描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787030827784
内容简介
以海森伯1925年创建矩阵力学为起点，量子力学已经走过了整整一个世纪。《量子里程碑I》通过一系列专题来展示该学科百年来的里程碑式跨越。从量子力学核心知识出发，进人*大熵原理、辐射与物质相互作用、量子信息学、量子生物学、天体物理学与宇宙学等领域，特别讲述宇宙加速膨胀与暗能量、黑洞与霍金辐射、中微子理论及应用前景、地球气候的物理模型、量子纠缠及阿秒物理学等诺贝尔奖专题。从大学本科知识出发，以追根溯源、深人浅出、细致详尽的方式，逐渐推进到前沿热点。追求严谨的学术论述，生动的科普解说，真实的历史故事。
I卷为1～11章。
I卷为1～11章。
目 录
目录
前言
第1章 量子与黑体辐射 1
1.1 从芝诺悖论说起 1
1.2 黑体辐射的概念 2
1.3 黑体辐射的实验规律 6
1.4 黑体辐射的理论研究 7
1.4.1 维恩分布 8
1.4.2 辐射模密度 9
1.4.3 瑞利–金斯公式 13
1.5 普朗克黑体辐射公式 14
1.6 黑体辐射公式的应用 20
1.6.1 普朗克公式的推论 20
1.6.2 波长分布与频率分布 22
1.6.3 固体比热的量子理论 23
1.7 芝诺悖论的解除 25
第2章 量子世界的不确定性——测不准原理 27
2.1 海森伯的故事.27
2.1.1 天之骄子 27
2.1.2 矩阵力学 28
2.1.3 测不准关系 31
2.1.4 物理学之外 33
2.2 算符的对易关系 34
2.3 算符对易的物理意义 36
2.4 测不准关系 38
2.4.1 一般性推导 38
2.4.2 傅里叶变换 41
2.4.3 电子单缝衍射 42
2.4.4 势阱中的小球 43
2.5 测不准关系的应用 44
2.5.1 自由粒子 44
2.5.2 谐振子 45
2.5.3 基态氢原子 48
2.5.4 含时情况：自由粒子波包 52
2.5.5 估算能量 53
2.5.6 超导中的测不准关系 54
2.6 能量–时间测不准关系58
2.6.1 一个简单的推导方法 58
2.6.2 作为一般性测不准关系的推论 59
2.6.3 从相对论推导测不准关系 60
2.6.4 关于测不准关系的争论 62
第3章 量子体系的统计方法——薛定谔方程 66
3.1 波函数 66
3.1.1 从“轨道”到“概率” 66
3.1.2 波函数的性质 70
3.1.3 力学量的平均值和期待值 72
3.2 薛定谔方程 73
3.2.1 电子双缝衍射 73
3.2.2 自由粒子的波函数 76
3.2.3 薛定谔方程的建立 77
3.2.4 薛定谔方程的本征解 80
3.3 薛定谔方程的一般解 82
3.4 求解量子体系的一般方法 84
3.5 一个实例：双原子分子的能级 90
3.5.1 莫尔斯势 90
3.5.2 谐振子近似 91
3.5.3 精确解 92
3.5.4 与测量结果相比较 93
3.6 关于量子力学统计方法的讨论 94
第4章 量子隧穿 97
4.1 什么是量子隧穿 97
4.2 方形势垒 98
4.3 任意势垒 104
4.3.1 任意势垒的透射系数 104
4.3.2 透射系数的估算 105
4.3.3 隧穿效应发生的条件 107
4.4 原子核的 α 衰变.108
4.5 隧穿效应的应用 111
4.5.1 冷电子发射 111
4.5.2 热核聚变 112
4.5.3 隧道二极管 114
4.5.4 扫描隧道显微镜 115
4.5.5 原子钟 116
4.5.6 化学与生物方面的应用 117
第5章 量子跃迁 119
5.1 含时微扰论方程 119
5.2 跃迁概率与典型的跃迁过程 121
5.2.1 跃迁概率 121
5.2.2 常微扰 122
5.2.3 费米黄金规则 125
5.2.4 周期性微扰 126
5.3 偶极近似 128
5.4 原子与光场的相互作用 130
5.4.1 吸收 130
5.4.2 受激发射 131
5.4.3 自发发射 131
5.5 爱因斯坦方程 132
5.5.1 非相干微扰光场 132
5.5.2 爱因斯坦方程中的跃迁速率 133
