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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Bohr, Aage/ Mottelson, Ben R.

出品人:

頁數:1219

译者:

出版時間:

價格:1351.00 元

裝幀:HRD

isbn號碼:9789810231972

叢書系列:

圖書標籤:

• 核結構
• 原子核物理
• 核反應
• 核模型
• 放射性衰變
• 核譜學
• 量子力學
• 粒子物理
• 核天體物理
• 重離子碰撞

宇宙的深層奧秘：量子場論與粒子物理學前沿探索 內容提要： 本書深入剖析瞭現代物理學的兩大支柱——量子場論（QFT）與粒子物理學——在揭示物質最基本組成和相互作用規律方麵的核心理論框架、實驗驗證以及未來挑戰。全書結構嚴謹，從相對論量子力學的基本概念齣發，逐步構建起洛倫茲協變、定域性的量子場論體係，涵蓋瞭對標準模型（Standard Model, SM）的詳盡闡述，特彆是對電磁力、弱核力與強核力的微觀描述。書中著重探討瞭量子電動力學（QED）的精密計算及其對電子磁矩的精確預測，並深入講解瞭量子色動力學（QCD）中的誇剋-膠子等離子體、漸進自由性與誇剋禁閉等非微擾現象。 隨後，本書將視角轉嚮標準模型之外的物理學（BSM Physics），係統梳理瞭希格斯機製的完備性、中微子物理學的最新進展（如質量起源與振蕩機製），並對超對稱理論（SUSY）、額外維度理論（Extra Dimensions）以及超越標準模型的暗物質和暗能量候選者進行瞭深入的理論模型構建與實驗可探測性分析。本書不僅為高年級本科生和研究生提供瞭堅實的理論基礎，也為從事理論或實驗高能物理研究的人員提供瞭前沿課題的全麵概覽。 --- 第一部分：量子場論的基石與重整化 第一章：從相對論到場論的躍遷 本章首先迴顧狹義相對論對量子力學的修正，引齣泡利方程的局限性，並詳細闡述瞭狄拉剋方程的構造與反物質（正電子）的必然性。重點在於理解相對論性量子力學如何自然地導嚮場的概念，即粒子被視為場的激發態。通過分析自由場的拉格朗日密度，構建瞭玻色子場（如Klein-Gordon場）和費米子場（如狄拉剋場）的正則對易關係與對易關係，奠定瞭量子化過程的數學基礎。 第二章：規範場論的構建與規範對稱性 規範對稱性是描述基本相互作用力的核心要求。本章詳述瞭對定域規範不變性原理的引入，以及如何通過引入規範玻色子（光子、膠子等）來維持這種不變性。我們細緻地考察瞭Abelian U(1)規範群（QED的結構）和非Abelian SU(N)規範群（如SU(2)和SU(3)的結構）。通過規範場論的生成，清晰地展示瞭相互作用力的傳遞機製——虛粒子交換。 第三章：相互作用的微擾展開與費曼圖 在量子場論中，精確求解相互作用場的演化是極其睏難的。本章聚焦於微擾論方法，詳細介紹瞭S矩陣的構造及其在微分散射截麵計算中的應用。S矩陣的展開式通過費曼圖進行直觀的幾何錶示，每條綫和頂點都對應於特定的代數因子。本章詳細解析瞭費曼規則的推導過程，並以最簡單的電子-電子散射為例，展示如何利用這些規則計算高階修正。 第四章：發散與重整化——消除無窮大 微擾計算往往導緻紫外（UV）和紅外（IR）發散，這是量子場論早期麵臨的巨大挑戰。本章的核心是重整化程序。首先，通過截斷法和正則化方法（如維數正則化），係統地處理發散項。隨後，詳細闡述瞭“重整化”的物理思想：將裸參數（定義在UV截斷點）與觀測到的有限物理參數聯係起來。通過重整化群方程（RGE），展示瞭物理量如何隨能量尺度變化，這是理解物理學內在一緻性的關鍵。 --- 第二部分：標準模型的精妙結構 第五章：規範群與標準模型的骨架 標準模型建立在 $SU(3)_C imes SU(2)_L imes U(1)_Y$ 的規範群之上。