Conceptual Developments of 20th Century Field Theories pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Cambridge University Press

作者:Tian Yu Cao

出品人:

页数:456

译者:

出版时间:1998-06-28

价格:USD 80.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780521634205

丛书系列:

图书标签:

物理
重要
科普
科学
历史
物理学
场论
20世纪物理学
概念发展
理论物理
量子场论
广义相对论
规范场论
数学物理
高能物理

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具体描述

This book gives a broad synthesis of conceptual developments of twentieth-century field theories, from the general theory of relativity to quantum field theory and gauge theory. The author gives a historico-critical exposition of the conceptual foundations of the theories revealing a pattern to the evolution of these conceptions. Theoretical physicists and students of theoretical physics will find in this book an account of the foundational problems of their discipline that will help them understand the internal logic and dynamics of their subject. In addition the book will provide professional historians and philosophers of science, and especially philosophers of physics, with a conceptual basis for further historical, cultural and sociological analysis of the theories discussed. The book also contains much material for philosophical (metaphysical, methodological and semantical) reflection. Finally, the scientifically qualified general reader will find in this book a deeper analysis of contemporary conceptions of the physical world than can be found in popular accounts of the subject.

《二十世纪场论概念演进》引言：塑造我们宇宙观的基石物理学的历史是一部不断挑战直觉、拓展认知边界的宏伟叙事。在这部史诗中，场论无疑占据着举足轻重的地位。它不仅深刻地改变了我们对物质、能量以及它们之间相互作用的理解，更勾勒出了我们所居住宇宙的深层结构。从最初的电磁场概念，到量子场论的崛起，二十世纪是场论概念发生翻天覆地变化的时代。本书《二十世纪场论概念演进》正是聚焦于这一关键时期，深入剖析了构成现代物理学骨架的各种场论思想是如何孕育、发展、革新，并最终成为理解宇宙基本规律不可或缺的工具。第一章：电磁场的黎明——麦克斯韦的统一之光故事的开端，我们必须回溯到十九世纪中叶。此前，电和磁被视为独立的现象。然而，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦以其卓越的洞察力，将这些看似不相关的现象统一在一个优雅而强大的数学框架之下——麦克斯韦方程组。本书将详细解读麦克斯韦如何通过引入“位移电流”这一革命性的概念，揭示了电场和磁场并非孤立存在，而是相互关联、相互激发的动力学实体。他预言了电磁波的存在，并推断其传播速度与光速惊人地一致，从而宣告了光即是电磁波的诞生。本章将深入探讨麦克斯韦方程组的物理意义，分析其在经典电动力学中的核心地位，以及它如何为后续的物理学革命奠定坚实的基础。我们将考察麦克斯韦理论的哲学意涵，它如何从一种描述观测现象的工具，演变成一种对宇宙基本性质的深刻揭示。第二章：时空的革命——狭义相对论与场的动态演绎十九世纪末，经典物理学在解释光速不变性和迈克尔逊-莫雷实验结果时遭遇了瓶颈。阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论应运而生，它彻底颠覆了牛顿以来对空间和时间的绝对观念。本书将聚焦于狭义相对论如何通过两个基本假设——相对性原理和光速不变原理——重塑了我们对时空的认知。我们将探讨洛伦兹变换的深刻含义，它揭示了不同惯性系下时空测量的相对性。更重要的是，我们将分析狭义相对论如何影响了场论的概念。在狭义相对论的框架下，电磁场不再仅仅是空间中的一种分布，而是与时空本身紧密交织的动态实体。本章将详细阐述洛伦兹协变性如何成为场论描述的基本要求，以及它如何预示着能量和动量在场中的传播。我们将考察狭义相对论对场的动量和能量密度的重新定义，以及它如何为后来的量子场论发展铺平道路。第三章：万有引力的重塑——广义相对论与时空几何的交融狭义相对论虽然在电磁学领域取得了巨大成功，但它未能将引力纳入统一的框架。爱因斯坦再次引领了思想的飞跃，提出了广义相对论。本书将深入探究广义相对论的核心思想：引力并非是一种作用于遥远物体之间的“力”，而是由物质和能量弯曲时空所产生的几何效应。我们将详细阐述爱因斯坦场方程的数学形式及其物理意义，理解它如何描述了质量与时空曲率之间的深刻联系。本章将重点考察广义相对论如何深刻地影响了场论的概念。