Knots and Links

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出版者:Amer Mathematical Society
作者:Dale Rolfsen
出品人:
页数:439
译者:
出版时间:2003-12
价格:USD 58.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780821834367
丛书系列:
图书标签:
  • 数学
  • Topology
  • 拓扑
  • 拓扑学
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具体描述

Rolfsen's beautiful book on knots and links can be read by anyone, from beginner to expert, who wants to learn about knot theory. Beginners find an inviting introduction to the elements of topology, emphasizing the tools needed for understanding knots, the fundamental group and van Kampen's theorem, for example, which are then applied to concrete problems, such as computing knot groups. For experts, Rolfsen explains advanced topics, such as the connections between knot theory and surgery and how they are useful to understanding three-manifolds.

Besides providing a guide to understanding knot theory, the book offers "practical" training. After reading it, you will be able to do many things: compute presentations of knot groups, Alexander polynomials, and other invariants; perform surgery on three-manifolds; and visualize knots and their complements. It is characterized by its hands-on approach and emphasis on a visual, geometric understanding.

Rolfsen offers invaluable insight and strikes a perfect balance between giving technical details and offering informal explanations. The illustrations are superb, and a wealth of examples are included.

探寻宇宙的编织:从广义相对论到弦理论的几何拓扑 本书是一部深入探索现代物理学前沿——特别是广义相对论、规范场论与量子引力领域中几何拓扑学应用的权威著作。它并非仅仅罗列公式和定理,而是旨在为物理学家、数学家以及对宇宙深层结构抱有热忱的读者,构建一座连接抽象数学概念与具体物理图像的桥梁。 全书共分为五大部分,结构严谨,逻辑推进层层深入,力求展现物理世界在不同尺度下所展现出的惊人、优雅的内在几何秩序。 --- 第一部分:经典几何与时空结构的基础回溯 (Foundations of Manifolds and Spacetime Geometry) 本部分作为全书的基石,详尽回顾了理解弯曲时空所必需的微分几何工具,重点突出其在物理学语境中的应用。 第一章:流形与张量分析的物理视角 本章从物理直觉出发,重新审视光滑流形的概念,强调其作为描述物理系统状态空间(如广义相对论中的时空)的必要性。我们将深入探讨切丛、向量场和张量场,不仅仅是代数操作,而是关注它们如何承载物理信息——如能量流密度、应力张量等。重点解析了黎曼几何中的基本对象:度规张量、克里斯托费尔符号和黎曼曲率张量,清晰阐述曲率如何直接量化时空的局部形变。 第二章:测地线方程与引力本质 本章将测地线方程提升到核心地位,揭示“惯性运动”在弯曲时空中如何被重新定义为“最直的路径”。我们详细分析了爱因斯坦场方程的几何意义,将其视为物质分布(能量动量张量)与时空几何(里奇张量和标量曲率)之间相互作用的深刻表达。此外,本章还包括对特定经典解的几何分析,如史瓦西解和克尔解的奇点结构、视界几何,以及如何利用科斯坐标系和彭罗斯图来全面理解这些解的因果结构。 --- 第二部分:规范场论的拓扑维度 (The Topological Dimensions of Gauge Theories) 第二部分将视野从纯粹的引力理论转向描述强、弱、电磁相互作用的规范场论。在此,拓扑结构不再是背景,而是场本身的内在属性。 第三章:纤维丛与联络的物理解释 本章系统介绍了纤维丛理论,将其作为规范场结构的基础。我们详细解释了主丛和向量丛,以及规范群如何在纤维上作用。最关键的是,我们将规范联络(杨-米尔斯场的1-形式)解释为在纤维上“平行移动”的几何工具,这种移动的路径依赖性正是规范对称性的体现。本章还引入了规范不变性与电荷荷的拓扑联系。 