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出版者:

作者:Isihara, Akira

出品人:

页数:360

译者:

出版时间:2007-6

价格:$ 22.54

装帧:

isbn号码:9780486458779

丛书系列:

图书标签:

• 凝聚态物理
• 固体物理
• 材料物理
• 量子力学
• 统计物理
• 相变
• 拓扑物态
• 电子结构
• 从头算
• 计算物理

宇宙的织锦：量子场论、弦理论与时空几何的探索 本书并非关于凝聚态物理的任何著作，它深入探索了理论物理学的最前沿领域，试图勾勒出宇宙在最基本层面的运作图景。 本书将带领读者踏上一段宏大而精密的智力旅程，从粒子物理学的基石出发，逐步攀升至描述引力与量子力学统一的宏伟理论。我们关注的焦点是物质、能量、空间和时间这些宇宙基本要素的内在结构与相互作用，探讨的工具是抽象而强大的数学框架，而最终的目标，是揭示支配万物运行的普适定律。 第一部分：标准模型的精微结构与超越 本部分聚焦于描述除引力外所有基本相互作用的粒子物理学标准模型（Standard Model, SM）。我们将细致剖析量子场论（Quantum Field Theory, QFT）这一描述粒子及其相互作用的数学语言。 第一章：量子场论的奠基 我们首先回顾量子力学的核心原理，并将其提升至场论的层面。这不是对固体内部电子行为的描述，而是对基本粒子——夸克、轻子和规范玻色子的精确数学处理。重点在于如何通过拉格朗日量来编码粒子的自由演化和相互作用。我们将详细阐述路径积分（Path Integral）表述的强大之处，它是理解非微扰效应和真空特性的关键。我们也会深入探讨重整化（Renormalization）——这项技术如何使理论在处理高能激发时保持预测能力，它揭示了物理定律在不同能量尺度下的依赖性，而非仅仅处理材料内部的能带结构。 第二章：规范对称性与基本力 本章着眼于描述强核力、弱核力和电磁力的规范理论（Gauge Theory）。我们将讲解SU(3)×SU(2)×U(1)群结构如何自然地导出量子色动力学（QCD）和电弱理论。对于QCD，重点在于渐近自由（Asymptotic Freedom）和夸克禁闭（Confinement）的非微扰特性，探讨胶子场如何形成复杂的、具有拓扑性质的结构，完全区别于晶体结构或磁畴。电弱统一部分将详述希格斯机制（Higgs Mechanism），解释如何通过自发对称性破缺赋予规范玻色子（W和Z玻色子）以及费米子质量，这一过程与凝聚态中集体激发或准粒子概念无关，而是关于基本场的内在属性。 第三章：标准模型的局限与新物理的呼唤 尽管标准模型取得了巨大成功，但其内在的不完备性促使我们探索更深层次的物理学。本章探讨了标准模型无法解释的现象：引力的缺失、中微子质量的来源（马约拉纳/狄拉克）、暗物质与暗能量的本质，以及层次结构问题（Hierarchy Problem）——标度敏感性问题。我们将初步引入超越标准模型的候选理论，例如超对称（Supersymmetry）和额外的空间维度构想，这些理论旨在解决质量尺度上的巨大差异。 第二部分：引力的量化与时空的结构 引力的引入是理论物理学的终极挑战。本部分将转向爱因斯坦的广义相对论，并探讨将其与量子力学相融合的尝试。 第四章：广义相对论的几何学 我们首先建立广义相对论的数学基础，将其理解为描述时空几何的几何理论。重点将放在黎曼几何，探讨曲率张量、里奇张量以及爱因斯坦场方程。我们分析黑洞的性质——史瓦西、克尔解，以及事件视界的因果结构。这里的时空不是一个固定的背景，而是动态的、可被物质和能量弯曲的实体，这与描述宏观物质排列的经典物理学范畴相去甚远。 第五章：量子引力的前沿探索 在这一章中，我们将直面将引力量子化的困难。非重整化的尝试表明，直接将引力视为一个规范场是行不通的。本书将重点介绍两种主要的量子引力候选理论： 1. 弦理论/M理论（String Theory/M-Theory）：详细介绍弦论的核心概念，即基本粒子是微观的、振动的弦。我们将探讨开弦与闭弦的区别，以及它们如何自然地产生引力子（闭合弦的特定模式）。重点将放在对超对称（Supersymmetry）在弦论中的必要性，以及对额外空间维度的拓扑结构（如卡拉比-丘流形）的探讨，这些维度被卷曲起来，从而解释了我们仅观测到三维空间和一维时间。M理论作为所有五种超弦理论的统一框架，将以其非微扰的性质被介绍。 2. 圈量子引力（Loop Quantum Gravity, LQG）：作为与弦理论竞争的路径，LQG尝试将广义相对论的约束方程直接进行哈密顿量正则量子化。我们将探讨自旋网络（Spin Networks）和自旋泡沫（Spin Foams）如何提供时空本身的离散化图景，即空间在普朗克尺度下由相互连接的“圈”构成，暗示了时空的最小尺度和面积/体积算子的本征值。 第三部分：新兴的宇宙学图景 理论物理学的成果必须与宇宙学的观测结果相印证。本部分将理论工具应用于宇宙的起源和演化。 第六章：暴胀宇宙学与宇宙微波背景 我们将探讨暴胀理论（Inflation），这是一个解决早期宇宙视界问题、平坦性问题和磁单极子问题的机制。暴胀不是关于材料相变，而是关于一个标量场——暴胀子——在极早期主导宇宙演化的过程。我们分析暴胀如何通过量子涨落的拉伸，在宇宙学尺度上产生原初密度扰动，这些扰动最终形成了我们今天观测到的宇宙微波背景辐射（CMB）的各项异性。 第七章：暗能量与时空终极命运 本书的最后部分关注宇宙加速膨胀背后的暗能量。我们将对比解释暗能量的两种主要理论模型：宇宙学常数（代表真空能量的固有属性，与量子场论的零点能计算存在巨大矛盾，即真空灾难）和动态的第五种力（如昆虫理论）。我们还将讨论不同时空几何（如大撕裂、大挤压或永恒膨胀）与暗能量方程状态参数的关系，从而描绘出宇宙可能的终极命运。 结语：统一的梦想 本书的旅程结束于对万有理论（Theory of Everything）的展望。我们探讨了理论物理学如何通过数学的统一性来寻求对自然界全部现象的单一、连贯的描述，尽管这仍是进行中的事业。本书强调的是对基本实体、对称性以及时空本质的深刻理解，这些内容与对日常可见的凝聚态现象的直接应用或分析完全不同。

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