在广义相对论的语境下，引力场被视为时空几何本身的属性，而非独立的物理实体。我们将探讨“测地线”的概念，理解物体如何在弯曲的时空中遵循最短路径运动，从而表现出我们所观测到的引力现象。此外，本章还将讨论广义相对论的实验验证，例如水星近日点的进动、光线在引力场中的弯曲，以及它在理解黑洞、引力波等宇宙极端现象中的关键作用。第四章：粒子的波粒二象性——量子力学与场的量子化二十世纪初，量子力学的兴起为物理学带来了又一次颠覆。普朗克、玻尔、海森堡、薛定谔等先驱们发现，微观世界的行为遵循着与经典物理学截然不同的规律。本书将深入探讨量子力学如何揭示了物质的波粒二象性。我们将分析光电效应、康普顿散射等实验证据，理解光子作为能量量子而存在的概念。随后，我们将转向物质波的理论，德布罗意提出的物质波猜想如何被实验证实，以及薛定谔方程如何描述了粒子的波函数及其演化。本章的关键在于，我们将考察量子力学如何为场的量子化概念奠定了基础。一旦粒子被视为量子化的能量或动量，那么描述这些粒子行为的场，自然也需要被量子化。我们将初步探讨场的量子化思想，理解其如何摆脱了经典场论中粒子作为场的“激发”或“扰动”的经典图像，而将粒子本身视为量子场的“量子”。第五章：量子场论的诞生——统一物质与相互作用的宏伟蓝图将狭义相对论与量子力学相结合，是构建描述基本粒子及其相互作用的理论的必然要求。本书将深入剖析量子场论（QFT）的诞生及其核心思想。我们将解释“场”在量子场论中的角色——它不再是空间中的一个数值或矢量场，而是遍布整个时空的量子算符。粒子的产生与湮灭被描述为场的激发与衰减。本章将详细阐述量子场论的几个关键概念：量子化场（Quantized Fields）：场的量子化意味着场本身拥有离散的能量状态，这些状态对应着粒子的存在。我们将探讨产生算符和湮灭算符，理解它们如何操作场的量子态，从而实现粒子的产生与湮灭。洛伦兹协变性与规范不变性：量子场论必须同时满足狭义相对论的洛伦兹协变性要求，并引入规范不变性来描述基本相互作用。我们将解释规范对称性如何在电磁相互作用（U(1)规范对称性）中扮演核心角色。费曼图与微扰理论：费曼图作为一种直观的计算工具，极大地简化了量子场论中复杂的相互作用计算。本书将介绍费曼图的基本规则，以及微扰理论如何在计算粒子散射过程的概率时发挥关键作用。重整化（Renormalization）：量子场论在早期发展中遇到了“发散”的难题，即计算结果常常出现无穷大。重整化技术是量子场论取得成功的关键一步，它提供了一种系统性的方法来处理这些发散，并提取出具有物理意义的有限结果。我们将深入探讨重整化的思想，理解它如何通过引入“重整化群”来描述物理量如何随能量尺度而变化。第六章：基本相互作用的量子场论——从电磁到强弱和引力在量子场论的框架下，物理学家们成功地描述了四种基本相互作用中的三种：电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。本书将分别探讨这些相互作用的量子场论模型：量子电动力学（QED）：作为量子场论的典范，QED成功地描述了光子与带电粒子（如电子）之间的相互作用。我们将回顾QED的建立过程，以及其在精确预测各种物理现象方面的卓越成就，例如电子的磁矩。量子色动力学（QCD）： QCD是描述强相互作用（夸克和胶子之间的相互作用）的理论。我们将探讨夸克禁闭（confinement）和渐近自由（asymptotic freedom）等QCD的特有现象，以及其在核物理和粒子物理中的重要性。电弱统一理论（Electroweak Theory）：格拉肖、温伯格和萨拉姆发展的电弱理论将电磁相互作用和弱相互作用统一在一个框架下，并预言了W和Z玻色子的存在。我们将探讨其对称性破缺机制，以及其在解释放射性衰变等现象中的作用。第七章：引力场的量子化——通往量子引力之路的探索尽管量子场论在描述其他基本相互作用方面取得了巨大成功，但将引力场量子化仍然是一个巨大的挑战。本书将探讨量子引力研究的现状与挑战。我们将介绍尝试量化引力场的几种主要途径，包括：量子引力理论（Quantum Gravity）的早期尝试：例如，早期基于引力子（graviton）的微扰方法所遇到的困难。弦理论（String Theory）：弦理论将基本粒子视为微小的振动弦，它提供了一个潜在的统一框架，可以包含引力。我们将简要介绍弦理论的基本思想，及其在解决量子引力问题上的前景。圈量子引力（Loop Quantum Gravity）：圈量子引力则从不同的角度出发，试图量化时空本身的几何结构。我们将简要介绍圈量子引力的核心概念。本章将重点分析引力场量化之所以困难的原因，例如其非可重整性问题，以及对量子引力理论的哲学和概念上的挑战。第八章：场论的哲学与概念演进超越纯粹的数学和物理细节，《二十世纪场论概念演进》还将深入探讨场论发展过程中伴随的深刻哲学和概念转变。我们将考察“场”的概念如何从一种连续的、物理实在的实体，演变成一种更抽象的、遍布时空的算符。我们将讨论“粒子”与“场”之间的辩证关系，以及量子场论如何改变了我们对物质本体的理解。此外，本章还将反思场论在宇宙学、粒子物理学以及基础物理学研究中的地位，以及它对我们理解宇宙最基本构成和运作机制所产生的深远影响。结论：场论的传承与未来展望本书的最后一章将对二十世纪场论发展的历程进行总结，并展望未来的研究方向。我们将回顾场论如何从经典到量子，从宏观到微观，不断拓展着我们对宇宙的认知。我们将强调场论作为现代物理学基石的地位，以及它在描述从亚原子粒子到宇宙大尺度结构的一切现象中所扮演的关键角色。本书将以对未来物理学研究的展望作为结尾，探讨场论在解决当前物理学前沿问题，例如暗物质、暗能量、量子引力以及统一所有基本相互作用等方面的潜力。《二十世纪场论概念演进》旨在为读者提供一个全面而深入的视角，理解这一塑造我们现代宇宙观的关键科学思想是如何在过去一个世纪里不断发展和完善的。它不仅是献给物理学爱好者的指南，更是任何渴望深入了解构成我们现实基本框架的读者所不容错过的读物。

作者简介

曹天予（1941- ），剑桥大学科学史和科学哲学博士，美国波士顿大学哲学系教授。曾是英国剑桥大学三一学院和牛津大学万灵学院的研究员；并在美国哈佛大学、麻省理工学院和伦敦经济学院做过访问研究；史密森学会的高级研究员，普林斯顿高等研究院自然科学院和史学院的成员。主要研究方向为当代理论物理学中的概念问题及其历史演变。发表论文50多篇，并编有《量子场论的概念基础》（剑桥大学出版社，1999年）和第20届世界哲学大会会议文集中的第10卷《科学哲学》（哲学文献出版社，2001年）。