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出版者:Springer

作者:Eberhard Zeidler

出品人:

页数:1140

译者:

出版时间:2008-11-17

价格:USD 129.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9783540853763

丛书系列:

图书标签:

• QFT
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• 量子场论
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• 量子电动力学

量子引力：时空几何与物质统一的探索 本书旨在深入探讨超越标准模型，试图将广义相对论与量子力学融为一体的理论前沿——量子引力。 我们将系统地梳理现有理论框架的局限性，剖析不同研究路径的核心思想、数学工具及其面临的挑战，为读者构建一个清晰而深入的现代物理学最宏大问题的知识图景。 第一部分：理论的基石与冲突的根源 第一章：广义相对论的几何叙事 本章首先回顾爱因斯坦广义相对论（GR）的精髓，着重于其将引力诠释为时空弯曲的几何本质。我们将详细分析黎曼几何在描述引力场中的核心作用，包括度规张量、里奇张量和爱因斯坦场方程。重点探讨黑洞解（如史瓦西和克尔度规）的物理意义，以及它们在预测强引力场现象（如引力波）方面的成功。本章将强调GR在宏观尺度上的精确性，但同时也指出其在处理奇点问题（如大爆炸和黑洞中心）时失效的内在局限性。 第二章：量子力学的概率世界观 本章回顾量子场论（QFT）的成功及其对微观世界的精确描述。我们将复习量子化的一般方法，包括正则量子化和路径积分表述。重点讨论规范场论（如电磁力、弱核力和强核力）的结构，以及标准模型如何通过希格斯机制解释基本粒子的质量。随后，本章将阐述将引力纳入QFT框架时遇到的核心困难——不可重整化问题。通过对引力子微扰计算的分析，清晰地展示为什么标准QFT方法在普朗克尺度（$sim 10^{19} ext{GeV}$）会崩溃，从而确立了寻求更深层次理论的必要性。 第三章：普朗克尺度现象学 本章将焦点转向量子引力效应可能显现的物理领域。我们将分析普朗克长度和普朗克时间尺度的物理意义，并探讨在这些极端条件下，我们对时空连续性、因果律和能量-动量定义的理解可能需要做出的根本性修正。讨论将涉及信息悖论（如黑洞信息丢失问题）对量子力学基本假设的冲击，以及对量子引力理论可能如何解决这些悖论的初步设想。 第二部分：主要量子引力理论的深入剖析 第四章：弦理论的统一愿景 弦理论（String Theory）被视为最有希望实现“万有理论”的候选者。本章将从对基本粒子视为一维振动的弦的假设出发，详细介绍其核心概念： 1. 超对称性（Supersymmetry, SUSY）： 费米子与玻色子之间的内在联系，以及它在稳定弦理论真空中的关键作用。 2. 额外维度与卡拉比-丘流形（Calabi-Yau Manifolds）： 解释为什么我们只观测到四维时空，以及通过紧致化（Compactification）引入额外维度的方法。 3. 