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出版者:Mcgraw-Hill College

作者:James D. Bjorken

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1965-06-01

价格:USD 119.30

装帧:Hardcover

isbn号码:9780070054943

丛书系列:International Series in Pure and Applied Physics

图书标签:

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《相对论量子场论》——探索宇宙基本粒子的精妙织锦 本书《相对论量子场论》并非一本简单罗列公式或理论的教科书，它是一场深入探索宇宙最底层运作规律的智力探险，一次对现实本质的深刻审视。我们试图揭示的，是那些超越日常直觉、隐藏在时间和空间深处，支配着所有粒子相互作用的普适法则。本书的旅程将带领读者穿越量子力学的奇妙世界，进入相对论的宏大框架，最终汇聚成一门描述物质和能量如何以最为基本的方式存在的强大理论——相对论量子场论。 超越经典与量子的藩篱：为何需要量子场论？ 在物理学的宏伟殿堂中，牛顿的经典力学描绘了一个确定性的、宏观的宇宙，而量子力学则揭示了微观世界的概率性和不可预测性。然而，当我们将微观粒子置于相对论的时空背景下时，经典力学和非相对论量子力学便显得捉襟见肘。例如，能量和质量的等价性（E=mc²）是相对论的核心，它预示着粒子的产生和湮灭，而这恰恰是经典理论无法解释的。非相对论量子力学虽然成功地描述了原子和分子的结构，却无法处理高速运动的粒子，也无法解释粒子的产生与衰变。 相对论量子场论应运而生，它巧妙地将量子力学的概率性与相对论的能量-动量关系结合起来，提供了一个统一的框架来描述基本粒子及其相互作用。在这个理论中，我们不再将粒子视为独立的、点状的实体，而是将其看作某种更深层、更基本的“场”在时空中的激发。这些场遍布整个宇宙，并且它们的量子化激发表现为我们所观察到的各种粒子，如电子、光子、夸克等等。这种“场”的视角，是理解相对论量子场论最关键的跳跃。 从无到有：粒子的诞生与湮灭 相对论量子场论最令人着迷之处在于，它能够自然地描述粒子的产生和湮灭。在非相对论的框架下，粒子的数量通常是守恒的。但在相对论的语境下，能量可以转化为质量，质量也可以转化为能量。想象一下，在一个能量密度极高的区域，场的激发可以自发地“涌现”出粒子对（例如，一个电子和一个正电子），这便是粒子的诞生。反之，当粒子相互碰撞并湮灭时，它们可以将它们的质量和能量释放回场中，表现为光子或其他粒子的产生，这便是粒子的湮灭。 本书将深入探讨量子场如何通过这种“激发”和“衰退”的机制来解释这些看似奇妙的现象。我们会学习如何用数学语言精确地描述场的量子化过程，以及如何计算粒子产生和湮灭的概率。这不仅是对粒子物理学实验结果的解释，更是对宇宙基本运行原理的揭示。 四大基本相互作用：宇宙的粘合剂与驱动者 宇宙并非孤立的粒子自由漂浮的空间，粒子之间存在着各种形式的相互作用。相对论量子场论的核心成就之一，便是为我们理解这些基本相互作用提供了坚实的理论基础。本书将重点关注四大基本相互作用： 电磁相互作用： 这是我们日常生活中最熟悉的力量，它负责原子和分子的结合，光的传播，以及几乎所有电学和磁学现象。在量子场论的框架下，电磁相互作用被描述为光子这一量子场的交换。当带电粒子相互作用时，它们会通过交换光子来传递动量和能量，从而产生吸引或排斥的力。我们将深入研究量子电动力学（QED），这是描述电磁相互作用的最成功的相对论量子场论。 