Quantum Field Theory And Its Macroscopic Manifestations pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Imperial College Press

作者:Massimo Blasone

出品人:

页数:544

译者:

出版时间:2011-2-21

价格:USD 150.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781848162808

丛书系列:

图书标签:

• 量子场论7
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• 宏观现象
• 量子物理
• 凝聚态物理
• 粒子物理
• 真空极化
• 卡西米尔效应
• 自发对称性破缺
• 希格斯机制
• 量子真空

《涌现的混沌：从微观粒子到宏观世界的奇妙联系》 引言 我们生活在一个由粒子构成的宇宙中，从原子内部微不可察的电子，到构成恒星的巨大等离子体。然而，这些微观世界的基石遵循着一套截然不同的规律，它们量子化、概率性、并且常常表现出令人费解的叠加与纠缠。与此同时，我们宏观的日常经验，从一杯沸腾的水到风吹过草地的律动，则似乎遵循着经典物理学那确定、连续且直观的描述。那么，这两者之间是如何建立联系的？是什么机制将粒子行为的量子规律转化为我们所见的宏观世界？《涌现的混沌》旨在深入探索这一引人入胜的问题，揭示微观量子场论如何“涌现”出我们习以为常的宏观现象，并重点关注那些在尺度转换过程中，量子效应以意想不到的方式影响着宏观物理世界的“宏观显现”。 本书并非一本技术性的量子场论教科书，它不以推导复杂的数学公式为主要目的，而是试图以一种更加直观和概念化的方式，向对物理学充满好奇的读者展示一个宏大的图景。我们将一起踏上一段穿越物理学最深层奥秘的旅程，理解那些看不见的量子海洋，是如何孕育出我们触手可及的物质世界。 第一部分：量子世界的基石——场的概念与量子化 在深入宏观显现之前，我们必须首先理解微观世界的语言——量子场论。传统物理学将粒子视为独立的点状实体，而量子场论则将宇宙的基本构成元素理解为一种遍布时空的“场”。这些场，例如电子场、光子场、夸克场等，才是宇宙最根本的存在。 场的普遍性与波动性： 我们将首先阐述“场”这一概念的深刻含义。不同于牛顿力学中的引力场或电磁场，量子场是具有能量和动量的基本实体。它们不是静止的背景，而是时空中持续存在的、具有量子特性的波动。例如，电子场在时空中涟漪般的波动，在能量足够高时，就会“激发”出我们观测到的离散粒子——电子。 量子化的奥秘： 量子化是微观世界最核心的特征之一。本书将解释为何能量、动量等物理量在微观尺度上并非连续可变的，而是呈现出离散的“量子”状态。这种量子化的概念，是理解粒子产生与湮灭、能量交换以及后续宏观效应的基础。我们将通过类比和思想实验，剥离其数学的复杂性，揭示量子化的直观意义。 粒子作为场的激发： 本部分将清晰地阐述，我们通常意义上所理解的“粒子”，实际上是对应量子场在特定时空区域的能量激发。例如，光子是电磁场的量子，电子是电子场的量子。这种“粒子即场的激发”的观点，是理解粒子相互作用和衰变的根本。 第二部分：微观互动与宏观秩序的萌芽 量子场的相互作用并非杂乱无章，它们遵循着严格的规律，这些规律在微观层面定义了物质的基本属性，并在一定条件下，开始孕育出宏观世界的秩序。 相互作用的本质： 我们将探讨不同量子场之间的相互作用。这些相互作用通过交换“媒介粒子”（如光子传递电磁力，胶子传递强核力）来实现。本书将重点解读这些相互作用的“费曼图”所蕴含的物理图像，而非其计算细节。理解粒子如何通过交换其他粒子来传递力和信息，是理解物质聚集和结构形成的关键。 对称性与守恒律： 量子场论与物理学中最为重要的对称性原理紧密相连。我们将深入探讨伽利略不变性、洛伦兹不变性、电荷守恒、能量守恒等基本守恒律，是如何源于微观场的对称性。