5.5.3 跃迁速率 136
5.6 激光 137
5.6.1 激光产生的物理机制 137
5.6.2 激光的量子特性 140
5.7 自发发射与合作自发发射 141
5.7.1 自发发射：荧光 141
5.7.2 合作自发发射：超荧光和超辐射 142
第6章 泡利矩阵与电子自旋 145
6.1 泡利矩阵 145
6.1.1 基本性质 145
6.1.2 自旋向上和自旋向下 149
6.1.3 双态体系问题 152
6.2 自旋 154
6.2.1 氢原子的轨道磁矩 154
6.2.2 自旋和自旋 1/2 156
6.3 电子自旋 158
6.3.1 电子“自转角动量” 158
6.3.2 施特恩–格拉赫实验 160
6.4 自旋的矩阵表示 163
6.4.1 自旋矩阵 163
6.4.2 自旋角动量的投影 165
6.5 电子自旋的相对论量子力学描述 167
6.6 电子自旋的机制究竟是什么？.172
第7章 固体的量子理论 176
7.1 固体中的电子：两种模型 176
7.2 自由电子气模型 177
7.2.1 三维无限深势阱模型 177
7.2.2 费米能级 178
7.2.3 **模型 180
7.3 能带形成的机制 182
7.4 克勒尼希–彭尼模型 183
7.5 能带论 185
7.5.1 周期势场中的薛定谔方程 185
7.5.2 电子的能量方程及能带 187
7.5.3 允带和禁带 190
7.5.4 布里渊区 192
7.6 半导体 194
7.6.1 半导体的基本性质 195
7.6.2 半导体内电场 196
7.6.3 半导体载流子的定解问题 199
7.7 光子晶体 201
7.8 量子统计力学 204
7.8.1 三粒子体系 204
7.8.2 N粒子体系 207
7.8.3 *概然布居数 210
7.8.4 参数的物理意义 212
7.8.5 量子统计分布与平均粒子数 214
7.9 量子统计力学的应用215
7.9.1 化学势与费米能级 215
7.9.2 黑体辐射与平均光子数 216
7.9.3 晶格振动、声子与德拜模型 218
7.10 石墨烯 223
7.10.1 石墨烯：碳原子网 223
7.10.2 石墨烯的能带结构 225
7.10.3 奇特的量子效应 227
7.10.4 石墨烯的狄拉克方程 228
第8章 辐射场的量子态 230
8.1 量子谐振子 230
8.2 算符代数法 231
8.2.1 哈密顿算符的代数形式 232
8.2.2 基态和任意本征态 234
8.2.3 数态和数态表象 237
8.3 单模辐射场与量子谐振子 238
8.3.1 无损耗传输线的量子化 238
8.3.2 单模辐射场的量子化 240
8.4 光子数态 243
8.5 相干态 245
8.5.1 数态的相干叠加 245
8.5.2 相干态的基本性质 247
8.5.3 平移算符 249
8.5.4 非正交性 251
8.5.5 完备性 252
8.5.6 高斯波包 253
8.6 压缩态 254
8.6.1 非**光 255
8.6.2 双光子相干态 257
8.6.3 压缩态的物理图像 259
第9章 薛定谔猫态.261
9.1 量子叠加原理 261
9.2 薛定谔猫态的概念 262
9.3 薛定谔猫态的量子统计性质 264
9.3.1 数值解与讨论 264
9.3.2 偶相干态和奇相干态 267
9.4 薛定谔猫态的相干性269
9.4.1 薛定谔猫态的退相干 269
9.4.2 用位相调制维持相干性 270
9.4.3 位相调制的实验方案 273
第10章 单模场与单原子的相互作用 275
10.1 二能级原子.275
10.2 JCM模型的精确解 277
10.3 含时JCM体系 280
10.3.1 含时JCM体系的表述 280
10.3.2 含时JCM体系的性质 281
10.4 真空态 282
10.5 相干态 285
10.5.1 相干态JCM体系 285
10.5.2 光子数分布 287
10.6 JCM体系的制备——腔模QED 288
第11章 *大熵原理 291
11.1 熵的定义 291
11.1.1 克劳修斯熵与玻尔兹曼熵 291
