Basic Physics

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出版者:Charles C Thomas Pub Ltd
作者:Rivers, R. W./ Bartlett, Wade
出品人:
页数:140
译者:
出版时间:
价格:28.95
装帧:
isbn号码:9780398074821
丛书系列:
图书标签:
  • 物理学
  • 基础物理
  • 大学物理
  • 入门
  • 力学
  • 电磁学
  • 热学
  • 光学
  • 现代物理
  • 物理
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具体描述

探秘宇宙的奥秘:《星辰轨迹与量子纠缠》 一部引人入胜的硬核科普力作,带领读者深入探索现代物理学的宏伟蓝图。 本书并非对基础物理概念的重复阐述,而是着眼于前沿物理学的最新进展与深刻洞察。它聚焦于那些挑战我们直觉、重塑我们世界观的领域,旨在为渴望超越经典框架的求知者提供一座通往未来科学殿堂的阶梯。我们假设读者已经对力、运动、电磁学等基础概念有所了解,因此,本书将直接切入那些定义了二十一世纪物理学图景的核心议题。 第一部分:时空几何的深度剖析 本部分将对爱因斯坦的广义相对论进行一次超越教科书层面的深入解读,重点关注其在极端物理条件下的应用和最新的实验验证。 第一章:弯曲时空的拓扑结构 我们不再满足于对“时空弯曲”的简单描述,而是深入探讨黎曼几何在描述引力场中的数学本质。本章将详细解析克里斯托费尔符号、里奇张量与爱因斯坦场方程的精确解法,特别是对史瓦西解和克尔解的物理意义进行细致的辨析。我们将分析黑洞视界内部的奇点结构,并讨论是否存在“裸奇点”的可能性。此外,本章还将引入共形几何的概念,探讨在研究早期宇宙和极端引力场时,如何通过共形不变性来简化复杂的场方程。 第二章:引力波天文学的黎明 引力波的直接探测是二十一世纪物理学的里程碑事件。本章不仅回顾了LIGO和Virgo的探测原理,更专注于分析合并事件的波形模型(如“chirp”信号)与相对论预测的精确匹配度。我们将探讨不同类型的引力波源——双中子星并合、超大质量黑洞的旋进与并合,以及它们对宇宙学参数(如哈勃常数)测量的贡献。更重要的是,本章会讨论“第三代”引力波探测器(如LISA)的科学目标,即探测宇宙早期由原初黑洞或相变产生的亚赫兹引力波背景,这将为我们重构大爆炸后瞬间提供了前所未有的窗口。 第三章:引力与量子场的交汇点 相对论的成功与量子力学的完备性之间的鸿沟是当前理论物理学的最大挑战。本章将探讨半经典引力的局限性,并深入介绍霍金辐射的推导过程,分析信息悖论的最新进展——特别是防火墙佯谬和ER=EPR猜想对黑洞信息丢失问题的潜在解答。我们还将审视圈量子引力(LQG)在解决量子化时空问题上的核心思想,包括自旋网络和背景独立性,并对比其与弦理论在处理奇点问题上的不同路径。 --- 第二部分:量子世界的深层揭示 本部分将超越标准量子力学框架,聚焦于量子信息、非局域性以及物质波函数行为的微妙之处。 第四章:纠缠态的非局域性与计算潜力 量子纠缠不再仅仅是一个哲学上的悖论,而是成为一种可被利用的物理资源。本章将详细解析贝尔不等式的实验验证,特别是那些采用“无漏洞”设置(如无漏洞的延迟选择实验)来排除定域隐变量的实验细节。