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出版者:Macmillan

作者:J.P. Elliott

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1979-08

价格:0

装帧:Hardcover

isbn号码:9780333264263

丛书系列:

图书标签:

• 英文版
• 物理学
• 物理学
• 对称性
• 理论物理
• 数学物理
• 量子力学
• 粒子物理
• 凝聚态物理
• 场论
• 群论
• 拓扑学

《对称的低语：理解宇宙的内在秩序》 引言： 宇宙，从微观的粒子世界到宏观的星系结构，似乎都隐藏着一股神秘的秩序，一种超越表象的和谐。这股秩序，我们称之为“对称”。它不仅仅是一种几何上的美学，更是物理学中最深刻、最普适的原理之一。本书《对称的低语：理解宇宙的内在秩序》将带您踏上一段探索对称力量的旅程，揭示它如何在各个物理学领域中扮演着至关重要的角色，如何塑造我们对现实的认知，以及如何指引我们走向更深层次的物理学理论。 第一章：对称的几何语言——从图形到空间的优雅 在日常生活中，我们早已与对称的形态不期而遇。从翩翩起舞的蝴蝶到晶莹剔透的水晶，从人体的左右对称到建筑的和谐比例，对称无处不在。本章将从最直观的几何对称入手，介绍点对称、线对称、面对称以及旋转对称等基本概念。我们将深入探讨欧几里得几何中的对称变换，理解这些变换如何保持物体的形状和大小不变。 进而，我们将把目光投向更广阔的空间。三维欧几里得空间本身就蕴含着丰富的对称性，例如平移对称和反演对称。我们还将初步接触到更抽象的空间概念，例如黎曼几何中的曲率所带来的内在对称性，为后续理解物理学中的时空对称性埋下伏笔。通过对这些几何对称性的深入理解，读者将建立起对“对称”这一核心概念的直观感知，为后续更复杂的物理学对称性理论打下坚实的基础。 第二章：守恒的脉搏——对称性催生的物理定律 物理学中最令人惊叹的发现之一，莫过于对称性与守恒定律之间的深刻联系。本章将引介诺特定理（Noether's Theorem），这一数学上的瑰宝，它揭示了每一种连续的对称性都对应着一种守恒量。我们将深入剖析这一定理的意义，理解它如何将抽象的数学对称性转化为我们熟悉的物理学定律。 平移对称与动量守恒： 宇宙在空间中是均匀的，不受特定位置的影响。这种平移对称性直接导致了动量守恒定律。我们将通过简单的例子，例如碰撞过程，来解释动量是如何在系统中保持不变的。 旋转对称与角动量守恒： 宇宙在方向上也是各向同性的，没有特殊的“优选”方向。这种旋转对称性催生了角动量守恒定律。我们将探讨行星绕恒星运动、花样滑冰运动员旋转等现象，来体会角动量守恒的威力。 时间平移对称与能量守恒： 物理定律在时间上是恒定的，不受时间流逝的影响。这种时间平移对称性赋予了能量守恒定律以深刻的物理意义。我们将考察能量如何在不同形式之间转化，但总量却保持不变。 通过诺特定理的视角，我们将重新审视这些基本守恒定律，理解它们并非孤立的现象，而是宇宙内在对称性最直接、最美丽的体现。 