11.1.2 吉布斯熵：统计熵 292
11.1.3 熵与信息 294
11.1.4 熵的基本性质 295
11.2 量子熵 298
11.2.1 混合态的量子熵：正交集 299
11.2.2 混合态的量子熵：非正交集 302
11.2.3 熵动力学 305
11.3 *大熵原理：一个简单例子 310
11.3.1 一个简单例子 311
11.3.2 一般表述 315
11.3.3 玻尔兹曼分布 316
11.3.4 分布函数的熵 318
11.4 辐射场的*大熵原理.319
11.4.1 量子熵的*大化 320
11.4.2 热平衡中的辐射场 320
11.4.3 平均光子数与量子熵 323
11.4.4 光子统计的一般性计算 325
11.4.5 热场的光子统计性质 327
11.4.6 热场的量子起伏 329
11.5 噪声中的相干态 329
11.5.1 熵的*大化 330
11.5.2 两个特殊情况 332
11.5.3 辐射场的性质 334
11.6 噪声中的压缩态 338
11.6.1 Yuen哈密顿量 339
11.6.2 熵的*大化 340
11.6.3 辐射场的性质 342
11.7 结论 347
第12章 生物光子辐射的量子理论349
12.1 合作效应与合作辐射.349
12.2 三能级系统的Exciplex模型 351
12.2.1 理论建立的实验基础 351
12.2.2 系统的哈密顿和主方程 353
12.2.3 系统的耦合运动方程 355
12.2.4 密度算子的稳态解 359
12.3 生物分子的激发态 363
12.4 发射强度 369
12.5 强度关联 371
12.6 系统的动力学 374
12.6.1 激发态动力学方程 375
12.6.2 合作辐射：超辐射 378
12.6.3 合作辐射：超荧光 381
12.7 理论与实验结果的比较 386
12.8 应用举例 391
12.9 结论 392
第13章 生命体系的非**光 395
13.1 生命体系的若干非**现象 395
13.2 生物光子场与 DNA 声子库的相互作用 397
13.3 叠加态体系的动力学性质 399
13.3.1 密度算符的含时解 399
13.3.2 辐射场的一般性质 400
13.3.3 量子熵 401
13.3.4 Wehrl熵 404
13.3.5 光子统计熵 406
13.3.6 光场熵对平均光子数的依赖性 408
13.
前言
第1章 量子与黑体辐射 1
1.1 从芝诺悖论说起 1
1.2 黑体辐射的概念 2
1.3 黑体辐射的实验规律 6
1.4 黑体辐射的理论研究 7
1.4.1 维恩分布 8
1.4.2 辐射模密度 9
1.4.3 瑞利–金斯公式 13
1.5 普朗克黑体辐射公式 14
1.6 黑体辐射公式的应用 20
1.6.1 普朗克公式的推论 20
1.6.2 波长分布与频率分布 22
1.6.3 固体比热的量子理论 23
1.7 芝诺悖论的解除 25
第2章 量子世界的不确定性——测不准原理 27
2.1 海森伯的故事.27
2.1.1 天之骄子 27
2.1.2 矩阵力学 28
2.1.3 测不准关系 31
2.1.4 物理学之外 33
2.2 算符的对易关系 34
2.3 算符对易的物理意义 36
2.4 测不准关系 38
2.4.1 一般性推导 38
2.4.2 傅里叶变换 41
2.4.3 电子单缝衍射 42
2.4.4 势阱中的小球 43
2.5 测不准关系的应用 44
2.5.1 自由粒子 44
2.5.2 谐振子 45
2.5.3 基态氢原子 48
2.5.4 含时情况：自由粒子波包 52
2.5.5 估算能量 53
2.5.6 超导中的测不准关系 54
2.6 能量–时间测不准关系58
2.6.1 一个简单的推导方法 58
2.6.2 作为一般性测不准关系的推论 59
2.6.3 从相对论推导测不准关系 60
2.6.4 关于测不准关系的争论 62
第3章 量子体系的统计方法——薛定谔方程 66
3.1 波函数 66
3.1.1 从“轨道”到“概率” 66
3.1.2 波函数的性质 70
3.1.3 力学量的平均值和期待值 72
3.2 薛定谔方程 73
