QUANTUM ELECTRODYNAMICS

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出版者:世界图书出版公司北京公司
作者:
出品人:
页数:405
译者:
出版时间:2003-01-01
价格:86.00元
装帧:
isbn号码:9787506214216
丛书系列:
图书标签:
  • 量子电动力学
  • 量子场论
  • 费曼图
  • 相对论量子力学
  • 电磁学
  • 粒子物理
  • 狄拉克方程
  • 量子力学
  • 物理学
  • 高等教育
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具体描述

《星辰的回响:宇宙初生之谜》 本书并非探讨量子电动力学的专业著作,而是将目光投向了宇宙的黎明,一个我们至今仍试图完全理解的、充满原始力量与奥秘的时代。我们将踏上一段穿越时空的旅程,探索宇宙大爆炸那一瞬间的戏剧性演变,以及那些塑造了我们今日所见一切的根本性力量。 第一章:虚无中的涟漪——大爆炸前的瞬间 在“一切”开始之前,存在着什么?本书将从宇宙学中最令人着迷的问题之一——奇点——出发,审视那些关于时间、空间和物质起源的最新理论。我们将探讨量子涨落、真空能量等概念,它们在理论上可能孕育了整个宇宙。这里没有熟悉的粒子,没有我们熟知的规律,只有能量的原始沸腾和潜在的结构。我们将深入研究宇宙学模型,如暴胀理论,它解释了为什么宇宙在如此短的时间内能够膨胀到如此巨大的尺度,以及它如何奠定了后来物质分布的基础。这不是对一个固定理论的陈述,而是对我们当前最前沿理解的探索,是对那些可能存在但尚未被直接观测到的现象的理论推演。 第二章:火焰的洗礼——宇宙的第一个三分钟 大爆炸并非一声巨响,而是一个连续的、充满剧变的演化过程。本章将聚焦于宇宙诞生后的最初几分钟,这段时间对于宇宙的物质组成至关重要。我们将详细描述夸克-胶子等离子体、核合成的过程,以及这些早期过程如何决定了宇宙中氢、氦等轻元素的丰度。您将了解到,我们今天所见的恒星和星系,其构成元素的比例,早在宇宙诞生后几分钟内就已经基本确定。我们还将探讨早期宇宙的温度和密度如何影响了基本力的行为,以及是否存在我们尚未发现的粒子或相互作用。这里充斥着高能物理的图景,但我们将以清晰易懂的方式呈现,让读者能够直观感受宇宙初生的极端条件。 第三章:暗影与光芒——宇宙的黑暗时代与第一批星辰 在最初的高温时期过后,宇宙进入了一个相对“黑暗”的时代,此时还没有发光的恒星。本章将深入研究这个时期,探索中性氢的形成,以及宇宙微波背景辐射(CMB)是如何在此后不久产生的。我们还将讨论暗物质和暗能量在宇宙结构形成中的作用,它们虽然不可见,却是宇宙大尺度结构的骨架。接着,我们将迎来宇宙中的第一批恒星——“第一代恒星”(Population III stars)的诞生。这些巨型、短命的恒星,通过它们内部的核聚变,开始在宇宙中播撒更重的元素,为后来的星系形成和恒星演化铺平道路。我们将描绘这些原始恒星的惊人质量和独特之处,以及它们如何改变了宇宙的景观。 第四章:结构之舞——星系与宇宙网络的形成 从零散的物质团块到繁星点点的星系,宇宙经历了一个漫长而复杂的结构形成过程。本章将追溯星系是如何在引力作用下聚集起来的,以及宇宙大尺度结构,如星系团和超星系团,是如何逐渐形成的。我们将探讨暗物质晕在这一过程中的核心作用,以及气体如何在其引力势阱中坍缩形成恒星。本书还将介绍星系合并、星系演化以及宇宙网的形成。您将看到,宇宙并非均匀分布,而是呈现出一种错综复杂的网络状结构,我们所在的银河系也正是这幅宏伟画卷中的一部分。我们将讨论主动星系核(AGN)和类星体的出现,它们标志着宇宙早期重元素的富集和能量的再次爆发。 第五章:未竟的旅程——宇宙的未来与未解之谜 尽管我们对宇宙的起源和演化有了许多认识,但仍有无数的谜团等待我们去解开。本章将展望宇宙的未来,探讨不同的宇宙学模型对未来命运的预测,例如热寂、大撕裂或大挤压。我们将再次审视暗物质和暗能量的本质,它们仍然是我们理解宇宙演化的关键。此外,本书还会触及宇宙学中一些前沿的研究方向,如引力波天文学为我们揭示的宇宙早期信息,以及多重宇宙理论的可能性。我们将鼓励读者保持对宇宙的好奇心,认识到科学探索是一个永无止境的旅程,每一次新的发现都可能改写我们对现实的认知。 《星辰的回响:宇宙初生之谜》是一次关于我们起源的宏大叙事,它带领我们超越日常经验,去感受宇宙从混沌到有序的壮丽变迁。这本书不是一部枯燥的教科书,而是一次充满启发性的探索,它旨在唤醒读者内心深处对宇宙的好奇与敬畏,去思考我们在这个浩瀚宇宙中的位置。

