本書通過淺顯的語(yǔ)言,介紹了量子力學(xué)的基本原理,主要講述了普通量子力學(xué)的基本內(nèi)容及正統(tǒng)解釋。本書盡量追求內(nèi)容的邏輯性和完整性。
本書對(duì)于希望學(xué)習(xí)量子力學(xué)的老師和學(xué)生有參考意義,也可供從事自然科學(xué)相關(guān)工作的以及熱愛科學(xué)的人士閱讀。
在這1小時(shí)里,你除了可以了解量子力學(xué)的發(fā)展歷史外,還可以了解各種奇妙的量子力學(xué)效應(yīng),也可以看到物理學(xué)大咖們的軼聞趣事。
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量子力學(xué)
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II
學(xué)行家再寫一本更加有用的量子力學(xué)書籍。
上述的例子給學(xué)生上量子力學(xué)課程的老師可能并沒有認(rèn)
真思考過量子力學(xué)讓我們明白,能夠熟練地運(yùn)用量子力學(xué)的
數(shù)學(xué)框架求出各種物理量其實(shí)并不需要我們完全理解量子力學(xué)中
蘊(yùn)含的道理。甚至可以大膽地猜測(cè),能夠熟練運(yùn)用量子力學(xué)知識(shí)
但是并沒有認(rèn)真思考過量子力學(xué),這可能是物理系、化學(xué)系和材
料系等學(xué)過量子力學(xué)課程的學(xué)生中比較普遍存在的現(xiàn)象。本書并
不會(huì)認(rèn)真地給出量子力學(xué)的諸多數(shù)學(xué)公式(反之會(huì)盡量回避),
所以它不會(huì)幫助讀者獲取已知數(shù)學(xué)框架下的更多的計(jì)算技巧。但
是,對(duì)于希望理解量子力學(xué)中的基本道理的讀者來說,本書或可
提供參考。我會(huì)盡量把故事敘述得簡(jiǎn)單一些,目的也是要照顧到
那些完全沒有學(xué)過量子力學(xué)的朋友。如果你認(rèn)為自己是量子力學(xué)
的行家,那么要么沒有必要閱讀本書,要么可能需要容忍書中一
些不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄⑹,畢竟只有?shù)學(xué)公式才能完整地表達(dá)一個(gè)物理
量所有的含義。經(jīng)典力學(xué)與牛頓力學(xué)這兩個(gè)名詞在書中的含義是
一樣的,而牛頓運(yùn)動(dòng)方程就是指牛頓第二定律的運(yùn)動(dòng)方程。
我曾經(jīng)說:牛頓力學(xué)有時(shí)候錯(cuò)了,這馬上遭到另一位老
師的強(qiáng)烈不滿。她說:不能說牛頓力學(xué)錯(cuò)了,牛頓還發(fā)明了微
積分呢!我充分理解她對(duì)牛頓力學(xué)的崇拜?赡苋绻腋某烧f,
牛頓力學(xué)在某些情況下不是很好用,那就不會(huì)引起歧義了。所以,
為了生命安全,建議各位以后千萬(wàn)不要說牛頓力學(xué)錯(cuò)了,而應(yīng)該
說:牛頓力學(xué)在某些情況下好像不太好用,F(xiàn)在大家都明白,
說牛頓力學(xué)有時(shí)候不適用了(或錯(cuò)了),完全不是說牛頓不夠偉
大,這只是歷史的緣故。在牛頓時(shí)代,如果你真的寫出了薛定諤
方程,那么它根本就沒有地方得到驗(yàn)證。而在物理學(xué)界,沒有辦
法驗(yàn)證的理論是會(huì)被忘卻的。牛頓在四大領(lǐng)域有偉大的貢獻(xiàn):
①發(fā)明了微積分;②由于微積分的發(fā)明而寫出了萬(wàn)有引力公式;
③牛頓力學(xué)體系的建立(即三大定律等);④光學(xué)方面的許多重
前 言
III
要貢獻(xiàn)。任何一個(gè)人作出以上任一項(xiàng)成就都將名垂青史,更何況