第三章：粒子世界的秘密语言——内部对称性与基本粒子 进入微观的粒子物理学领域，对称性展现出更加奇妙和抽象的一面。本章将介绍“内部对称性”，这种对称性与空间和时间无关，而是存在于粒子本身的某些内在属性中。 同位旋对称性（Isospin Symmetry）： 我们将探讨质子和中子在某些相互作用中表现出的相似性，这种相似性可以用同位旋这一“内部量子数”来描述。理解同位旋对称性如何帮助我们分类强子，并预言新粒子的存在。 味对称性（Flavor Symmetry）： 夸克和轻子拥有不同的“味”，如上、下、粲、奇、顶、底以及电子、μ子、τ子等。味对称性描述了这些粒子之间的潜在联系，揭示了它们并非完全独立的实体，而是可能来自更基本统一的结构。 电荷共轭（C）变换、宇称（P）变换和时间反转（T）变换： 这三种变换构成了CPT对称性。我们将审视在粒子衰变和相互作用中，这些对称性是否始终保持，以及它们失效时所揭示的深刻物理现象。 本章将通过介绍基本粒子的分类、相互作用以及一些关键的实验发现，来生动地展示内部对称性在粒子物理学中的强大解释力，并为理解更深层次的规范对称性做铺垫。 第四章：规范的约束——精细调控的粒子相互作用 在粒子物理学的宏伟蓝图中，对称性扮演着“规则制定者”的角色。本章将深入探讨“规范对称性”，这是现代粒子物理学标准模型的核心基石。规范对称性要求物理定律在局部（而非全局）的变换下保持不变，这种要求直接催生了传递基本相互作用的规范玻色子（如光子、胶子、W和Z玻色子）。 电磁相互作用与U(1)规范对称性： 我们将从最熟悉的电磁相互作用入手，理解它与U(1)规范对称性的内在联系。光子作为电磁力的传递者，其性质正是由这一对称性所决定的。 强相互作用与SU(3)规范对称性： 夸克之间的强相互作用由SU(3)规范对称性所描述。本章将介绍量子色动力学（QCD），以及胶子作为传递强相互作用的粒子，如何“约束”夸克并产生核子。 弱相互作用与SU(2)×U(1)规范对称性： 弱相互作用是粒子衰变等现象的根源，它与SU(2)×U(1)的联合规范对称性紧密相关。我们将探讨电弱统一理论，以及W和Z玻色子在这一框架中的角色。 通过理解规范对称性，读者将领略到物理学家如何巧妙地运用数学的对称性原理，构建出描述自然界四种基本相互作用的精妙理论。 第五章：时空的对称之舞——广义相对论与引力 爱因斯坦的广义相对论是物理学史上又一座辉煌的丰碑，它深刻地改变了我们对引力和时空的理解。本章将聚焦于广义相对论中的时空对称性，以及它如何与引力相互作用相融合。 引力与时空弯曲： 我们将解释广义相对论如何将引力描述为时空的弯曲。物质和能量的存在会扭曲周围的时空，而物体则沿着弯曲时空的“测地线”运动。 洛伦兹变换与狭义相对论的对称性： 在介绍广义相对论之前，我们将回顾狭义相对论中至关重要的洛伦兹变换，它体现了时空的不变性，即物理定律在不同惯性参考系下的形式相同。 时空同构性与引力场： 广义相对论中的对称性体现在引力场对时空结构的影响上。我们将探讨某些特殊的引力场配置，例如黑洞和宇宙的膨胀，如何体现出特定的时空对称性。 引力波的对称性： 引力波的产生和传播也蕴含着深刻的对称性。本章将介绍引力波的性质，以及它们作为时空涟漪如何验证了广义相对论的预测。 