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出版者:中国农业大学出版社

作者:刘霞 编

出品人:

页数:246

译者:

出版时间:2007-8

价格:22.50元

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isbn号码:9787811171587

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现代物理学前沿探索：从量子力学到宇宙学 作者：李明 教授 出版社：科学之光出版社 ISBN：978-7-5675-1234-5 字数：约 850,000 字 --- 内容提要 《现代物理学前沿探索：从量子力学到宇宙学》是一部系统、深入、前沿的物理学综合性著作。本书旨在为具备一定基础物理学知识的读者（包括高年级本科生、研究生以及研究人员）提供一个全面了解当代物理学最激动人心领域发展脉络的窗口。全书涵盖了从微观世界的基础——量子场论、粒子物理标准模型，到宏观世界的终极奥秘——广义相对论、宇宙学模型，以及当前物理学面临的最核心挑战，如量子引力、暗物质与暗能量的本质。 本书的独特之处在于其深度与广度的完美结合。作者不仅严谨地阐述了理论框架的数学基础，更穿插了大量实验证据和前沿的研究进展，力求让读者清晰地把握物理学思想是如何一步步从经典范式中涌现，并指导我们探索自然界最深层次规律的。 章节结构与核心内容 本书共分为五大部分，二十个核心章节，内容组织逻辑清晰，层层递进： 第一部分：微观世界的基石——量子场论与粒子物理 (Chapters 1-5) 第一章：量子力学的深化与相对论的融合 本章回顾了非相对论量子力学中的核心概念，并重点介绍了狭义相对论如何被纳入量子框架，引出相对论性量子力学的必要性。讨论了费米子和玻色子的自旋统计特性，以及它们在相对论性描述中的体现。 第二章：量子场论（QFT）的基本框架 详细介绍了量子场论的数学结构。从经典场论的拉格朗日量形式出发，引入了正规化、产生函数和微扰论。着重讲解了狄拉克场和电磁场的量子化过程，为理解基本粒子间的相互作用打下坚实基础。 第三章：规范场论与基本相互作用 本章是粒子物理学的核心。详细阐述了规范对称性的概念，构建了量子电动力学（QED）的完整理论。随后，扩展到弱相互作用和强相互作用的规范理论——量子色动力学（QCD）。内容深入探讨了夸克禁闭、渐近自由等QCD的非微扰特性。 第四章：粒子物理标准模型 系统性地介绍了标准模型（SM）的构成，包括基本费米子（夸克和轻子）的代与规范玻色子 ($W^pm, Z^0, gamma, g$)。详细分析了希格斯机制如何赋予规范玻色子和费米子质量，并讨论了标准模型的成功之处及其已知的局限性（如质量的等级问题、中微子质量等）。 第五章：超越标准模型的前沿猜想 本章聚焦于当前粒子物理学研究的热点。探讨了超对称性（SUSY）的基本思想、其对解决层次问题的作用，以及可能的超对称粒子谱。同时，也简要介绍了左手-右手对称性破缺、大统一理论（GUTs）的初步概念。 第二部分：时空的几何化——广义相对论与引力 (Chapters 6-10) 第六章：黎曼几何与引力场的数学基础 从微分几何的角度重新审视时空。详细讲解了流形、度规张量、协变导数、黎曼曲率张量等核心概念，为理解爱因斯坦场方程的几何本质做足准备。 第七章：爱因斯坦场方程的推导与物理意义 本章核心在于推导并深入分析爱因斯坦场方程（EFE）。解释了场方程中“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动”的深刻物理内涵。讨论了能量-动量张量在方程中的作用。 第八章：引力场的精确解及其应用 分析了若干重要的精确解，包括史瓦西解（描述无电荷、不旋转黑洞）、克尔解（描述旋转黑洞）。深入探讨了黑洞的事件视界、奇点结构、霍金辐射的理论基础（半经典处理）。 第九章：宇宙学模型与弗里德曼方程 将广义相对论应用于整体宇宙学。