Introduction to Quantum Field Theory pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:CRC Pr I Llc

作者:Kiselev, V. G./ Shnir, Ya. M./ Tregubovich, A. Ya

出品人:

页数:435

译者:

出版时间:

价格:119.95

装帧:HRD

isbn号码:9789056992378

丛书系列:

图书标签:

• 量子场论
• 量子力学
• 粒子物理
• 相对论
• 费曼图
• 路径积分
• 规范场论
• 重整化
• 真空极化
• 标准模型

好的，以下是一份关于《Introduction to Quantum Field Theory》的图书简介，它将侧重于描述该领域的核心概念、历史背景和现代应用，同时避免提及该特定书籍本身的内容，旨在提供一个关于量子场论的全面概述。 量子场论：现代物理学的基石 前言 在二十世纪的科学革命中，量子力学和狭义相对论的结合催生了一个革命性的理论框架——量子场论（Quantum Field Theory, QFT）。这一理论不仅成功地统一了微观粒子行为的概率性与光速不变的相对论原则，更成为了我们理解宇宙基本构成的不可或缺的工具。量子场论描绘了一个全新的实在图景：粒子不再是独立、不可分割的实体，而是弥漫于整个时空的基本场的激发态。理解这一转变，是掌握现代粒子物理学、凝聚态物理学乃至宇宙学等前沿科学的必经之路。 一、从经典场到量子场：理论的演进 量子场论的诞生并非一蹴而就，它建立在坚实的经典物理学基础之上，并经历了一系列深刻的概念飞跃。 1. 经典场论的遗产： 理论的起点可以追溯到麦克斯韦的电磁场理论。在这个框架中，场被视为一种连续的物理实体，其演化由拉格朗日密度或哈密顿量来描述。随后，爱因斯坦的狭义相对论引入了时空统一性的概念，要求任何物理理论都必须在洛伦兹变换下保持协变性。经典场论的成功之处在于它能自然地描述光子的行为，尽管在当时，光的粒子性尚未完全被理解。 2. 迈向量子化： 将经典场论与量子力学相结合是理论发展的关键一步。这个过程被称为“正则量子化”或“路径积分表述”。在正则量子化中，场的经典变量（如场本身及其共轭动量）被提升为算符，并被施加对易关系或反对易关系，从而引入了量子的不确定性和离散的激发态。这种方法深刻地揭示了粒子是如何从场的激发中“涌现”出来的。例如，电磁场的量子化直接导出了光子的存在。 3. 相对论的挑战与规范对称性： 相对论性量子力学（如狄拉克方程）在处理电子及其反粒子——正电子——时取得了巨大的成功。然而，早期尝试将量子力学与狭义相对论相结合的理论面临着粒子数不守恒的问题，这在低能非相对论性量子力学中并不常见。量子场论通过引入规范对称性这一核心概念解决了这一难题。规范对称性，本质上是一种局域的内禀对称性，它不仅是描述自然界基本相互作用（如电磁力、弱核力和强核力）的内在要求，也确保了理论的洛伦兹协变性和因果性。 二、核心概念的深入探讨 量子场论的结构由几个相互关联的核心概念支撑，这些概念定义了我们对物质和力的现代认识。 1. 场的激发与粒子身份： 在QFT中，真空并非是“空无一物”，而是最低能态的量子态。粒子被定义为从这个基态激发出来的量子。一个电子场，其激发态对应于一个电子和一个正电子；一个光子场，其激发态对应于一个光子。这种观点自然地解释了粒子的产生和湮灭，这是高能物理碰撞中普遍存在的现象。 2. 费米子与玻色子： 场论精确地区分了物质粒子（如夸克和轻子，它们是费米子，服从泡利不相容原理）和力之载体（如光子、胶子和W/Z玻色子，它们是玻色子）。这种区分是通过场算符的对易关系（玻色子）或反对易关系（费米子）直接编码在理论结构中的，完美地体现了自旋统计定理。 3. 相互作用与微扰论： 描述粒子如何相互作用是QFT的最终目标。在大多数情况下，精确求解相互作用理论是极其困难的。因此，微扰论（Perturbation Theory）成为计算的核心工具。通过将相互作用项视为一个小的扰动，理论家可以系统地计算出各种物理量，如散射截面、衰变率等。 4. 费曼图与路径积分： 费曼图是微扰论计算的图形化语言。每一个图都对应于一个精确的数学表达式，代表了粒子在时空中传播和相互作用的可能过程。路径积分表述，由费曼发展而来，提供了一种替代正则量子化的、更加直观和强大的方法来处理相互作用。它表明，系统从一个初始态演化到末态的概率幅，是所有可能历史路径的加权总和，权重由指数函数给出，自然地统一了量子力学和经典作用量。 三、理论的挑战与重整化 尽管量子场论取得了巨大的成功，但在其早期发展中遇到了一个严重的问题：计算中频繁出现无穷大。 1. 紫外灾难： 当计算两个点粒子（如电子）相互作用时，微扰论会产生涉及高能量、短距离（即“紫外区”）的积分，这些积分往往发散为无穷大。这些无穷大表明，我们当前的理论在描述极短距离或极高能量时的物理图像是不完备的。 2. 重整化： 解决无穷大问题的关键在于重整化（Renormalization）。这一过程并非简单地忽略无穷大，而是认识到我们测量的物理量（如电子的质量和电荷）已经是“裸露”量与真空相互作用的结果。通过将理论中的裸参数重新定义为与可测量量相关的有限值，可以消除无穷大，从而得到对实验精确可预测的有限结果。重整化不仅是一种数学技巧，更是一种深刻的物理见解，揭示了物理理论的有效性范围。 3. 渐近自由与非微扰效应： 并非所有理论都能通过标准的重整化技术得到一致的结果。例如，描述强核力的量子色动力学（QCD）在短距离下表现出“渐近自由”的特性，而在长距离下夸克被“囚禁”。这需要更复杂的非微扰方法和对理论极限的深入理解。 四、量子场论的应用图景 量子场论已成为现代物理学的通用语言，其应用范围横跨多个领域： 1. 粒子物理学的标准模型： 标准模型是目前最成功的物理学理论之一，它是一个基于SU(3) x SU(2) x U(1)规范群的量子场论。它成功地统一了电磁力、弱核力和强核力，并精确预测了包括W和Z玻色子以及希格斯玻色子在内的所有已知基本粒子。标准模型是对称性破缺（尤其是希格斯机制）的典范应用。 2. 凝聚态物理学： 尽管最初是为了描述高能粒子而开发的，QFT的概念深刻地渗透到凝聚态物理学中。在固体和液体中，我们不再关注单个原子，而是研究准粒子（如晶格振动——声子，或电子集体激发——极化激元）。有效场论（Effective Field Theories）允许物理学家使用QFT的工具来研究宏观物质的集体现象，例如超导性和拓扑相变。 3. 引力与量子场论的融合（悬而未决的问题）： 量子场论的终极挑战是如何将其与爱因斯坦的广义相对论（描述引力的经典理论）结合起来，形成一个完整的量子引力理论。标准QFT在试图量子化引力时，会遇到不可重整化的无穷大，这表明我们对时空本身的理解需要在更高能量尺度上进行根本性的修改。弦理论和圈量子引力等前沿探索，正是试图解决这一世纪难题。 结语 量子场论是一座连接宏观世界与微观实在的桥梁，它以场的概念为基础，统一了物质、能量、时空与相互作用。从理解宇宙的诞生到描述日常材料的性质，QFT构成了现代物理学知识体系的骨架。深入掌握这一理论，就是掌握了探索自然界最深层奥秘的钥匙。

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