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出版者:

作者:康颖 编

出品人:

页数:360

译者:

出版时间:2010-1

价格:30.00元

装帧:

isbn号码:9787030263773

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浩瀚星辰下的微观世界：近代物理学前沿探索 本书简介 本书并非专注于大学物理的经典力学、电磁学、热力学等基础领域，而是将目光投向了二十世纪以来人类认知边界的拓展——近代物理学的各个前沿分支。它旨在为那些已经对经典物理框架有扎实理解的读者，提供一扇通往现代物理学迷人而深邃世界的大门。全书以严谨的逻辑、清晰的阐述和丰富的历史背景，系统地梳理了量子力学、相对论、粒子物理学、凝聚态物理学以及宇宙学等领域的基石理论、核心实验和当前的研究热点。 本书结构严谨，分为五个主要部分，层层递进，引导读者构建一个完整的现代物理学图景。 --- 第一部分：时空的重塑——狭义与广义相对论的辉煌 这一部分深入剖析了爱因斯坦提出的革命性时空观。我们不会过多纠缠于牛顿力学的重复叙述，而是直接进入狭义相对论的构建基础——光速不变原理和相对性原理。 核心内容聚焦： 1. 洛伦兹变换的几何意义： 不仅推导出时间膨胀和长度收缩的公式，更侧重于解释它们如何从四维时空（闵可夫斯基空间）的几何结构中自然涌现。我们探讨了四维动量和能量的概念，展示了质能关系$E=mc^2$在不同参考系下的普适性。 2. 引力的几何化： 广义相对论是本书的重点之一。我们详细介绍了黎曼几何的基本概念，特别是如何用曲率来描述引力。书中会通过爱因斯坦场方程的简化形式，探讨水星近日点的进动、光线在引力场中的弯曲，以及引力红移现象。 3. 黑洞物理的初探： 基于史瓦西解，我们将详细描述事件视界、奇点等概念，并引入霍金辐射的半经典图像，探讨黑洞的“信息悖论”这一当代物理学的核心难题。 本部分致力于让读者理解，引力并非一种“力”，而是时空本身的形变。 --- 第二部分：微观世界的革命——量子力学原理与应用 本部分是对微观粒子行为的系统性考察，强调了量子概念的内在矛盾性及其强大的预测能力。 核心内容聚焦： 1. 波粒二象性的确证与诠释： 从德布罗意波到电子衍射实验，我们详述了物质波的实验证据。重点讨论哥本哈根诠释、多世界诠释等哲学层面的讨论，但侧重于薛定谔方程作为核心工具的使用。 2. 算符、本征态与测量问题： 深入讲解量子力学中的数学框架，包括哈密顿量、动量、角动量等物理量的算符表示，以及它们在希尔伯特空间中的演化。测量过程的“坍缩”被视为理解量子世界观的关键障碍。 3. 自旋与全同粒子： 阐释了电子的内在角动量——自旋的量子特性，以及泡利不相容原理如何决定了原子和分子的结构，进而解释了化学键和物质的周期性。 4. 量子场论的萌芽： 简要介绍量子力学如何被提升到量子场论的层面，为下一部分的粒子物理学打下基础，着重于描述量子场对粒子产生和湮灭的自然解释。 --- 第三部分：物质的基石——粒子物理学与标准模型 本部分带领读者进入亚原子层面，探索构成宇宙的基本单元及其相互作用的规律。 核心内容聚焦： 1. 基本粒子和相互作用： 系统梳理标准模型（Standard Model）的结构，包括六种夸克和六种轻子。详细介绍四种基本力（强力、弱力、电磁力、引力）在标准模型框架下的规范场理论描述。 2. 夸克禁闭与色荷： 深入理解强相互作用（QCD）的特性，特别是渐近自由和夸克禁闭现象，解释为何我们只能观测到复合粒子（如质子和中子）。 3. 规范玻色子与希格斯机制： 详述W和Z玻色子的发现，以及希格斯场如何通过自发对称性破缺机制赋予规范玻色子和费米子质量的精妙过程。这部分会强调实验（如大型强子对撞机LHC）在验证理论中的决定性作用。 4. 超越标准模型的探索： 简要介绍当前研究的前沿，如中微子质量的起源、暗物质和暗能量的实验证据，以及对大统一理论（GUT）的初步设想。 --- 第四部分：物质的宏观统一——凝聚态物理学的新疆界 本部分关注大量原子或电子在特定条件下表现出的集体行为，这是连接微观规律与宏观特性的桥梁。 核心内容聚焦： 1. 晶体结构与能带理论： 运用晶体动量和布洛赫定理，解释金属、半导体和绝缘体电学性质的根本区别。深入分析费米能级和导带、价带的概念。 2. 超导现象的奥秘： 详细介绍迈斯纳效应、零电阻现象。重点阐述BCS理论中库珀对的形成机制，以及高温超导（如铜氧化物体系）的未解之谜。 3. 低维物理与拓扑绝缘体： 探讨量子霍尔效应（整数和分数量子霍尔效应），展示二维电子系统中的奇特物理现象。引入拓扑绝缘体的概念，解释其表面态的鲁棒性，这是当前凝聚态物理最活跃的研究领域之一。 4. 介观物理与量子计算基础： 简要介绍介观系统中的量子隧穿效应，并引出量子比特（Qubit）的概念，探讨凝聚态系统（如超导电路或量子点）作为实现量子计算的潜在平台。 --- 第五部分：宇宙的终极问题——现代宇宙学与引力波天文学 最后一部分将视角拉伸到最大的尺度，探索宇宙的起源、演化和最终命运。 核心内容聚焦： 1. 大爆炸模型的观测证据： 详述宇宙微波背景辐射（CMB）的发现及其各向异性的物理起源（早期宇宙的密度扰动）。讨论宇宙膨胀的精确测量（哈勃常数）。 2. 暴胀理论： 解释暴胀模型如何解决经典大爆炸模型的视界问题和平坦性问题，并预测了CMB中的特定模式。 3. 暗物质与暗能量的驱动： 结合旋转曲线、引力透镜效应和宇宙学参数，详细分析暗物质和暗能量在宇宙能量密度中的主导地位。探讨WIMPs、轴子等暗物质候选粒子的实验探测进展。 4. 引力波天文学的黎明： 详细解读广义相对论对引力波的预言。重点解析LIGO/Virgo探测到的双中子星并合（GW170817）和黑洞并合事件，说明引力波如何成为探索极端时空环境的全新窗口。 --- 本书特点总结： 本书的叙事线索清晰，从理论的基石（相对论）到微观的粒子（标准模型），再到宏观的集体行为（凝聚态），最终扩展至宇宙的整体结构。它不重复大学物理教材中关于微积分和基础力学的繁琐推导，而是专注于概念的深入理解、理论的内在逻辑，以及实验验证的最新进展。全书力求在保持科学严谨性的同时，激发读者对现代物理学中那些未解之谜和未来方向的深刻思考。它是一本面向对物理学有较高热情，并希望跨越基础知识藩篱、直接接触前沿思想的读者的进阶读物。