从宇宙学原理出发，推导了弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FLRW）度规，并详细分析了弗里德曼方程在不同宇宙组分（物质、辐射、真空能）下的演化特性。 第十章：暴胀理论与早期宇宙 详细阐述了暴胀模型（Inflationary Cosmology）的动机——解决视界问题、平坦性问题和磁单极子问题。分析了不同暴胀势能下的动力学，及其在宇宙微波背景辐射（CMB）中留下的可观测信号（原初引力波的张量模和标量模的功率谱）。 第三部分：凝聚态物理的前沿交叉 (Chapters 11-14) 第十一章：多体系统与量子统计 本书从量子场论的视角重新审视多体物理。重点讨论了费米子和玻色子的二次量子化方法，以及其在描述低温系统中（如超流体、玻色-爱因斯坦凝聚）的强大威力。 第十二章：拓扑在凝聚态中的应用 本章是现代凝聚态物理的亮点。引入拓扑不变量的概念，解释了量子霍尔效应中的陈数。深入探讨了拓扑绝缘体和拓扑半金属的特性，以及它们表面和边界态的保护机制。 第十三章：强关联电子系统 讨论了在简单单粒子近似下无法描述的强电子关联效应。介绍了Hubbard模型，以及研究强关联系统（如高温超导的机理）所使用的现代计算方法（如蒙特卡洛方法、密度矩阵重整化群DMFT）。 第十四章：量子信息与计算基础 从物理学的角度探讨量子比特的实现、量子纠缠的度量，以及基本的量子门操作。简要介绍了量子纠错码和 Shor/Grover 算法的物理学原理。 第四部分：未解之谜——暗区物理 (Chapters 15-17) 第十五章：暗物质的实验证据与候选者 系统梳理了支持暗物质存在的多个观测证据链：星系旋转曲线、引力透镜效应、星系团动力学、以及宇宙学中大尺度结构形成。详细分析了WIMPs（弱相互作用重粒子）、轴子、惰性中微子等主流的暗物质候选理论模型。 第十六章：暗能量与宇宙加速膨胀 深入分析了对宇宙加速膨胀的观测发现（Ia型超新星）。探讨了暗能量的性质，重点分析了宇宙学常数（真空能）的理论值与观测值之间存在的巨大差异（真空灾难）。讨论了修正引力理论作为暗能量替代方案的可能性。 第十七章：暗物质的直接与间接探测 详细介绍了当前国际上主要的暗物质探测实验。包括地下直接探测实验（如XENONnT, LUX-ZEPLIN）的原理和灵敏度，以及间接探测（如费米-伽马卫星）和对撞机产生实验（如LHC）的最新进展和挑战。 第五部分：走向统一的未来——量子引力与弦理论 (Chapters 18-20) 第十八章：量子引力的必要性与基本困难 阐述了将量子力学与广义相对论统一的迫切性，尤其是在黑洞奇点和宇宙大爆炸的普朗克尺度。讨论了在标准QFT框架下对引力进行量子化的失败，以及重整化困难。 第十九章：圈量子引力（Loop Quantum Gravity, LQG） 本章详细介绍了LQG的基本思想，即时空的离散化（量子化体积和面积算符）。阐述了其在描述量子奇点、以及解决大爆炸起源问题上的初步成果。 第二十章：弦理论与M理论 作为量子引力最成熟的框架，本章深入介绍了超弦理论的基本概念：弦的量子化、超对称性的引入、以及高维时空的紧致化（卡拉比-丘流形）。重点讨论了五个超弦理论如何统一于M理论，以及它在解决景观问题（Landscape Problem）中的潜在作用。 本书特色 1. 前沿性与深度兼顾： 严格遵循物理学的前沿研究动态，内容涵盖近十年物理学的重要突破，理论推导严谨而不失洞察力。 2. 跨学科整合： 成功地将粒子物理、宇宙学、凝聚态物理和数学物理的先进工具融会贯通，展示了现代物理学研究的整体面貌。 3. 概念驱动： 强调物理图像和核心概念的建立，而非仅仅停留在公式推导上，帮助读者建立直观的物理认知。 4. 面向未来： 明确指出了当前物理学面临的“两大支柱”（量子引力和暗区）的挑战，为有志于从事理论和实验研究的读者提供了清晰的导航图。 --- 目标读者： 物理学、天文学及相关工程学科的高年级本科生、研究生、科研工作者及对现代物理学有浓厚兴趣的专业人士。阅读本书需要具备微积分、线性代数、经典力学和初级量子力学的知识背景。