本章對這個群結構進行深入分析，解釋瞭強核力（QCD）、弱核力（涉及手性）和電磁力是如何通過這個統一框架自然産生的。我們討論瞭基本費米子（誇剋與輕子）在這些規範群下的錶示，強調瞭手性（Chirality）在描述弱相互作用中的核心地位。 第六章：自發對稱性破缺與質量的起源 標準模型中的規範玻色子和費米子是如何獲得質量的，是本部分的核心議題。本章詳細闡述瞭希格斯機製：如何通過引入一個具有非零真空期望值的標量場（希格斯場），在保持規範不變性的前提下，自發地破壞 $SU(2)_L imes U(1)_Y$ 對稱性。我們精確計算瞭W和Z玻色子的質量，並解釋瞭費米子如何通過Yukawa耦閤獲得質量，同時保持規範玻色子（光子）的零質量。 第七章：量子電動力學（QED）的精度 QED作為第一個被完全重整化的量子場論，代錶瞭理論物理的巔峰成就之一。本章專注於QED的精確預測能力。我們將計算電子的正常化因子、電子的電荷的跑動（Running of Charge），並詳細推導瞭電子的異常磁矩 $left(g-2 ight)$ 的量子修正。我們將理論計算結果與實驗測量值進行對比，凸顯QED在檢驗量子電動力學自洽性上的決定性作用。 第八章：量子色動力學（QCD）與強相互作用 QCD描述瞭誇剋和膠子之間的強核力。本章探討瞭QCD的三個核心特徵： 1. 漸進自由性（Asymptotic Freedom）： 解釋瞭在短距離/高能下，強耦閤常數變弱的機製，這使得高能實驗中的微擾計算成為可能。 2. 誇剋禁閉（Confinement）： 解釋瞭為何誇剋和膠子不能單獨存在。通過討論膠子鏈和弦模型，展望瞭非微擾QCD（如格點QCD）的計算方法。 3. 手徵對稱性破缺： 討論瞭QCD真空如何通過低能下的自發破缺機製，解釋瞭大量強子質量的起源（與希格斯機製導緻的誇剋質量分離）。 --- 第三部分：標準模型之外的探索與前沿挑戰 第九章：中微子物理學的復興 標準模型最初認為中微子是無質量的。然而，中微子振蕩的實驗發現（太陽中微子問題和大氣中微子問題）證明瞭中微子具有質量，這是標準模型最重大的不完備性之一。本章係統分析瞭中微子振蕩的動力學，並深入探討瞭引入“海索性”中微子的“蹺蹺闆機製”（Seesaw Mechanism），以解釋為何中微子質量比帶電荷的輕子小得多，並預測瞭可能的CP破壞現象。 第十章：超對稱性（Supersymmetry, SUSY）的理論構建 超對稱性是解決標準模型中層子質量（Hierarchy Problem）和自然性問題的最主要候選理論。本章詳細介紹瞭SUSY的基本假設：每個玻色子都有一個對應的費米子超伴子，反之亦然。我們將構建最小超對稱標準模型（MSSM）的拉格朗日量，討論其在加速粒子對撞機上的潛在探測信號，以及SUSY如何提供暗物質的穩定候選者（如最輕超伴子LSP）。 第十一章：暗物質與暗能量的粒子物理學圖像 觀測證據確鑿地錶明宇宙中存在大量的暗物質和暗能量。本章將從粒子物理的角度考察暗物質的各種候選者。除瞭SUSY的LSP之外，我們還將詳細討論：軸子（Axions）作為解決強CP問題的遺留物；WIMPs（弱相互作用重粒子）的遺跡豐度計算（Thermal Relic Density）；以及惰性中微子模型。同時，也將簡要探討暗能量的本質（如宇宙學常數或Quintessence模型）與量子場論的真空能密度之間的巨大矛盾（真空災難）。 第十二章：超越標準模型的理論展望與下一代實驗 本章總結瞭當前理論物理學傢正在探索的其他重要方嚮。這包括：大統一理論（GUTs）的嘗試，如何將 $SU(3) imes SU(2) imes U(1)$ 統一到一個更大的規範群；額外維度理論（如Kaluza-Klein理論和布蘭妮世界模型），探討引力在微小尺度上如何“泄漏”；以及對引力量子化的初步探索。最後，本書展望瞭未來實驗（如LHC的更高亮度運行、I-LC/FCC對希格斯與新物理的精確測量、以及深層地下暗物質直接探測實驗）將如何檢驗這些前沿理論預測。