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我是一个偏向于应用型学习的工科生，我对那些过于偏重数学推导的理论书籍总是敬而远之，因为那些冗长的积分和微分符号常常让我大脑宕机。然而，这本教材在数学工具的使用上达到了一个近乎完美的平衡点。它清晰地展示了数学在描述物理世界中的必要性和强大之处，但又不会让数学本身喧宾夺主。每当需要引入高等数学工具时，比如在处理振动和波时用到复数和欧拉公式，作者会非常贴心地给出简短的背景回顾，说明为什么这个工具是解决当前问题的最佳选择，而不是直接跳过，让读者去查阅另一本数学参考书。这种“即时补给”的服务对于我这种学习效率追求者来说太重要了。另外，这本书在引入现代物理的过渡部分做得非常流畅。从经典的电磁场理论，到相对论的开端，这个跨越往往是很多教材中最生硬的地方。但这里的叙述非常巧妙，通过对迈克尔逊-莫雷实验的深入分析，以及对“以太”概念的逐步瓦解过程的细致描写，让人自然而然地感受到经典物理的局限性，从而接受狭义相对论的必然性。它就像一个高明的向导，引导你从熟悉的平原，一步步踏入引人入胜的未知山谷，全程舒适且充满启发性。

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这本书的装帧和印刷质量，真的体现了出版方对读者的尊重。纸张的厚度适中，不是那种廉价的反光纸，阅读起来眼睛非常舒服，即使长时间对着书本抄录笔记也不会感到明显的疲劳。更让人称赞的是，它的索引部分做得极其详尽。我经常需要查找某个特定的物理量或者某个特定理论的提出者，一本好的索引能节省我大量的时间。这本书的索引不仅按词条排列，甚至对关键公式的首次出现页码也有明确标注，这对于我这种需要频繁回顾特定章节的读者来说，简直是效率的倍增器。我最近在做一个关于量子力学初步概念的课外研究，需要快速定位到这本书中对波粒二象性描述的早期案例，通过这本书详尽的索引，我只用了不到两分钟就找到了相关的段落，这在很多其他教材中是难以想象的便利。此外，装订的牢固程度也让人放心，经常翻阅和带着它在校园里奔波，书本的各个部分依然保持着紧密连接，没有出现散页的迹象。这种对物理细节的关注，延伸到了对这本书实体本身的关注，让人感觉这是一件值得珍藏的知识载体，而不是可以随意丢弃的工具书。

