物理学

理论物理学的意义在于从各类物理现象的普遍规律出发，广泛运用数学工具系统深入地阐述物理概念、现象及其应用。密切结合实验，探寻能够解释并预言物理现象的一般理论。它与实验物理、计算物理而今已经成为物理学三大支柱。

理论物理作为大学物理系本科的必修课，在大学生用一年到两年的时间学完普通物理之后开始学习。传统的所谓四大力学，即理论力学、热力学和统计力学、电动力学、量子力学，应该在第三年和第四年学完。这四门课的分量都很重，用到的数学知识很多超过基础的高等数学的范围。因此，合适的教材对于师生都很重要。著名教材为数不少，最著名的像兰道和他的助手撰写的大部头巨著，堪称经典；但其难度通常超过一般大学生的接受水平，因而一些导论性的教程更受欢迎。而随着现代理论物理学不断向着更高水平、更深层次和更为广泛的领域的发展，教材的内容也不断地更新。本书正是在这种思想指导下编写而成的。

作者从事大学理论物理学位课程教学30多年，积累了丰富的经验，对传统的理论物理的讲授模式形成了自己一些独特的看法。他尝试以5个模块形式，把他认为应该掌握的理论物理内容以一种统一的和自成体系的形式纳入到单独的一卷教程之中。这5个模块涵盖了20世纪理论物理学的所有重要分支，包括非相对论量子力学,热与统计物理、多体理论,经典场论(包括狭义相对论和电磁学)以及相对论量子力学和夸克与轻子的相互作用的规范理论。

本书把这5个模块分成20章。第一模块为非相对论量子力学，含第1-4章： 1. 量子力学的基本概念；2.表象理论；3. 近似方法；4.散射理论。第二模块为热与统计物理，含第5-12章：5. 热力学基础；6. 量子态和温度；7. 微观状态的概率和熵; 8.单原子理想气体; 9. 经典热力学的应用; 10. 热力学势及导数; 11.物质转换和相图; 12. FermiDirac和BoseEinstein统计。第三模块为多体理论，含第13-16章：13. 多粒子系统量子力学和低温热力学; 14. 二次量子化; 15. 相互作用电子气; 16. 超导。第四模块为经典场论和广义相对论.含第17-18章：17. 场的经典理论;18. 广义相对论。第五模块为相对论量子力学和规范理论，含第19-20章：19. 相对论量子力学；20. 夸克和轻子相互作用的规范理论。

本书的一个突出特点是完整地给出了所有重要结果的详细数学证明,使一个完成了高中数学课程和大学第一年物理学学位课程的学生能够理解和欣赏理论物理很多重要结果的导出过程。只要是完成了较高一点水平的数学课程，读者都会发现，书中的每一部分都是他们所需要的。

本书描写的理论概念和方法通常包含在一年级研究生的课程中。本书附录中列出了一份推荐阅读的书目清单，以便读者参考。

所谓的计算机模拟就是用计算机模仿真实的科学实验过程，也就是说用计算机代替在实验设备上做所要求的实验。为此，首先要建立一个可以用计算机处理的数学模型模拟真实的系统，然后根据实验的具体条件仔细地考虑系统的内部结构、外界影响、可调参数的限定范围以及需要求取的物理量等，编写出合适的程序，送入计算机中。由计算机一步一步地进行数值实验，产生所需要的实验结果，从而得到所需要的数据，并处理和分析这些结果。这种计算机模拟方法始于上世纪20年代，最早用于军工领域，随着计算机的普及，现在已经遍及自然科学和社会科学的各个领域，成为科学研究中一种常用的技术和不可缺少的环节。它特别适合于实验条件苛刻、环境恶劣、实验周期长、花费大，且问题的数学物理机制比较明确的场合。可以大幅减少人力、物力，降低成本，提高效率，因此受到科学界的普遍重视。

