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出版者:Butterworth-Heinemann

作者:Mike Freeman

出品人:

页数:576

译者:

出版时间:2003-09-24

价格:USD 148.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780750642484

丛书系列:

图书标签:

• 光学
• 物理学
• 光子学
• 光学工程
• 电磁学
• 量子光学
• 非线性光学
• 激光
• 衍射
• 干涉
• 偏振
• 光谱学

探秘宇宙的微观结构：量子场论导论 本书简介 《量子场论导论》旨在为物理学、数学和相关工程领域的学生及研究人员提供一个全面而深入的量子场论（Quantum Field Theory, QFT）基础。本书不专注于光学现象，而是将读者带入现代物理学的核心领域，探索物质和力的最基本描述。 第一部分：经典场与正则量子化 第一章：狭义相对论与经典场论回顾 本章首先回顾了狭义相对论的奠基性原理，重点阐述洛伦兹协变性在物理定律表述中的核心地位。我们将详细讨论如何构造满足洛伦兹不变性的拉格朗日量密度，这是构建任何自洽场论的基础。内容包括： 四维时空与张量分析： 介绍闵可夫斯基时空、四维矢量和张量，理解它们在描述物理量时的变换性质。 标量场论： 从最简单的无自旋自由标量场（克莱因-戈登场）出发，推导出运动方程，并讨论其能量动量张量和能量密度。 狄拉克场论： 引入狄拉克旋量，推导狄拉克方程及其相对论性质。重点分析狄拉克方程的费米子诠释，以及如何通过引入反粒子概念来满足相对论的要求。 电磁场与规范不变性： 讨论自由电磁场（光子）的描述，引入规范场论的先驱——电磁场的局域规范不变性原理，并导出麦克斯韦方程组的拉格朗日量形式。 第二章：正则量子化方法 本章将量子力学的核心思想——正则对易关系——推广到场论的框架下，实现从经典场到量子场的跃迁。 哈密顿量形式与泊松括号： 回顾经典力学中的泊松括号及其在拉格朗日力学中的推广，为引入对易子奠定基础。 自由标量场的正则量子化： 详细推导场算符 $hat{phi}(x)$ 及其共轭动量算符 $hat{pi}(x)$ 之间的标准对易关系。通过傅里叶分解，将场算符表达为产生算符 $a^dagger$ 和湮灭算符 $a$ 的线性组合。 真空态与粒子诠释： 定义量子真空 $|0 angle$（即 $a|0 angle = 0$），并展示如何利用产生算符构造出具有特定动量和能量的单粒子态。这是量子场论中“粒子”概念的严格数学起源。 费米子场的量子化： 讨论费米子（如狄拉克场）必须服从反易关系的原因，即泡利不相容原理在场论中的体现。推导狄拉克场算符的反对易关系，并引入费米子真空和空穴激发。 第二章 补充：路径积分表述简介 简要介绍路径积分作为量子场论的替代（且在许多情况下更强大的）描述方式。讨论经典作用量在路径积分中的核心作用，并概述其在处理相互作用理论中的优势。 第二部分：相互作用理论与微扰论 第三章：相互作用的引入与S矩阵 本章的核心是将相互作用项加入到自由场论的拉格朗日量中，从而描述粒子之间的相互作用。 相互作用绘景： 区分自由、相互作用和交互绘景，明确相互作用如何随时间演化。 