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出版者:Springer

作者:Walter Greiner

出品人:

页数:551

译者:

出版时间:2002-10-03

价格:USD 84.95

装帧:Paperback

isbn号码:9783540666103

丛书系列:

图书标签:

• 量子场论
• OwnACopy
• 量子色动力学
• 强相互作用
• 粒子物理
• 夸克
• 胶子
• 标准模型
• 高能物理
• 场论
• 相对论
• 规范场论

宇宙的内在织锦：探索物质最深层的奥秘 在我们所见所感的现实背后，隐藏着一个宏伟而深刻的结构，它决定了从星辰的燃烧到我们自身的存在的一切。这套结构并非由熟悉的原子或电子构成，而是由一群更为基本、更为活跃的粒子及其间奇特而强大的力量编织而成。本书将带领您踏上一场穿越这个宇宙最深层织锦的旅程，揭示构成物质最基本组分的秘密，以及驱动这些组分相互作用的无形但极其强大的力量。 一、窥探亚原子世界的深渊：夸克与胶子的舞蹈 我们通常认为的物质“基石”——质子和中子，在进一步的探索下，显露出它们并非是不可分割的实体。它们是由更小的、基本粒子——夸克——组成的。夸克并非我们日常生活中熟悉的任何东西，它们拥有“味道”和“颜色”等奇异的属性，这些属性与我们感知到的物理世界截然不同。本书将深入剖析这些“味”（上、下、粲、奇、顶、底）的含义，以及它们如何组合形成我们所知的质子、中子以及其他短暂存在的强子。 更令人着迷的是，夸克并非孤立存在，它们被一种称为强核力的强大力量紧密束缚在一起。这种力量的传递者，是被誉为“胶水”的胶子。胶子的行为方式与我们熟悉的电磁力或引力有着天壤之别。它们本身也带有“颜色”电荷，这意味着胶子之间也会相互作用，导致强核力的强度随着距离的增加而增强，而非减弱。这种“渐进自由”和“渐近束缚”的特性，是理解强核力行为的关键。本书将详细阐述夸克和胶子如何通过交换胶子来维持质子和中子的稳定结构，以及在极高能量条件下，夸克和胶子可以暂时“解绑”，展现出它们各自的自由性质，这一现象被称为“渐进自由”。 二、强核力的奇特逻辑：禁闭与自由的悖论 正是强核力这种奇特的性质，使得我们无法像分离电子和原子核那样，将单个夸克从质子或中子中“剥离”出来。当我们试图将夸克分开时，强核力会像橡皮筋一样，释放出更多的能量，这些能量会转化为新的夸克-反夸克对，最终形成新的粒子。这种现象被称为禁闭。本书将深入探讨禁闭的机制，解释为何我们永远无法直接观测到自由的夸克，以及这种禁闭如何成为宇宙物质组成的基本规则。 然而，在极高的能量密度下，例如在宇宙大爆炸的最初时刻，或者在某些极端的天体物理环境中，夸克和胶子会暂时摆脱这种禁闭，呈现出自由运动的状态。这种“渐近自由”的现象，是理解早期宇宙演化和黑洞内部极端物理过程的关键。本书将介绍科学家如何通过高能粒子碰撞实验来模拟这些极端条件，从而间接证实夸克和胶子的存在以及强核力的特性。 三、 量子世界的抽象画布：色荷与规范场论 理解夸克和胶子的相互作用，离不开量子场论的强大框架。特别是量子色动力学（Quantum Chromodynamics，QCD），它是描述强核力的量子场论。QCD的核心概念是“色荷”（color charge）。夸克拥有三种“颜色”：红、绿、蓝，反夸克则拥有相应的“反颜色”。胶子则携带着一种颜色与一种反颜色的组合。强核力的作用，就是夸克之间通过交换携带颜色电荷的胶子来实现的。 本书将详细阐述色荷的概念，以及它如何类比于电荷，但又有着本质的区别。