《夸克膠子等離子體：從大爆炸到小爆炸》前言 || 周末讀書

：夸克膠子等離子體是大爆炸模型中早期宇宙所處的狀態，它的性質對於宇宙的演化過程有重要影響。人們可以在實驗室中讓接近光速的相向運動的兩束重離子對撞來產生夸克膠子等離子體，從而定量地研究它的產生機制和性質。經過多年的努力，物理學家已經建立了系統描述夸克膠子等離子體的物理理論，也建設了若干大型實驗裝置，如相對論重離子對撞機和大型強子對撞機等來產生夸克膠子等離子體和研究其物理性質。在該領域中耕耘了幾十年的八木浩輔、初田哲男和三明康郎三位教授，系統地總結了近年來的理論和實驗進展，匯聚成書。本書內容主要分為3 個部分，分別討論夸克膠子等離子體的基本概念、天體物理中的夸克膠子等離子體和相對論重離子碰撞中的夸克膠子等離子體。

夸克膠子等離子體物理是粒子物理、統計物理和凝聚態物理的交叉領域，物理現象豐富，研究工具多樣，初學者不容易對整個領域有一個系統的認識。該領域的中文參考資料更是鳳毛麟角，國內尚無一本全面介紹夸克膠子等離子體物理和實驗的具有現代視角的專著。這是一本高能核物理和相關領域研究者和學生的重要參考書，尤其有助於青年研究者在較短時間內對夸克膠子等離子體物理有全面和深入淺出的認識。

現代物理學有兩個基本觀念：一個是建立在定域規範不變性原理基礎上的基本粒子標準模型,另一個是基於廣義相對論的大爆炸宇宙學標準模型。這兩個觀念為人們回答以下兩個問題提供了線索：(1) 什麼是物質的基本構成單元？ (2) 物質在何時形成？本書的主要議題「夸克膠子等離子體」(QGP)與這兩個問題密切相關。事實上,夸克膠子等離子體就是物質的原初狀態, 在宇宙誕生后的幾微秒內形成, 是宇宙中各種元素的源頭。

眾所周知, 強相互作用基本粒子(夸克和膠子)的動力學是由量子色動力學(QCD)描述的。根據QCD, 由質子和中子構成的普通核物質在高溫高壓下發生相變, 當溫度高於1012 K時, 核物質轉變為熱夸克膠子等離子體, 當密度大於10123時,核物質轉變為冷夸克等離子體。這兩種相變有可能在早期宇宙或緻密星核心中發生。現在已經可以在實驗室里利用重離子加速器實現高能核核碰撞以產生熱密火球或小爆炸,我們期待核子在核核的劇烈碰撞中熔解出其組分, 形成夸克膠子等離子體。

本書旨在介紹有關QGP這種原初物態的物理知識, 讀者僅需具備基本粒子物理、核物理、凝聚態物理和天體物理的一些有限的背景知識即可。本書特別針對物理學科的高年級大學部生和低年級研究所, 他們可以是上述領域的,也可以是加速器科學和計算機科學領域的。此外, 作者希望本書也能成為已經在上述領域工作的研究人員的參考書。

第1章是引言, 講述了QGP的基本物理和尋找或發現夸克膠子等離子體的縱覽,著重闡述了研究早期宇宙結構(大爆炸)和QGP結構(小爆炸)的常用方法。

正文分為3個部分:

第1部分是關於QGP物理和QCD相變的背景理論知識。這部分可以獨立於其他部分,介紹了現代規範場理論與應用(如QCD中的色禁閉、漸近自由和手征對稱性破壞等)、熱場理論和格點規範理論基礎以及相變與臨界現象。

第2部分討論QGP對宇宙學和恆星結構的影響。這部分結合愛因斯坦的廣義相對論討論了熱膨脹宇宙和緻密星（中子星和夸克星）的物理。對於黎曼空間、愛因斯坦方程、史瓦西解等知識了解很少的讀者可以參考附錄D的內容。

第3部分概述了相對論性和超相對論性核核碰撞的物理知識。此類碰撞是實驗室中產生和探測QGP和QCD相變的唯一途徑,介紹了相對論流體力學和相對論動理學, 它們是研究碰撞中產生的熱密物質的主要理論工具。在討論了QGP的各種實驗信號之後, 對固定靶核核碰撞實驗做了總結;隨後介紹了世界上第一個相對論性重離子對撞機(布魯克海文國家實驗室)上取得的引人矚目的實驗結果, 著重點放在QGP的實驗證據方面;此外, 也討論了高能重離子碰撞實驗的探測器及其特殊功能。

本書涵蓋的範圍廣泛, 從基礎知識到前沿進展, 從理論到實驗,從宇宙大爆炸和緻密星到地球上的小爆炸實驗等。作者假定讀者已經熟悉中級水平的量子力學、量子場論的基本方法、統計熱力學和狹義相對論, 包括狄拉克方程。儘管如此, 作者仍概括了這些領域足夠和必要的基礎知識, 使本書儘可能成為獨立參考書。為此, 作者在8個附錄里列出了本書中一些關鍵步驟的證明和推導,而且在大部分章節的結尾還設置了總共約160個練習題。

周末讀書：

1. 軟物質：概念的誕生與成長——《20世紀物理學》

2. 劉寄星：《20世紀物理學》譯後記

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END