內容簡介
《從數學觀點看物理世界——基本粒子與統一場理論》主要係統介紹由作者和汪守宏教授閤作建立的關於基本粒子的弱子模型與耦閤四種相互作用的統一場理論。這些物理結果是建立在這二人新發展的張量場正交分解、散度約束變分學以及統一場幾何學理論的基礎之上的。整個工作的特點是物理與數學高度統一、內在邏輯協調一緻、結果簡單明瞭。特彆是,根據新的數學理論提齣兩個物理基本原理PID和PRI.由這兩個原理可導齣統一場方程,並在這個模型框架下推齣大量與自然現象相吻閤的物理結論。
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目錄
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第1章 理論物理基礎 1
1.1 物理學的觀念與方法 1
1.1.1 基本精神 1
1.1.2 普適性的原理 2
1.1.3 對稱性的意義與作用 6
1.1.4 錶象理論與第一原理理論 9
1.2 對稱性與變換群錶示的張量 10
1.2.1 張量與對稱性的關係 10
1.2.2 作用量的不變性 13
1.2.3 物理方程的協變性 18
1.2.4 Lorentz不變性原理 19
1.2.5 相對論作用量與動質能三角公式 22
1.3 相互作用經典理論 26
1.3.1 概況性介紹 26
1.3.2 引力場的廣義相對論 32
1.3.3 電磁場Maxwell方程 37
1.3.4 強相互作用 40
1.3.5 弱相互作用 42
1.3.6 統一場理論介紹 46
1.4 量子物理基本知識 48
1.4.1 微觀粒子的量子化 48
1.4. 2量子力學規則與原理 52
1.4.3 Bose子場的Klein Gordon方程 56
1.4.4 Fermi子場的Dirac方程 59
1.4.5 Dirac鏇量場與物質流 61
1.4.6 角動量規則 65
1.5 總結與評注 67
第2章 基本粒子物理 69
2.1 微觀粒子的主要特徵 69
2.1.1 粒子的類型 69
2.1.2 粒子與反粒子 71
2.1.3 微觀運動的主要形式衰變、散射與輻射 74
2.1.4 錶徵粒子身份的量子數 76
2.1.5 相互作用中的守恒律 80
2.1.6 粒子錶 81
2.2 輕子的性質 84
2.2.1 輕子的衰變與輕子數守恒 84
2.2.2 帶電輕子的反常磁矩 86
2.2.3 中微子及其振蕩性質 88
2.2.4 軌道量子數及宇稱 93
2.2.5 宇稱守恒性在弱作用中的破壞 96
2.3 強子及其性質 98
2.3.1 強子的衰變與重子數守恒 98
2.3.2 核子與強子的同位鏇 101
2.3.3 同位鏇的用法 104
2.3.4 奇異數、超荷與Gell Mann Nishijima關係式 106
2.3.5 強子的量子數錶 107
2.4 強子結構的誇剋模型 109
2.4.1 強子分類的Gell Mann Ne'eman八重道 109
2.4.2 SU(N)群錶示 111
2.4.3 SU(N)木可約錶示的物理解釋與Young圖計算 115
2.4.4 Sakata的SU(3)方案 122
2.4.5 Gell Mann Zweig誇剋模型 123
2.5 基本粒子的弱子模型 126
2.5.1 衰變意味著內部結構 126
2.5.2 基本粒子的理論基礎 127
2.5.3 強作用勢與弱作用勢 129
2.5.4 弱子及其量子數 133
2.5.5 復閤粒子的弱子構成 134
2.5.6 弱子禁閉與質量生成 136
2.5.7 關於弱子的量子規則 139
2.6 衰變機製 141
2.6.1 弱子交換 141
2.6.2 守恒律 145
2.6.3 衰變與散射的類型 147
2.6.4 復閤粒子的衰變與散射 149
2.6.5 電子結構與韌緻輻射機製 154
2.7 總結與評注 156
2.7.1 粒子物理基本問題及其解釋 156
2.7.2 各章節的評注 158
第3章 規範理論與標準模型 162
3.1 Yang Mills規範理論 162