强相互作用： 这是将夸克束缚在一起形成质子和中子的强大力量，也是将质子和中子结合在一起形成原子核的粘合剂。强相互作用的量子场理论被称为量子色动力学（QCD）。QCD比QED更为复杂，因为它涉及到夸克本身的“色荷”以及胶子作为传递强相互作用的媒介。本书将探讨QCD的特性，例如渐近自由（在高能量下强相互作用减弱）和色禁闭（夸克和胶子无法以自由粒子的形式存在）。 弱相互作用： 尽管不如电磁力和强相互作用强大，但弱相互作用在某些放射性衰变（如β衰变）和核聚变过程中扮演着至关重要的角色，例如太阳的能量来源。弱相互作用由W和Z玻色子介导，它们是质量非常大的粒子，这使得弱相互作用的作用范围非常有限。我们将了解弱相互作用的量子场论，以及它如何与电磁相互作用统一形成电弱相互作用。 引力相互作用： 作为我们宇宙中最广泛的力量，引力塑造了星系、恒星和行星的结构。然而，将引力纳入量子场论的框架是一个巨大的挑战。目前，描述引力的理论是爱因斯坦的广义相对论，它将引力描述为时空的弯曲。如何将广义相对论与量子力学相结合，形成一个完整的量子引力理论，仍然是理论物理学最前沿的研究课题之一。本书将简要探讨引力与量子场论的关系，以及这一领域面临的挑战。 对称性、规范不变性和重整化：理论的基石 相对论量子场论的构建离不开几个核心的数学和物理概念，它们是支撑整个理论体系的基石： 对称性： 在物理学中，对称性往往预示着守恒律的存在。例如，时空平移不变性导致能量守恒，旋转不变性导致角动量守恒。在量子场论中，各种内部对称性，如内禀宇称、电荷共轭和时间反演对称性，以及更复杂的同位旋和手征对称性，对于理解粒子性质和相互作用至关重要。诺特定理（Noether's Theorem）将在这里发挥关键作用，它将连续对称性与守恒量联系起来。 规范不变性： 这是描述相互作用（尤其是电磁、弱和强相互作用）的关键原理。规范不变性要求物理定律在某些局部的“规范变换”下保持不变。这种不变性强烈地约束了相互作用的数学形式，并直接导出了传递相互作用的媒介粒子（如光子、W/Z玻色子、胶子）。我们将深入理解规范对称性的概念，以及它如何引出规范场的存在。 重整化： 这是相对论量子场论中最具争议但又不可或缺的技术之一。在计算涉及粒子相互作用的过程时，我们常常会遇到无穷大的结果。重整化提供了一种系统的方法来处理这些无穷大，将它们“吸收”到有限的物理参数（如粒子的质量和电荷）中，从而得到可预测的、与实验相符的结果。虽然初看起来有些反直觉，但重整化是现代粒子物理学的基石，使得QED等理论能够精确地预测实验结果。本书将以一种清晰易懂的方式介绍重整化的概念和基本思想。 本书的展望：从理论到实验，从微观到宇宙 《相对论量子场论》旨在为读者提供一个坚实的理论基础，以理解我们所观察到的粒子世界。通过学习本书，您将能够： 理解量子场作为基本实在的观念，以及粒子是如何从场的激发中产生的。 掌握描述四大基本相互作用的量子场论的语言和基本原理。 认识到对称性在物理学理论构建中的核心作用。 理解规范不变性如何引出传递相互作用的媒介粒子。 初步了解重整化技术，这是处理量子场论中无穷大问题的关键。 本书的最终目标是激发读者对宇宙基本规律的更深层次的探索。我们将目光投向粒子加速器中的实验，如大型强子对撞机（LHC），它们是检验这些理论预测的熔炉。从标准模型到可能的新物理学，本书都将为读者提供理解前沿物理学研究的有力工具。 踏上这场理论的旅程，您将不仅仅是在学习一套数学公式，更是在构建一个理解宇宙运行机制的全新视角。这是一种挑战认知、拓展思维的体验，是对我们所处世界最深刻本质的探求。欢迎来到《相对论量子场论》的世界，让我们一起揭示物质与能量在时空中编织的精妙织锦。