第四章:陈类与场强(电荷)的量化 本章是连接几何拓扑与物理可观测性的关键环节。我们专注于陈类(Chern Classes)的计算及其物理意义。特别是对第一陈类和第二陈类的深入探讨,揭示了它们如何与非零拓扑荷(如电荷、风暴荷或磁单极子)直接相关。以第二陈类为例,我们将详细推导其与杨-米尔斯场强张量的联系,阐明为什么某些物理系统中的电荷必须是量化的——这是纤维丛的拓扑结构所强制要求的。 第五章:规范场中的瞬子与拓扑畴壁 本章聚焦于规范场论中的非微扰现象。我们将利用Hopf不变量的概念来定义和量化瞬子(Instantons,在欧几里得时空中存在的有限作用量解),特别是四维$ ext{SU}(2)$理论中的瞬子。讨论畴壁(Domain Walls)和螺线(Skyrmions)等低维拓扑缺陷,阐明这些结构如何承载着非零拓扑荷,并对真空结构产生深远影响。 --- 第三部分:拓扑学在量子场论中的应用 (Topological Applications in Quantum Field Theory) 此部分将理论提升到量子层面,探索拓扑不变量在描述量子场行为中的核心作用。 第六章:拓扑绝缘体与边缘态的几何分类 本章引入了凝聚态物理中的概念,但从拓扑量子场论的角度进行分析。我们利用$mathbb{Z}_2$不变量(或更一般的陈数)来分类拓扑绝缘体,解释为什么在体相中表现出带隙的材料,其边界却能支持无耗散的导电模式。本章强调了由Wess-Zumino-Witten(WZW)项导出的拓扑量子场论如何精确地预测这些边缘态的性质和数量。 第七章:量子霍尔效应与扁担拓扑 (The Quantum Hall Effect and Holonomy) 详细分析了二维量子霍尔系统的几何基础。本章的核心是通过贝里相位(Berry Phase)的概念,将能带结构的几何特征(即扁担曲率,Berry Curvature)与宏观电导率精确联系起来。我们将证明,整数量子霍尔电导率的整数值正是扁担曲率在布里渊区上积分的拓扑不变量(第一陈类)的精确体现。 --- 第四部分:弦理论与高维几何 (String Theory and Higher-Dimensional Geometry) 本部分将物理学的舞台拓展到十维甚至更高,探讨超弦理论中几何拓扑的极端复杂性。 第八章:卡拉比-丘流形:紧化与真空选择 在超对称和超弦理论中,多余的维度必须被“紧化”以恢复我们观察到的四维时空。本章深入研究卡拉比-丘(Calabi-Yau)流形,解释为什么它们是唯一满足超对称所需几何条件的紧致复流形(即零里奇曲率)。我们将探讨其霍奇数($h^{1,1}$和$h^{2,1}$),并阐明这些拓扑不变量如何决定了紧化后四维有效理论中的粒子种类、规范群和耦合常数。 第九章:弦的拓扑与D-膜的几何构造 本章考察了弦和膜(D-branes)的拓扑性质。D-膜被嵌入到背景流形中,其存在的条件和稳定性的关键在于它们必须与背景的拓扑结构相容。我们将讨论边界场论(Boundary CFT)如何与D-膜所处的几何空间拓扑关联,特别是K-理论在分类D-膜荷方面的应用,揭示K-理论如何作为陈理论的推广,来描述在具有奇点的几何空间上的稳定稳定场配置。 --- 第五部分:前沿与展望 (Frontiers and Outlook) 本书的最后部分展望了当前研究中最活跃且最具挑战性的几何拓扑交叉领域。 第十章:圈量子引力与自旋泡沫的拓扑框架 本章简要概述了圈量子引力(LQG)中时空离散化的几何图像。虽然LQG主要关注量子化体积和面积算符,但我们聚焦于其自旋网络(Spin Networks)和自旋泡沫(Spin Foams)的结构。这些结构本质上是离散化的拓扑结构,我们讨论如何使用3-流形上的拓扑量子场论(如因特拉平论/Ponzano-Regge模型)来构造自旋泡沫,从而理解量子时空的基本“编织”单元。 结论:几何统一性的持久追求 全书在最后强调,无论是广义相对论中的时空弯曲、规范场中的电荷量化,还是弦理论中的维度紧化,其背后都隐藏着一套统一的几何拓扑语言。本书的最终目的,是激发读者以更几何化、更拓扑化的视角,去审视那些仍在等待被完全理解的物理学终极理论。 --- 本书的特点: 本书在介绍复杂的数学工具时,始终锚定于清晰的物理洞察力。它不回避数学的严谨性,但其叙述风格偏向于构建物理图像,避免了纯粹形式化的展示。通过大量的实例分析(如霍金辐射的视界几何、瞬子解的拓扑荷计算),本书旨在培养读者运用几何拓扑语言解决实际物理问题的能力。它适合已经掌握基础高等数学和量子场论,并希望深入探索物理学几何深层结构的进阶学习者。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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这本书的叙事节奏把握得相当出色,没有那种传统学术著作的沉闷感。作者的文笔中流淌着一种对几何形体结构近乎痴迷的热情。当读到关于纽结不变量的章节时,我几乎要为之屏息——他描述的是如何通过代数工具来区分那些肉眼看起来几乎一模一样的复杂扭结。举例来说,关于 Reidemeister 移动的讨论,如果是在其他地方看到,可能就是枯燥的图示和规则的罗列,但在这里,作者赋予了这些移动以“动作”的生命力,仿佛在舞台上表演的芭蕾舞者,每一步的转换都精确地揭示了结构不变的本质。我尤其欣赏作者在穿插历史背景时的那种不经意间的潇洒,他会突然跳出来提一句某个大数学家在咖啡馆里构思某个关键引理时的情景,这极大地拉近了读者与深奥知识之间的距离。读完关于双曲几何在结理论中应用的章节,我甚至产生了一种冲动,想去拿起一根绳子,亲手尝试编织和解开那些教科书上展示的复杂结构,去感受那种真实的物理反馈。整本书的结构像一个精心设计的迷宫,引导你层层深入,每当你觉得快要迷失时,一个巧妙的例子或一个精妙的洞察就会像灯塔一样照亮前方的道路。

