An Introduction to Tensors and Group Theory for Physicists

An Introduction to Tensors and Group Theory for Physicists pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Birkhäuser
作者:Nadir Jeevanjee
出品人:
页数:305
译者:
出版时间:2015-3-31
价格:GBP 44.99
装帧:Hardcover
isbn号码:9783319147932
丛书系列:
图书标签:
  • 群论
  • 物理
  • 张量
  • 数学
  • 数学-张量
  • 数学-抽象代数
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  • 线性代数
  • 抽象代数
  • 物理基础
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具体描述

The second edition of this highly praised textbook provides an introduction to tensors, group theory, and their applications in classical and quantum physics. Both intuitive and rigorous, it aims to demystify tensors by giving the slightly more abstract but conceptually much clearer definition found in the math literature, and then connects this formulation to the component formalism of physics calculations. New pedagogical features, such as new illustrations, tables, and boxed sections, as well as additional “invitation” sections that provide accessible introductions to new material, offer increased visual engagement, clarity, and motivation for students.

Part I begins with linear algebraic foundations, follows with the modern component-free definition of tensors, and concludes with applications to physics through the use of tensor products. Part II introduces group theory, including abstract groups and Lie groups and their associated Lie algebras, then intertwines this material with that of Part I by introducing representation theory. Examples and exercises are provided in each chapter for good practice in applying the presented material and techniques.

Prerequisites for this text include the standard lower-division mathematics and physics courses, though extensive references are provided for the motivated student who has not yet had these. Advanced undergraduate and beginning graduate students in physics and applied mathematics will find this textbook to be a clear, concise, and engaging introduction to tensors and groups.

Reviews of the First Edition

“[P]hysicist Nadir Jeevanjee has produced a masterly book that will help other physicists understand those subjects [tensors and groups] as mathematicians understand them… From the first pages, Jeevanjee shows amazing skill in finding fresh, compelling words to bring forward the insight that animates the modern mathematical view…[W]ith compelling force and clarity, he provides many carefully worked-out examples and well-chosen specific problems… Jeevanjee’s clear and forceful writing presents familiar cases with a freshness that will draw in and reassure even a fearful student. [This] is a masterpiece of exposition and explanation that would win credit for even a seasoned author.”

―Physics Today

"Jeevanjee’s [text] is a valuable piece of work on several counts, including its express pedagogical service rendered to fledgling physicists and the fact that it does indeed give pure mathematicians a way to come to terms with what physicists are saying with the same words we use, but with an ostensibly different meaning. The book is very easy to read, very user-friendly, full of examples...and exercises, and will do the job the author wants it to do with style.”

