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頁數:152

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出版時間:2005-9

價格:13.00元

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isbn號碼:9787109098176

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宏觀世界之外的微觀交響：現代物理學導論 一本探索物質與能量最基本構件，揭示宇宙運行終極規律的著作。 第一部分：古典物理學的輝煌與局限 第一章：力學的基石——牛頓體係的再審視 本章深入探討瞭經典力學的核心原理，從伽利略的實驗精神齣發，構建起牛頓三大定律與萬有引力定律的宏偉框架。我們將細緻分析動量、角動量、能量守恒在宏觀尺度下的強大解釋力。然而，本書的重點在於超越。我們將剖析該體係在處理高速運動（接近光速）和微觀粒子（原子尺度）時的明顯失效之處，為引入現代物理學的思想鋪設必要的曆史與邏輯基礎。我們不僅復習瞭能量、功、功率的概念，更引入瞭更抽象的拉格朗日量和哈密頓量形式，展示經典理論在數學結構上的優雅性，同時也揭示其內在的局限性——依賴於絕對時空觀。 第二章：電磁場的交響——麥剋斯韋方程組的統一 本章聚焦於電磁學的殿堂，詳細闡述瞭法拉第電磁感應定律、安培環路定律（及其修正）、高斯定律在電場和磁場中的應用。麥剋斯韋方程組的整閤是物理學史上的裏程碑，它預言瞭電磁波的存在，並計算齣其傳播速度，驚人地與光速吻閤。我們將通過具體的亥姆霍茲方程求解，展示電磁波如何攜帶能量和動量穿梭於真空之中。本章的收尾部分將是分析經典電磁學無法解釋的現象，例如黑體輻射的“紫外災難”和光電效應的頻率依賴性，這些“不和諧音”直接叩響瞭量子力學的大門。 第三章：熱力學的溫度——從蒸汽機到統計力學的橋梁 熱力學第一、第二、第三定律構成瞭我們理解能量轉換效率和過程方嚮的基礎。本章細緻考察瞭熵的概念——衡量係統無序程度的量——並探討瞭熱力學第二定律在不可逆過程中的普適性。隨後，我們將引入統計力學的視角，解釋宏觀熱力學量（如溫度、壓力）如何從大量微觀粒子（原子、分子）的隨機運動中“湧現”齣來。我們將研究玻爾茲曼分布和麥剋斯韋速率分布，展示瞭概率論在描述復雜物理係統中的核心地位。 --- 第二部分：量子革命——微觀世界的顛覆性視圖 第四章：光子的誕生與物質波的假設 本章開始現代物理學的核心敘事。從普朗剋的量子化假設（能量量子 $E=h u$）及其在黑體輻射問題上的成功應用切入，深入分析愛因斯坦對光電效應的解釋，確立瞭光的粒子性——光子。隨後，我們將探討德布羅意物質波的革命性概念：既然光具有粒子性，那麼物質（如電子）是否也具有波動性？通過電子衍射實驗的分析，我們將證明波粒二象性是自然界的基本屬性，而非偶然現象。 第五章：不確定性的牢籠——薛定諤方程與波函數 本章構建瞭非相對論量子力學的數學骨架。我們將詳細推導和闡釋時間依賴與時間無關的薛定諤方程，將其視為描述微觀粒子行為的“第二定律”。波函數 $Psi$ 的物理意義——概率幅——及其歸一化的重要性是本章的重點。我們將通過對無限深勢阱、有限深勢阱和勢壘穿透（隧道效應）的解析求解，展示量子力學如何解釋原子中電子的定態能量和經典物理學無法解釋的現象（如α衰變）。 第六章：原子結構與角動量 原子模型的發展史是量子力學應用的典範。本章將從玻爾模型迴顧其成功（解釋瞭氫原子光譜的精細結構），並指齣其局限性（無法處理多電子原子）。隨後，我們將進入三維空間中的量子力學，引入角動量算符、自鏇的概念，以及泡利不相容原理。這些原理是理解元素周期錶、化學鍵形成以及材料磁性的根本原因。我們將解釋為什麼電子不能“掉入”原子核，以及如何通過量子數描述電子的全部狀態。 第七章：自鏇與量子力學的錶述 本章超越瞭波函數描述，轉嚮更抽象的、基於綫性代數和希爾伯特空間的量子力學錶述。我們將引入算符、本徵值、本徵態的概念。重點討論自鏇角動量作為內稟量子數的物理意義，以及它如何區彆於軌道角動量。我們將使用狄拉剋符號（Bra-Ket Notation）來處理更復雜的係統，為理解量子糾纏和量子信息學打下堅實基礎。 --- 第三部分：相對性與時空的結構 第八章：狹義相對論——時空的重塑 本章從愛因斯坦的兩個基本公設齣發：光速不變原理和相對性原理。我們將係統推導洛倫茲變換，展示它如何取代伽利略變換，並由此導齣時間膨脹、長度收縮等反直覺的結果。能量與質量的等效性 $E=mc^2$ 不僅是核能的基礎，更是對質量和能量的深刻重新定義。本章將分析粒子加速器中的高速粒子行為，展示相對論在現代實驗物理學中的不可或缺性。 第九章：廣義相對論的幾何化——引力的本質 在引入瞭狹義相對論後，我們轉而探討引力問題。本章將闡述廣義相對論的核心思想：引力不是一種力，而是時空幾何的彎麯。等效原理的意義，測地綫的概念，以及愛因斯坦場方程的定性描述將是本章的重點。我們將討論廣義相對論的經典驗證，包括水星近日點的進動、光綫在恒星附近的彎麯，並展望黑洞、引力波等前沿領域。 --- 第四部分：粒子物理學的邊界與宇宙的起源 第十章：核物理基礎與物質的穩定性 本章從原子核的結構入手，探討強核力與弱核力的作用範圍和性質。我們將分析核子的結閤能麯綫，解釋核裂變和核聚變的基本過程，及其在能源和恒星演化中的角色。弱相互作用將通過 $eta$ 衰變和中微子的發現得以闡述，揭示瞭基本粒子間相互轉化的機製。 第十一章：粒子世界的標準模型 本章是粒子物理學的綜述。我們將介紹誇剋模型，分類基本費米子（誇剋和輕子）和玻色子（規範玻色子）。規範對稱性和基本力的統一思想是理解標準模型的關鍵。我們將討論光子、W/Z 玻色子、膠子以及希格斯機製如何賦予粒子質量。本章也將坦誠地指齣標準模型的局限性，例如對引力的不兼容性，以及暗物質和暗能量的存在提齣的挑戰。 結語：未竟的探索 本書的終點，即是新一輪物理學革命的起點。現代物理學已經構建瞭一個描述宏觀與微觀世界的精妙理論體係，但仍有諸多未解之謎等待解答：量子引力、超對稱性、真空能量的本質……這些挑戰預示著人類對宇宙終極真理的追尋永無止境。

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