3.2.1 电子双缝衍射 73
3.2.2 自由粒子的波函数 76
3.2.3 薛定谔方程的建立 77
3.2.4 薛定谔方程的本征解 80
3.3 薛定谔方程的一般解 82
3.4 求解量子体系的一般方法 84
3.5 一个实例：双原子分子的能级 90
3.5.1 莫尔斯势 90
3.5.2 谐振子近似 91
3.5.3 精确解 92
3.5.4 与测量结果相比较 93
3.6 关于量子力学统计方法的讨论 94
第4章 量子隧穿 97
4.1 什么是量子隧穿 97
4.2 方形势垒 98
4.3 任意势垒 104
4.3.1 任意势垒的透射系数 104
4.3.2 透射系数的估算 105
4.3.3 隧穿效应发生的条件 107
4.4 原子核的 α 衰变.108
4.5 隧穿效应的应用 111
4.5.1 冷电子发射 111
4.5.2 热核聚变 112
4.5.3 隧道二极管 114
4.5.4 扫描隧道显微镜 115
4.5.5 原子钟 116
4.5.6 化学与生物方面的应用 117
第5章 量子跃迁 119
5.1 含时微扰论方程 119
5.2 跃迁概率与典型的跃迁过程 121
5.2.1 跃迁概率 121
5.2.2 常微扰 122
5.2.3 费米黄金规则 125
5.2.4 周期性微扰 126
5.3 偶极近似 128
5.4 原子与光场的相互作用 130
5.4.1 吸收 130
5.4.2 受激发射 131
5.4.3 自发发射 131
5.5 爱因斯坦方程 132
5.5.1 非相干微扰光场 132
5.5.2 爱因斯坦方程中的跃迁速率 133
5.5.3 跃迁速率 136
5.6 激光 137
5.6.1 激光产生的物理机制 137
5.6.2 激光的量子特性 140
5.7 自发发射与合作自发发射 141
5.7.1 自发发射：荧光 141
5.7.2 合作自发发射：超荧光和超辐射 142
第6章 泡利矩阵与电子自旋 145
6.1 泡利矩阵 145
6.1.1 基本性质 145
6.1.2 自旋向上和自旋向下 149
6.1.3 双态体系问题 152
6.2 自旋 154
6.2.1 氢原子的轨道磁矩 154
6.2.2 自旋和自旋 1/2 156
6.3 电子自旋 158
6.3.1 电子“自转角动量” 158
6.3.2 施特恩–格拉赫实验 160
6.4 自旋的矩阵表示 163
6.4.1 自旋矩阵 163
6.4.2 自旋角动量的投影 165
6.5 电子自旋的相对论量子力学描述 167
6.6 电子自旋的机制究竟是什么？.172
第7章 固体的量子理论 176
7.1 固体中的电子：两种模型 176
7.2 自由电子气模型 177
7.2.1 三维无限深势阱模型 177
7.2.2 费米能级 178
7.2.3 **模型 180
7.3 能带形成的机制 182
7.4 克勒尼希–彭尼模型 183
7.5 能带论 185
7.5.1 周期势场中的薛定谔方程 185
7.5.2 电子的能量方程及能带 187
7.5.3 允带和禁带 190
7.5.4 布里渊区 192
7.6 半导体 194
7.6.1 半导体的基本性质 195
7.6.2 半导体内电场 196
7.6.3 半导体载流子的定解问题 199
7.7 光子晶体 201
7.8 量子统计力学 204
7.8.1 三粒子体系 204
7.8.2 N粒子体系 207
7.8.3 *概然布居数 210
7.8.4 参数的物理意义 212
7.8.5 量子统计分布与平均粒子数 214
7.9 量子统计力学的应用215
7.9.1 化学势与费米能级 215
7.9.2 黑体辐射与平均光子数 216
7.9.3 晶格振动、声子与德拜模型 218
7.10 石墨烯 223
7.10.1 石墨烯：碳原子网 223
7.10.2 石墨烯的能带结构 225
7.10.3 奇特的量子效应 227
7.10.4 石墨烯的狄拉克方程 228
第8章 辐射场的量子态 230
8.1 量子谐振子 230
8.2 算符代数法 231
8.2.1 哈密顿算符的代数形式 232
8.2.2 基态和任意本征态 234
8.2.3 数态和数态表象 237