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目录信息

读后感

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我必须强调,这本书在对“量子纠缠”的描述方面,虽然不是QED的核心,但作者巧妙地将一些与此相关的概念融入了对粒子相互作用的讨论中。他提及了在某些高能粒子碰撞过程中,产生的粒子之间可能存在一种奇特的关联,即使它们相隔很远,测量其中一个粒子的状态,似乎也能瞬间影响到另一个粒子的状态。虽然这部分内容并没有深入探讨量子纠缠的哲学意义,但作者通过对这些粒子相互作用过程的数学描述,暗示了在微观粒子世界中,存在着比我们经典直觉更复杂、更奇妙的联系。我记得作者在分析一些多粒子散射的费曼图时,曾经提到过,在某些情况下,计算散射截面需要考虑所有粒子的“量子态”,包括它们之间的“关联”。这种“关联”的含义,让我开始思考,在粒子相互作用的底层逻辑中,是否隐藏着某种超越时空限制的深刻联系。这种对未知领域的初步探索,也激起了我对更广泛量子力学现象的好奇心。

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这本书的章节中,关于“真空极化”的讨论,给我留下了极其深刻的印象。作者不仅仅是简单地提及了真空极化对电子性质的影响,而是深入探讨了其在实验观测中的具体体现。我记得我花了很多时间去理解,为什么电子的反常磁矩会与真空极化有如此紧密的联系。作者通过绘制一个非常详细的费曼图,展示了电子与真空中的虚电子-正电子对相互作用的情形。这个虚的电子-正电子对,就像是一个临时的“夹层”,夹在了电子和它发出的光子之间。这种夹层效应,导致了电子发出的光子在传播过程中会受到轻微的“干扰”,从而改变了电子的电磁相互作用。作者进一步解释了,这种真空极化效应,会影响到我们测量到的电子的“屏蔽电荷”,使得我们观测到的电荷比理论预期的要小一些。这种精密的计算和理论预测,与实验结果的高度一致性,让我对QED的精确性感到无比震撼。

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我不得不说,这本书的章节安排非常人性化。虽然主题是高深的量子电动力学,但作者并没有一开始就抛出复杂的数学公式,而是循序渐进地引导读者。在解释一些关键概念,比如“量子场论”时,作者会先从经典场论的类比入手,然后再逐步过渡到量子化的描述。我记得在关于“量子场”的介绍中,作者将场想象成一种遍布整个空间的“鼓面”,而粒子则是这个“鼓面”上的“鼓点”的激发。当我用手拍打鼓面时,会产生涟漪,而这些涟漪的传播和相互作用,就类似于粒子的行为。这种生动形象的类比,帮助我克服了对抽象概念的恐惧。此外,作者在介绍费曼图时,也是从最简单的图开始,逐步增加复杂性,并且每引入一个新规则,都会附带一个清晰的例子。这种教学方法,使得我对QED的理解,从一开始的模糊朦胧,逐渐变得清晰具体,并对后续更复杂的推导充满了信心。

