Path Integrals in Quantum Mechanics Statistics and Polymer Physics

Path Integrals in Quantum Mechanics Statistics and Polymer Physics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:World Scientific Pub Co Inc
作者:Hagen Kleinert
出品人:
页数:0
译者:
出版时间:1995-08
价格:USD 86.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9789810214715
丛书系列:
图书标签:
  • Path Integrals
  • Quantum Mechanics
  • Statistical Mechanics
  • Polymer Physics
  • Quantum Field Theory
  • Functional Integration
  • Condensed Matter Physics
  • Theoretical Physics
  • Mathematical Physics
  • Non-equilibrium Statistics
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具体描述

This is the third, significantly expanded edition of the comprehensive textbook published in 1990 on the theory and applications of path integrals. It is the first book to explicitly solve path integrals of a wide variety of nontrivial quantum-mechanical systems, in particular the hydrogen atom. The solutions have become possible by two major advances. The first is a new euclidean path integral formula which increases the restricted range of applicability of Feynman's famous formula to include singular attractive 1/r and 1/r2 potentials. The second is a simple quantum equivalence principle governing the transformation of euclidean path integrals to spaces with curvature and torsion, which leads to time-sliced path integrals that are manifestly invariant under coordinate transformations.

In addition to the time-sliced definition, the author gives a perturbative definition of path integrals which makes them invariant under coordinate transformations. A consistent implementation of this property leads to an extension of the theory of generalized functions by defining uniquely integrals over products of distributions.

The powerful Feynman-Kleinert variational approach is explained and developed systematically into a variational perturbation theory which, in contrast to ordinary perturbation theory, produces convergent expansions. The convergence is uniform from weak to strong couplings, opening a way to precise approximate evaluations of analytically unsolvable path integrals.

Tunneling processes are treated in detail. The results are used to determine the lifetime of supercurrents, the stability of metastable thermodynamic phases, and the large-order behavior of perturbation expansions. A new variational treatment extends the range of validity of previous tunneling theories from large to small barriers. A corresponding extension of large-order perturbation theory also applies now to small orders.

Special attention is devoted to path integrals with topological restrictions. These are relevant to the understanding of the statistical properties of elementary particles and the entanglement phenomena in polymer physics and biophysics. The Chern-Simons theory of particles with fractional statistics (anyons) is introduced and applied to explain the fractional quantum Hall effect.

The relevance of path integrals to financial markets is discussed, and improvements of the famous Black-Scholes formula for option prices are given which account for the fact that large market fluctuations occur much more frequently than in the commonly used Gaussian distributions.

The author's other book on `Critical Properties of f4 Theories' gives a thorough introduction to the field of critical phenomena and develops new powerful resummation techniques for the extraction of physical results from the divergent perturbation expansions.