8.3 单模辐射场与量子谐振子 238
8.3.1 无损耗传输线的量子化 238
8.3.2 单模辐射场的量子化 240
8.4 光子数态 243
8.5 相干态 245
8.5.1 数态的相干叠加 245
8.5.2 相干态的基本性质 247
8.5.3 平移算符 249
8.5.4 非正交性 251
8.5.5 完备性 252
8.5.6 高斯波包 253
8.6 压缩态 254
8.6.1 非**光 255
8.6.2 双光子相干态 257
8.6.3 压缩态的物理图像 259
第9章 薛定谔猫态.261
9.1 量子叠加原理 261
9.2 薛定谔猫态的概念 262
9.3 薛定谔猫态的量子统计性质 264
9.3.1 数值解与讨论 264
9.3.2 偶相干态和奇相干态 267
9.4 薛定谔猫态的相干性269
9.4.1 薛定谔猫态的退相干 269
9.4.2 用位相调制维持相干性 270
9.4.3 位相调制的实验方案 273
第10章 单模场与单原子的相互作用 275
10.1 二能级原子.275
10.2 JCM模型的精确解 277
10.3 含时JCM体系 280
10.3.1 含时JCM体系的表述 280
10.3.2 含时JCM体系的性质 281
10.4 真空态 282
10.5 相干态 285
10.5.1 相干态JCM体系 285
10.5.2 光子数分布 287
10.6 JCM体系的制备——腔模QED 288
第11章 *大熵原理 291
11.1 熵的定义 291
11.1.1 克劳修斯熵与玻尔兹曼熵 291
11.1.2 吉布斯熵：统计熵 292
11.1.3 熵与信息 294
11.1.4 熵的基本性质 295
11.2 量子熵 298
11.2.1 混合态的量子熵：正交集 299
11.2.2 混合态的量子熵：非正交集 302
11.2.3 熵动力学 305
11.3 *大熵原理：一个简单例子 310
11.3.1 一个简单例子 311
11.3.2 一般表述 315
11.3.3 玻尔兹曼分布 316
11.3.4 分布函数的熵 318
11.4 辐射场的*大熵原理.319
11.4.1 量子熵的*大化 320
11.4.2 热平衡中的辐射场 320
11.4.3 平均光子数与量子熵 323
11.4.4 光子统计的一般性计算 325
11.4.5 热场的光子统计性质 327
11.4.6 热场的量子起伏 329
11.5 噪声中的相干态 329
11.5.1 熵的*大化 330
11.5.2 两个特殊情况 332
11.5.3 辐射场的性质 334
11.6 噪声中的压缩态 338
11.6.1 Yuen哈密顿量 339
11.6.2 熵的*大化 340
11.6.3 辐射场的性质 342
11.7 结论 347
第12章 生物光子辐射的量子理论349
12.1 合作效应与合作辐射.349
12.2 三能级系统的Exciplex模型 351
12.2.1 理论建立的实验基础 351
12.2.2 系统的哈密顿和主方程 353
12.2.3 系统的耦合运动方程 355
12.2.4 密度算子的稳态解 359
12.3 生物分子的激发态 363
12.4 发射强度 369
12.5 强度关联 371
12.6 系统的动力学 374
12.6.1 激发态动力学方程 375
12.6.2 合作辐射：超辐射 378
12.6.3 合作辐射：超荧光 381
12.7 理论与实验结果的比较 386
12.8 应用举例 391
12.9 结论 392
第13章 生命体系的非**光 395
13.1 生命体系的若干非**现象 395
13.2 生物光子场与 DNA 声子库的相互作用 397
13.3 叠加态体系的动力学性质 399
13.3.1 密度算符的含时解 399
13.3.2 辐射场的一般性质 400
13.3.3 量子熵 401
13.3.4 Wehrl熵 404
13.3.5 光子统计熵 406
13.3.6 光场熵对平均光子数的依赖性 408
13.
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