Dyson级数与S矩阵： 导出Dyson公式，该公式将散射过程的演化算符（S矩阵）表达为相互作用哈密顿量的无穷级数展开。 费曼规则的构建基础： 展示S矩阵展开的每一项对应于特定的时空演化过程，为后续引入费曼规则建立数学框架。 第四章：费曼图与微扰计算 本章是计算散射截面和衰变率的实用工具——费曼图的系统介绍。 标量场 $phi^4$ 理论： 以最简单的、非平凡的相互作用 $mathcal{L}_{int} = -frac{lambda}{4!} phi^4$ 为例，详细阐述费曼图的构造过程。 费曼规则详解： 系统地列出内部线（传播子）、顶点（耦合常数）和外部线（自由粒子）在动量空间中的对应数学表达式。 一阶与二阶散射过程： 通过具体的散射例子（如 $phi^4 o phi^4$ 的 $2 o 2$ 散射），演示如何利用费曼图计算S矩阵元，并求出微分截面。 第五章：传播子与因果律 深入分析传播子在描述粒子传播中的物理意义，并探讨因果律在量子场论中的体现。 泡利-约旦传播子： 详细推导标量场和狄拉克场的因果传播子（或Feynman传播子），解释其包含的先进（advance）和后退（retard）部分。 相对论性因果关系： 证明当空间分离的两点之间，算符的对易（或反对易）关系成立时，物理观测结果不受顺序影响，保证了狭义相对论下的因果律。 第三部分：重整化与规范场论基础 第六章：紫外灾难与重整化 在微扰论中计算高阶图时，会出现积分发散的问题（紫外灾难）。本章解决这一物理学中最深刻的问题之一。 发散的来源： 识别高阶费曼图中的“圈图”是如何导致动量积分发散的。 正则化方法： 介绍处理发散的初步手段，如截断法和维度正则化（Dimensional Regularization）。 重整化思想： 阐述“裸”参数（理论的原始参数）与“物理”参数（可观测的质量和耦合常数）之间的关系。定义如何通过重新定义这些参数来消除发散。 重整化群基础： 简要介绍重整化群的概念，说明物理常数如何依赖于观测能标（跑动耦合常数）。 第七章：量子电动力学（QED）基础 介绍第一个成功的、具有规范不变性的相互作用量子场论——量子电动力学。 拉格朗日量与规范不变性： 详细构造QED的拉格朗日量，强调协变导数在引入电子-光子相互作用中的作用，以及$ ext{U}(1)$ 规范不变性的重要性。 QED费曼规则： 给出电子、光子及其相互作用的完整费曼规则集。 经典计算实例： 应用费曼规则计算电子-电子（Møller）散射和电子的磁矩修正（涉及一圈计算的概述，不进行完整发散处理）。 第八章：非阿贝尔规范场论的萌芽 对标准模型的核心——非阿贝尔规范场（如QCD的基础）进行初步探讨。 $ ext{SU}(N)$ 对称群： 介绍李群、李代数和生成元，理解非阿贝尔群的非对易性。 色荷与夸克场： 引入描述夸克的狄拉克场及其在非阿贝尔群下的变换，以及相应的规范玻色子（胶子）。 载流子的自相互作用： 解释与 $ ext{U}(1)$ 规范场（光子不自相互作用）不同，非阿贝尔规范玻色子（胶子）携带荷，从而具有自相互作用的特性，这是强相互作用复杂性的根源。 结论 本书为读者搭建了一个从经典场论到现代粒子物理学的坚实桥梁。通过对量子化、微扰计算、重整化和规范场论的系统梳理，《量子场论导论》为理解宇宙基本构成的能力提供了必要的理论工具。读者在完成本书学习后，将具备阅读前沿物理文献、处理量子散射过程的基础能力。