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这本书的深度,坦率地说,远超我最初的预期。我原以为这是一本偏向于科普或入门性质的读物,但很快我意识到,它是一部严肃的、面向研究者的参考书,同时又带着一种罕见的、使人愉悦的教学智慧。对于已经对拓扑学有一定了解的人来说,这本书的价值体现在它对某些前沿课题的精准概括和深刻剖析。特别是关于三流形和边界的三维空间描述部分,那种将二维结嵌入三维结构中的复杂视角转换,处理得极为精妙,让我对流形理论有了全新的认识。作者在论证一些复杂定理时,步骤清晰得令人赞叹,但绝不是那种“跳跃式”的简化,而是保留了必要的逻辑链条,让读者能够清晰地追踪每一步推理的合理性。我花了很多时间去研究其中关于“穿孔球体”的构造性证明,那份对细节的关注和对逻辑完整性的坚持,让我对作者的学术功底肃然起敬。这本书与其说是一本书,不如说是一份详尽的、充满洞见的路线图,指向了结理论研究中最具挑战性的领域。它要求读者投入时间和精力,但所给予的回报是巨大的——一种对空间结构本质的更深层次的理解。

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这本书的气质是那种历经沉淀后的醇厚,它不像某些新出版的教材那样追求时髦的、最新的概念堆砌,而是扎扎实实地梳理了结理论中那些经得起时间考验的核心基石。我特别欣赏作者对于“为什么”的追问,而不是仅仅停留在“是什么”。例如,当他介绍某个特定不变量的构造时,他会深入探讨为什么数学家们需要这个不变量,它解决了先前理论中的哪个核心难题,以及它在更广阔的数学图景中扮演的角色。这种宏观的视角,让读者在学习具体技巧的同时,也能培养起一种“数学家思维”。整本书的语调是谦逊而自信的,既不傲慢地假定读者已是专家,也不轻率地忽略问题的难度。我甚至发现自己在阅读其他数学书籍时,会不自觉地对照这本书对概念的定义和处理方式,它已经成为了我衡量清晰度的黄金标准。对于任何希望将结理论作为其研究方向,或者仅仅是希望深入理解三维空间拓扑结构的人来说,这本著作不是一本可有可无的读物,而是一份必需的、能够引导你穿越复杂丛林的权威指南。

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阅读这本书的过程中,我有一个非常强烈的感受,那就是作者似乎总能预判到读者在哪个环节会产生困惑,并在那个地方设置了一段恰到好处的“拐杖”。这种细致入微的关怀,使得即便是像我这样,在面对某些高阶的组合数学工具时会感到吃力的读者,也能保持阅读的流畅性。比如,在介绍如何利用计算机程序来辅助验证某些结的不变量时,作者并没有简单地丢下一个算法,而是用通俗的语言解释了该算法背后的数学直觉,仿佛在告诉我:“看,这个强大的工具,它的核心逻辑其实很简单,只是实现起来比较繁琐。”这种“去神秘化”的处理方式,极大地增强了我的学习信心。再者,这本书在排版和图示方面也做得极为出色。那些复杂的结图,清晰而不拥挤,线条的粗细和颜色的运用,都服务于帮助理解空间关系的目的,而不是单纯地美化版面。这本著作真正做到了将严密的数学论述与有效的教学实践完美地融合在一起,对于那些渴望在自我学习的道路上找到一位“良师益友”的探索者而言,它无疑是极佳的选择。

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这本书的封面设计,那种深邃的靛蓝色背景上,几条纠缠不清的白色线条如同宇宙中的星系轨迹,立刻就抓住了我的眼球。初翻开目录,我感觉到了一种数学的严谨与艺术的直观交织在一起的奇妙氛围。作者显然不仅仅是一个理论家,他更像是一个经验丰富的航海家,带领我们驶入一个充满拓扑学迷宫的广阔海洋。第一章关于基本概念的介绍,简直是教科书级别的清晰,每一个定义都像一块打磨光滑的鹅卵石,手感温润,易于把握。我特别喜欢作者在讲解一些高维空间概念时所使用的类比,比如他把三维空间中的打结想象成一段被拉伸和扭曲的橡皮筋,这让那些原本抽象的数学符号瞬间变得鲜活起来。读到介绍琼斯多项式(Jones Polynomial)的部分,我仿佛能看到那些复杂的代数表达式在作者的笔下跳起了优美的几何舞蹈。对于那些希望从零开始系统学习结理论的读者来说,这本书无疑提供了一个极其坚实且富有启发性的起点,它没有过多地纠缠于那些晦涩难懂的纯理论证明,而是更注重于展示“结”这种对象的内在美感和它们在不同数学分支中的连接点。那种沉浸式的阅读体验,让我感觉自己不是在学习一门学科,而是在解开一个古老而迷人的谜团。

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One of the best books in knot theory.

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