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书中的第四部分,则将我的视野引向了QED在解释更复杂的现象上的应用,尤其是关于“反常磁矩”(anomalous magnetic moment)的计算。在此之前,我对于电子的磁矩,更多地停留在教科书中关于“玻尔磁子”的经典描述,认为其磁矩的大小应该与它的自旋角动量成正比,而且比例常数应该就是玻尔磁子。然而,QED却预言了电子磁矩会有一个微小的偏差,这个偏差被称为“反常磁矩”。作者详细地阐述了如何通过计算高阶的费曼图来获得这个偏差的精确值。我记得我花费了大量时间去理解那些涉及更复杂顶点和更长传播子的费曼图,以及它们所对应的数学表达式。作者通过精心的推导,展示了QED计算出的电子反常磁矩值,与实验测量的结果之间的惊人吻合。这种吻合的精度,达到了小数点后很多位,是物理学史上最成功的理论预测之一。它不仅仅是一个数字上的巧合,更是对QED理论正确性的最有力证明。这本书让我深刻体会到,理论物理学家是如何通过不断地精炼模型,计算出极其微小的效应,并最终与实验结果进行比对,从而不断地逼近自然的真相。这种对细节的极致追求,让我对科学的严谨性和力量肃然起敬。

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这本书的封面设计就足够吸引人了,简约而又充满神秘感,深邃的蓝色背景搭配银色的标题,仿佛将我带入了浩瀚的宇宙深处,预示着即将展开一场关于微观世界最基本相互作用的探索之旅。在阅读之前,我对于量子电动力学(QED)的认知,更多地停留在一些科普读物中关于光子、电子以及它们之间奇妙互动的模糊印象。然而,这本书的出现,彻底刷新了我对这个领域的理解。它不仅仅是一本物理学著作,更像是一幅精妙的理论画卷,将那些难以捉摸的粒子行为,用一种令人惊叹的逻辑和数学语言描绘得栩栩如生。作者在开篇就抛出了一个宏大的命题:如何理解和描述光与物质最本质的相互作用。我记得我花费了相当长的时间去消化第一章,作者循序渐进地引导读者从经典电磁学的视角出发,逐步过渡到量子世界的奇特规律。他没有急于抛出复杂的数学公式,而是通过一系列精心设计的思想实验和类比,帮助我建立起对量子场的直观感受。比如,关于“真空”的概念,在我的传统认知里,它应该是空无一物的,但在QED的语境下,它却充满了不断产生又湮灭的虚粒子,这种“非空”的真空,实在颠覆了我对“存在”的理解。这种对基础概念的深刻剖析,为后续章节的展开打下了坚实的基础,也让我更加期待接下来的内容,想知道这些抽象的概念如何构建起整个QED的宏伟理论体系。

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这本书对于“对称性”的探讨,也让我受益匪浅。作者在书中多次强调了QED所遵循的各种对称性,例如“规范不变性”(gauge invariance)。我记得在一章中,作者花费了大量的篇幅来解释规范不变性为何是QED理论的基石。他指出,当我们对粒子的相位进行某种特定的变换(规范变换)时,物理上可观测的量,例如散射截面或者粒子的运动方程,却不会发生任何改变。这种“不变性”不仅仅是一种数学上的巧合,它深刻地揭示了自然界的基本规律。作者通过举例说明,例如,如果我们选择了一个不同的电磁势(与原来的电势差一个规范变换),那么电场和磁场本身会改变,但它们对带电粒子的作用力却保持不变。这种不变性,也直接导致了“光子”的存在,即传递电磁相互作用的媒介粒子的出现。理解了规范不变性,也就理解了为什么电磁力是由光子传递的,以及光子为何没有质量。这种从对称性出发去理解物理理论的方法,让我觉得非常精妙。

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这本书的第三部分,将我带入了一个更加精妙的理论世界——重整化(renormalization)。坦白说,在阅读这部分之前,我对重整化概念的理解非常模糊,甚至觉得它有些“奇怪”,仿佛是为了解决理论中的“无穷大”问题而人为引入的技巧。然而,作者以极其严谨和富有条理的方式,逐层剥开了重整化的奥秘。他首先指出了在计算粒子相互作用时,不可避免地会出现发散的积分,这些无穷大似乎预示着理论的失败。但是,作者并没有因此而否定QED,而是巧妙地解释了这些无穷大是如何与我们观测到的物理量——质量和电荷——紧密联系在一起的。他引入了“裸质量”和“裸电荷”的概念,并说明我们所观测到的“重整化质量”和“重整化电荷”是这些裸量与真空极化等量子效应相互作用的结果。这种解释,让我对“无穷大”的看法发生了根本性的改变,它们不再是理论的缺陷,而是自然界固有属性的体现,只是我们最初的设定(裸量)与实际测量到的量之间存在着一个“差额”,这个差额恰恰可以通过重整化来精确描述。我记得我反复阅读了关于“真空极化”和“自能”的章节,试图理解电子在自身电场中激发的虚光子如何影响其质量,这种“自我修正”的机制,让我惊叹于物理理论的自洽性和深刻性。