―MAA Reviews

《张量与群论初步:物理学家视角》 内容概要 本书是一本为物理学专业学生和研究人员量身定制的教材,旨在系统介绍张量和群论这两种在现代物理学中至关重要的数学工具。本书从物理学的实际应用出发,循序渐进地构建读者对抽象数学概念的直观理解,并强调这些工具在不同物理领域中所扮演的关键角色。全书共分为四个主要部分:张量的基础、张量在物理学中的应用、群论的基础以及群论在物理学中的应用。 第一部分:张量的基础 在介绍张量之前,本书首先回顾了向量空间、线性变换以及坐标系变换等基本概念,为读者理解张量的本质打下坚实基础。 向量空间与基:本书将从向量空间的定义出发,引入线性无关、基以及维度的概念。通过具体的例子,例如三维欧几里得空间,解释如何选择不同的基,以及基变换对向量坐标的影响。 线性变换:接着,本书将讨论线性变换,并将其与矩阵联系起来。读者将学习如何表示线性变换,以及线性变换在坐标系改变时的表现。 坐标系变换:这是理解张量的关键一步。本书会详细阐述笛卡尔坐标系、柱坐标系和球坐标系之间的变换关系,并引出协变(covariant)和逆变(contravariant)分量的概念。读者将深刻理解,一个物理量本身是独立于坐标系的,但其在不同坐标系下的表示(分量)是不同的,这种不同之处正是通过协变和逆变分量来描述的。 在此基础上,本书将正式引入张量的概念: 张量的定义:张量将被定义为满足特定变换性质的数学对象。本书将采用一种直观的方式,将张量看作是向量空间上的多重线性函数,或者说,张量可以看作是一个可以通过一组标量分量在特定变换规则下确定的对象。 张量的阶:本书将详细介绍不同阶的张量,包括标量(零阶张量)、向量(一阶张量)、二阶张量(如度规张量、应力张量)以及更高阶的张量。每种张量的定义都会伴随具体的物理例子,帮助读者建立联系。 张量的代数运算:读者将学习张量的加法、减法、数乘、外积(张量积)、内积(缩并)等基本运算。这些运算在物理学中有着广泛的应用,例如计算两个向量的外积得到一个二阶张量,或者通过缩并降低张量的阶。 张量的指标表示:本书将深入讲解张量的指标表示法,包括上指标(逆变分量)和下指标(协变分量)。读者将学习如何使用爱因斯坦求和约定来简化表达式,并理解指标的升降操作,以及度规张量在其中扮演的重要角色。 张量的几何意义:本书将强调张量的几何解释,例如二阶对称张量与二次型、椭球等几何对象之间的联系。 第二部分:张量在物理学中的应用 本部分将聚焦于张量在各个物理分支中的具体应用,展示张量作为描述物理规律的强大工具的威力。 经典力学: 惯性张量:本书将介绍惯性张量的概念,以及它如何描述刚体绕轴转动的性质。读者将学习如何计算惯性张量,并理解其在转动惯量和角动量计算中的应用。 应力张量:在连续介质力学中,应力张量被用来描述物体内部的受力状态。本书将详细解释应力张量的各个分量的物理意义,并讨论其在弹性力学和流体力学中的应用。 应变张量:与应力张量相对应,应变张量描述了材料的形变。本书将介绍小应变张量的定义,并讨论其与应力张量之间的本构关系(如胡克定律)。 电磁学: 电磁场张量:本书将推导出四维时空中的电磁场张量,并展示它如何统一电场和磁场。读者将学习如何利用电磁场张量来写出洛伦兹协变的麦克斯韦方程组,从而深刻理解狭义相对论在电磁学中的体现。 四维电流密度:与电磁场张量相结合,本书还将介绍四维电流密度,并展示它如何与电磁场张量共同构成洛伦兹协变的方程。 狭义相对论: 四维向量:本书将引入四维向量的概念,例如四维位置、四维速度、四维动量等,并展示它们在洛伦兹变换下的性质。 度规张量:本书将详细讨论狭义相对论中的度规张量,以及它如何定义时空中的距离(间隔)。读者将学习如何使用度规张量来计算四维向量的模长,以及推导洛伦兹变换。 广义相对论: 曲率张量:在广义相对论中,曲率张量是描述时空弯曲的关键。本书将介绍黎曼曲率张量、里奇张量和斯克里奇张量,并解释它们与引力之间的关系。 爱因斯坦场方程:本书将以张量的形式介绍爱因斯坦场方程,并解释其物理意义,即物质与能量分布如何决定时空的几何结构。 量子力学: 角动量张量:在量子力学中,角动量算符及其张量形式在描述原子、分子和核的自旋和轨道角动量时至关重要。 第三部分:群论的基础 本部分将为读者建立群论的基本概念和框架,为后续的物理学应用打下基础。 群的定义:本书将从群的公理出发,严格定义群的概念,包括封闭性、结合律、单位元和逆元。 群的例子:通过大量的具体例子,例如对称群(二面体群、置换群)、循环群、加法群、乘法群等,帮助读者理解群的结构和性质。 子群与陪集:本书将介绍子群、左陪集和右陪集等概念,并探讨它们之间的关系,例如拉格朗日定理。 正规子群与商群:进一步介绍正规子群和商群,这是理解群同态和同构的关键。 群的同态与同构:本书将详细讲解群同态和同构的定义,以及它们在分类和研究群结构中的作用。 置换群:重点介绍置换群,特别是其在对称性问题中的应用,例如通过置换来描述对称操作。 群的表示: 表示的定义:本书将介绍群表示的概念,即将群中的元素映射到向量空间中的线性变换(矩阵)。 不可约表示:深入讨论不可约表示,并解释其在物理系统分类中的重要性。 酉表示:重点介绍酉表示,以及其在量子力学中的应用。 群表示的性质:讨论特征标(character)等重要性质,以及它们如何用于区分不同的表示。 第四部分:群论在物理学中的应用 本部分将展示群论在物理学中解决各种问题的强大能力,尤其是在处理对称性方面。 量子力学: 对称性与守恒律:本书将详细阐述诺特定理,解释物理系统的连续对称性与守恒量之间的深刻联系。例如,时间平移不变性对应能量守恒,空间平移不变性对应动量守恒,旋转不变性对应角动量守恒。 能级简并:本书将解释群论如何预测量子系统的能级简并,以及对称性如何导致能量相同的状态。 原子光谱:通过将原子结构中的对称性映射到群论,本书将解释原子光谱中谱线的分类和选择定则。 电子结构:群论在理解固体材料的电子结构,例如晶体中的能带结构,以及描述电子在晶格中的行为方面发挥着关键作用。 粒子物理学: 基本粒子分类:本书将介绍用于分类基本粒子的各种对称群,例如SU(2)(同位旋)、SU(3)(夸克模型)等。 盖尔曼八重态模型:本书将简要介绍盖尔曼提出的SU(3)对称性在解释强子谱中的成功之处。 守恒律:讨论群论如何引出宇称守恒、电荷共轭守恒、时间反演守恒等对称性及其相应的守恒律。 固态物理: 晶体对称性:本书将介绍晶体点群和空间群,以及它们在描述晶体结构和性质中的应用。 布里渊区:利用群论的知识,本书将解释布里渊区的概念,以及其在描述电子在周期势中的行为方面的重要性。 晶格振动:群论可以帮助理解晶格振动的模式,例如声子谱的性质。 核物理: 同位旋对称性:介绍同位旋对称性在描述质子和中子之间相互作用中的应用。 核壳层模型:群论可以用于描述核壳层结构,并解释原子核的某些性质。 本书特色 物理导向:本书始终以物理学的实际问题为出发点,避免了纯粹的数学推导,力求使读者理解张量和群论在解决物理问题中的作用。 循序渐进:从最基础的概念入手,逐步深入到更复杂的理论,保证了不同背景的读者都能理解。 丰富的例子:每章都配有大量的物理实例,帮助读者将抽象的数学概念与具体的物理现象联系起来。 严谨与直观并存:在保证数学严谨性的同时,注重概念的直观理解,通过图示和类比等方式帮助读者建立清晰的认知。 全面的覆盖:本书力求涵盖张量和群论在现代物理学中最重要的应用领域,为读者提供一个完整的数学工具箱。 通过学习本书,读者将能够熟练运用张量和群论的知识,更深入地理解现代物理学的诸多理论,并为进一步的学习和研究打下坚实的基础。本书不仅是一本教材,更是一本帮助物理学家拓展思维边界、解决复杂问题的得力助手。