我们将探讨纠缠熵在理解多体系统中的角色,并引入量子信息论的基本度量,如纠缠度(Concurrence)和纠缠见证者(Entanglement Witnesses)。最后,我们将概述量子计算的核心——从Shor算法和Grover算法的理论复杂度,到拓扑量子计算如何利用物质的拓扑性质来抵抗退相干。 第五章:量子场论中的对称性与能谱 本章聚焦于高能物理实验所揭示的粒子世界,重点在于标准模型之外的理论探索。我们将深入分析规范场论中规范群的选择(SU(3)xSU(2)xU(1))如何决定了基本相互作用的性质。随后,我们将探讨手征对称性的自发破缺——希格斯机制如何赋予了基本粒子质量,并分析畴壁和磁单极子等拓扑缺陷在早期宇宙演化中的潜在痕迹。对于强相互作用的量子色动力学(QCD),我们将着重分析渐近自由的机制以及在夸克-胶子等离子体状态下物质行为的特性。 第六章:凝聚态物理的前沿疆域 凝聚态物理是连接微观世界与宏观现象的桥梁,本书将关注那些因量子效应而在特定材料中涌现的奇异物态。我们将深入研究分数量子霍尔效应的精妙物理,解析其激发态的任意子(Anyons)的非阿贝尔统计特性,及其在拓扑量子计算中的潜在应用。此外,本章将对拓扑绝缘体和拓扑超导体的拓扑不变量进行详细阐述,解释其表面态或边缘态如何受到拓扑保护,从而展现出与传统能带理论不同的导电特性。我们还将探讨莫特绝缘体的电子关联效应,以及在强关联系统中可能出现的量子自旋液体态。 --- 第三部分:宇宙学与基础常量的精细测量 本部分将目光投向宇宙的尺度,关注对宇宙演化施加最深远影响的基本参数的精确测定。 第七章:暗物质与暗能量的物理模型 暗物质和暗能占据了宇宙物质能量密度的绝大部分,但其本质仍是未解之谜。本章将系统梳理目前主流的暗物质候选粒子模型,从WIMPs到轴子(Axions),并分析当前和未来实验(如直接探测实验XENONnT和间接探测实验CTA)的灵敏度极限。对于暗能量,我们将超越标准的宇宙学常数(Λ)模型,探讨第五种力或修改引力理论(如f(R)引力)如何尝试解释宇宙加速膨胀的起源,并讨论这些模型对早期宇宙暴胀理论的兼容性。 第八章:精细结构常数的时空演化 基础物理常数是否真的恒定不变,是检验物理学普适性的关键。本章将详细介绍如何利用类星体光谱和天然核反应堆等高精度天文观测数据,来搜索精细结构常数 ($alpha$) 在宇宙时间尺度上的微小变化。我们将讨论这些观测结果与超精细结构常数 ($mu$) 测量结果之间的潜在冲突,以及这些冲突对不同“可变常数”理论模型的约束。对这些基本常数的精确锁定,为理解统一理论的结构提供了至关重要的实验依据。 总结与展望:未知的领域 本书的结尾不提供简单的结论,而是指向更深远的挑战。它邀请读者思考:当我们掌握了黑洞的量子信息,理解了引力的量子化,并最终揭示暗物质的本质后,我们下一阶段的物理学目标将指向何方? 从信息论的视角审视物理学,探讨“万物源于信息”的哲学猜想,以及如何用更统一的语言来描述引力、量子和热力学之间的深刻联系,构成了对未来物理学研究方向的深刻展望。 本书适合具有扎实的大学物理基础,对理论前沿有强烈求知欲的物理专业学生、科研人员,以及渴望在基础物理学领域获得深度理解的非专业读者。它要求读者具备对数学工具的接受能力,并准备好迎接那些挑战经典认知的思维冲击。

