量子力學(閆學群主編學術書籍)

前言

近代以來,量子力學一直被作為物理及相關專業必修的、最重要的基礎理論課.特別是近些年來,由於技術的進步,它的套用範圍越來越廣泛.量子力學與愛因斯坦建立的相對論的一個很大的不同是：量子力學離我們的日常生活更近.由量子力學產生的技術方面的套用結果常常被用於我們的日常生活.20世紀40年代，人類掌握了核能技術,物理學把人類社會帶入了“原子時代”.如今核技術不但給人類提供能源,還被廣泛套用於醫學領域，大家熟知的放射性和核磁共振診療就是典型的例子.1947年，電晶體的發明標誌著資訊時代的到來.五六十年代，雷射的發明大大改變了現代人類的生活.所有這一切都是建立在量子概念或是量子力學的基礎之上.當今的化學、材料科學、生物學乃至宇宙學，沒有量子力學就絕不可能有目前的發展.可以毫不誇張地說,沒有量子力學,就沒有我們今天的生活.

由於量子力學理論較為抽象,給初學者在學習上帶來了很大困難.本書力求在不對理論造成錯誤理解的基礎上,儘可能地交代給讀者一個“生動”的量子力學理論.為了讓學生接受起來感覺自然,本書仍然依照量子力學產生的歷史順序講起.我們把一些近些年發展起來的新思想貫穿於整體內容之中,並且重點放到了最後一章,在不對學習基本內容造成干擾的基礎上,擴大了學生的知識面.

量子力學學習的難點，也是它與牛頓力學乃至經典物理學的不同點,在於它對物理量的數學描述方式.我們的經典物理學在建立物理體系的時候選用的所有物理量,也可以說出現在方程和公式中的量,都是和實驗有直接關係的量.這些物理量或者是可以直接測量，或者是可以用直接測量量計算得到.然而,當我們學習了量子力學後會發現,這種情況發生了根本性的改變,方程和公式中出現的最重要的“東西”居然是無法測量得到的,甚至由測量量經過直接計算也無法得到,它們就是波函式和算符.量子力學，特別是初等量子力學,這“兩樣東西”貫穿於理論始終.以我個人多年講授量子力學的粗淺理解,初學者可以通過圖01了解量子力學的基本結構.量子力學是一座大廈,支撐這座大廈的是兩塊“基石”:算符和波函式.大廈下面的地基是線性代數、數學物理方法等.顯然,地基不結實,大廈就會不穩.因此,學好量子力學,打好地基、鋪穩基石是必須要做的.

另外,經典理論中所得到的物理定律與量子現象方面所暗示的物理定律之間有著兩個根本性的區別.第一個區別是,經典理論總是處理連續變化的量,而量子理論還要處理不連續或不可分的過程.第二個區別是,經典理論完全決定了變數在較早時刻與稍後時刻之間的關係(即完全的因果理論),而量子定律只能由給定的有關過去的條件決定未來事件的機率.量子力學雖然產生於對微觀世界的描述,但是它的規律並不是與巨觀物質世界無關.有一些巨觀現象,量子效應也直接地表現出來,例如,近些年實驗觀察到的玻色愛因斯坦凝聚現象.因此,經典力學和量子力學適用範圍的分界線,到目前為止仍然不明確.

量子力學(閆學群主編學術書籍)

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