牛頓同時(shí)作出了這么多偉大的貢獻(xiàn)。近代物理學(xué)之父伽利略有一
句名言:大自然這本書是用數(shù)學(xué)語(yǔ)言寫成的。事實(shí)上,微積分便
是牛頓為了處理基本力學(xué)問題(如瞬時(shí)速度)而發(fā)明的一種強(qiáng)有
力的數(shù)學(xué)工具。只有通過這種新的數(shù)學(xué)工具,牛頓才能很好地表
達(dá)他心中的物理世界。量子力學(xué)作為一種比牛頓力學(xué)更為優(yōu)越
的理論體系,也是歷史發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。但量子力學(xué)不是
對(duì)牛頓力學(xué)的修正,而是完全的革命?梢哉f,量子力學(xué)的基石
已經(jīng)完全不同于牛頓力學(xué)的基石,希望讀者看到這一點(diǎn)。量子力
學(xué)所運(yùn)用的主要數(shù)學(xué)工具也與牛頓力學(xué)有所不同了。
有朋友的小孩問道:為什么世界上最著名的一些人物都是
物理學(xué)家?像愛因斯坦、牛頓……楊振寧這樣的人。其實(shí)道理
很簡(jiǎn)單,因?yàn)槲锢韺W(xué)家所發(fā)現(xiàn)的都是自然界中最為基本的規(guī)律,
而且這些基本規(guī)律是永恒的和普適的,它們對(duì)人類認(rèn)識(shí)自然、改
造自然有著根本意義上的重要性。對(duì)此,我認(rèn)為可以補(bǔ)充道:在
過去的三百年間,關(guān)于誰(shuí)是當(dāng)時(shí)最有錢的人,早已被人們所忘記。
沒有人還記得兩百年前誰(shuí)是世界上最富有的人。即便是現(xiàn)在最有
錢的人,也將很快被人們所遺忘。這并非在鼓勵(lì)獲取一個(gè)永恒
的名聲,只是敘述了一個(gè)事實(shí)而已。這也不是鼓勵(lì)大家都去學(xué)物
理,因?yàn)檫@世界上有很多分工,無(wú)論哪一行都需要有人去做。
做科學(xué)普及工作的果殼網(wǎng)曾經(jīng)做過調(diào)查問卷,調(diào)查中國(guó)
的科學(xué)家為什么不愿意參與科普,最終得到的前三大原因分別是:
怕媒體、沒動(dòng)力、沒渠道。讓人欣慰的是,只有9% 的科學(xué)家認(rèn)
為科學(xué)家不應(yīng)該做科普,這不是他們的責(zé)任。中國(guó)科學(xué)院科學(xué)傳
播局也做了這方面的調(diào)查,調(diào)查中有很高比例的科學(xué)家表示不
能再給我們加任務(wù)了,我們已經(jīng)忙死了。我基本上贊同同行們
的意見,撰寫本書確實(shí)也花了不少精力。很明顯,這本書并不會(huì)
在科學(xué)上取得任何具體的成績(jī),它不是學(xué)術(shù)著作,也不是科學(xué)進(jìn)
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IV
展,它就是科普作品,只是很多地方比一般的科普書更加深入一
些而已。你只要粗略地翻一翻本書就清楚了,它沒有數(shù)學(xué)上的推導(dǎo),
出現(xiàn)的公式也是最基本的那些。而物理的語(yǔ)言是數(shù)學(xué),沒有數(shù)學(xué)
推演其實(shí)就不是物理(如果有不同意見,請(qǐng)輕噴。下同)。書中
的內(nèi)容當(dāng)然基本上是已知的,但是所有內(nèi)容都是經(jīng)過作者思考和
理解之后再敘述的。有些概念還在發(fā)展中,有些概念作者理解得
還不準(zhǔn)確,請(qǐng)讀者批評(píng)和指正。如果讀者能反饋意見給我,筆者
將無(wú)比感激(筆者的email: zzhu@xmu.edu.cn)。原則上,我可
以把本書寫得再厚一點(diǎn),但是這樣做將違背本書所希望達(dá)到的目
