An Elementary Primer for Gauge Theory pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Moriyasu, K.

出品人:

页数:192

译者:

出版时间:

价格:$ 29.38

装帧:

isbn号码:9789971950941

丛书系列:

图书标签:

• Gauge Theory
• Elementary Particles
• Quantum Field Theory
• Physics
• Mathematics
• Theoretical Physics
• Modern Physics
• Differential Geometry
• Lie Groups
• Topology

现代物理学之基石：引力与量子现象的统一篇章 在广袤无垠的宇宙图景中，引力以其普遍而强大的力量塑造着星辰的舞蹈，而微观世界的量子现象则展现出令人惊叹的奇特性。长久以来，物理学界一直在追寻一条将这两种截然不同的自然规律融为一体的道路，试图构建一个能够统一描述宏观宇宙与微观粒子行为的普适性框架。这一宏伟目标的核心，正是“规范理论”——一种以其深刻的数学结构和非凡的解释力，正在引领我们走向物理学新纪元的强大理论工具。 本书并非直接探讨“规范理论”的数学细节，而是旨在勾勒出理解这一理论的必要背景、其核心思想的演进脉络，以及规范理论如何在根本上重塑我们对物质、能量和时空相互作用的认知。我们将踏上一段思想的旅程，探索那些孕育出规范理论的哲学思考和实验发现，以及那些最终将其推向理论前沿的物理学家们的智慧火花。 从对称性的启示到相互作用的本质 人类对自然的探索，很大程度上是对对称性的感知与理解。从晶体的规律排列到行星轨道的周期性运动，对称性无处不在，暗示着某种深层的和谐与秩序。在物理学领域，对称性并非仅仅是美学上的追求，它更是深刻揭示物理定律内在结构的强大线索。 早期的理论物理学，如牛顿的万有引力定律和麦克斯韦的电磁理论，虽然取得了巨大的成功，但它们在描述微观粒子间的相互作用时，逐渐显露出不足。例如，电磁理论在描述光与物质的相互作用时，引入了“场”的概念，这已经是一个重要的概念飞跃。然而，随着量子力学的发展，粒子被赋予了波粒二象性，并且其行为遵循概率性的规则。如何将这些看似截然不同的描述统一起来，成为一个紧迫的问题。 在这里，“规范不变性”的概念应运而生。它并非一个随意的数学技巧，而是源自对物理定律在某些变换下保持不变这一深刻洞察。最初，规范不变性是在描述电磁场时引入的，它要求物理定律在局部对电势和磁矢势进行特定形式的变换下保持不变。这一看似抽象的数学要求，却神奇地“引出”了电磁相互作用的存在。换言之，如果我们假设电磁场的方程具有局部的规范不变性，那么我们就必须引入电磁相互作用。这是一种将对称性直接与物理相互作用联系起来的强大范式。 量子场论的崛起与规范对称性的普适性 随着量子力学与狭义相对论的结合，量子场论应运而生。在量子场论的框架下，基本粒子被视为场的激发，而粒子间的相互作用则通过交换“媒介粒子”来实现。例如，电磁相互作用就是通过交换光子来实现的。 规范理论的真正力量在于其普适性。物理学家们发现，将规范不变性的思想推广到其他相互作用，同样能够成功地描述这些相互作用。 量子电动力学 (QED)：这是规范理论的第一个辉煌成就，成功地描述了电磁相互作用。QED建立在“U(1)”规范群之上，光子作为传递电磁力的媒介粒子，其行为被精确地预测和实验验证。QED的成功，为后续理论的发展奠定了坚实的基础。 量子色动力学 (QCD)：随着对强相互作用（将原子核中的质子和中子束缚在一起的力量）的深入研究，物理学家们发现需要一个更复杂的规范理论。QCD建立在“SU(3)”规范群之上，其媒介粒子被称为“胶子”。胶子负责传递夸克（组成质子和中子的基本粒子）之间的强相互作用。QCD的引入，解释了质子和中子为何稳定存在，以及它们内部复杂的结构。 弱相互作用：弱相互作用在放射性衰变等过程中扮演着关键角色。它的规范理论描述了一个更为复杂的“SU(2)”规范群，并且与电磁相互作用结合，形成了更强大的“电弱理论”。电弱理论预言了W和Z玻色子的存在，这些粒子的发现极大地支持了该理论的正确性。 粒子物理学的“标准模型”：规范理论的集大成者 通过将电磁、强和弱相互作用纳入规范理论的框架，物理学家们成功地构建了粒子物理学的“标准模型”。标准模型是迄今为止描述基本粒子及其相互作用最成功的理论。它不仅统一了三种基本力，还成功地预测了许多基本粒子的存在，如夸克、轻子、胶子、光子、W和Z玻色子，以及希格斯玻色子。 希格斯机制的引入，是标准模型中的一个重要里程碑。它解释了为何基本粒子具有不同的质量，而又不破坏规范对称性。通过引入一个希格斯场，并使其与基本粒子发生相互作用，这些粒子就获得了质量。希格斯玻色子的发现，为标准模型的研究画上了一个重要的句号，但也开启了新的探索篇章。 规范理论的深远意义与未来展望 规范理论的出现，不仅仅是数学上的精妙，它更带来了深刻的物理学观念的转变： 1. 相互作用的几何化：规范理论将粒子间的相互作用视为时空中某种“几何”属性的体现。它暗示着，我们所观察到的基本力，并非独立的实体，而是时空结构在不同层面的反映。 2. 对称性是物理定律的“骨架”：对称性不再仅仅是描述物理现象的特征，而是决定物理定律本身的根本原理。每一个规范理论都对应着一个特定的对称性群，这个群的结构决定了相互作用的性质。 3. 统一的追求：规范理论为统一不同基本力提供了强有力的框架。虽然标准模型已经取得了巨大成功，但它并非最终理论。引力，这个最基本、最广为人知的力，尚未被完全纳入量子规范理论的框架。 对引力的量子化，以及如何将规范理论推广到包括引力在内的所有基本力，是当前理论物理学面临的最大挑战之一。弦理论、圈量子引力等前沿理论，都在尝试解答这一难题。它们都从不同的角度，探索着更深层次的对称性、更高维度的时空，以及更基本的物质构成，试图构建一个能够描述一切的“万有理论”。 本书的目的是，为读者提供一个理解规范理论深层含义的“地图”。它将引导您穿越一系列关键的概念和历史时刻，感受物理学思想的演进，并体会规范理论为何能成为现代物理学解释宇宙奥秘的基石。通过了解规范理论的思想根源、核心逻辑及其在粒子物理学中的成功应用，读者将能够更好地把握当前物理学研究的前沿动态，并为理解未来物理学可能出现的突破性进展做好准备。这是一个关于对称性、相互作用以及我们对宇宙认知不断深化的壮丽故事，而规范理论，正是这个故事中最引人入胜的篇章之一。

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