3.1.1 電磁場的規範不變性 162
3.1.2 SU(N)的生成元錶示 164
3.1.3 Yang Mills作用量 165
3.1.4 規範不變性原理 169
3.2 弱作用衰變的躍遷概率 171
3.2.1 β衰變的Fermi理論 171
3.2.2 V-A理論 173
3.2.3 中間矢量Bose子理論與弱流的物理解釋 176
3.2.4 Cabibo角180
3.2.5 誇剋弱流的CKM矩陣 182
3.3 GWS電弱理論 185
3.3.1 Glashow的U(1)×SU(2)方案 185
3.3.2 質量産生的Higgs機製 189
3.3.3 Weinberg Salam作用量 194
3.3.4 U(1)×SU(2)電弱理論的場方程 198
3.3.5 物理結論與實驗檢驗 204
3.3.6 存在的問題 206
3.4 量子色動力學(QCD) 211
3.4.1 色量子數與QCD作用量 211
3.4.2 膠子及其性質 213
3.4.3 誇剋禁閉與漸近自由 217
3.4.4 色的數學理論色代數 220
3.4.5 w*-色代數 225
3.4.6 亞原子的媒介子雲結構 229
3.5 總結與評注 232
第4章 統一場幾何學 237
4.1 幾何概念的物理詮釋 237
4.1.1 反映空間彎麯狀態的量——Riemann度量 238
4.1.2 物理場與嚮量叢 242
4.1.3 嚮量叢的張量積 245
4.1.4 從空間的綫性變換 248
4.1.5 嚮量叢上的協變導數與聯絡 253
4.2 Riemann流形上張量場的正交分解 257
4.2.1 概況性介紹 257
4.2.2 張量場的內積空間 259
4.2.3 梯度與散度算子及其相關性質 260
4.2.4 流形上的分析基礎知識 265
4.2.5 張量場的正交分解定理 267
4.2.6 正交分解的唯一性問題 271
4.2.7 一般Minkowski流形上的正交分解 274
4.3 能量動量守恒約束變分學 276
4.3.1 經典變分原理 276
4.3.2 Yang Mills泛函的變分導算子 278
4.3.3 Einstein Hilbert泛函的變分導算子 280
4.3.4 零散度約束下的變分 283
4.3.5 標量勢定理 287
4.4 SU(N)上的張量與Riemann度量 290
4.4.1 引言 290
4.4.2 SU(N)的流形結構 291
4.4.3 SU(N)張量 295
4.4.4 在SU(N)上的自然Riemann度量 298
4.4.5 規範理論的錶示不變性 301
4.5 對稱原理支配的幾何 303
4.5.1 對稱性決定幾何結構的觀點 303
4.5.2 兩個物理基本原理PID和PRI 305
4.5.3 廣義相對性原理支配的Riemann流形 307
4.5.4 規範不變性與復嚮量叢結構 309
4.5.5 PID與PRI的統一場幾何 311
4.6 總結與評注 316
第5章 相互作用的統一場理論 322
5.1 PID的物理支持 322
5.1.1 暗物質與暗能量現象 322
5.1.2 引力場方程的適定性問題 324
5.1.3 自發對稱破缺機製與Higgs粒子 327
5.1.4 Ginzburg Landau超導理論 328
5.2 統一場模型 330
5.2.1 PID與PRI統一場模型 330
5.2.2 耦閤參數及物理量綱 333
5.2.3 統一場方程的標準形式 334
5.2.4 PRI産生的強和弱作用勢 337
5.3 相互作用的對偶性與退耦 338
5.3.1 對偶性 338
5.3.2 引力場與暗物質暗能量 340
5.3.3 PID量子電動力學理論 342
5.3.4 強相互作用模型 344
5.3.5 弱相互作用模型 346
5.4 強相互作用勢 347
5.4.1 誇剋的強作用勢 347
5.4.2 強作用勢的分層公式 352
5.4.3 誇剋禁閉與漸近自由 354
5.4.4 Yukawa核子力與強作用力短程性 357
5.5 弱相互作用理論 361
5.5.1 弱作用勢方程 361
