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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Barone, Michele (EDT)

出品人:

页数:1144

译者:

出版时间:

价格:2486.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9789812567987

丛书系列:

图书标签:

Astroparticle Physics
Particle Physics
Space Physics
Detectors
Medical Physics
Instrumentation
High Energy Physics
Cosmic Rays
Radiation Physics
Nuclear Physics

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具体描述

《星际之谜：从夸克到宇宙的探索》一部跨越微观与宏观的物理学史诗，揭示物质本源与宇宙演化的奥秘本书旨在带领读者进行一场宏大而精密的物理学之旅，从构成物质的最基本单元——夸克和轻子，深入到宇宙结构和演化的终极问题。我们不会纠缠于粒子探测器的具体技术细节，也不会深入探讨医学成像中的剂量学计算，而是专注于理论物理学的核心概念、实验观测的重大突破，以及它们如何共同描绘出我们所处宇宙的完整图景。第一部分：微观世界的基石——粒子物理学的核心图景本部分将聚焦于标准模型的精妙结构及其对自然界基本作用力的描述。我们将深入剖析量子场论的数学框架，但这并非枯燥的公式堆砌，而是理解物质如何相互作用的语言。 1. 夸克与轻子的“族谱”：我们将系统介绍三代夸克（上、下、奇、魅、底、顶）和三代轻子（电子、缪子、陶子及其对应的中微子）。重点在于理解费米子的自旋和质量的起源，探讨电弱对称性破缺如何赋予这些基本粒子质量，而标准模型中的希格斯机制扮演了何种关键角色。我们将讨论CP破坏现象，分析其在解释宇宙中物质多于反物质这一基本不对称性时的理论困境与潜在解决方案。 2. 力的传递者：规范玻色子与相互作用：详细阐述四种基本力中的三种——电磁力、弱核力和强核力。我们会剖析它们各自的载体：光子、W和Z玻色子，以及胶子。对于强相互作用，我们将重点探讨量子色动力学（QCD）的核心特征：渐近自由：解释在极高能量下夸克和胶子几乎不受约束地运动，这是高能对撞实验得以成功的物理基础。夸克禁闭：阐述在低能区，夸克和胶子如何被束缚在强子（如质子和中子）内部，我们如何通过有效场论的视角来描述这些复合粒子的行为。 3. 超越标准模型的前沿探索：标准模型并非终极理论。本章将梳理那些指向新物理学的实验证据和理论猜想。我们将讨论中微子振荡所揭示的质量问题，这直接挑战了标准模型中中微子无质量的假设。深入探讨大统一理论（GUTs）的构想，即在极高能量下，电磁力、弱力和强力可能统一为一个单一的力。第二部分：宇宙的宏大尺度——从标准模型到宇宙学本部分将视野从微观的粒子层面扩展到宏观的宇宙结构和演化历史，探讨粒子物理学如何为现代宇宙学提供解释框架。 1. 暗物质的谜团：介绍描述星系旋转曲线、引力透镜效应和宇宙微波背景辐射的观测证据，这些都指向宇宙中存在远超可见物质的暗物质。我们将审视目前主流的候选者，如弱相互作用重粒子（WIMPs），并讨论理论上如何构造出这些不与电磁力作用的粒子。 2. 暗能量与宇宙的加速膨胀：深入解析宇宙加速膨胀这一惊人发现，并介绍暗能量作为其驱动力的概念。我们将对比宇宙学常数（真空能）与修正引力理论（如$f(R)$引力）在解释暗能量现象上的优劣。 3. 早期宇宙的粒子物理：将时间倒流至宇宙大爆炸的最初瞬间。探讨暴涨理论（Inflation）如何解决视界问题和磁单极子问题，并解释其如何将微观尺度的量子涨落放大为宇宙尺度的密度起伏，从而成为今日星系形成的“种子”。分析重子生成（Baryogenesis）的机制，解释为何宇宙中存在物质的过量。 4. 引力与量子力的调和：面对黑洞奇点和宇宙大爆炸的开端，经典广义相对论失效，量子引力成为必需。本章将概述弦理论（作为量子引力的一种主流尝试）的基本思想，如额外的空间维度、对基本粒子质量和耦合常数的解释，以及它在理解黑洞熵方面的潜力。同时，也将简要介绍圈量子引力的思路，探讨时空是否具有离散的基本结构。第三部分：前沿研究的交叉领域与未来展望本部分将讨论当前物理学界最活跃的研究方向，这些领域往往是粒子物理、天体物理和空间科学的交汇点。 1. 极端天体物理中的高能过程：考察宇宙中最剧烈的能量释放事件——超新星爆发、伽马射线暴（GRBs）和活跃星系核（AGN）。分析这些事件如何产生宇宙射线，以及这些高能粒子（质子、原子核乃至更重的奇异物质）的加速机制和传播路径对我们理解宇宙源头的意义。 2. 中微子天文学的兴起：探讨如何利用地球上的巨大探测器（如冰下或深海阵列）来捕捉来自宇宙深处的极高能中微子。这些“幽灵粒子”能够携带关于其生成源（如致密星体合并或活动星系核的喷流）的未被遮蔽的信息，是探索宇宙高能物理的独特窗口。 3. 空间探索对基础物理的贡献：讨论在地球磁场和大气层之外进行的实验的独特性。例如，空间望远镜如何以前所未有的精度测量宇宙微波背景辐射的各向异性，为暴涨模型提供关键检验；以及太空任务如何直接探测暗物质湮灭信号或引力波的性质，这些都要求理论模型必须与最灵敏的观测数据相吻合。总结：本书提供了一个关于“我们从哪里来，我们是什么，以及我们将往哪里去”的连贯叙事。它强调了理论框架的严谨性、实验证据的决定性作用，以及物理学持续探索边界的勇气。我们聚焦于理解自然界运行的基本法则，而非其工程应用，旨在为那些渴望洞察宇宙深层奥秘的读者，构建一座连接微观粒子与宏大宇宙的知识桥梁。