Fields, Symmetries, and Quarks pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Mosel, Ulrich

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页数:328

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价格:79.95

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isbn号码:9783540652359

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• 粒子物理学
• 量子场论
• 规范场论
• 对称性
• 费曼图
• 夸克
• 标准模型
• 群论
• 相对论
• 物理学

宇宙的结构与基本作用：探寻物质的深层奥秘 本书深入探讨了现代物理学的核心支柱——粒子物理学与量子场论的广阔图景。它不仅是一本关于亚原子世界的导览，更是一部关于我们如何理解自然界最基本构件及其相互作用的探索史。全书旨在为具有一定数学和物理基础的读者提供一个严谨而全面的视角，剖析粒子物理学的标准模型，并展望超越标准模型的未来研究方向。 第一部分：时空与场的基础——量子场论的构建 本部分奠定了理解基本粒子物理学的数学与概念框架。我们从经典场论出发，逐步引入量子化的概念，构建量子场论（QFT）的基石。 第一章：相对论与量子力学之桥 本章回顾了狭义相对论对物理学革命性的影响，特别是能量-动量关系和洛伦兹变换如何重塑了我们对时空和粒子概念的理解。随后，我们将探讨将量子力学与狭义相对论结合的必要性，引出相对论性量子力学方程，如克莱因-戈登方程和狄拉克方程。对狄拉克方程的详细分析不仅揭示了电子的自旋，还预言了反物质的存在，这是现代粒子物理学的首个重要里程碑。 第二章：经典场论的量化 量化是连接宏观经典描述与微观量子行为的关键步骤。本章聚焦于如何将自由场进行正则量子化（即哈密顿量形式的量子化），引入产生和湮灭算符的概念，从而将粒子视为场的激发态。我们将详细阐述标量场（如希格斯场的前身）和旋量场（如费米子场）的量化过程，并解释玻色子和费米子在统计学上的本质区别。 第三章：相互作用与微扰论 现实世界的粒子并非孤立存在，它们之间存在着相互作用。本章引入相互作用项，并阐述如何使用微扰论来处理这些复杂的相互作用。拉格朗日密度作为描述物理系统动力学的核心工具被详细介绍。随后，我们深入探讨费曼图的构建与意义，这是一种强大的图形化工具，用于系统地计算粒子散射过程的概率幅。费曼规则的推导和实际应用是本章的重点，它为计算散射截面和衰变率提供了精确的数学工具。 第四章：重新归一化——处理无穷大 在计算高阶微扰修正时，不可避免地会出现无穷大的结果，这是QFT早期面临的巨大挑战。本章全面剖析了“截断”和“重整化”的概念。通过对真空涨落和自能修正的分析，我们学习如何识别哪些无穷大是“可处理的”（即可以被重新定义物理常数吸收的），哪些是“不可重整化的”。重整化群（RG）的概念被引入，它展示了物理定律如何随能量尺度的变化而变化，揭示了物理理论的尺度依赖性。 第二部分：物质的基本构件——费米子与规范对称性 在构建了QFT的数学框架后，本部分开始构建描述已知基本粒子的具体理论：标准模型。 第五章：电磁相互作用的量子描述——QED 量子电动力学（QED）是第一个成功的量子场论，也是物理学中最精确的理论之一。本章以光子和电子的相互作用为核心，详细构建QED的拉格朗日量。通过对电子-电子散射和电子-光子产生过程的费曼图分析，读者将领会QED如何完美解释电磁现象的量子本质。本章也将回顾潘宁效应和兰姆位移等重要的实验验证。 第六章：弱相互作用与宇称不守恒 弱相互作用是唯一能够改变粒子“味”的相互作用，它在放射性衰变中扮演核心角色。本章引入了描述弱相互作用的规范场论，并分析了为什么早期的理论模型（如费米理论）需要被更现代的规范理论所取代。我们探讨了弱相互作用的媒介子 $W^{pm}$ 和 $Z^0$ 玻色子，以及在弱相互作用中宇称（P）不守恒的实验发现，这对粒子物理学的对称性观念构成了深刻的挑战。 第七章：强相互作用的奥秘——量子色动力学（QCD） 强相互作用是束缚夸克形成质子和中子的力量，其理论基础是量子色动力学（QCD）。本章的核心是SU(3)规范群，它定义了夸克的“颜色”荷。我们将详细解释QCD拉格朗日量，并分析其两个关键特性：渐近自由和夸克禁闭。渐近自由解释了在高能对撞中夸克表现出自由粒子的行为，而夸克禁闭则解释了我们为何观察不到孤立的夸克。 第八章：标准模型的整合 本章将前述的电磁、弱和强相互作用统一在一个自洽的框架内，即粒子物理学的标准模型。我们讨论如何通过希格斯机制赋予规范玻色子质量，同时保持规范对称性的自发破缺。标准模型成功地将十二种基本费米子（六种夸克和六种轻子）与四种基本力（电磁力、弱核力、强核力）囊括在内。本章的重点在于理解对称性在理论构建中的指导性作用，以及标准模型作为描述已知物质的成功框架的地位。 第三部分：超越标准模型的前沿探索 尽管标准模型取得了巨大的成功，但它并非终极理论。本部分将引导读者审视标准模型遗留下的重大问题，并探讨当前理论物理学正在探索的前沿领域。 第九章：质量的起源与希格斯场的深层含义 本章深入探讨希格斯场的物理学意义。我们考察了希格斯玻色子的发现如何验证了标准模型的机制，并讨论了费米子质量的产生。更重要的是，我们将审视标准模型中对质量的描述是否完备，例如，中微子质量问题如何挑战了标准模型的原始假设，以及如何通过“跷跷板机制”等模型来解释它们微小的质量。 第十节：引力的缺席与量子引力之路 标准模型完全忽略了引力。本章探讨了为什么将广义相对论与量子场论结合是如此困难。我们讨论了量子引力尝试中遇到的主要障碍，如引力子传播的不可重整化问题。随后，本书将简要介绍两种主要的量子引力候选理论：弦理论（作为高维度的统一理论）和圈量子引力（作为对时空结构进行离散化的尝试）。 第十一节：暗物质与暗能量的挑战 观测宇宙学证据表明，我们所熟悉的普通物质（由标准模型描述）仅占宇宙总能量密度的不到5%。本章聚焦于宇宙中最大的两个谜团：暗物质和暗能量。我们将回顾对暗物质存在的间接证据（如星系旋转曲线和引力透镜效应），并考察超对称粒子（如WIMPs）作为暗物质候选粒子的理论动机。对于暗能量，我们将探讨其与真空能之间的关系，以及宇宙学常数问题——理论预测值与观测值之间巨大差异的根源。 第十二章：新物理学的展望——超对称性与大统一理论 本章将目光投向“下一个”可能的理论框架。超对称性（SUSY）作为一种对标准模型进行优雅扩展的理论，其核心思想是将费米子和玻色子配对。我们探讨SUSY如何解决层子质量的层次结构问题，并作为实现大统一理论（GUT）的必要步骤。GUT的目标是将电磁力、弱力和强力在极高能量下统一为一个单一的规范对称性。本书的结尾将强调，对这些“新物理学”的探索，需要未来更高能的粒子加速器和更精密的低能实验来共同验证。 全书结构严谨，从基础的场论构建到复杂的相互作用描述，再到前沿的未解之谜，力图为读者提供一个连贯、深入且具有前瞻性的现代物理学知识体系。