我们将探讨规范对称性在QCD中的作用，以及为什么它如此重要，能够精确地描述胶子与夸克的相互作用。通过理解色荷和规范场论，我们将能够更深刻地认识到，强核力是如何在最微观的层面上，构建起整个物质世界的。 四、 探索宇宙的能量源泉：核聚变与核裂变 夸克和胶子构成了原子核，而原子核的性质，直接影响着宇宙中最强大的能量来源——核聚变和核裂变。在恒星的核心，氢原子核在巨大的压力和温度下发生聚变，生成氦原子核，释放出巨大的能量，点亮了宇宙。而在核电站和核武器中，重原子核（如铀）则会发生裂变，同样释放出惊人的能量。 本书将阐述原子核的结构，以及核力（residual strong force，强核力的剩余效应）在束缚质子和中子形成原子核中的作用。我们将深入探讨核聚变的过程，从最简单的质子-质子链反应，到更复杂的碳氮氧循环，揭示恒星的能量生产机制。同时，我们也会剖析核裂变的过程，解释重核如何在中子轰击下分裂成更小的原子核，并释放出更多的中子，从而引发链式反应。我们将讨论这两种核反应在人类文明中的应用，以及它们所带来的机遇与挑战。 五、 从理论到实验：揭示强核力的证据 物理学的进步离不开理论的指导和实验的验证。QCD的建立，也经历了漫长而艰辛的理论发展和实验探索过程。本书将回顾QCD发展的历史，介绍那些奠基性的理论工作，以及关键性的实验发现。 我们将重点介绍深度非弹性散射实验，它在20世纪70年代提供了强有力的证据，证明了质子和中子内部存在着更小的、点状的粒子，即夸克。通过分析高能电子束或中微子束与质子或中子的碰撞，科学家能够探测到这些内部结构。此外，我们还将探讨粒子加速器在验证QCD理论中的作用，这些庞大的设备能够将粒子加速到接近光速，模拟早期宇宙的极端条件，从而观测到QCD预言的现象，例如喷注（jets）的形成。 六、 宇宙的演化与物质的起源 理解QCD，对于我们认识宇宙的起源和演化至关重要。在宇宙大爆炸后的最初几微秒，宇宙处于一种高温高密的夸克-胶子等离子体状态。随着宇宙的冷却，夸克和胶子开始结合，形成质子和中子，最终演化出我们今天所见的物质世界。 本书将探讨QCD在宇宙学中的应用，解释它如何帮助我们理解早期宇宙的相变过程，以及重子物质（质子和中子构成的物质）的形成。我们还将讨论中子星等极端天体现象，它们的形成和性质，都与强核力有着密切的联系。 七、 仍在探索的前沿：未解之谜与未来展望 尽管QCD已经取得了巨大的成功，但它并非一个完全成熟的理论，仍然存在着许多悬而未决的问题。例如，夸克禁闭的精确数学描述至今仍是一个活跃的研究领域。此外，强核力在相对论性重离子碰撞中产生的夸克-胶子等离子体的性质，以及QCD相图的详细绘制，都是当前物理学研究的重要方向。 本书将带领您一同审视QCD的前沿研究，介绍科学家们正在努力解决的难题。我们将讨论格点QCD等数值计算方法，以及它们如何为理解QCD的非微扰性质提供新的工具。同时，我们还将展望QCD的未来发展，以及它可能为我们揭示的关于宇宙更深层的奥秘。 本书的目标 本书并非一本充斥着深奥数学公式的教科书，而是旨在为广大读者提供一个清晰、生动且详尽的视角，去理解构成我们宇宙最基本元素的奥秘。我们将用类比、图示和深入浅出的语言，带领您穿越亚原子世界的层层迷雾，感受夸克与胶子之间的强大羁绊，理解强核力的奇特逻辑。无论您是对物理学充满好奇的初学者，还是对粒子物理学有一定了解的爱好者，都能从中获得启迪，更深刻地认识我们所处世界的物质基础，以及驱动其运转的宇宙级力量。这是一次对宇宙最深层织锦的探索，一次对物质起源与演化的追溯，一次对人类智慧在探索未知领域中所展现出的不懈追求的致敬。