物理学前沿:从量子场论到复杂系统建模 本书聚焦于现代物理学和统计力学中的若干核心理论框架,深入探讨了如何利用高级数学工具解决跨越多个领域的复杂物理问题。全书结构严谨,内容涵盖了量子场论的构建、非平衡态统计物理的最新进展,以及高分子物理中拓扑构象的精确描述。 第一部分:路径积分与量子场论的严谨基础 本部分将路径积分表述提升到更广阔的、适用于量子场论的视角。我们从费曼的原始直觉出发,构建了量子力学中算符演化与经典作用量之间的精确联系。核心在于对作用量泛函的积分操作,这要求对函数空间进行严格的测度定义,从而过渡到量子场论的框架。 1. 量子场论的路径积分表述 书中详细阐述了如何将量子场论的配本函数(Partition Function)表示为场函数的泛函积分。不同于粒子路径积分,场论中的积分对象是无穷维函数空间。我们深入探讨了紫外灾难的起源,并详细介绍了重整化群(Renormalization Group, RG)方法的数学基础。RG不仅仅是一种处理无穷大的技术,更是一种揭示系统在不同尺度下物理行为普适性的深刻工具。书中对张量网络(Tensor Networks)在场论中的应用进行了前瞻性的讨论,特别是用MERA(Multi-scale Entanglement Renormalization Ansatz)来模拟二维临界现象。 2. 格点模型与微扰理论的局限性 为了弥补连续场论在处理强耦合问题上的不足,本书引入了格点规范理论(Lattice Gauge Theory)作为分析工具。我们详细推导了威尔逊(Wilson)环的定义及其在计算夸克禁闭中的作用。在微扰理论部分,重点放在了高阶修正的计算上。我们展示了如何通过费曼规则的系统性推广,计算任意阶次的散射振幅。对于非微扰效应,书中引入了瞬子(Instanton)解,并结合拓扑荷的概念,解释了某些特定的守恒律的破缺机制。 第二部分:非平衡态统计物理与随机过程的精确分析 本部分将焦点从平衡态热力学转移到动态过程,这是理解真实世界物理系统(如化学反应、生物分子运动)的关键。 3. 随机过程的马尔可夫性与精确解 我们从最基本的布朗运动开始,逐步引入更复杂的随机模型。重点分析了朗之万方程(Langevin Equation)在描述耗散系统中的优势和局限。书中构建了详细的 Fokker-Planck 方程的推导过程,并展示了如何利用其零流条件来重现平衡态的玻尔兹曼分布。对于非平衡系统,我们引入了时间反演对称性的概念,并精确推导了涨落定理(Fluctuation Theorems),特别是 Crooks 理论和 Jarzynski 等式,阐明了在时间不可逆过程中功的统计分布规律。 4. 动力学重整化群与耗散场论 为了处理具有长程相互作用或记忆效应的耗散系统,本书将重整化群的概念引入到动力学领域。我们探讨了波尔(Polyakov)的动力学重整化群方法,用于分析摩擦系数和有效温度的演化。此外,还深入研究了具有非线性耗散项的场论模型,如 $phi^4$ 理论在随机力场下的演化,这在凝聚态物理中模拟相变动态至关重要。 第三部分:高分子物理中的拓扑、构象与场论方法 本部分展示了如何将统计物理和场论的强大工具应用于软物质科学,特别是高分子链的统计力学。 5. 理想链、排除体积与高斯自由能 我们从最基础的随机游走模型(如 $ ext{Rouse}$ 链和 $ ext{Zimm}$ 链)开始,建立了描述高分子链均方末端距的理论框架。书中详细分析了排除体积(Excluded Volume)效应的引入,并精确推导了佩尔(Flory)的 $chi$ 参数在溶液热力学中的意义。对于卷曲(Collapse)相变,我们使用均场近似(Mean-Field Theory)来描绘其临界温度,并对比了其与真实链间相互作用的差异。 6. 拓扑结构与高分子结的场论描述 这是本书的高级部分之一。我们探讨了高分子拓扑结构(如手性、纽结和链环)的数学描述。引入了琼斯多项式(Jones Polynomial)的推广形式,并将其嵌入到三维空间中的规范场论中。我们阐述了如何使用 Chern-Simons 理论来计算复杂拓扑结构下的自由能修正,这对于理解 DNA 拓扑异构酶的作用机制提供了新的视角。 7. 盘状与棒状分子的自组装 最后,我们转向复杂高分子系统中的空间排列问题。对于盘状液晶(Discotic Liquid Crystals),我们使用具有短程相互作用的 XY 模型,并分析了其在不同温度下的有序-无序相变。对于棒状高分子,我们应用了 Onsager 理论来精确计算它们在临界浓度下的向列相(Nematic Phase)的形成,并探讨了这些各向异性分子如何影响宏观材料的流变学特性。 总结: 本书旨在为具备扎实数学物理背景的研究人员和高年级研究生提供一个统一的、高层次的视角,连接了量子世界、随机动态以及复杂物质的宏观行为。它要求读者不仅熟悉经典场论和统计力学,更要掌握泛函分析、随机微积分和拓扑学的基础知识。全书注重从基本原理出发,逐步构建起解决前沿物理难题所需的理论工具箱。

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