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这本书的封面设计得很有心意，那种沉稳的蓝色调和简洁的字体排版，一下子就给人一种严谨而又不失深度的感觉。我本来还担心内容会过于晦涩难懂，毕竟“物理”这两个字本身就自带一些让人望而却步的光环，但翻开目录那一刻，心里踏实了不少。章节的划分非常清晰，从最基础的力学讲起，逐步深入到电磁学、光学，结构安排得就像是攀登一座精心规划的山峰，每一步都有明确的指引。作者在引入新概念时，总能找到非常贴近生活的例子，比如用篮球的投射轨迹来解释抛物线运动，或者通过简单的拉力实验来阐述力的矢量合成。这种处理方式极大地降低了初学者的心理门槛，让我感觉物理不再是高高在上的理论，而是触手可及的自然规律。更值得称赞的是，书中的插图和示意图质量非常高，线条流畅，标注精确，很多复杂的受力分析图，通过这些图形的辅助，几乎不需要冗长的文字解释就能豁然开朗。对于那些习惯于视觉学习的读者来说，这简直是福音。我花了几个周末的时间，主要集中在热力学的部分，那里的热力学第二定律和熵的概念，常常让人感到困惑，但这本书给出的解释层次分明，配上了那个经典的“麦克斯韦妖”思想实验的详细剖析，让我对能量耗散和系统无序性有了更深刻的理解，可以说是把一个抽象的概念具象化了。这本书的配方就像一位耐心十足的私人教师，循循善诱，让人在不知不觉中吸收了知识的精髓。

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如果用一句话来概括我阅读这本书的体验，我会说它充满了“敬畏感”。这种敬畏感不是源于对权威的盲从，而是源于对自然界精妙法则的深深折服。作者的语言风格非常具有说服力，他似乎不满足于仅仅告诉你“是什么”，而是试图唤醒你心中对“宇宙如何运作”的好奇心。比如在讲解引力定律时，书中并未满足于牛顿的万有引力公式，而是巧妙地引入了爱因斯坦对引力场本质的全新诠释，用非常生动的比喻描述了时空弯曲的概念，让你仿佛能“看到”行星是如何绕着一个看不见的“凹陷”在运动。这种叙事手法使得物理不再是冷冰冰的定律集合，而是一部波澜壮阔的、不断自我修正的探索史诗。我特别喜欢那些穿插在正文中的“名人小传”和“历史插曲”，它们不仅仅是为书本增添色彩，更重要的是，它们揭示了伟大科学家们在面对科学瓶颈时的挣扎、灵感的闪现，以及他们如何突破当时的思维定势。这极大地鼓舞了正在学习中的我们，让我们明白科学的进步并非一蹴而就，而是充满了反复和质疑。这本书成功地将科学的“人文精神”注入到了严谨的公式之中，让人在学习知识的同时，也接受了一次关于科学精神的深刻洗礼。

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说实话，我拿到这本教材的时候，是抱着一种“凑合着用吧”的心态的，毕竟在学校里，很多教材都是为了应付考试而编撰的教辅工具，内容堆砌，重点不突出。但读完前三章后，我的看法完全改观了。它最绝妙的地方在于，它没有把物理学当作一门孤立的学科来介绍，而是将其置于科学史和哲学思辨的背景之下。例如，在介绍牛顿力学时，作者用了相当大的篇幅去探讨伽利略和笛卡尔对运动本质的不同理解，以及这种哲学思想如何影响了后来的物理定律的构建。这种宏观的视角，让学习过程充满了历史的厚重感和探索的乐趣。我尤其欣赏它在习题设计上的精妙。它不是那种千篇一律地重复公式计算的题库，而是设置了大量的“思考题”和“讨论题”。这些题目往往需要你综合运用多个章节的知识点，并且鼓励你对物理现象的边界条件进行深入的探究。我记得有一个关于波的干涉和衍射的题目，它要求我们设想一个在零重力环境下，介质密度均匀变化的场景中，光束会如何传播，这迫使我跳出标准模型，去重新审视波动方程的基本假设。这种对批判性思维的培养，远比单纯记住几个公式要宝贵得多。对于想真正理解物理学“为什么是这样”而不是仅仅知道“是什么”的读者来说，这本书简直是一座宝库，它贩卖的不是答案，而是探索世界的方法论。

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