5.5.2 弱作用力的分層公式 364
5.5.3 PID的對稱破缺機製 367
5.5.4 與傳統弱作用衰變躍遷理論的一緻性 371
5.6 粒子能級的數學理論 373
5.6.1 亞原子粒子能級方案 373
5.6.2 橢圓算子的負特徵值 376
5.6.3 負特徵值數估計公式 380
5.6.4 Wevl算子的譜 384
5.7 亞原子粒子的能級 387
5.7.1 亞原子粒子的構成與束縛能 387
5.7.2 質量粒子的譜方程 391
5.7.3 無質量粒子譜方程 395
5.7.4 帶電輕子與誇剋能級 397
5.7.5 強子的能級 400
5.7.6 媒介子能級 402
5.7.7 微觀粒子能量分布的有限分立性 404
5.8 總結與評注 408
參考文獻 412
索引 416
前言/序言
本書是“從數學觀點看物理世界”專著係列的第二部,第一部是《從數學觀點看物理世界——幾何分析、引力場與相對論》(科學齣版社,2012).本書涉及的主要內容是基本粒子與相互作用的統一場.這兩個方嚮都屬於受人們普遍關注的領域,也是物理學的中心課題。
最近,作者與汪守宏教授閤作新發展瞭Riemann流形上張量場的正交分解理論、散度約束變分學、SU(N)上的錶示不變性理論、統一場幾何學以及色代數五個方麵的重要數學理論,建立在前三個新的數學理論基礎之上,我們提齣瞭物理學兩個基本原理,稱為相互作用動力學原理(PID)和錶示不變性原理(PRI). PID在許多方麵得到物理事實的強有力支持,而PRI是邏輯因果律的必然結論,它的實質意思是,相互作用的規範理論的正確性與錶達它們的群錶示坐標係的選擇無關.根據PID和PRI,我們建立瞭統一場幾何學,它與經典的幾何學區彆在於這個理論是以物理對稱性原理決定背景空間f數學上稱為流形)的幾何結構,而不是像傳統做法那樣,流形的幾何學是在事先賦予的結構(如Riemann度量)上展開.統一場幾何學為物理統一場理論提供瞭堅實的數學基礎,它給齣瞭同時滿足廣義相對性原理、Lorentz不變性、規範對稱性、錶示不變性(PRI)四個物理學基本原理的作用量,此外也給齣滿足自發對稱破缺的質量生成機製並且耦閤四種作用力的統一場方程.這種從原理自動導齣自發對稱破缺機製要比Higgs的人工機製更自然,色代數是一種新的代數結構,這個數學理論的産生完全是源於量子色動力學(QCD).在QCD中,色量子數缺乏協調一緻的運算規則,同時關於誇剋的膠子輻射理論也存在色指標的轉換問題.色代數的建立完全解決瞭QCD自身存在的這些色量子數不協調問題.
好的,這是一份關於《從數學觀點看物理世界——基本粒子與統一場理論》的圖書簡介,內容側重於對該主題領域本身進行深入闡述,而不具體涉及該書的章節結構或內容細節。 《從數學觀點看物理世界:基本粒子與統一場理論》 導論:數學的必然性與物理學的未來 在人類認知世界的漫長曆史中,數學始終扮演著不可或缺的角色。它不僅是描述和量化自然現象的工具,更是揭示宇宙深層結構與規律的語言。物理學,作為研究物質、能量、空間和時間等基本要素的科學,其每一次飛躍都伴隨著數學概念的深刻革新。從牛頓力學的微積分基石,到愛因斯坦廣義相對論的微分幾何框架,數學的抽象結構似乎天然地預示瞭物理世界的真實圖景。 本書立足於這一深刻洞見,旨在探討如何運用嚴謹的數學視角,去理解我們這個由基本粒子構成的、並被統一場深刻聯係著的物理實在。我們探討的不僅僅是“如何應用”數學,更是“為何”某些數學結構如此精準地對應於物理規律。這是一個關於形式美感與物理實在相契閤的探索之旅。 第一部分:量子場論的數學結構:微觀世界的邏輯 現代物理學的基石——量子力學,在與狹義相對論結閤後,演化成瞭量子場論(QFT)。QFT是描述基本粒子及其相互作用的語言,其數學基礎的復雜性與精妙性是理解當代粒子物理學的關鍵。 在這一部分,我們將審視量子場論的數學框架。這涉及到對無窮維希爾伯特空間、算符代數以及路徑積分的深入理解。我們關注的是如何用數學工具來處理場量(如狄拉剋場、電磁場等)的量子化過程,以及由此衍生的各種物理現象。 一個核心的數學挑戰在於“重整化”問題。當計算粒子散射截麵等物理量時,理論中會自然地湧現齣無窮大。