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作者的敘事節奏掌握得爐火純青，行文流暢自然，仿佛一位經驗豐富的大師在嚮你娓娓道來那些晦澀難懂的物理定律。他總能在恰當的時機引入一個巧妙的比喻，將那些宏大而抽象的概念瞬間拉到可以被日常經驗所理解的層麵。比如，當他解釋量子糾纏的非定域性時，他所構建的那個“宇宙級的編織物”的比喻，讓我一下子抓住瞭問題的核心。這種敘事手法避免瞭純粹的數學推導帶來的閱讀疲勞，使得即便是涉及到高度專業化的內容，也依然能保持一種引人入勝的吸引力。我發現自己常常在不知不覺中就讀完瞭原本計劃隻讀一小節的內容，這完全歸功於作者高超的文字駕馭能力。他沒有刻意去“簡化”復雜的概念，而是通過精妙的語言組織，引導讀者主動去構建屬於自己的理解框架，這種尊重讀者的態度，令人十分欣賞。

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從實際應用和跨學科連接的角度來看，這本書的視野非常開闊。作者並沒有將理論知識束之高閣，而是不斷地將抽象的物理原理與現實世界中的工程挑戰和技術進步聯係起來。比如，他對不同核反應堆設計中，材料對中子流的截麵響應差異的分析，其細緻程度完全可以作為高級工程參考手冊來使用。這種“理論指導實踐”的思路貫穿始終，使得學習過程充滿瞭現實意義和目標感。我特彆欣賞作者對曆史背景的梳理，他沒有僅僅羅列時間綫，而是深入剖析瞭每一次重大理論突破背後的社會需求和實驗條件限製，這讓理論的學習不再是孤立的知識點，而是鮮活的曆史進程的一部分。這本書不僅教會瞭我“是什麼”和“為什麼”，更展示瞭這些知識如何被用來塑造我們的技術未來，極大地拓寬瞭我對該領域潛在價值的認知。

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這本書的理論深度無疑是頂級的，它不僅僅是對現有知識的總結，更在很多地方體現瞭作者自己獨到的見解和對未來研究方嚮的深刻洞察。特彆是在批判性地審視某些長期以來被認為是鐵律的理論模型時，作者錶現齣瞭驚人的勇氣和邏輯的銳利性。他毫不留情地指齣瞭現有模型在解釋某些實驗異常現象時的局限性，並提齣瞭數個極具啓發性的替代性假說。這些討論並非空穴來風，而是基於對大量一手實驗數據的嚴謹分析。閱讀這些章節，我感覺自己像是參與瞭一場頂尖學者的閉門研討會，能夠接觸到尚未被主流教科書廣泛采納的前沿思辨。對於那些渴望超越基礎知識、直擊學科前沿的進階學習者來說，這本書提供瞭無與倫比的智力挑戰和思維上的助推力。它強迫你跳齣舒適區，重新審視你所堅信的物理圖景。

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這本書的插圖簡直是一場視覺盛宴，色彩的運用大膽而精準，將復雜的物理概念以一種近乎藝術品的方式呈現齣來。我尤其喜歡作者在講解那些高維空間結構時所采用的抽象錶達手法，它成功地在保持科學嚴謹性的同時，極大地激發瞭讀者的想象力。每一個圖錶的布局都經過深思熟慮，信息的密度恰到好處，不會讓人感到壓迫。更不用說那些精細的切麵圖和爆炸圖，它們如同精密的手術刀一般，將物質內部的層次結構剖析得淋灕盡緻。讀這本書的過程，與其說是在學習理論，不如說是在進行一場精緻的視覺漫遊。我時常會停下來，僅僅是為瞭細細品味某一頁的版式設計，那種對細節的極緻追求，著實令人印象深刻。這絕非那種隻有枯燥公式堆砌的教科書，它更像是一本精心編排的科學畫冊，隻是內容涉及的領域極其前沿和深奧。這本書在裝幀上的質感也非常好，紙張的觸感溫潤而厚重，讓人有種捧著珍寶的感覺，閱讀體驗因此得到瞭極大的提升。

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本書的參考資料和附錄部分堪稱典範，其詳盡程度遠超我所見過的任何同類書籍。每一個關鍵公式的推導過程都被完整地呈現瞭齣來，並且標注瞭每一步背後的物理直覺，這對於那些想深入探究數學工具的讀者來說，是無價之寶。更棒的是，作者似乎還貼心地為不同背景的讀者設置瞭不同的“入口”：主文部分流暢易懂，側重概念建立；而那些密集的數學推導和詳細的數值模擬結果則被巧妙地放置在腳注或附錄中，使得讀者可以根據自己的需求選擇性地深入鑽研。我花瞭整整一個下午，僅僅在核對其中一個復雜積分的收斂條件，這種紮實的工作態度，無疑為這本書的權威性增添瞭砝碼。這種對每一個細節的負責任態度，讓讀者能夠完全信任書中所呈現的每一個數據點和每一個結論。

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