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读后感

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用户评价

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读完前几章后,我最大的感受是作者在保持数学严谨性上付出的巨大努力,这使得这本书在理论深度上无可挑剔,但同时也带来了可读性上的挑战。作者似乎对读者的现有知识水平抱有一种非常高的预期,许多基本的概念和符号的引入都是直接给出的,很少有冗余的解释或类比。例如,在处理对称性群时,作者的叙述方式非常简洁,几乎是在用最精炼的语言勾勒出整个理论框架。我花了相当长的时间来回溯和确认一些基础的群论定义,因为书中的推导链条太过紧密,任何一个环节的遗漏都可能导致后续内容的理解完全中断。这种风格的好处是,对于已经具备扎实代数基础的读者,这本书无疑是一部极佳的参考书,它可以快速地将他们带入高阶理论的殿堂。但对于我这样的自学者而言,这更像是一场智力上的马拉松,需要不断地暂停、查阅其他资源,才能跟上作者的思维速度。我期待的“Introduction”应该更具引导性,能温和地引导读者进入这个复杂的世界,而不是直接展示最终的宏伟蓝图。

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这本书的排版和图表质量非常高,这无疑提升了阅读体验,尤其是在处理那些复杂的矩阵和符号时,清晰的字体和恰当的间距减少了阅读疲劳。但是,关于群论的部分,我感觉其深度似乎超越了“Introduction”的范畴,或者说,它选择了一个非常特定的、偏向于数学物理的切入点。对于只想了解如何用SU(2)或SU(3)群来分类基本粒子或者理解角动量耦合的读者来说,书中关于特征标公式和表示空间的深入讨论,可能会显得过于冗余和难以消化。我花了很大力气去理解那些关于不可约表示的分解定理是如何在物理图像中体现的,但书中的解释更多是通过代数语言来完成的,缺乏直观的几何或物理图像来辅助。这使得这本书在横向上铺展的知识面很广,但在纵向上,对于那些希望快速掌握核心物理应用的读者,它的信息密度过高,以至于“有用信息”被大量“高阶理论细节”所淹没。我希望作者能更明确地划分出“核心应用”和“理论拓展”的部分,以便读者可以有侧重地学习。