本书是一部教读者实际操作原子的计算机模拟的实用教材，旨在使读者理解、设计、运行并分析他们自己的原子的计算机模拟结果。本书作者们在指导学生从事原子计算机模拟研究以及教学活动时产生了自己动手写一本教材的打算，期望以此为读者提供设计和执行任何包括原子模拟研究计划所需要的实用知识，一部展示计算机模拟的最佳实践范例和实用指南。

作者们把全书内容分成5个部分。第1部分涵盖了为理解原子计算机模拟所需要的大学高年级水平的基本物理和化学知识以及原子模拟技术的基本概念，含第1-4章：1. 原子,分子和晶体；2. 化学键；3. 化学反应；4. 究竟计算什么?。第2部分描述原子模拟的基本技术，含第5-6章：5. 总能量最小化；6. 分子动力学和蒙特卡罗。第3部分描述分子力学和电子结构技术理论，这一部分技术性比较强，具有足够的深度使读者能够理解如何做模拟以及不同方法中的近似是什么，含第7-9章：7. 计算能量和力；8. 电子结构方法； 9. 详细介绍密度泛函理论。第4部分强调了设计一个实际做模拟的计划，包括如何选择原子的合适坐标，以及如何仔细地规定和检验特殊的模拟，含第10-13章：10. 项目计划；11. 坐标和模拟单元；12. 基本要点；13. 试验。第5部分详细分析了如何取出一个模拟代码生成的数据以及如何产生有价值的数据，含第14-18章：14. 查看输出文件；15. 利用所有的数据做些什么？16. 可视化；17. 电子结构分析；18. 与实验比较。书末给出了两个附录：A.UNIX；B. 科学计算，补充介绍了一些课文中用到的具体程序问题。

读者在阅读时应该至少要利用一个具体的原子计算机模拟代码，实际动手去做实验，分析所得的结果，评估结果是否正确，发现和纠正错误,从结果中提取相关信息。作者为本书提供一个网页：http://www.atomisticsimulations.org/。在那里作者们写了一些博客，讨论当前感兴趣的一些最新的文章以及一些练习。而且内容不断更新。对于从事原子计算机模拟的研究人员和学习相关课程的研究生本书有很好的参考价值。

随着计算机硬件和软件的迅速发展和价格的急剧下降，硬件和软件的应用在科学研究和高等教育领域普及程度日益提高。其中，集数值计算、解析运算和图形能力为一身而且能与文字处理自然结合的计算机代数系统的应用，一直受到人们的广泛关注。诸如Maple、Mthematica、Matlab、Mathcad等著名软件的应用能力和使用范围的逐步扩展，已经成为科学研究和高等教育不可或缺的日常工具，大大促进了科研工作的开展，有力地提高了教学效果，受到了科技工作者和高等学校师生的普遍欢迎。

本书向读者详细地介绍了一种在物理学教学中采用的计算机代数语言软件：科学笔记本(Scientific Notebook 缩写SNB)。作者认为，物理学是一种最基础的科学，其他的科学都是在这个框架下建立起来的。一旦懂得了物理学的基本原理，理解其他的科学就容易了。作者希望本书发展的一些思考和求解问题的技巧，将会对读者任何其他的工作有所帮助。考虑到在学习和应用物理学知识的过程中，大部分工作都是在从事一些技术或科学计算，然后书写报告。代数软件SNB可以看作是一个小的实用工具，它能把繁琐的数学运算与文字处理结合在一起，很方便地帮助读者完成这些任务。

本书的目的是教给大学师生如何使用SNB 这个软件求解物理问题。SNB是一个强有力的、而又很容易使用的计算机代数系统，价钱便宜但有足够的能力处理所有的大学水平的物理问题。 人们可以把它真的作为一个科学笔记本来使用。 用它设定物理与数学问题，写出并求解这些问题，分析和讨论所得的结果。 就像用普通的纸和笔一样用它来在计算机上思考和写作，充分发挥计算机代数交互系统的能力。