通过探索广义相对论中的时空对称性，读者将对宇宙的宏观结构和动力学获得全新的认识，理解引力是如何将宇宙万物编织在一起的。 第六章：对称性破缺——秩序的生成与宇宙的演化 并非所有的对称性都以其完美的形式贯穿始终。本章将探讨“对称性破缺”这一至关重要的概念，它解释了为何在看似对称的物理规律下，我们会观察到如此丰富多彩、不对称的现实世界。 自发对称性破缺： 我们将介绍自发对称性破缺，即物理系统的基态（真空态）并不拥有系统所遵循的对称性。例如，超导现象就是一种体现了电磁相互作用对称性破缺的例子。 希格斯机制与质量的起源： 希格斯机制是粒子物理学标准模型中一个杰出的自发对称性破缺的例子。我们将解释这一机制如何赋予基本粒子质量，并且在此过程中，电弱对称性发生破缺，产生了我们所熟悉的电磁力和弱相互作用。 宇宙大爆炸与早期宇宙的对称性破缺： 早期宇宙的极端条件下，各种相互作用可能处于高度统一和对称的状态。随着宇宙的冷却和演化，一系列的对称性破缺事件可能导致了基本粒子和力的分离，从而塑造了我们今天所见的宇宙。 对称性破缺不仅解释了物质世界的丰富性，也揭示了宇宙演化过程中秩序是如何从对称中产生的，这是一种从简单到复杂的深刻洞察。 第七章：超对称的畅想——统一的终极追求 物理学家们始终怀揣着统一所有基本相互作用的梦想。本章将展望“超对称”（Supersymmetry，SUSY）这一前沿理论，它提出了一种深刻的对称性，将费米子（物质粒子）与玻色子（力的传递者）联系起来。 超对称的基本思想： 我们将介绍超对称的基本概念，即每一种已知的粒子都有一个“超对称伙伴”。例如，电子有一个超对称伙伴“选择子”，光子有一个超对称伙伴“光微子”。 解决标准模型的难题： 超对称理论能够有效解决标准模型中的一些悬而未决的问题，例如微扰计算中的发散问题，以及对暗物质的潜在解释。 大统一理论（GUTs）与超弦理论中的超对称： 超对称是许多大统一理论和超弦理论的重要组成部分。我们将简要介绍这些更宏大的理论框架，以及超对称如何在这个更高层次的统一图景中扮演关键角色。 实验验证的挑战与前景： 尽管超对称理论具有巨大的吸引力，但其超对称伙伴粒子通常质量很高，难以在目前的粒子加速器上直接观测到。本章将讨论实验上寻找超对称证据的努力和未来的展望。 超对称作为一种深刻的理论猜想，代表了物理学家对宇宙更深层对称性的不懈追求，它可能指引我们走向下一代物理学理论的黎明。 结论：对称的低语，永恒的探索 贯穿本书始终的是一个核心思想：对称性并非仅仅是一种数学概念或几何之美，而是宇宙运作最根本的语言之一。从牛顿力学到量子场论，从宏观宇宙到微观粒子，对称性无处不在，它约束着物理定律，催生了守恒量，指导着相互作用的产生，甚至塑造了宇宙的演化。 《对称的低语：理解宇宙的内在秩序》旨在为读者提供一个全面而深入的视角，理解对称性在物理学中的核心地位。它不仅仅是关于一个抽象的数学原理，更是关于理解我们所处宇宙的内在逻辑和和谐。我们相信，通过聆听这“对称的低语”，您将能更深刻地体会到物理学的优雅与精妙，并对宇宙的奥秘产生更加浓厚的兴趣。这趟探索之旅远未结束，物理学家们仍在不断追寻更深刻的对称性，以期揭示宇宙最深层的秘密。