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读后感

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用户评价

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我过去总觉得,要学好物理,就必须是个数学天才,这本书彻底打破了我的这种偏见。它是一本真正意义上为“大众”和“初学者”设计的入门读物,它的核心价值在于“普及”而不是“专业化”。书中对光学部分的介绍尤其体现了这一点,它并没有直接跳到波动光学,而是从几何光学的成像原理开始,通过对反射和折射规律的详尽讲解,构建了我们日常生活中所见到的透镜和镜子的工作机制。那些关于放大倍数、焦距的计算,都建立在非常直观的光路图之上,甚至连像差的问题,作者也用非常形象的方式进行了初步的解释。这种从基础的光的射线模型出发,逐步引入波动性的渐进式教学,避免了让读者在概念的巨大飞跃中迷失方向。更难得的是,它还涉及了一些相对论的初步概念,比如光速不变原理对时间和空间测量的影响,这些前沿知识的引入处理得非常轻巧,不会让人感到压力,反而激发了对更深层物理奥秘的向往。这本书,与其说是一本教科书,不如说是一份精心策划的物理世界导览图,它引领你看到了宏伟的殿堂入口,并教会了你如何迈出坚实的第一步。

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我对这本书的排版和视觉呈现稍微有些保留意见,但内容本身的组织逻辑简直是教科书级别的典范。它的章节划分非常清晰,每一个主题都有明确的起点和终点,让人在阅读过程中始终能把握住自己所处的位置。比如,从静力学过渡到动力学时,作者巧妙地引入了一个“参考系”的概念作为桥梁,确保读者理解了为什么在不同参考系下对同一物理过程的描述会有差异。这种循序渐进、层层递进的结构,对于我这种需要反复梳理知识点的人来说,简直是福音。我特别喜欢书中那些穿插的“历史侧记”,它们简短地介绍了某个定律或理论的发现背景,比如伽利略的斜面实验,或者法拉第的电磁感应发现过程。这些小插曲不仅调剂了阅读的枯燥感,更重要的是,它们展示了科学知识是如何在不断的探索、试错和灵光乍现中构建起来的,这极大地激发了我对物理学史的好奇心。虽然书的篇幅不薄,但由于逻辑严密,阅读疲劳感远低于预期,每次都能带着清晰的收获合上书本。

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这本《基础物理学》简直是我的救星,尤其对于像我这种高中物理知识已经模糊不清,但又想重新拾起基础概念的人来说,它的讲解方式简直太友好了。我记得我以前学那些公式推导就头疼,感觉像在背诵天书,但这本教材里,作者似乎深谙“化繁为简”的艺术。它不像有些教科书那样,上来就抛出一大堆复杂的数学模型,而是通过非常贴近生活的例子来引入概念。比如讲到牛顿第二定律时,它不是直接给 $ ext{F} = ext{ma}$ 让你死记硬背,而是会用推一辆购物车在不同地面上需要施加多大推力来阐述力、质量和加速度之间的定量关系。这种叙事性的讲解方式,让我感觉物理不再是抽象的符号堆砌,而是一种可以观察和理解的自然规律。而且,书中对基本概念的定义非常严谨,每一个术语的出现都伴随着清晰的背景解释,这极大地帮助我重建了物理学的知识框架。读完关于运动学的那几章,我发现以前那些模棱两可的理解都清晰了,对于瞬时速度和平均速度的区别,书中的图示和文字配合得天衣无缝,让人茅塞顿开。可以说,它成功地把一个庞大而似乎令人畏惧的学科,分解成了可以逐步攻克的知识模块,为我后续深入学习更复杂的现代物理学打下了无比坚实的地基。

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这本书最让我感到惊喜的地方在于,它在讲解那些看似枯燥的电磁学部分时,成功地注入了活力。通常,提到麦克斯韦方程组,大多数人都会望而却步,认为那是高等数学的范畴。但《基础物理学》的处理方式是:先从宏观的静电场和稳恒电流现象入手,详细分析库仑定律和欧姆定律的实际应用,建立起直观的物理图像。只有当读者完全理解了电荷、电流、磁场之间的相互作用后,才开始逐步引入电磁场的概念,而且在推导过程中,作者极大地简化了必要的微积分操作,将重点放在了这些方程所描述的物理意义上,而不是纯粹的数学技巧上。例如,对于电磁感应现象,书中通过一个不断变化的磁通量如何“诱导”出电动势的动态过程描述,让我清晰地感受到了“变化的磁场产生电场”这一颠覆性的思想。这种处理方式,使得电磁学不再是冰冷的数学公式,而更像是一套描述自然界基本力的强大语言。它既满足了初学者的求知欲,又为未来转向更专业的电磁学课程保留了必要的理论深度。

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坦白说,我买这本书时,其实是抱着试一试的心态,因为市面上“基础”物理书太多了,很多都言过其实,要么内容浅尝辄止,读完等于没读;要么就是把大学本科的入门内容硬塞进来,难度陡增。然而,《基础物理学》在内容的广度与深度之间找到了一个绝佳的平衡点。它覆盖了经典力学、热学、电磁学和光学的基础内容,但最让我欣赏的是它对“测量”和“误差分析”这部分的重视程度。在现代科学实践中,任何理论都必须接受实验的检验,这本书没有回避这个环节,而是详细介绍了如何进行科学测量、如何处理实验数据中的不确定性。这对于培养一个真正的科学思维至关重要,它教会你如何批判性地看待数据,而不是盲目相信任何一个读数。书中提供的那些设计精巧的“思想实验”也极其引人入胜,它们往往不需要复杂的计算,却能深刻揭示物理定律背后的逻辑。例如,对于熵和热力学第二定律的阐述,它没有拘泥于卡诺循环的枯燥细节,而是通过对“无序性”的哲学探讨,让概念变得立体而有生命力。这种强调实验精神和科学方法论的教育方式,远比单纯的公式记忆更有价值,它让读者学会了如何像物理学家一样去思考问题。

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