性增添了砝码。这种对每一个细节的负责任态度，让读者能够完全信任书中所呈现的每一个数据点和每一个结论。

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