本書譯自David JGriffiths和Darrell FSchroeter教授所著《量子力學概論》(第3版),包含了我國大學量子力學課程主要的內(nèi)容。本書強調(diào)量子力學的實驗基礎和基本概念,講解直接從薛定諤方程開始;同時力圖體現(xiàn)現(xiàn)代物理內(nèi)容,把問題擴展到多個前沿的研究領域,如統(tǒng)計物理、固體物理、粒子物理等。在寫法上,作者從務實的角度出發(fā),著重于交互式的寫作,采用對話式的語言,敘述簡明,文筆流暢,力圖改變量子力學難于理解、難于接受的教學狀況。
本書為高等學校物理學或相關專業(yè)量子力學課程的基礎教材,也可供有關專業(yè)教師、科研人員等參考。
This is a Simplified Chinese Translation of the following title published by Cambridge University Press:
Introduction to Quantum Mechanics, 3rd Edition, ISBN 9781107189638
Second edition David J. Griffiths 2017.
Third edition Cambridge University Press 2018.
This Simplified Chinese Translation for Chinese mainland (excluding Hong Kong SAR, Macao SAR and Taiwan)is published by arrangement with the Press Syndicate of the University of Cambridge, Cambridge, United Kingdom.
Cambridge University Press and China Machine Press 2023.
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本書由Cambridge University Press授權(quán)機械工業(yè)出版社在中國大陸地區(qū)(不包括香港、澳門特別行政區(qū)及臺灣地區(qū))出版與發(fā)行。未經(jīng)許可之出口,視為違反著作權(quán)法,將受法律之制裁。
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北京市版權(quán)局著作權(quán)合同登記圖字:0120200528號。
原書第3版修改和增加的內(nèi)容包括:
新增加一章關于對稱性和守恒定律的內(nèi)容
補充了一些新的問題和例子
改進了一些敘述和解釋
增加了一些利用計算機求解的數(shù)值問題
增加了一些在固體物理的新應用
對含時勢內(nèi)容做了進一步的梳理
與牛頓力學、麥克斯韋電動力學或者愛因斯坦相對論不同, 量子力學不是由個別人建立的(或者是明確地歸結(jié)于某個人)。量子力學在令人振奮但又悲壯的發(fā)展初期留下的那些瘢痕直到現(xiàn)還保留著。對于它的基本原理是什么、如何去教、它到底意味著什么,至今沒有形成普遍、一致的共識。任何一個有能力的物理學家可以談論量子力學,但是我們告訴自己關于我們正在做什么的故事就像《天方夜譚》(Scheherazade)傳說一樣千變?nèi)f化,幾乎是難以置信的。玻爾曾說過,如果你沒有被量子力學搞迷惑,則你根本就沒有真正地理解它。費曼評述道,我想我可以有把握地說沒有人明白量子力學。
本書的目的是教你如何學習量子力學。除了在第1章中一些的基礎知識外,更深的準哲學問題將留在書末。我們不相信一個人在對量子力學是干什么的有一個透徹的理解之前,他可以明智地討論量子力學的意義。但是,如果你急不可待,在學習過第1章后可立即閱讀跋。
量子理論不僅概念豐富,在技術(shù)上處理起來也十分困難。量子力學的實際問題能夠嚴格求解的非常少,更多的是課本上人為編的一些題目,因此發(fā)展處理實際問題的特殊技術(shù)十分必要。相應地,本書分為兩部分這種結(jié)構(gòu)受David Park的經(jīng)典教材的啟發(fā),Introduction to Quantum Theory,第3版,麥格勞希爾(McGrawHill)出版公司,紐約(1992)。:第Ⅰ部分涵蓋了基本理論,第Ⅱ部分匯集了近似方法,同時配以直觀的、有啟發(fā)性的應用示例。盡管在邏輯上保持兩部分的獨立是重要的,但在學習時也不一定按照目前的次序。例如,有些教師可能希望在學習第2章之后能開始接觸定態(tài)微擾理論的學習。
本書供大學三年級或四年級學生一學期或一學年的課程之用。一學期的課程應主要集中在第Ⅰ部分的學習;一學年的課程在第Ⅱ部分之外還可以學習一些補充材料。讀者必須具備線性代數(shù) (總結(jié)在附錄之中)、復數(shù)、微積分的基礎知識,若能熟悉一些傅里葉變換和狄拉克函數(shù)的知識則更有幫助。當然,基本經(jīng)典力學基礎是必要的,一些電動力學的知識也會很有幫助。在通常情況下,你的物理和數(shù)學知識越多,學習起來就越容易,獲得的知識就越多。但量子力學不是以前理論自然平滑過渡的產(chǎn)物。相反,它代表著對經(jīng)典觀念的一種急劇的革命性變革,喚起一種全新的、和直覺完全相反的思考自然世界的方法,這也正是使它成為一個如此有魅力的學科的原因所在。
