Bosons After Symmetry Breaking in Quantum Field Theory pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Fujita, Takehisa/ Hiramotoa, Makoto/ Takahashi, Hidenori

出品人:

页数:92

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价格:35

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isbn号码:9781606921104

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图书标签:

• Quantum Field Theory
• Bosons
• Symmetry Breaking
• Particle Physics
• Condensed Matter Physics
• Quantum Mechanics
• Field Theory
• Spontaneous Symmetry Breaking
• Goldstone Bosons
• Higgs Mechanism

粒子之舞：对称性破缺与量子场论的奇妙世界 本书将带领读者踏上一段深入量子场论核心奥秘的旅程，聚焦于一个至关重要的概念：对称性破缺。我们将剥离表象，探寻隐藏在基本粒子行为背后的深刻规律，理解为何宇宙呈现出我们所见的丰富多样，以及为何某些粒子拥有质量，而另一些则轻若鸿毛。本书并非对某本特定著作的介绍，而是对一个理论框架的阐释，它构成了我们理解物质世界微观运作的基石。 在量子场论的宏大叙事中，对称性扮演着无可替代的角色。它如同隐藏在自然规律中的“美学原则”，决定了物理定律在不同变换下保持不变。例如，空间的平移对称性意味着无论你在哪里进行实验，物理规律都将是相同的；时间的平移对称性则保证了物理定律不会随着时间流逝而改变。在量子场论的语言里，这些对称性对应着守恒定律，正如诺特定理所揭示的那样。 然而，宇宙的现实并非总是完美对称。尽管我们期望粒子场在最基础的能级上（真空态）能够展现出与物理定律一致的对称性，但实验观测却告诉我们，情况并非如此。这就是“对称性破缺”登场的时刻。想象一下，一个理想化的、完美的圆顶，其最低能量状态应该就是圆顶的最高点，那里是绝对的对称。但如果我们将一个小球放在圆顶边缘，它会滚落到某个特定的点，打破了原本的圆顶对称性，而是遵循了更低的能量状态。 这种“自发性对称性破缺”是本书探讨的核心。它并非由外部力量强加，而是由系统本身的内在动力学自发产生的。在量子场论中，这意味着真空态——宇宙最稳定的状态——本身就可能不再拥有与底层物理定律相同的对称性。这种现象的出现，并非预示着理论的失败，反而揭示了更深层次的物理机制。 当一个理论描述的对称性在真空态中被自发性地打破时，会发生一系列引人入胜的后果。其中最著名且最具决定性的一个，就是“戈德斯通定理”（Goldstone's Theorem）。该定理指出，每打破一个连续的全局对称性，就会出现一种无质量的、自旋为零的粒子，被称为“戈德斯通玻色子”（Goldstone Boson）。这些粒子如同对称性破缺的“幽灵”，它们的存在是理论自洽的必然结果。 然而，现实世界中的粒子并非总是无质量的。例如，电子、夸克等基本粒子都拥有质量。这就引出了一个关键问题：戈德斯通玻色子如何解释粒子的质量？在这里，一个更为精妙的机制——“希格斯机制”（Higgs Mechanism）——发挥了至关重要的作用。 希格斯机制巧妙地将戈德斯通玻色子“吸收”进其他玻色子中，赋予这些玻色子质量。它涉及到一种特殊的“规范对称性”的破缺。在量子场论中，规范对称性是描述相互作用（如电磁力、弱核力、强核力）的关键。当一个规范对称性发生自发性破缺时，原本的无质量规范玻色子（例如光子）就会通过与一个特殊的标量场（即希格斯场）的相互作用，获得质量。而原本应出现的戈德斯通玻色子，则“退化”为这些获得质量的规范玻色子的一个分量。 这个机制的出现，极大地简化了我们的模型，并为解释基本粒子的质量提供了统一的框架。特别是对于传递弱核力的W玻色子和Z玻色子，它们的质量是弱相互作用强度的关键。没有希格斯机制，弱相互作用将变得非常奇怪，其强度会随着能量的增加而无限制地增长，这与实验观测严重不符。 本书将深入剖析希格斯机制的数学结构，展示它是如何通过一个具有特定势能函数的标量场来实现的。这个势能函数呈现出一个“墨西哥帽”式的形状，其最低能量状态并非在势能函数的中心（对称点），而是分散在周围的“山谷”中。当场“跌落”到这个山谷时，就实现了对称性破缺。 我们还会探讨这种对称性破缺所带来的直接物理效应，其中最著名的就是“希格斯玻色子”本身的发现。希格斯玻色子是希格斯场量子化的产物，它是一个自旋为零的标量粒子，它的存在是希格斯机制的直接证据。2012年，在欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上发现的希格斯玻色子，是粒子物理学领域的里程碑式成就，它证实了我们对粒子质量起源的理解。 除了基本粒子的质量，对称性破缺在其他领域也扮演着重要角色。例如，在凝聚态物理中，超导现象就可以被看作是电磁规范对称性的一种自发性破缺，导致光子的有效质量增加，从而使得电流在材料中无阻碍地流动。在宇宙学中，早期宇宙的相变过程，也可能涉及到对称性破缺，这些过程可能解释了宇宙的许多宏观性质，例如物质-反物质不对称性的起源。 本书的结构将循序渐进，从理解对称性在物理学中的基本作用开始，逐步引入自发性对称性破缺的概念，然后深入探讨戈德斯通定理和希格斯机制。我们将分析涉及的数学工具，例如拉格朗日量、规范场论以及量子化过程，但会侧重于概念的清晰阐释，力求让即使没有深厚理论背景的读者也能领略其精妙之处。 我们将详细讨论标准模型中对称性破缺的应用，包括电弱对称性破缺如何赋予W和Z玻色子质量，以及强核力中的色禁闭现象是否与对称性破缺的某些方面相关。同时，我们也会触及一些前沿的研究方向，例如超对称理论中的对称性破缺，以及它可能对解决标准模型中的一些未解之谜（如暗物质）所带来的启示。 总而言之，本书旨在为读者构建一个关于对称性破缺及其在量子场论中关键作用的全面而深入的理解。它揭示了宇宙并非总是遵循我们直观上认为的“简单”对称性，而是通过一种更为复杂而优雅的机制，自发地演化出我们所见的丰富多彩的物理世界。通过探索粒子之舞的背后，我们将更深刻地理解物质的基本构成和宇宙的运行规律。

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