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这本书的封面设计充满了古典的严肃感,厚实的纸张和精致的装帧让人立刻感受到内容的份量。我最初翻开它,期望能找到一些关于广义相对论中张量分析的清晰入门,毕竟书名里提到了“Introduction”。然而,我很快发现,作者对“基础”的定义似乎与我的理解有些偏差。书中花了大量的篇幅在数学结构和抽象概念的推导上,对于一个初次接触张量的物理学学生来说,这些内容的密度实在有些令人窒息。讲解过程逻辑性极强,步步为营,但总感觉缺少那么一两座“桥梁”,将那些冷峻的数学符号与我们日常处理的物理图像有效地连接起来。我试着去理解那些复杂的群论表示理论是如何被引入的,但感觉自己像是被直接扔进了一片信息的海洋,需要极强的自学能力和坚实的数学背景才能游刃有余。对于想要快速掌握如何应用张量解决具体物理问题的读者来说,这本书可能需要配合大量的辅助资料才能真正消化。它更像是一部严谨的数学教科书,而非一本面向应用物理学家的快速指南。我希望在初期能看到更多具体的物理背景案例来支撑这些理论的引入,而不是一上来就深入到酉群和李代数的细节之中。

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坦白说,这本书的价值主要体现在其作为一本深入的数学物理参考书上,而非一本面向新手的入门读物。我注意到它对费米子和玻色子对称性的讨论非常详尽,这在其他侧重于经典场论的教材中并不常见。然而,书中对张量导数运算的讨论相对简略,这在处理弯曲时空中的动力学方程时是一个关键的难点。在某些章节,作者似乎认为读者已经完全掌握了微分几何的基础知识,直接跳过了对某些关键定理的详细证明,这对于依赖本书作为主要学习材料的读者来说是一个障碍。例如,关于张量在共变导数下的变换性质,我需要反复对照其他资源来确认每个指标升降的细微差别。总结来说,这本书的风格是极其学院派的,它忠实地呈现了数学物理的逻辑结构,但它牺牲了一定的教学流畅性来换取绝对的精确性。对于那些已经有一定基础,想挑战自己,深入理解张量代数和群论内在联系的进阶学习者来说,这可能是一部值得珍藏的典籍,但作为“入门”之选,它的门槛确实设立得相当高。

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这本书的组织结构非常清晰,从最基础的线性代数概念出发,逐步过渡到张量代数,再到更抽象的群表示理论。这种自底向上的构建方式,从结构上看是无可指摘的。然而,在实际阅读体验中,这种“线性”的推进有时会让人感到枯燥和脱节。具体来说,当讨论到张量在流形上的微分几何性质时,书中的例子和应用场景似乎有些过于抽象和理想化,缺少了那种能让人“摸得着”的物理直观。我个人非常看重理论与实际观测之间的联系,而这本书似乎更偏向于纯粹的数学结构探讨。例如,在介绍协变导数时,虽然数学推导非常完美,但如果能穿插一些关于黎曼曲率张量在特定物理场景(比如电磁场或引力场)下的具体表示和物理意义的讨论,我想会更有助于理解其必要性和用途。目前的呈现方式,使得张量和群论像是两个需要分别攻克的独立堡垒,而不是一个有机统一的物理描述工具。这种割裂感,使得我对如何将这套工具箱应用到具体的粒子物理或凝聚态物理问题中感到有些迷茫。

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非常非常非常好的从物理视角入门群论的书,看完想给作者写感谢信,写得非常有逻辑,关键的想法交代得非常清楚,非常好读。用熟悉的物理的例子讲解数学概念,非常直观易懂。前面讲张量的部分可能是我见过的讲张量的教材里最好的,后面群表示论由于受到篇幅限制一些细节不能细讲,但都给出了参考材料,而且对于初学者来说框架性的东西已经给得很到位了。

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