Foundations of Mathematical Physics

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出版者:Allyn & Bacon
作者:Sadri Hassani
出品人:
页数:1480
译者:
出版时间:1991-01
价格:USD 74.55
装帧:Hardcover
isbn号码:9780205123797
丛书系列:
图书标签:
  • 数学物理
  • 基础
  • 数学
  • 物理学
  • 量子力学
  • 经典力学
  • 电动力学
  • 泛函分析
  • 偏微分方程
  • 线性代数
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具体描述

《高等量子场论与拓扑量子计算导论》 图书简介 本书旨在为具备扎实的经典场论和标准量子力学基础的读者,提供一个深入探索现代理论物理前沿——高等量子场论(Advanced Quantum Field Theory, AQFT)与拓扑量子计算(Topological Quantum Computation, TQC)的全面指南。本书的结构设计严谨,内容兼顾理论深度与前沿应用,致力于在概念阐释和数学工具的应用之间架起坚实的桥梁。 第一部分:量子场论的现代结构与重整化 本部分将超越传统的微扰论范式,重点探讨量子场论在数学上更严谨的表述,以及在处理紫外发散问题时的现代方法。 第1章:共变量子场论的数学基础 本章将从洛伦兹流和对称群(庞加莱群)的表示论出发,系统回顾狄拉克、克莱因-戈登和电磁场的经典场论在量子化过程中的结构。重点讨论路径积分表述的规范不变性、泛函测度和对偶性原理。我们不会停留于简单的自由场,而是深入分析相互作用的引入及其对拉格朗日密度的影响。 第2章:正则对易关系与对易子规范 详细阐述正则对易关系在量子化过程中的核心地位。探讨海森堡绘景和狄拉克绘景下的场算符演化,并引入Wightman公理的经典表述,为构建严格的量子场论模型奠定数学基础。讨论因果律的量子表述。 第3章:重整化群与有效场论 本章是本书的核心之一。我们将抛弃传统教科书中仅关注维数正则化和最小减法的简单处理方式。转而深入探讨重整化群(Renormalization Group, RG)的物理意义。通过Callan-Simanzyk方程和跑动耦合常数的概念,解释物理定律如何依赖于观测尺度。引入有效场论(Effective Field Theory, EFT)的思想,阐明为何低能物理可以与高能细节解耦,从而构建出在特定能标下具有预测能力的理论框架。详细分析维度溢出(Dimensional Transmutation)的案例。 第4章:规范场论的非微扰处理 超越微扰扩展,本章关注规范场论(如SU(N)杨-米尔斯理论)的非微扰性质。讨论格点规范理论(Lattice Gauge Theory)的基本框架,包括Wilson环、禁闭机制的数学描述(尽管我们不深入到Monte Carlo模拟细节)。引入场强张量的拓扑荷,为后续的拓扑结构分析做准备。 第二部分:拓扑结构与量子信息基础 本部分将视角从高能物理的能标依赖性转移到凝聚态物理和信息科学中新兴的拓扑序概念,为理解拓扑量子计算的物理实现提供必要的理论工具。 第5章:凝聚态中的拓扑序与边界模式 介绍拓扑序(Topological Order)的概念,区别于传统的分数指数或对称性破缺序。重点分析分数量子霍尔效应(Fractional Quantum Hall Effect, FQHE)中的低能有效理论,特别是Chern-Simons理论在描述边缘激发中的作用。详细阐述任意子(Anyons)的统计性质及其与一维和二维系统的联系。 第6章:拓扑不变量与同调理论入门 引入代数拓扑的基本概念,特别是基本群(Fundamental Group)和同调群(Homology Group)。解释如何将这些抽象的数学工具应用于物理系统,例如,如何用拓扑不变量(如Chern数)来量化物理系统的宏观性质,这些不变量在系统形变过程中保持不变。讨论Berry相位与规范场论中规范变换的内在联系。 第7章:马约拉纳费米子与非阿贝尔统计 本书的亮点之一,聚焦于马约拉纳零能模(Majorana Zero Modes, MZM)。从Bogoliubov-de Gennes (BdG)方程出发,推导出它们在超导薄膜或纳米线上出现的条件。详细分析MZM的非阿贝尔统计特性:当两个MZM绕彼此运动时,系统的量子态会发生非平凡的演化。这是构建拓扑量子计算的基本操作单元。 第三部分:拓扑量子计算的框架与操作 本部分将理论模型与信息处理的实际操作相结合,构建拓扑量子计算的理论蓝图。 第8章:拓扑量子比特的编码与容错性 讨论如何利用MZM的非局域性来编码量子信息(拓扑量子比特)。重点分析拓扑保护的内在机制:由于信息存储在拓扑保护的激发之间,局域的噪声或扰动无法改变信息的拓扑性质,从而实现固有的容错性(Fault Tolerance)。对比传统量子比特(如超导或离子阱)的局域错误模型。 第9章:编织操作与通用量子门 将第7章的统计概念转化为实际的量子门操作。详细阐述编织(Braiding)操作的数学描述,即MZM在时空中的路径如何实现酉变换。通过对特定拓扑路径的计算,展示如何实现基本的单比特门和两比特门(如CNOT门)。强调编织操作的路径无关性如何保证计算的鲁棒性。 第10章:模型系统与前沿挑战 最后,本书将展望性地探讨当前研究的热点。讨论Kitaev超导体模型作为理论基石,以及如何将其推广到更一般的非阿贝尔任意子系统。探讨在有限温度下拓扑保护的退化机制,以及如何设计高效的“解编织”或“读出”方案,将拓扑信息映射到可观测的经典信息上。 目标读者 本书要求读者对狭义相对论、高等微积分、线性代数有扎实的掌握,并对标准量子力学(包括对易子代数和薛定谔方程)有深刻理解。本书适合高年级本科生、研究生以及致力于从事理论粒子物理、凝聚态物理前沿研究的科研人员作为深度学习和参考之用。本书内容侧重于理论构建和数学严谨性,而非具体的实验细节。