作者尝试挑选了一些有教学价值的典型物理问题，证明SNB 软件的好处。 涵盖的问题多取自作者教学与科研工作，有些源于问题本身的兴趣。有些问题在课堂上完成不了，原因之一是数学较难，另一原因是很耗时间。 一旦对于简单例题搞懂了，就可以把这些更复杂的和实用的数学上困难而又耗费时间的问题都交给SNB去完成。

当然，物理学不是数学。物理学家基于一些物理学基本原理，创建包含物理量的方程，以期描写和解释物理现象。数学帮助我们求解这些方程。SNB可以帮助我们克服一些数学困难。

在第一章作者详细地介绍了SNB软件。作者认为，要了解其特色并学会它，必须亲手探讨和使用它。该软件有很丰富的自带的帮助系统，帮助用户直接使用软件。其后几章遵照大学基础物理课程，介绍一些有趣的问题，显示SNB的能力和用途，不断地提高你的应用技巧。

全书内容共分12章：1. SNB介绍；2. 一维运动学； 3. 矢量； 4. 抛体运动； 5. 牛顿运动定律；6. 守恒定律； 7. 圆周运动； 8. 简谐运动；9. 中心力；10. 流体； 11. 温度和热；12. 狭义相对论。此外，书末附有两个附录，它们是：附录A . 经典物理中的一些课题；附录B.现代物理的一些课题。它们不是传统的大学物理学课程的典型内容。但是无疑是有趣的和重要的，而且能充分展示SNB软件的应用能力。

本书的特点是：1.易读；2. 提供了使用SNB求解物理问题的一步一步的指令；3. 几乎每一个部分都给出许多特殊的例子，用以提高读者的理解和提供关于使用SNB的详细例证； 4. 遵循传统的物理课程安排,所以它可以用来补充本科物理学的各级教学；5. 包括很多习题和问题，源自作者的课堂笔记和研究工作。

本书读者对象为物理和工程类本科大学生。为了帮助读者阅读和使用本书，作者提供了一个网址：http://booksupport.wiley.com/ 。在那里可以查到本书的电子版和题解手册，以及包含本书所有图形的PPT文件。

本书是由日本大阪大学Y.Nagashima教授所著的基本粒子物理学两卷集中的第二卷，其第一卷出版于2010年，副标题为“量子场论和粒子”。这个第二卷出版于2013年，副标题为“标准模型基础”。

粒子物理学一直是我们对于最小尺度物质终极结构研究的前沿，但随着技术的进步和研究的进展，粒子物理本身现在已经拓展到研究宇宙的结构和发展历史，成功地把极小尺度与极大尺度连接在一起，成为了一个快速发展的巨大研究领域。要掌握它，通常不得不追随研究的进展去读各种主题的不同著作，内容涉及粒子物理学的历史背景、基本的实验数据、量子场论、数学概念、理论模型以及宇宙学的大量概念等。本书作者尝试把粒子物理的全部理论和实验内容的大部分论题纳入到一套著作中，系统而全面地介绍近几十年来粒子物理取得的巨大进展。

标准模型（SM）是电弱相互作用与量子色动力学（QCD）的一种统一理论，从20世纪60年代创立开始，迄今已经取得了极大成功，至少在原则上解释了所有已知的现象。它的基本概念超出了粒子物理范围，已经成为宇宙学、原子核理论以及某些凝聚态物理的核心。本书解释了SM的基本概念和实验基础。作者在第一卷中详细地阐述了量子场论，为粒子物理的深入研究做好了充分的准备，并揭示了SM在历史上是如何形成的。尽管第二卷可以看作是第一卷的后续，但实际上除了一些基本公式偶然需要参考第一卷之外，它自成一个体系。