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书中的一个章节,让我对“光子-电子散射”的过程有了全新的认识。作者并没有停留在简单的弹性散射,而是深入探讨了包括“电子-正电子湮灭”和“光子-光子散射”等更复杂的相互作用。我记得我在阅读关于“电子-正电子湮灭”时,对一个简单的费曼图印象特别深刻:一个电子和一个正电子相遇,然后湮灭成两个光子。作者通过详细的数学推导,展示了这种过程的发生概率是如何由光子的能量和动量决定的。更让我感到惊奇的是,书中还讨论了“光子-光子散射”,即两个光子之间发生碰撞,即使光子本身不带电荷,它们之间也能通过虚拟的电子-正电子对发生微弱的相互作用。这完全颠覆了我之前认为光子之间不会相互作用的认知。作者通过解释这个过程的费曼图,展示了两个光子在相互作用时,会短暂地产生一对虚的电子-正电子,然后这对虚粒子又会湮灭成两个新的光子,但这两个新的光子的动量和能量与原来的不同。这种“非线性”的电磁学效应,在低能量下非常微弱,但在高能量下则变得显著,而且是QED理论预言的重要结果。

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随着阅读的深入,我越来越被书中对量子真空性质的探讨所吸引。它不再是我之前理解的那种“空无一物”的概念,而是一个充满活力的、不断有粒子对产生又湮灭的“量子海洋”。书中的这部分内容,尤其详细地解释了“真空涨落”是如何影响粒子性质的。比如,作者详细介绍了“真空极化”对电子传播函数的影响,这是一种电子在其周围的虚光子海洋中不断产生和湮灭虚电子-正电子对的结果。这种虚粒子的存在,会对外部的电磁场产生屏蔽效应,从而改变了我们观测到的电子的有效电荷。我记得作者用了一个非常生动的类比,将电子比作一个被“毛毛虫”包裹住的球,而这些“毛毛虫”就是不断产生的虚粒子。当这个被包裹的球移动时,外面的“毛毛虫”也会跟着移动,这种效应导致了我们测量到的电荷与电子本身的“裸电荷”不同。此外,书中还探讨了“自能”的概念,即电子与其自身产生的虚光子场的相互作用,这也对电子的质量产生了修正。这些概念的引入,让我对粒子之间的相互作用有了更加深刻和细致的理解,也为后续章节中更复杂的计算奠定了基础。

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当我翻开这本书的第二部分,作者开始深入探讨光子与电子之间的相互作用。这里的数学推导,虽然起初让我有些畏惧,但随着阅读的深入,我逐渐被其中内在的逻辑美所折服。作者巧妙地运用了费曼图(Feynman diagrams)这种强大的可视化工具,将复杂的散射过程分解为一系列基本相互作用的“小插曲”。每一条线代表一个粒子,每一个顶点代表一次相互作用,这种图形化的语言,比枯燥的方程更能直观地展示粒子行为的动态变化。我特别欣赏作者在解释费曼图规则时所下的功夫,他不仅仅是给出规则,更重要的是解释了这些规则背后所蕴含的物理意义,例如,每个顶点代表的相互作用强度,每条线所代表的粒子传播方式等等。我记得我花了一个下午的时间,反复对照书中的例子,尝试自己绘制一些简单的散射过程的费曼图。从电子-电子散射到电子-光子散射,再到更复杂的相互作用,每一步都充满了挑战,但也带来了巨大的成就感。尤其让我印象深刻的是,作者通过对这些费曼图进行计算,能够精确地预测出实验观测到的散射截面,这种理论与实验的高度一致性,充分证明了QED的非凡力量。它不仅仅是对粒子行为的描述,更是对自然规律的深刻洞察,让我对物理世界的精密运作有了更深的敬畏。

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