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读后感

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用户评价

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这本书在理论深度上的挖掘是令人印象深刻的,它真正做到了连接数学的坚实基础与前沿物理的思辨。我之前阅读过几本专注于特定领域的教材,它们往往在某一个点上钻得很深,但缺乏一个宏观的、贯穿始终的数学骨架来支撑整个理论体系。而这本书的价值就在于提供了一个强大的数学框架,使得量子场论、广义相对论乃至统计力学中的复杂现象都可以被统一在更简洁的数学语言之下。我个人非常喜欢它对对称性原理的强调,作者将群论和流形理论融入到几乎每一个物理模型的构建过程中,这让原本感觉有些晦涩难懂的守恒律变得异常清晰和自然。每一次当我试图用更基础的语言去描述某个现象时,都会发现不如使用书中介绍的数学工具来得高效和深刻。这就像是获得了一把钥匙,打开了理解现代物理深层结构的大门,感觉视野被极大地拓宽了。

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这本书的排版和装帧给人一种非常扎实的感觉,厚厚的精装本拿在手里沉甸甸的,封面的设计简洁却充满力量感,那种深沉的蓝色调和白色的字体搭配,立刻让人感受到它内在的学术深度。我翻开目录时,首先注意到的就是其章节设置的逻辑性。作者显然是花了大量精力来构建知识体系的,从基础的分析工具到更复杂的微分几何和群论,过渡得非常自然,不像有些教科书那样跳跃。特别是关于黎曼几何在广义相对论中的应用部分,讲解得尤为透彻,图示清晰,即便是初次接触这些概念的读者也能循着作者的思路慢慢理解。书中大量的习题设计也非常巧妙,它们不仅仅是简单的计算练习,更多的是引导你去思考物理概念与数学结构之间的深层联系。我花了大量时间在那些需要综合运用多个章节知识的难题上,虽然过程颇为煎熬,但最终解决后的成就感是无与伦比的。这本书无疑是为那些真正有志于在理论物理领域深耕的学子准备的,它要求的不只是理解,更是融会贯通的能力。

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坦率地说,这本书的语言风格对于初学者来说可能有些挑战性,它完全没有为了迎合大众而刻意“软化”内容的意图,用词极其精准和严谨,仿佛每一句话都经过了数学家的反复推敲。这优点也是它的缺点——对于那些数学基础相对薄弱的物理学生而言,阅读起来可能会感到吃力,需要频繁地查阅参考资料。不过,对于已经有一定基础的读者来说,这种近乎完美的严谨性恰恰是其最大的魅力所在。我特别欣赏作者在引入新数学概念时,总是能立刻将其与它在物理学中扮演的角色联系起来,而不是孤立地讲解数学理论。例如,当讲解张量分析时,作者不仅仅停留在分量形式的运算上,而是深入探讨了协变性和逆变性背后的物理意义,这极大地帮助我建立起更直观的物理图像。全书的论证链条几乎是无懈可击的,一旦接受了初始的公理设定,后面的所有推导都显得水到渠成,很少有需要读者“脑补”或自行填补逻辑空缺的地方。

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这本书的配图风格非常独特,它们并非那种教科书式的示意图,更多的是纯粹的几何构造或者抽象的拓扑表示。刚开始阅读时,我有些不适应这种极简的视觉呈现方式,总觉得缺少一些直观的“帮助”。但随着阅读的深入,我开始领悟到这种风格背后的哲学意图——它在强迫读者跳出具体的物理图像,去关注结构本身。例如,在描述纤维丛和联络时,图中只是一些抽象的线条和截面,没有牵涉到任何粒子或者场的具体运动轨迹,但正是这种抽象,帮助我理解了为什么规范场论中的“连接”概念是如此具有普适性。这本书的价值不在于教会你如何快速解题,而在于改变你思考物理问题的方式,让你习惯于用更高维、更抽象的几何语言去审视世界。它更像是一本理论物理学家的“工具箱说明书”,而不是一个菜谱。

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与其他一些强调计算技巧的物理教材相比,这本书在数学基础部分的讲解占据了相当大的比重,这绝对是其最值得称道也最需要读者投入精力的部分。作者没有像有些书籍那样,在介绍完关键的数学工具后就草草了事,而是用心地探讨了这些工具是如何从数学领域被“移植”并“改造”以适应物理描述需要的。我尤其对其中关于泛函分析如何应用于量子力学中希尔伯特空间构建的部分印象深刻,它清晰地展示了无限维向量空间在处理无限自由度系统时的内在一致性。阅读过程中,我经常需要停下来,回顾前面几章建立的数学定义,以确保我对当前讨论的物理背景有最坚实的支撑。这本书的深度使得它几乎不可能被“速成”,它要求的是一种耐心的、螺旋上升的学习过程,但一旦你完成了整个旅程,你对物理学的理解将不再停留在现象的描述层面,而是触及到其最本质的数学真理。

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