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这本书在内容编排和章节逻辑上存在明显的断裂感和不连贯性，像是不同作者在不同时期拼凑起来的合集。尤其是从普通化学过渡到物理化学的部分，衔接得极其生硬。前一章还在讨论物质的宏观性质和定性分析，下一章突然就跳到了薛定谔方程和矩阵代数，中间完全缺失了必要的数学基础铺垫和概念桥梁。我能理解大学教材需要涵盖广泛的知识点，但这种粗暴的跳转，完全没有考虑到学生的认知曲线。例如，在讲解化学平衡常数的意义时，作者先用了好几页篇幅讨论了吉布斯自由能的微积分推导，但在解释为什么平衡常数对温度敏感时，却只是简单地引用了范特霍夫方程，没有把两者在概念上进行有机的融合和说明。这使得很多概念知识点像是一座座孤岛，学生很难建立起一个完整的、系统的化学知识体系框架。阅读体验下来，感觉像是在走一条不断需要重新定位方向的迷宫。

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这本书的习题部分简直是脱离实际，充满了各种故弄玄虚的概念性问题，真正能锻炼计算和应用能力的题目少得可怜。很多题目给出的条件极其简化，完全不考虑真实实验中的误差和复杂性，仿佛化学反应只发生在真空、零温的理想环境中。比如，在涉及到热力学计算的那一章，几乎所有题目都要求使用理想气体定律进行推导，对于那些现实中存在的非理想情况只是一笔带过，连个例题都没有。我参加过好几次实验课和模拟操作，那些实际数据和书上计算出来的理论值总是存在显著的偏差，而这本书的习题从来不教我们如何处理这种“真实世界”的差异。我更希望看到一些涉及实际工业流程简化模型或者环境化学中污染物迁移的计算题，而不是这些停留在课本理论最表层的、缺乏深度的练习。说实话，做完这套习题集，我感觉自己只是记住了一些公式，对化学的实际应用能力并没有得到实质性的提升，有点“为做题而做题”的感觉。

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这本书的插图质量简直是灾难性的，色彩失真不说，很多关键的分子结构图都模糊不清，有些甚至像是用非常老旧的扫描仪处理过的。我记得我第一次试图通过书里的图来理解那个复杂的有机反应机理时，光是辨认那些碳氢键的位置就花了快二十分钟，简直是折磨。更别提那些表格了，字号小得可怜，行距又挤得要命，稍微有点色弱或者视力不好的人恐怕得备着放大镜才能看清那些密密麻麻的实验数据和物化常数。说实话，作为一本“大学”级别的教材，这种对阅读体验的忽视是完全不能接受的。学术严谨性固然重要，但如果读者连最基本的图示信息都无法清晰获取，那么书的实用价值就大打折扣了。我怀疑出版社在印刷环节是不是偷工减料了，或者是根本没有经过任何专业的排版校对，让人不禁对内容本身的准确性都产生了怀疑。我对这本教材的视觉呈现效果感到非常失望，这绝对是影响学习效率的一个巨大障碍。

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这本书的配例和案例分析陈旧得让人啼笑皆非，完全跟不上时代的发展。我特别关注应用化学领域的一些前沿进展，比如新型催化剂的设计、绿色溶剂的应用，或者最新的材料科学突破，但这本书里引用的实验数据和技术背景大多停留在上世纪八九十年代。书中讨论的“现代”分析技术，如今看来已经是基础中的基础，远远不能反映当前实验室的真实水平。举个例子，在电化学章节，作者花了大量篇幅讲解汞电极的应用，却对现代常用的修饰电极和微电子传感器技术只字不提，或者语焉不详。对于希望未来从事科研或高新技术产业的学生来说，这种滞后的案例参考价值非常有限。教材应该反映学科的最新动态，激发学生对前沿研究的兴趣，而不是仅仅停留在对经典知识的复述上。这本教材给我一种强烈的时代错位感，感觉自己正在学习一本“历史文献”，而不是一本指导未来实践的科学读物。

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全书的行文风格极其晦涩干燥，仿佛是由一位不谙世事的学者用最古老、最拗口的学术术语堆砌而成。作者似乎有一种“不把读者绕晕就不算完事”的倾向。比如，在阐述量子化学基础概念时，作者频繁使用一些在其他基础物理化学著作中已经淘汰的旧术语，并且没有给出清晰的现代定义作为参照，导致我不得不频繁地去查阅其他更现代的参考书才能跟上思路。更令人抓狂的是，很多关键步骤的推导过程被直接跳过了，只留下一句“由已知原理可知”，这对于一个初次接触这些复杂数学模型的学生来说，简直是判了死刑。学习化学需要的是循序渐进的引导，而不是这种高高在上的理论轰炸。我常常感觉自己像是在啃一块没有经过任何预处理的硬骨头，需要花费大量的时间去“解构”作者的句子，而不是专注于理解背后的科学原理。这种写作方式极大地拖慢了我的学习进度，并且严重打击了我对这门学科的兴趣。

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