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这本书的封面设计很有特点，那种深邃的蓝色调配上简洁的白色字体，立刻就给人一种既神秘又严谨的感觉。拿到手里的时候，厚度着实让我有些吃惊，可见内容的份量十足。我翻开目录时，第一印象是内容覆盖面极广，从基础的量子场论的数学框架开始，一直深入到更前沿的规范场论和拓扑量子场论，看得出作者在体系构建上下了很大的功夫。尤其让我眼前一亮的是，它对各种理论的物理图像的阐述似乎非常注重直观性，这对于我们这些在学习初期总是在抽象数学和物理直观之间挣扎的人来说，无疑是一剂强心针。我记得其中有一章专门探讨了散射矩阵的微扰展开，那里的图示清晰明了，将复杂的费曼图演化过程分解得井井有条，完全不像一些教科书那样，只是冷冰冰地堆砌公式。读起来，感觉作者不仅仅是在传授知识，更像是一位经验丰富、循循善诱的导师，引导着你一步步穿过理论的迷雾。虽然有些章节的数学推导依然需要反复咀嚼，但整体的叙述节奏把握得相当到位，保证了学习过程中的连贯性和不至于过早地产生挫败感。

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我必须承认，初次接触这本书时，我被它对数学工具的依赖性吓了一跳。这本书显然是写给那些已经对高等数学，特别是泛函分析和微分几何有一定基础的读者群体的。书中对张量分析和群论在描述场论中的应用，有着极为详尽的介绍，远超一般物理专业硕士生的要求。它毫不留情地将物理概念“翻译”成纯粹的数学语言，例如，对规范不变性不仅仅是写出$L o L$，而是深入探讨了联络形式和协变导数的代数结构。这种深度使得这本书在作为教材使用时，需要配合大量的练习才能真正消化吸收。我个人觉得，这本书最出彩的地方在于它对“微扰之外”的探索，它没有止步于计算费曼图，而是花了大量的篇幅去讨论非微扰效应，如瞬子（instantons）和真空结构。这部分内容极具挑战性，但同时也拓宽了视野，让人意识到量子场论的魅力远不止于微扰计算的成功。

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这本书给我留下最深刻的印象，是它对历史脉络的把握和对不同理论框架之间联系的梳理。它不仅仅是关于“现在”的标准模型，而是清晰地勾勒出了从狄拉克方程到杨-米尔斯理论，再到规范玻色子量子化这一漫长的发展历程。作者在介绍不同历史阶段的关键突破时，总能精准地指出当时物理学家遇到的核心矛盾，并展示理论是如何巧妙地解决这些矛盾的。例如，在处理自旋和统计的统一性时，书中对泡利不相容原理的引入和对自旋统计定理的简要讨论，虽然篇幅不长，但点出了量子场论在基础假设上的深刻性。总的来说，这本书的结构就像一座设计精良的博物馆，每一个展厅都展示了一个关键的物理思想，而清晰的导览（叙述）则确保你不会迷失在复杂的展品（公式和概念）之间。它更像是一部经典参考书，适合希望建立起对该领域宏观、完整理解的读者。

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我是在准备某个高级研讨班时偶然接触到这本书的，最初的期望只是能找到一本能提供更深入见解的参考资料。然而，这本书给我的惊喜远超预期。它的论述风格极其严谨，逻辑链条几乎是无懈可击的，每一个结论的推导都建立在扎实的基础之上，很少有那种“因为物理直觉如此，所以我们假设”的跳跃性陈述。特别是它在处理对称性破缺这一核心问题时，从拉格朗日量的不变性出发，逐步构建出Goldstone玻色子和希格斯机制的完整图景，那种层层递进、水到渠成的感觉，让人不禁拍案叫绝。书中对量子电动力学（QED）的完整重整化过程的阐述，更是达到了教科书级别的典范。作者并没有回避那些容易让人望而却步的发散性问题，而是非常坦诚地展示了如何通过物理上的假设和数学上的规范选择来“驯服”这些无穷大。对我而言，这本书的价值不在于它有多么新颖的观点，而在于它提供了一个极其可靠、坚固的理论基石，让你能以极大的信心去面对后续更复杂的理论结构。

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这本书的阅读体验，坦白说，是一种对专注力的极大考验，但回报也是巨大的。我发现自己经常需要停下来，不仅仅是为了理解某个公式，更是为了消化作者在特定段落中蕴含的深刻物理洞察。它不像一些流行的科普读物那样追求流畅和趣味性，而是更倾向于一种近乎“学术散文”的风格，文字密度非常高，但措辞精确到每一个词都不可或缺。例如，在讨论路径积分表述时，作者对泛函积分的性质进行了非常细腻的探讨，甚至还插入了一些关于量子引力视角下路径积分局限性的简短评论，这显示出作者对领域前沿的关注和对理论边界的清晰认知。我特别喜欢它对“有效场论”思想的渗透，这种思想贯穿于全书的始终，提醒读者，我们所处理的每一个理论都是在特定能标下的近似。这种谦逊而又务实的科学态度，从这本书的字里行间都能清晰地感受到，这对于年轻的研究者来说，是比任何技术细节都更宝贵的财富。

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