这些守恒律是宏观世界得以稳定运行的基石，它们的量子起源，揭示了宇宙最深层的和谐。 真空的动态性： 量子场论中的“真空”并非空无一物，而是充满了量子涨落的活跃区域。本书将阐述真空的动态特性，即即使在最低能量状态下，粒子对也会不断地产生和湮灭。这种“真空涨落”的概念，对于理解一些重要的宏观现象，例如卡西米尔效应，具有至关重要的作用。 第三部分：从微观到宏观的飞跃——涌现现象的探索 这是本书的核心部分，我们将聚焦于量子场论的“宏观显现”，探讨微观的量子规律是如何在大量的粒子和相互作用中，涌现出我们熟悉的宏观物理定律和现象。 统计力学与相变： 大量微观粒子的集体行为，催生了统计力学的概念。我们将解释，如何从量子场论的基本原理出发，理解温度、熵、压强等宏观热力学量的起源。更重要的是，我们将深入探讨“相变”的奥秘，例如水如何从液态变为固态，或气体如何凝结。这些宏观的相变，本质上是大量微观粒子在能量和相互作用变化下，其集体状态发生的根本性转变。本书将揭示，相变过程往往伴随着量子涨落和量子态的集体重组。 集体激发与准粒子： 在凝聚态物理中，我们经常会遇到“准粒子”的概念。例如，在固体材料中，电子本身的行为会受到晶格振动的强烈影响，由此产生的集体激发，就被描述为“声子”或“激子”等准粒子。本书将阐述，准粒子是量子场论在特定介质中，对集体行为的一种高效描述方式，它们继承了微观粒子的量子特性，却在宏观尺度上展现出不同的动力学行为。 拓扑学的魔力： 拓扑学作为一门研究空间性质不变性的数学分支，在现代物理学中扮演着越来越重要的角色。本书将介绍，某些宏观现象，例如量子霍尔效应中的拓扑保护的边缘态，其稳定性并非源于精密的参数调控，而是源于其内在的拓扑结构。这些拓扑性质，可以追溯到微观量子场的某些非平凡的拓扑结构，即使在存在杂质和扰动的情况下，也能保持其宏观稳定性。 非平衡态物理与混沌： 现实世界中的许多系统并非处于热力学平衡状态，而是处于持续演化的非平衡态。本书将探讨，即使在量子层面，非平衡态系统也可能表现出复杂的混沌行为。我们将理解，微观粒子的量子涨落，在非平衡的宏观系统中，如何被放大并导致不可预测的整体演化。这种“涌现的混沌”，是理解天气系统、宇宙大尺度结构形成等复杂现象的关键。 量子相干性在宏观尺度上的显现： 尽管宏观世界通常被认为是经典的，但在某些特殊条件下，微观的量子相干性（叠加态、纠缠态）也可能在宏观尺度上显现出来。本书将探讨超导、超流等量子现象，它们是大量粒子协同表现出的宏观量子效应。我们将理解，在低温和特定环境下，量子叠加和纠缠可以跨越宏观的距离，展现出令人惊叹的量子行为。 第四部分：前沿展望与未来思考 在对量子场论的宏观显现进行深入探讨之后，本书将简要展望该领域的前沿研究方向，并引发读者对宇宙更深层奥秘的思考。 量子引力与时空本质： 宏观世界中最普遍的力——引力，在微观尺度上仍然存在巨大的谜团。本书将简要介绍量子引力研究的挑战，以及它可能如何统一量子场论和广义相对论，揭示时空的量子本质。 宇宙的宏观结构与量子起源： 宇宙的形成和演化，从大爆炸的微观奇点到如今的浩瀚星系，都离不开量子物理学的基本原理。我们将探讨，早期宇宙的量子涨落如何最终形成了我们今天观测到的宇宙大尺度结构。 量子信息与宏观世界的联系： 近年来，量子信息科学的飞速发展，为我们理解宏观现象提供了新的视角。本书将简要探讨量子信息概念，以及它可能与宏观世界的涌现过程之间存在的深刻联系。 结语 《涌现的混沌》是一次对物理学最深刻问题的探索之旅，它旨在揭示支配微观粒子世界的量子场论，是如何以一种意想不到的、充满“涌现”的奇妙方式，塑造了我们所见的宏观世界。本书将引导读者超越粒子和力的简单叠加，去理解一个更加深刻的图景：宏观世界的秩序与复杂性，并非凭空而来，而是从微观量子场的互动与演化中，以一种“涌现”的方式蓬勃生长，最终形成了我们所感知和体验的丰富多彩的宇宙。希望通过这本书，您能对我们赖以生存的这个宇宙，拥有一个更深层次的理解和敬畏。

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