所有的重要概念和截面公式都从第一原理以自成体系的方式推导出来。读者如果具有本书第一卷中给出的场论知识，应当能够自己推导出在第二卷中给出的所有除包含高阶修正之外的公式。而对于高阶过程，除了必须重新生成精确的 Z共振峰数据之外，都只给出了定性的讨论。对于理解一些特殊过程的方程式所必须的数学公式和工具在附录中给予补充介绍。

本书没有讨论重夸克衰变、微物理问题、以及必须非微扰处理的所谓的软过程等。此外，对于超出SM的问题本书完全没有提及。作者准备将它们作为本书第三卷的主要内容。

本书（卷2）内容分成两大部分，共11章。第一部分为电弱动力学，含第1-6章：1. 标准模型；2.中性流；3.W粒子；4. Z共振峰物理；5. 电弱理论的精确检验；6. CKM矩阵。第二部分为QCD动力学，含第7-11章：7. QCD；8. 深度非弹性散射；9. 喷注和碎裂；10. 胶子； 11. 强子反应中的喷注。书末给出了12个附录，对于正文中的一些较为困难而又十分重要的数学细节作了补充介绍。

本书对于粒子物理专业的研究生是一部难得的教材。具有量子力学和狭义相对论基础知识的读者可以用本书作为自学粒子物理的很好的参考书。

等离子体是物质被电离后产生的正负电量相等的粒子组成的物质，它广泛存在于宇宙中，被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。由于它是带电粒子的集合体，它的行为与电磁场密不可分。当等离子体中包含中性粒子，并且中性粒子与带电粒子的碰撞趋于无穷次时，等离子体会更倾向于中性气体。本书主要讲述了完全电离等离子体及其特定性质。

本书共有9章：1.引言，包括本书的目标、天体物理学中的等离子体、电磁场与电磁波、横向与纵向电磁场、真空中的电磁场、等离子体中的电磁波、平面等离子体波的电磁分量、带电粒子的运动；2.等离子体描述与等离子体模型，包括分布函数与矩、从单个粒子到动理学的描述、数值方法、流体编码、混合编码；3.磁化等离子体，包括理想电磁流体力学（MHD）、建立MHD模型、量纲分析与等离子体特征尺度；4.碰撞单个粒子到支理学的描述无碰撞，包括等离子体物理中碰撞的概念，有平均自由程、德拜长度、克努森数等；损耗的概念，有能量转移与损耗、可反转性、熵等；5.等离子体中的波，包括MHD波、波引起的输送、高频率波、哨声模式、流体理论中的碰撞阻尼、无碰撞阻尼、不稳定性；6.非线性效应、激波与湍流，包括无碰撞激波与间断、湍流、非线性动力学物理； 7.流动与粒子加速过程，包括流加速、文丘里效应、恒星风、磁重联、磁层中的动力加速；8.宇宙射线的加速与迁移，包括磁场：迁移阻碍、宇宙射线的迁移方程、宇宙射线的费米加速等；9.动理学流体二重性(The Kinetic Fluid Duality)，包括太阳风与行星风膨胀、小幅弹道波动、大幅弹道波动等。

附录：1.符号，包括1.1向量与张量；1.2导数；1.3符号列表。2.渐近展开与绝热不变量，包括2.1多尺度展开；2.2绝热不变量；2.3引导中心方程的推导扩展。3.福克-普朗克方程，首阶项。

本书由五位作者共同撰写，其中第1作者Gerard Belmont是无碰撞介质及其在流体理论与动力学理论上的描述方面的专家；第2作者Roland Grappin主要致力于流体与等离子体中的湍流、太阳风的动力学以及日冕与过渡区等天文学方面的研究；第3作者Fabrice Mottez专注于无碰撞太空等离子体、地球与木星磁气层、基础等离子体物理与数值模拟。

本书简单易懂，意在成为等离子物理方面的教科书。虽然书中例子大多是空间物理或太阳风领域，但概念是通用的，实验室等离子体，特别是核聚变磁约束方面的研究者，也适合阅读本书。