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翻开这本《光学》，我的第一感觉是：这绝对不是给初学者的“入门读物”，它更像是一场对光现象的“深度潜水”。电磁波理论的引入，彻底将光从“粒子说”和“波动说”的争论中解脱出来，以一种宏大的视野统领全局。范畴之广，令人咋舌，从麦克斯韦方程组在介质中的形式推导，到更复杂的菲涅耳波带理论，内容之密集，足以让任何一个自诩物理不错的学生感到压力山大。我特别欣赏作者处理干涉和衍射问题时的叙事风格，他没有直接抛出复杂的积分公式，而是先用直观的类比（比如水波的叠加），逐步引向精确的数学描述。然而，这种深度也意味着极高的门槛。我感觉自己像是一个攀登者，每读完一章，都需要停下来，在草稿纸上演算无数遍，才能真正消化那些包含大量三角函数和复数的方程。尤其是关于夫琅禾费衍射和圆孔衍射的讨论，那些复杂的傅里叶变换应用，简直就是对读者数学功底的终极考验。这本书的成功之处在于，它没有回避复杂性，而是直面它，并用严谨的逻辑链条将其层层击破，但这也意味着，它注定是少数精英才能完全掌握的宝典。

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这部厚重的《光学》简直就是一本物理学的“圣经”，我花了整整一个暑假才勉强啃完第一遍，但它给我的震撼至今难以磨灭。作者在阐述光线的几何光学部分时，那种逻辑的严密性和推导的清晰度，简直令人叹为观止。初学时，我对反射定律和折射定律的理解还停留在高中物理的简单公式层面，但书中通过对惠更斯原理的深入剖析，彻底颠覆了我的认知。每一个公式的推导都像是在搭建一座精密的数学迷宫，每一步都扣人心弦。特别是关于全反射和棱镜中色散的章节，作者不仅展示了光线如何偏折，更巧妙地将这些理论与实际应用，比如望远镜的设计原理紧密结合起来。我记得有一次为了理解马吕斯定律在偏振片上的应用，我反复阅读了那几页，直到深夜，窗外的路灯光线仿佛都在我的脑海中以特定的振动方向穿行。这本书的价值绝不仅仅在于提供知识，更在于它培养了读者一种对自然现象进行定量分析的思维习惯。如果你想真正理解光是如何在世界中扮演角色的，而不是仅仅停留在“光是直线传播的”这种肤浅认知上，那么这本书是绕不开的“大山”。它要求你投入时间，但回报是巨大的，它让“看不见”的物理过程变得清晰可见。

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说实话，这本书在我的书架上积灰已久，直到最近我开始研究高性能成像系统，才不得不重新拾起这块“硬骨头”。与其他偏重理论推导的教材不同，这本书在应用光学部分的处理上显得尤为务实和精炼。它对镜头系统的像差分析，简直是教科书级别的典范。作者对球差、彗差、像散、场曲和色差这五大“顽疾”的系统性阐述，不仅解释了它们产生的机理，更提供了矫正这些像差的实际光学设计思路。我尤其欣赏他对光瞳和光圈（Aperture Stop）的区分讲解，这在实际的光学设计软件操作中至关重要，但很多教材往往一笔带过。书中还附带了大量精美的光路图和像差示范图，这些图示的清晰度和准确性，远超一般印刷品的质量，使得那些抽象的几何光线追迹变得具体可感。我通过书中关于最小偏向角的讨论，成功优化了我自己设计的一个简易三镜物镜系统，准确度得到了显著提升。这本书的实用价值，在于它搭建了一座理论世界和工程实践之间的坚固桥梁，是光学工程师案头不可或缺的参考书。

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这是一本充满历史沉淀和哲学意味的著作。作者在介绍现代量子光学概念之前，花了相当大的篇幅回顾了光电效应的实验历史，从赫兹的发现到爱因斯坦的解释，那种对科学史的尊重和梳理，让我感受到了物理学发展的曲折与伟大。阅读起来，与其说是在学习知识点，不如说是在与一位睿智的长者对话。他不仅仅告诉你“是什么”，更会探讨“为什么会想到这样解释”。特别是关于光的偏振性如何帮助我们理解电磁场的横波本质时，作者的叙述充满了洞察力。他似乎总能找到一种恰到好处的平衡，既不让理论脱离物理现实，也不让实验细节淹没核心概念。书中的一些小注脚，常常会引用早期科学家的书信或论文片段，这些点缀为略显冰冷的物理公式增添了人情味。对于那些对科学哲学和物理史感兴趣的读者来说，这本书的价值将远远超过其物理公式本身，它是一部关于人类如何认识光明的“编年史”。

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我必须承认，这本书的阅读体验有些……“劝退”。它的排版和图示风格，透露着一股浓厚的上世纪中期的学术气息，字体略显紧凑，公式的行间距也比较小，对长时间阅读的眼睛不太友好。更别提在处理复杂散射理论，比如瑞利散射和米氏散射的数学推导时，那些层出不穷的希腊字母和复杂的指数函数，简直能让任何一个非专业读者望而却步。例如，描述大气对蓝光的选择性散射时，涉及到的积分和级数展开，我感觉需要回炉重修一遍微积分才能勉强跟上作者的思路。虽然理论上它涵盖了从经典到现代光学的所有重要分支，但对于那些试图快速了解特定领域（比如非线性光学）的读者来说，这本书的全面性反而成了冗余的负担。它更像是一部“百科全书”式的巨著，要求读者从头到尾、一丝不苟地跟随作者的节奏，否则很容易在某一深奥的章节中迷失方向。适合那些拥有无限耐心，并计划将此书作为终生研究参考资料的“硬核”学者。

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