標(biāo),那就是,在很短的時(shí)間內(nèi)科普量子力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。理所當(dāng)
然,我們只能科普普通的量子力學(xué),比較高等的部分只是做了一
定的選擇(根據(jù)作者個(gè)人的意見)。
物理學(xué)是建立在一些基本原理和基本概念之上,經(jīng)過數(shù)學(xué)的
演繹和實(shí)驗(yàn)的探索而發(fā)展和完善起來的學(xué)科。所以,理解物理學(xué)
的基本原理和基本概念就顯得尤為重要。書中對(duì)量子力學(xué)的主要
原理和概念進(jìn)行了思考和剖析,有些是哲學(xué)意義上的思考。希望
能夠?qū)⑦@些思考和敘述傳遞給學(xué)物理的學(xué)生、相關(guān)的科技工作者
和大眾。由此,也期待讀者能夠在本書的基礎(chǔ)上繼續(xù)作更加深入
的思考。量子力學(xué)敘述起來在很多方面好像有悖于日常的經(jīng)驗(yàn),
如何淺顯地解釋量子力學(xué)的基本原理就成為本書寫作上的挑戰(zhàn)。
作者將盡量使用簡(jiǎn)單的敘述和語(yǔ)言來討論比較復(fù)雜的概念,希望
讀者也能把思維放開一些。
著名的物理學(xué)家費(fèi)恩曼曾經(jīng)斷言:我想我可以放心地說,
沒有誰(shuí)理解量子力學(xué)。惠勒在給友人的信中也寫道:2000 年
12 月是物理中最偉大的發(fā)現(xiàn)量子論誕生一百周年。為
了慶賀它,我建議用一個(gè)標(biāo)題:量子論我們的榮耀和慚愧。
為什么說榮耀,因?yàn)槲锢韺W(xué)所有分支的發(fā)展都有量子論的影子。
為什么說慚愧,因?yàn)橐话倌赀^去了,我們?nèi)匀徊恢懒孔踊膩?br />前 言
V
源。惠勒是一位著名的物理學(xué)家,普林斯頓大學(xué)的榮譽(yù)退休教
授。所以,很多時(shí)候本書無(wú)法告訴你為什么在某個(gè)地方會(huì)出現(xiàn)某
種量子化,以及為什么兩個(gè)粒子會(huì)處于糾纏態(tài)等類似的問題。本
書只是幫助你了解目前基本的量子力學(xué)的正統(tǒng)解釋和數(shù)學(xué)框架。
筆者的意圖是:既希望本書對(duì)攻讀量子力學(xué)課程的大學(xué)生們有所
啟迪(如數(shù)學(xué)框架方面),也希望能夠向一部分大眾普及量子力
學(xué)的基本原理。當(dāng)然,到底能夠在多大程度上完成這個(gè)任務(wù),只
能有待于時(shí)間的驗(yàn)證。
期待本書能夠?yàn)閺氖伦匀豢茖W(xué)相關(guān)工作的,以及熱愛科學(xué)的
人士提供消遣。最后,應(yīng)該說,閱讀本書從1 小時(shí)到1 個(gè)月都是
合適的。
朱梓忠,廈門大學(xué)物理系教授。1989年在復(fù)旦大學(xué)獲博士學(xué)位。美國(guó)新澤西州立大學(xué)博士后,美國(guó)依阿華州立大學(xué)和能源部阿莫斯實(shí)驗(yàn)室博士后。日本東京大學(xué)、香港科技大學(xué)和臺(tái)灣大學(xué)訪問學(xué)者。長(zhǎng)期從事基于量子力學(xué)基本原理的計(jì)算凝聚態(tài)物理學(xué)研究工作。主持過863項(xiàng)目子項(xiàng)目和多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目,發(fā)表學(xué)術(shù)論文200多篇。目前參與兩項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。
第1 章 引論 1
1.1 總論 2
1.2 量子 7
1.3 經(jīng)典物理學(xué)和量子力學(xué) 8
1.4 什么時(shí)候必須用到量子力學(xué) 10
