具体描述
This book is unique because unlike others on the subject that focus on mathematical arguments, this volume emphasizes the original field concept, aiming at objectives in modern information technology. Written primarily for undergraduate students of physics and engineering, this book serves as a useful reference for graduate students and researchers too. With concise introductory arguments for the physics of electromagnetism, this book covers basic topics including the nature of space-time-dependent radiations in modern applications.
理论物理前沿探析：量子场论与粒子物理导论 （一本专注于微观世界与基本相互作用的权威著作） 导言：超越经典边界的探索 本书旨在为读者提供一个全面且深入的视角，聚焦于现代物理学的两大核心支柱——量子场论（Quantum Field Theory, QFT）与粒子物理学。我们承认经典电磁学作为宏观现象的精确描述所具备的基石地位，但本书的使命是将目光投向电磁力在更深层次、更基本粒子尺度上的展现，以及与强核力、弱核力共同构成的标准模型（Standard Model）的精妙结构。本书内容完全独立于经典电磁学的具体数学形式和应用领域（如麦克斯韦方程组的经典解、波动光学、介质中的场行为等），而是直接从量子力学的基本公设出发，构建描述粒子产生、湮灭以及它们之间相互作用的框架。 第一部分：量子场论的数学与概念基础 第一章：从经典场到量子场：路径积分的视角 本章首先回顾了拉格朗日形式在经典场论中的应用，但很快将重点转向路径积分表述（Path Integral Formulation）。我们详细阐述费曼（Feynman）的路径积分如何提供一个与算符对易性（Canonical Quantization）等价但更具物理直观性的量子化途径。此处，我们关注标量场（Scalar Fields），如Klein-Gordon场，作为引入量子化的第一个模型。重点讨论泛函积分的定义、配分函数（Partition Function）的计算及其在统计物理学中的地位，完全避开对连续介质中电荷和电流密度在经典电磁场中演化的讨论。 第二章：狄拉克场与费米子：自旋的量子起源 紧接着，本章深入研究描述自旋1/2粒子（如电子和夸克）的狄拉克场（Dirac Field）。我们详尽推导狄拉克方程，并阐释如何通过反对易关系（Anti-commutation Relations）来满足泡利不相容原理。与经典场论中对电荷密度的处理不同，本章的核心在于通过对场进行“二次量子化”，构建出描述粒子和反粒子产生和湮灭的产生（creation）和湮灭（annihilation）算符。自旋统计定理（Spin-Statistics Theorem）作为量子场论的必然结果，将被严格证明，这为理解物质的根本属性提供了理论基石。 第三章：规范场论的核心：酉群与电弱统一的萌芽 本章是通往描述基本力的关键。我们引入规范对称性（Gauge Symmetry）的概念，强调它作为物理定律的基础结构，而非一个可有可无的添加物。首先从一个全局U(1)对称性开始，逐步推广到局域（Local）对称性，并导出描述零质量玻色子（如光子，尽管我们将其视为规范玻色子，而非经典电磁波的描述对象）的规范场。我们将阐述如何在 $ ext{U}(1) imes ext{SU}(2) imes ext{SU}(3)$ 框架下，构建出描述电磁力、弱核力和强核力的基本理论——杨-米尔斯理论（Yang-Mills Theory）。本章完全侧重于对称性群的代数结构和拉格朗日量的构造，不涉及任何宏观介质中的电磁边界条件。 第二部分：标准模型的建立与挑战 第四章：量子电动力学（QED）：相互作用的微扰展开 基于第三章的规范场构建，本章专门讨论量子电动力学——描述电子、正负电子与光子之间相互作用的QFT。我们将详细介绍费曼图（Feynman Diagrams）的系统性构建，将其视为对散射矩阵（S-Matrix）微扰展开的图形化表示。重点放在计算最低阶过程，例如电子-电子散射（Møller散射）和光子与电子的散射（Compton散射）的截面。对紫外无穷大（UV Divergences）问题的讨论，将直接引出重整化（Renormalization）的概念和技术，这是QFT区别于任何经典理论的关键步骤。本书对重整化过程的阐述将是严格的，强调其物理意义在于描述物理量（如电荷和质量）如何依赖于观测尺度。 第五章：弱相互作用与希格斯机制：质量的起源 本章聚焦于弱核力，利用 $ ext{SU}(2)_L$ 规范群来描述中微子和带电轻子的混合。我们将详细分析弱相互作用的费米有效理论（Fermi Effective Theory）如何从高能的 $W$ 和 $Z$ 玻色子交换中产生。随后，深入研究电弱对称性破缺（Electroweak Symmetry Breaking）。希格斯机制的引入是本章的核心，通过自发对称性破缺，使 $W$ 和 $Z$ 玻色子获得质量，同时保持规范理论的可重整化性。本书将精确推导希格斯场的势能（Mexican Hat Potential）及其真空期望值（Vacuum Expectation Value, VEV）的确定过程，这是粒子获得质量的根本机制。 第六章：量子色动力学（QCD）：强相互作用的非线性 本章转向描述夸克和胶子之间的强核力。基于 $ ext{SU}(3)$ 规范群，我们推导出量子色动力学的拉格朗日量。重点分析QCD的两个核心特征：渐进自由（Asymptotic Freedom）和夸克禁闭（Confinement）。渐进自由将通过 $eta$ 函数的计算来解释，阐明在短距离或高能下，耦合常数变弱的物理图像。与QED不同，QCD的非线性项（胶子自身携带色荷）导致了复杂的低能行为，这需要借助格点计算（Lattice QCD）等数值方法进行研究，本书将概述这些研究的理论基础，但不涉及具体的数值算法细节。 第三部分：超越标准模型的前沿展望 第七章：有效场论与低能物理的联系 本章探讨了有效场论（Effective Field Theory, EFT）的强大工具，它允许我们在不同能量尺度上描述物理现象，而无需知道更深层理论的具体细节。我们将利用EFT的视角来审视标准模型，并讨论如何系统地寻找超出标准模型的信号，例如通过引入更高阶的、由未知的重粒子导致的修正项。这种方法论在探索暗物质、中微子质量等悬而未决的问题中具有不可替代的作用。 第八章：引力与量子化的努力：弦论与圈量子引力概述 鉴于量子场论在描述引力上的固有困难（不可重整化性），本章最后将概述解决这一问题的两种主要尝试。首先是弦论（String Theory），它将基本粒子视为一维振动的弦，自然地包含了一个自旋为2的玻色子（引力子）。其次是圈量子引力（Loop Quantum Gravity），它通过对时空本身进行“量子化”来避免无穷大的出现。本章仅提供这两种前沿理论的初步概念框架和它们对时空本质的根本性假设，旨在拓宽读者的视野，将其引导至理论物理的最前沿。 --- 总结： 本书的结构围绕现代物理学对微观世界的基本理解展开，从量化场的数学构建，到描述三种基本力的规范场论框架，再到重整化、对称性破缺和标准模型的具体实现。它是一部完全致力于微观粒子相互作用和量子化结构的理论教科书，与经典电磁学的宏观描述和连续介质特性无直接关联。
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