对偶性与M理论： 探讨不同弦理论（I型、IIA型、IIB型、异域弦）之间的S对偶和T对偶关系，最终引出统一所有五种超弦理论和十一维超引力的M理论框架。 4. AdS/CFT对应（反德西特空间/共形场论对应）： 这项革命性的发现，将引力理论与非引力量子场论联系起来，是检验弦理论内部一致性的重要工具。 第五章：圈量子引力（Loop Quantum Gravity, LQG）的时空离散化 与弦理论试图“升维”来避免矛盾不同，圈量子引力（LQG）侧重于对时空结构进行“量子化”。本章着重介绍LQG的数学基础： 1. 阿什特卡变量（Ashtekar Variables）： 将广义相对论的动力学重新表述为更类似于规范场论的形式。 2. 自旋网络（Spin Networks）与自旋泡沫（Spin Foams）： 解释这些结构如何描述离散化的空间和时空演化，表明在普朗克尺度上，空间本身不再是连续的，而是由离散的“量子”构成。 3. 几何可观测量的量子化： 分析面积和体积算符的本征值，展示如何从数学上导出最小长度和最小面积的存在。 4. LQG在解决奇点问题上的应用： 重点讨论“圈量子宇宙学”（Loop Quantum Cosmology）如何通过量子修正消除大爆炸奇点，代之以“大反弹”（Big Bounce）的图像。 第六章：其他新兴的量子引力途径 本章将简要介绍其他重要的、具有不同哲学基础的研究方向： 1. 因果集理论（Causal Set Theory）： 强调因果关系是比时空结构更基本的实体，时空点是离散的，并由偏序关系连接。 2. 非交换几何与圈量子引力之间的桥梁： 探讨在不诉诸高维空间的情况下，通过修改时空坐标的对易关系来引入量子效应的可能性。 3. 渐近安全引力（Asymptotic Safety）： 论证如果引力有一个非平凡的紫外固定点，那么量子引力可能具有内在的可重整化性，从而避免了普朗克尺度上的灾难。 第三部分：实验检验的挑战与前景 第七章：寻找量子引力的实验证据 量子引力效应的尺度极其微小，使得直接实验验证异常困难。本章将探讨间接探测的可能性： 1. 高能宇宙射线观测： 分析极高能光子在穿越宇宙尺度传播时，可能因离散时空而导致的能量依赖性速度差异（Lorentz Invariance Violation, LIV）。 2. 引力波探测的精度极限： 探讨下一代引力波探测器（如LISA）在探测早期宇宙的量子引力信号（如宇宙弦或原初引力波背景）方面的潜力。 3. 量子光学实验： 讨论使用高度精密的量子干涉仪来探测背景时空量子涨落（如真空能的噪声）的理论构想。 第八章：信息、黑洞与时空之谜 本章回归信息悖论，并评估不同量子引力理论如何提供解决该问题的路径： 1. 火墙（Firewall）悖论与信息保护： 探讨黑洞信息丢失问题的新发展，以及它对量子力学基本原理（如幺正性）的挑战。 2. 视界量子效应： 重新审视霍金辐射的本质，以及量子引力如何影响事件视界的结构。 3. 涌现的时空观： 讨论引力可能并非一个基本力，而是由更深层次的量子纠缠（如ER=EPR猜想）所“涌现”出来的宏观现象，这暗示着时空几何的本质是信息结构。 本书以严谨的数学描述和深刻的物理洞察为基础，力求为致力于理解宇宙终极奥秘的研究者和学生提供一个全面的、前沿的导览。我们关注的不是某一个特定理论的最终答案，而是理解物理学从宏观到微观进行统一的思维框架和必要的技术手段。

