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作者:汪建

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页数:0

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价格:26.00元

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isbn号码:9787109112919

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• 教学参考书
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• 实践教学

宇宙的奥秘：从微观粒子到宏大星系 本书导览： 本书旨在带领读者踏上一场跨越时间和尺度的探索之旅，深入现代物理学的核心领域。我们不关注实验室内的常规力学或电磁学演示，而是将目光投向那些定义了我们理解世界方式的革命性概念。这本书是为那些渴望超越教科书表面知识，真正理解物理学前沿如何塑造我们对现实认知的求知者准备的。 第一章：量子纠缠与信息维度 本章将聚焦于量子力学中最令人费解的现象之一——量子纠缠。我们将首先回顾玻尔与爱因斯坦之间的“鬼魅般的超距作用”之争，分析贝尔不等式的实验验证如何无可辩驳地确立了量子世界内在的非定域性。随后，本书将深入探讨纠缠在信息科学中的应用潜力。 1.1 纠缠态的制备与测量： 详细介绍如何利用自发参量下转换（SPDC）等技术制备双光子纠缠对。我们将分析波函数坍缩的机制，并探讨“强测量”与“弱测量”在提取量子信息时的区别与联系。 1.2 量子隐形传态的物理基础： 阐释量子隐形传态（Teleportation）的完整协议，澄清它并非经典意义上的物质传输，而是信息状态的转移。重点分析贝尔态测量在信息重建过程中扮演的关键角色。 1.3 量子密钥分发（QKD）的安全性基石： 探讨基于BB84协议和E91协议的量子加密技术。分析窃听者（Eve）的测量行为如何必然地在信道中留下可检测的痕迹，从而保证了信息传输的绝对安全——这建立在物理定律而非计算复杂性之上。 1.4 纠缠的宏观化尝试： 讨论当前研究中，如何将量子纠缠从微观粒子扩展到宏观物体（如机械振子或超导电路）的挑战与前景，以及这对于检验量子力学极限的意义。 第二章：时空几何与引力波天文学 本章将彻底抛弃牛顿的绝对时空观，转向爱因斯坦的广义相对论框架，探索引力如何被视为时空弯曲的表现。我们将详细剖析引力波的产生、探测及其携带的宇宙信息。 2.1 测地线与引力场方程： 深入解析黎曼几何在描述弯曲时空中的应用。解释史瓦西度规如何描述孤立的球对称非旋转星体周围的时空，并引入克尔度规来描述旋转黑洞周围的复杂结构，包括能层（Ergosphere）的概念。 2.2 极端天体物理现象： 探讨黑洞的物理性质，包括事件视界、奇点以及霍金辐射的理论基础。分析物质在极端引力场下的行为，如吸积盘的辐射特性。 2.3 LIGO/Virgo的探测原理与信号分析： 详细解析干涉测量法（如迈克尔逊干涉仪）如何被用于探测时空微小的形变。重点分析从LIGO探测到的双黑洞并合（GW150914）事件的信号波形（Chirp Signal），并说明如何通过匹配滤波技术从高噪声背景中提取出预期的“旋进-并合-余辉”信号。 2.4 宇宙学中的引力波： 展望利用引力波探测早期宇宙的潜力，例如搜寻原初引力波背景，以及通过引力波揭示中子星物质状态方程的未来研究方向。 第三章：粒子物理的“标准模型”及其之外 本章旨在梳理我们对基本物质构成和相互作用力的当前理解，并探讨当前物理学面临的未解难题，即“标准模型”的局限性。 3.1 基本相互作用与规范场论： 系统回顾电磁力、弱核力、强核力这三种力的量子场论描述。详细解析夸克和轻子构成的家族结构，以及它们如何通过交换规范玻色子（光子、W/Z玻色子、胶子）进行相互作用。 3.2 希格斯机制的实验验证： 描述标准模型中质量的起源——希格斯机制。重点介绍大型强子对撞机（LHC）如何通过质子-质子碰撞产生并探测到希格斯玻色子，分析其衰变路径（如$H ightarrow gammagamma$）及其与预测值的符合程度。 3.3 悬而未决的问题：暗物质与暗能量： 介绍宇宙学观测（如星系旋转曲线、宇宙微波背景辐射的各向异性）如何强烈暗示存在超出标准模型的物质和能量形式。讨论WIMP（弱相互作用重粒子）模型、轴子等暗物质候选者，以及暗能量（可能与真空能相关）对宇宙加速膨胀的驱动作用。 3.4 超越标准模型（BSM）的理论前沿： 简要介绍超对称理论（SUSY）的基本思想，即每种已知的费米子和玻色子都有一个超对称伴侣，并讨论如何通过LHC的更高能量运行来寻找这些新粒子的证据。 第四章：凝聚态物理的拓扑革命 本章将把焦点从高能物理拉回物质的集体行为，特别是近年来在凝聚态物理中引起轰动的拓扑概念的应用。 4.1 电子的集体行为与能带理论回顾： 快速回顾晶体中电子的能带结构，区分导体、半导体和绝缘体。 4.2 拓扑绝缘体（TI）： 解释拓扑不变量如何区分传统的、基于能量间隙的绝缘体与拓扑绝缘体。重点剖析体态绝缘但边缘导电的特性，以及这种边缘态的保护机制（依赖于时间反演对称性）。 4.3 分数量子霍尔效应（FQHE）： 探讨在强磁场和低温下出现的独特多体量子现象。介绍朗道能级，以及FQHE态中电子如何表现出分数化的准粒子激发（如电荷为$e/3$的激发），这代表了一种新的物质相。 4.4 Majorana费米子的寻觅： 讨论Majorana费米子（即其自身是其反粒子）在超导系统中作为拓扑激发零能模式的理论预测。分析如何通过半导体纳米线与超导体的耦合结构来实验寻找这种奇异粒子，及其在容错量子计算中的潜在价值。 总结： 本书提供了一个全景式的视角，审视了当代物理学如何在最微小尺度（量子纠缠）和最宏大尺度（引力波）上不断拓展我们知识的边界。它旨在激发读者对物理学未解之谜的思考，并理解我们对自然规律的描述是如何依赖于精密的实验验证和深刻的数学结构。

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