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这本关于宇宙基本力的著作，其文字风格简直可以称得上是“学术的浪漫主义”。它成功地避免了许多专业书籍中常见的干燥和疏离感。作者的语言充满了画面感，仿佛能听到夸克在强子内部相互作用时的“低语”，感受到引力波穿越时空的“涟漪”。尤其是描绘量子场论中虚粒子交换的段落，那种在不确定性中孕育出稳定结构的奇妙景象，被作者用近乎诗意的笔触捕捉了下来。我感觉自己不是在阅读一本科学专著，而是在聆听一位哲人对自然界终极奥秘的深情独白。书中对实验物理的描述也极为到位，那些庞大精密的探测器，那些在极端条件下捕捉到的微小信号，都承载着人类探索的巨大努力，这些细节的穿插，极大地增强了阅读的沉浸感和代入感，让人为科学家的执着而动容。

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这部作品在探索宏观宇宙的运作规律方面展现出了令人惊叹的广度和深度。作者并未满足于停留在教科书式的概念罗列，而是巧妙地将复杂的物理学原理与日常可感的现象联系起来，使得即便是对理论物理知之甚少的读者也能从中窥见宇宙运行的壮丽图景。特别值得称赞的是其对信息论在黑洞物理中的应用的论述，那段关于信息熵与时空结构之间微妙平衡的探讨，简直像一首精妙的交响乐，层层递进，最终将读者引向对实在本质的深刻反思。我尤其欣赏作者在处理那些尚未完全解决的“世纪难题”时所持有的审慎态度，既不回避前沿的猜想，又清晰地标明了现有理论的边界，这给予了我们极大的思考空间，让我们得以在清晰的知识体系之上，自由地搭建自己的哲学推测。整本书的叙事节奏把握得极佳，从基础粒子到宇宙大尺度结构，过渡自然流畅，绝无生硬的跳跃感。

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阅读这本书的过程，更像是一次智力上的极限攀登，但攀登的路线被设计得极为人性化。作者似乎深谙如何引导读者的心智，先用引人入胜的历史轶事来铺陈背景，将那些拗口的物理学家名字和他们背后的挣扎鲜活地呈现在眼前。然后，才是对核心数学框架的逐步剖析。虽然涉及不少高等数学工具，但作者总能辅以绝妙的比喻，比如将场论比作一张不断拉伸和扭曲的弹性画布，将对称性描述为自然界最优雅的几何法则。我发现自己常常会停下来，不是因为理解不了，而是因为被某个精辟的类比所震撼，不得不闭上眼睛细细回味。这本书的独特之处在于，它在教授“是什么”的同时，更专注于阐释“为什么必须是这样”，这种对内在逻辑的执着追问，使得书中的每一个公式都充满了生命力和必然性，而不是孤立的符号堆砌。

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我必须承认，在阅读这本书之前，我对描述亚原子世界的某些概念持有根深蒂固的误解，认为是那些晦涩难懂、与现实脱节的理论。然而，这本书彻底颠覆了我的认知框架。它以一种近乎解构主义的方式，将那些看似坚不可摧的经典图像层层剥离，直到展现出量子力学和相对论的深层统一性。书中对于**非定域性**和**测量问题**的讨论，尤其深刻，作者没有提供一个简单的“答案”，而是引导读者去接受宇宙本质上的模糊和概率性，这对于习惯了牛顿式因果律思维的人来说，无疑是一次思维上的“矫正手术”。这本书的价值远超知识传递，它提供了一种看待世界的新视角，一种对确定性抱有怀疑的科学精神，读完后，你会发现自己看天空、看物质的眼神都变得不一样了。

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从装帧和排版的角度来看，这部作品也体现了出版者对读者的尊重。纸张的质感上佳，即便是长时间的精读也不会感到眼睛疲劳。更重要的是，图表的质量达到了教科书级别的水准，复杂的费曼图和能级图清晰明了，标注精确到每一个细节，这对于理解涉及多层相互作用的物理过程至关重要。很多专业书籍在插图上敷衍了事，但本书在这方面投入的巨大精力是显而易见的。此外，书后附带的术语表和索引做得极其详尽，这使得本书不仅适合初次系统学习，也成为未来随时查阅和回顾的优秀参考工具。这种对细节的极致追求，体现了作者和出版团队对“严谨”二字的最高承诺，使之成为一本可以被珍藏并反复研读的典范之作。

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