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这本书的排版和插图是让我感到非常惊喜的部分。现在的理论物理书籍，要么是黑白文本的海洋，要么就是使用大量计算机生成的、缺乏情感的图示。但这本书的插图，尤其是那些拓扑结构和规范场流形的示意图，明显是精心手绘的，带有某种独特的笔触和韵味。它们不是为了展示精确的几何数据，而是为了传达一种空间上的“感觉”。例如，书中对霍金辐射的描述，配上了一张关于黑洞视界附近时空弯曲的抽象图，那张图没有使用任何坐标轴，却完美地捕捉到了粒子在逃逸过程中那种“被拉扯”的状态。这种对视觉传达的重视，极大地缓解了长时间阅读纯数学推导带来的视觉疲劳。此外，书中对符号的定义也做得非常一致和清晰，这在处理涉及多个场的复杂理论时至关重要。很少有一本书能做到在保持学术深度的同时，还能如此注重读者的“阅读美学”，让物理学习的过程不再仅仅是智力上的挑战，也成为一种视觉和感官上的享受。

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这本书，我是在一个深夜里偶然翻到的，当时我正为手头上的那本经典教材感到力不从心，对那些抽象的费曼图和路径积分感到一头雾水。这本《幽灵般的交响曲》（暂且这么称呼它吧，因为书名本身我就记不清了，那封面设计得像是一幅印象派的星云图）一下子抓住了我的注意力。它没有那种教科书特有的冷峻和公式堆砌，更像是一位老教授在炉火边娓娓道来的故事。作者似乎非常擅长用类比来解释那些最难以捉摸的概念。比如，他把量子涨落比作是海面下涌动的暗流，你看不见它，但它塑造了潮汐的走向。我特别欣赏他对微扰论的阐述，没有直接抛出无穷无尽的重整化程序，而是先从物理直觉入手，解释“为什么”我们需要引入这些复杂的数学工具。那种感觉就像是，你终于找到了一个能将那些复杂的数学符号“翻译”成能被大脑理解的语言的向导。读完前几章，我感觉自己对量子场论的整体架构有了一个更清晰的认识，不再是被细节淹没的溺水者，而是有了一个可以依靠的浮木。当然，对于那些追求极致数学严谨性的读者来说，这本书可能显得有些“跳跃”，但对于我这种需要建立直观理解的初学者而言，它的价值无可估量。

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读完这本书后，我最大的感受是它的“史诗感”。它不是那种专注于某个特定模型——比如QED或者QCD——的专著，而是一部关于整个量子场论思想演变的宏大叙事。作者对历史背景的梳理非常到位，他没有回避早期理论的困境和争议，反而将其作为推动理论进步的内在动力来展现。我记得有一章专门讨论了规范对称性的起源，作者引述了杨-米尔斯最初提出理论时的那种“灵光乍现”，那种面对不完备性时，科学家群体集体智慧的闪光。这种叙事方式极大地增强了阅读的代入感，让我不再觉得这些理论是凭空出现的，而是人类在认知宇宙过程中，艰难探索、试错和修正的产物。书中对非微扰效应的探讨也十分深刻，尽管深度有限，但它成功地在我心中播下了一个种子——那就是经典的方法论终将遇到瓶颈，而真正的物理往往潜藏在那些线性理论无法触及的深渊之中。这本书就像是一幅宏大的历史画卷，让你在欣赏壮丽风景的同时，也能理解每一笔色彩背后的汗水与智慧。

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坦率地说，这本书的阅读体验是参差不齐的，就像是品尝一桌由米其林大厨和自家祖母共同准备的盛宴。有些章节，比如对自相互作用粒子散射截面的推导，简直是教科书级别的清晰和优雅，每一步的逻辑链都紧密无缝，让人心悦诚服。然而，在涉及到更前沿的、尚未完全统一的领域时，作者的态度就变得有些“保守”和“叙述性”了，公式的推导过程变得跳跃，留给读者的空白需要自己去填补。这既是缺点也是优点。缺点是，对于希望直接获得完整公式推导的读者来说，可能会感到不便，需要频繁地参考其他资料。但优点在于，它迫使你保持批判性的思维，而不是被动接受。它没有试图将所有复杂的现代物理概念都简化成易于消化的“知识点”，而是保留了研究前沿的复杂性和模糊性。我个人更倾向于这种“亦师亦友”的交流方式，它告诉我：这些问题还悬而未决，去探索吧。这本书更像是一张地图的索引，指明了方向，但具体的跋涉还是得靠自己。

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如果非要给这本书找一个它“没有做到”的地方，那可能在于它对计算工具箱的介绍相对保守。它巧妙地避开了所有关于数值模拟和现代计算物理方法的讨论。整本书的重心完全放在了解析方法和理论框架的构建上，这无疑是对经典物理学精神的致敬。但在这个时代，许多前沿问题已经离不开强大的计算能力来验证猜想或解决强耦合问题。我希望作者能用一章的篇幅，哪怕只是作为一个附录，来讨论一下如何将这些优美的解析结构映射到数值算法中去，比如Lattice QCD的一些基本思想，或者蒙特卡洛方法的应用。这本书完美地教会了我“思考”量子场论，但没有教我如何用现代工具“解决”它。不过话又说回来，这或许是作者刻意的选择，他更像是一位哲学导师，专注于构建坚实的理论基石，而不是教授具体的工程技巧。因此，这本书更适合作为深入理解理论核心的阶梯，而不是一个包罗万象的实用手册。它留给我的，是更深刻的问题，而非简单的答案。

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