解決這些無窮大,需要依賴高度精密的數學技術——重整化群。這不僅僅是一種計算技巧,更揭示瞭物理規律在不同尺度下如何保持自洽的深刻原理。從數學上,重整化提供瞭一種處理理論漸進一緻性的方法,將看似不完備的理論體係構建成一個可預測的物理模型。 此外,規範場論,作為描述電磁力、弱核力和強核力的統一框架,其數學核心是微分幾何中的“縴維叢”概念。縴維叢理論為我們提供瞭一個強大的幾何框架,來描述粒子如何通過交換“規範玻色子”來進行相互作用。理解這些幾何結構,是理解標準模型內部對稱性和守恒律的根本。 第二部分:從粒子到場:對稱性的幾何本質 物理定律的內在美感往往體現在其對稱性之中。在數學上,對稱性由群論來描述。從伽利略變換到龐加萊群,再到描述基本粒子內部自由度的規範群(如$SU(3) imes SU(2) imes U(1)$),群論滲透在物理學的每一個角落。 我們探討李群和李代數的應用。李代數提供瞭描述連續對稱性變化的微分結構,而李群則描述瞭這些變換的整體效果。在粒子物理中,粒子的分類(如誇剋和輕子)正是基於它們在這些規範群下的錶示(representations)。理解群的錶示論,就如同理解瞭粒子傢族的“身份證”和相互作用的規則。 對稱性不僅規定瞭哪些量是守恒的(諾特定理),它也深刻地決定瞭相互作用的形式。例如,電磁相互作用的規範對稱性必然要求存在光子;弱相互作用的對稱性則預示瞭W和Z玻色子的存在。從數學上探究對稱性的破缺(如希格斯機製),揭示瞭物理實在如何從一個高度對稱的初始狀態演化齣我們今天觀察到的質量和相互作用的復雜性。 第三部分:引力與時空的幾何學:廣義相對論的遺産 在探索基本粒子微觀世界的過程中,我們不能忽視支配宏觀宇宙的引力。愛因斯坦的廣義相對論是迄今為止對引力最成功的描述,其數學語言是黎曼幾何。 廣義相對論將引力解釋為時空自身的幾何彎麯。這意味著時空不再是背景,而是動態的物理實體。理解愛因斯坦場方程($G_{mu
u} = 8pi G T_{mu
u}$)需要深入掌握張量分析、微分流形和麯率概念。物質和能量(右側的能量動量張量 $T_{mu
u}$)決定瞭時空的幾何形狀(左側的愛因斯坦張量 $G_{mu
u}$),而粒子則沿著這些彎麯的測地綫運動。 這種幾何觀點將引力從一個“力”的概念提升到瞭時空結構本身的屬性。它成功地解釋瞭水星近日點的進動、引力紅移,並預言瞭黑洞和引力波的存在。數學上的精確性使得我們能夠從理論上推導齣這些極端物理現象的定量特徵。 第四部分:通往統一的數學之路:弦論與圈量子引力 盡管標準模型在描述除引力外的所有基本相互作用上取得瞭巨大成功,但它在數學上仍是分裂的:量子場論描述微觀作用力,而廣義相對論描述引力。尋求一個統一的“萬有理論”是當代理論物理學的終極目標。 數學在這裏扮演瞭“試金石”的角色。如果一個理論不能在數學上自洽,它就不能被視為物理上的可行理論。 弦論:作為最有希望的統一理論之一,弦論將基本粒子視為一維的、振動的弦。其數學基礎極其龐大且復雜,依賴於高維空間、共形場論、拓撲學以及復雜的代數結構,如卡拉比-丘流形。弦論的數學一緻性要求宇宙擁有額外的空間維度,並自然地包含瞭引力的量子化描述。在這個框架內,粒子的性質完全由弦的振動模式和它們在復雜幾何空間中的運動決定。 圈量子引力(LQG):作為廣義相對論的另一種量子化嘗試,LQG試圖在不引入額外維度的情況下,對時空本身進行量子化。其數學工具基於新的變量錶述(Ashtekar變量),利用瞭微分幾何和拓撲學中的“圈”和“自鏇網絡”概念。LQG預言時空在普朗剋尺度上並非連續的,而是由離散的“量子塊”構成的,這在數學上提供瞭一種處理時空背景獨立性的方法。 結論:物理實在的結構性探索 從基本粒子的群論分類到時空幾何的麯率度量,物理世界的內在邏輯被越來越清晰地用數學結構所描繪。本書強調,數學並非僅僅是解決問題的工具,它更像是我們與自然界進行對話的必要詞匯。探索這些復雜的數學結構——無論是規範場論的縴維叢、還是弦論的拓撲性質——就是探索物理世界最深層次的、結構性的實在。對這些數學框架的深入理解,是通往未來物理學——一個真正統一的物理世界的必經之路。