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这本书的封面设计相当吸引人，那种黑白分明的线条和几何图案，让人一下子就能感受到一种严谨而又充满美感的氛围。当我翻开第一页，映入眼帘的是对经典力学中对称性概念的深入探讨，作者并没有停留在教科书式的定义上，而是巧妙地融入了大量的历史背景和哲学思考。比如，对诺特定理的阐述，不仅仅是数学公式的堆砌，更像是引导读者去体会物理定律背后隐藏的深层和谐。阅读过程中，我发现作者的语言非常精准，即使是面对复杂的三维旋转群，也能用清晰的图示和类比来辅助理解。这种对基础概念的扎实把握和清晰的逻辑梳理，使得这本书非常适合那些希望从根本上理解对称性在物理学中核心地位的读者。它不只是知识的搬运工，更像是一位耐心的向导，带领我们在物理学的殿堂中漫步，去欣赏那些隐藏在方程背后的优雅结构。读完开篇几章，我已经对物理学中的“不变性”有了全新的认识，那种感觉就像是拨开了层层迷雾，看到了事物的本质。

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这本书的深度和广度确实令人印象深刻，它不仅仅局限于某一个物理分支，而是横跨了从经典场论到量子场论的广阔领域。特别让我感到惊喜的是其中关于规范场论（Gauge Theory）的讨论部分。作者并没有简单地罗列标准模型中的各种对称群，而是花了相当大的篇幅去探讨对称性破缺的机制，尤其是自发对称性破缺，那种从对称到非对称的过渡，处理得极其细腻。我尤其欣赏作者在讲解希格斯机制时所采用的类比，虽然主题是高深的数学结构，但最终都能回归到可观测的物理现象上来，这极大地降低了理解的门槛。对我而言，阅读的过程更像是一场智力上的探险，每一次对新概念的掌握，都带来一种豁然开朗的喜悦。虽然有些数学推导部分需要反复琢磨，但这恰恰是好书的标志——它要求读者投入精力，而不是被动接受。这本书无疑是挑战思维边界的佳作，需要读者有一定的预备知识，但回报是巨大的。

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我必须承认，这本书的排版和插图质量是顶级的。在处理涉及高维空间和复杂群论结构时，清晰的图形辅助至关重要，而这本书在这方面做得无懈可击。比如，在讨论晶体学中的点群和空间群时，那些三维透视图和投影图简直是教科书级别的典范，它们让抽象的群元素操作变得直观可感。更难能可贵的是，作者在每一个重要章节的末尾都设计了“思考题”或“拓展阅读建议”，这些都不是那种简单的数值计算题，而是引导你去思考对称性在更前沿课题中的潜在应用，比如在凝聚态物理的拓扑绝缘体中的角色。这种将理论学习与前沿探索紧密结合的编排方式，让这本书的实用价值和学术价值都得到了极大的提升。它绝不是一本束之高阁的参考书，而是可以伴随研究者一同成长的伙伴。我甚至开始期待着重新审视我过去学习过的其他物理领域，去寻找那些可能被我忽略的对称之美。

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这本书的写作风格给我留下了一种强烈的“学者的风范”。它没有追求哗众取宠的口号式表达，而是沉静、严谨，带着一种对真理的敬畏。在处理量子力学中的角动量理论时，作者对SU(2)和SU(3)群的讨论极其深入，特别是对克莱布施-戈尔丹系数（Clebsch-Gordan Coefficients）的推导，不仅展示了详细的代数步骤，还穿插了物理图像的解释，使得原本枯燥的矩阵乘法变得有意义起来。书中还探讨了宇称（Parity）和时间反演（Time Reversal）对称性的破缺问题，这部分内容在讨论弱相互作用时显得尤为关键和引人入胜。总的来说，这本书的价值在于它建立了一个从低维几何到高维规范理论的完整思维框架。它不是一本快速通关的指南，而是一部需要细细品味的经典著作，每一次重读都会有新的体会和感悟，因为它所探讨的主题——对称性——正是宇宙运行的底层代码。

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对于非专业研究人员来说，这本书的阅读体验可能会略显陡峭，但如果你对物理学怀有深沉的好奇心，并愿意投入时间去啃硬骨头，那么它提供的回报将是无可估量的。我注意到作者在引入张量分析和微分几何工具时，采取了一种非常务实的态度——只介绍物理学应用中必需的部分，避免了纯数学的冗长铺垫。这种“按需教学”的策略，使得阅读的节奏感保持得非常好，不会因为突然跳跃到高等数学工具而感到脱节。我特别喜欢作者在引言中提到的一个观点：物理学的进步往往伴随着对更深层次不变性的发现。这本书就像是一部宏大的史诗，讲述了从伽利略到爱因斯坦，再到标准模型建立者们如何依靠对称性的力量，一步步揭示宇宙的奥秘。阅读它，就像是获得了一把万能钥匙，能够开启通往现代物理学核心概念的大门。它培养的不是死记硬背的能力，而是一种深刻的物理直觉。

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简洁但是叙述的非常清楚，很多话都是一语点醒

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