第2 章 經(jīng)典物理學(xué)的困境 15
2.1 牛頓三個(gè)運(yùn)動(dòng)定律遇到了問題 16
2.1.1 對(duì)牛頓第一定律的討論 16
2.1.2 對(duì)牛頓第二定律的討論 19
2.1.3 對(duì)牛頓第三定律的討論 21
2.2 量子論創(chuàng)立之前的經(jīng)典物理學(xué) 22
2.3 經(jīng)典物理學(xué)遇到的困難 25
第3 章 舊量子論時(shí)期 29
3.1 新世紀(jì)來臨:普朗克的突破 30
3.2 光電效應(yīng) 36
3.3 有核原子模型 39
3.4 玻爾的原子理論 42
3.5 波粒二象性 50
目 錄
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第4 章 量子力學(xué)的創(chuàng)立 61
4.1 海森伯的矩陣力學(xué) 62
4.2 薛定諤的波動(dòng)力學(xué) 66
附:狄拉克和他的q 數(shù)形式 71
4.3 量子力學(xué)的基本假設(shè)和數(shù)學(xué)框架 77
4.4 薛定諤方程 85
4.5 波函數(shù)的幾率解釋 89
4.6 測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系 94
4.7 愛因斯坦與玻爾的爭(zhēng)論 98
4.7.1 愛因斯坦和玻爾在量子力學(xué)的解釋方面的爭(zhēng)論 101
4.7.2 在測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系上的爭(zhēng)論 103
4.7.3 關(guān)于量子力學(xué)完備性的爭(zhēng)論 104
第5 章 更多的量子力學(xué)基礎(chǔ) 107
5.1 波函數(shù)坍縮 108
5.2 態(tài)疊加原理 110
5.3 薛定諤的貓 112
5.4 泡利不相容原理 117
5.5 量子隧道效應(yīng) 124
5.6 1 小時(shí)可以大致科普量子力學(xué)嗎? 126
第6 章 非定域性和量子糾纏 129
6.1 EPR 悖論 130
6.2 量子糾纏 134
6.3 博姆的隱變量理論,貝爾不等式 139
6.4 量子密碼 149
6.5 量子隱形傳態(tài) 153
6.6 量子通信 156
6.7 量子計(jì)算 160
目 錄
IX
第7 章 高等一點(diǎn)點(diǎn)的量子力學(xué) 165
7.1 自旋是什么 166
7.2 非相對(duì)論性量子力學(xué)的第三種形式 171
7.3 相對(duì)論性量子力學(xué) 178
7.4 量子力學(xué)看起來應(yīng)該是這樣的 179
7.5 密度泛函理論 183
7.6 量子力學(xué)的隨機(jī)性、疊加性和非定域性 186
第8 章 今日的量子 191
8.1 量子力學(xué)和相對(duì)論的不相容 192
8.2 當(dāng)今的物理學(xué) 198
8.3 量子力學(xué)的學(xué)習(xí)方法 204
8.4 談?wù)勚Z貝爾獎(jiǎng) 209
8.5 愛因斯坦對(duì)量子力學(xué)的看法 214
8.6 楊振寧對(duì)量子力學(xué)的貢獻(xiàn) 218
參考書目 226
附錄A 量子力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史 228
A.1 量子論創(chuàng)立之前經(jīng)典物理學(xué)在熱輻射現(xiàn)象上的進(jìn)展 228
A.2 舊量子論的誕生和發(fā)展 229
A.3 量子力學(xué)的創(chuàng)立和完善 234
附錄B 對(duì)稱性與守恒定律 239
人名的中英文對(duì)照 242
后記 249