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全书的叙事节奏把握得如同一个技艺精湛的指挥家，时而激昂澎湃，深入探讨量子场论的深层结构；时而沉静内敛，娓娓道来对称性破缺的精妙之处。我尤其欣赏作者在引入新概念时所采取的“渐进式教学法”，他从最基础的群论概念入手，像剥洋葱一样层层深入，确保读者在没有深厚背景的情况下也能跟上思路。那些原本被认为枯燥乏味的数学推导，经过作者的巧妙编排，竟然变得富有逻辑美感和令人信服的力量。这种行文风格，让我在阅读过程中，时常会产生“原来如此”的豁然开朗之感，而不是被密集的公式团团围住的挫败感。

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对于寻求深入理解的资深研究者来说，这本书中的某些高级章节无疑是一座需要攀登的高峰。我特别留意了关于非阿贝尔规范群如何描述强相互作用力的那几节，其中涉及到的路径积分表述和重整化群流的细节，处理得相当精炼和深刻。作者似乎并不满足于停留在教科书式的解释层面，而是引入了最新的研究进展和尚未完全解决的前沿问题，这使得这本书不仅仅是一份回顾历史的文献，更像是一份指引未来研究方向的灯塔。对于那些希望从“知道是什么”迈向“理解为什么”的读者来说，这些深度解析提供了绝佳的素材和思考的支点。

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这本书的广度令人惊叹，它不仅仅局限于粒子物理学的标准模型，而是将视角投向了更广阔的物理疆域。我惊喜地发现，作者将爱因斯坦的广义相对论中的某些几何对称性，与标准模型中的规范对称性进行了富有启发性的类比和讨论，这种跨学科的对话方式，极大地拓宽了我的认知边界。章节之间的过渡衔接得天衣无缝，读完关于夸克色荷的讨论，自然而然地就进入了手征对称性的讨论，仿佛一切都是自然演进的结果，而非生硬的知识堆砌。这显示出作者深厚的物理学素养和卓越的知识整合能力。

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总的来说，这本书的阅读体验是心智上的一次酣畅淋漓的漫步，它需要的不仅仅是时间，更需要思想上的投入和准备。我发现自己常常不得不停下来，合上书本，花上几分钟去消化刚刚吸收的复杂信息，并试着在脑海中重构那些抽象的数学结构。这并非是说它难以理解，而是因为它所承载的内容密度极高，每一句话都蕴含着深厚的物理意义。对于物理专业的学生或研究人员，这本书无疑会成为书架上被频繁翻阅的经典，它以一种近乎诗意的严谨性，向我们展示了自然界最深层次的构造之美。

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这本书的封面设计简直是一场视觉盛宴，深邃的蓝色背景如同浩瀚的宇宙，点缀其间的几何图形和抽象线条，仿佛在低语着高维空间的奥秘。我刚拿到它时，就被这种扑面而来的学术气息所吸引，那种严谨而又充满探索欲的氛围，让人迫不及待想一头扎进物理学的海洋。书的装帧质量毋庸置疑，纸张的触感细腻光滑，字体排版清晰明了，即便是复杂的数学公式也显得井井有条，阅读体验极佳。装帧上那些细微的烫金工艺，在灯光下闪烁着低调而奢华的光芒，看得出出版方在细节上投入了极大的心血。

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