初看起來,本書留給你的印象是可怕的數(shù)學,我們會用到勒讓德多項式、厄米多項式、拉蓋爾多項式、球諧函數(shù)、貝塞爾函數(shù)、諾伊曼函數(shù)、漢克爾函數(shù)、艾里函數(shù),甚至是黎曼函數(shù)更不用說傅里葉變換、希爾伯特空間、厄米算符、CG(ClebschGordan)系數(shù),所有這些東西都是必要的嗎?也許是不必要的,但是物理學像木匠活一樣:使用正確的工具使工作簡易,減少困難,學習量子力學而沒有適當?shù)臄?shù)學工具就像讓學生用螺絲刀去挖地基一樣它縱然是可能的,但著實痛苦。(另一方面,教師在講授課程時感到每一個復雜課程都必須使用完善的數(shù)學工具,這樣學習就會變得枯燥乏味,而且會使教學重點偏移。我本人的經(jīng)驗是把鐵鏟交給學生,告訴他們自己去開始挖掘。開始時也許他們手上會磨起水泡(遇到困難),但是我一直認為這種方式是有效、激勵的。)不管怎樣,我可以向你保證本書沒有涉及很深的數(shù)學,如果你遇到不熟悉的數(shù)學知識,并且對我們給出的解釋覺得不充分,務必請教他人,或鉆研它。關于數(shù)學方法有很多優(yōu)秀的書籍我特別推薦瑪麗·博厄斯(Mary Boas)的Mathematical Methods in the Physical Sciences中譯本《自然科學及工程中的數(shù)學方法》,機械工業(yè)出版社。編輯注,第3版, Wiley出版社,紐約(2006);或者喬治·阿夫肯(George Arfken)和漢斯玖根·韋伯(HansJurgen Weber)的Mathematical Methods for Physicists,第7版,美國學術(shù)出版社,奧蘭多(2013)。但是無論如何,不要讓數(shù)學對我們來說它僅是工具把物理變得模糊。
一些讀者已經(jīng)注意到,與通常的教科書相比,本書中例題較少,并且一些重要的內(nèi)容放在了習題中,這絕非偶然。我不認為可以通過不做大量的習題而學懂量子力學。如果時間允許,教師理應在課堂上討論盡可能多的例題。但是學生們應當意識到這不是一個任何人都有直觀感覺的課題這里你們正在開發(fā)的是一個全新的肌體,根本就沒有運動的替代物。馬克·西蒙(Mark Semon)建議我對習題給出一個米其林(Michelin)導引,用不同數(shù)目的星號標出其重要性和難度。這的確是一個好主意(盡管這樣,像一個米其林餐廳的質(zhì)量一樣,一個習題的重要性部分是取決于口味),我將采取下面的分級方案:
*每個讀者都應該研究的基本問題。
**有點難度或次要的問題。
***極有挑戰(zhàn)性的問題,可能花費1小時以上的時間來解決。
(沒有星號的意味著快餐:好的,如果你餓了,這可以解決你的問題, 但是營養(yǎng)不太豐富。)大多數(shù)標*的習題出現(xiàn)在相關一節(jié)的后面,而大多數(shù)標***的習題出現(xiàn)在相關章的后面。如果解題過程中需要使用計算機,我們在題前頁面空白處標注一個鼠標。
在準備第3版時,我們試圖盡可能地保持第1版和第2版的特色和意圖。盡管新版現(xiàn)在有兩個作者,我們?nèi)匝永m(xù)使用單人稱我(I)向讀者介紹,這樣會感到更加親密,畢竟是每次僅我們當中一個人來講授(文中我們 指讀者你自己和作者我本人,我們一起工作)。施勒特的參與帶來了一個固體物理學家的新視角,他主要負責新增的一章內(nèi)容對稱性的編寫。我們增加了一些習題,澄清了許多解釋,重新修訂了跋。但我們決定不讓這本書變厚,正是出于這樣一個原因,我們刪除了絕熱近似一章(這一章中重要的觀點已經(jīng)整合在第11章中),刪除了第5章中統(tǒng)計物理的相關內(nèi)容(這部分屬于熱物理)。毫無疑問,如果教師感覺一些其他內(nèi)容合適,歡迎他將認為合適的素材包含在課程內(nèi),但我們僅是讓教材包含本課程為核心的內(nèi)容。
許多同事的建議和評論使我受益匪淺,他們閱讀了初稿,指出前兩版中的不足之處(或錯誤),提出在一些敘述上的改進,提供有趣的習題。我們對如下同事表示特別感謝:PK Aravind(伍斯特理工學院)、Greg Benesh(貝勒學院)、James Bernhard(普吉桑德大學)、Burt Brody(巴德學院)、Ash Carter(德魯大學)、Edward Chang(麻省大學)、Peter Collings(斯沃斯莫爾學院)、Richard Crandall(里德學院)、Jeff Dunham(明德學院)、Greg Elliott(普吉桑德大學)、John Essick(里德學院)、Gregg Franklin(卡內(nèi)基梅隆大學)、Joel Franklin(里德學院)、Henry Greenside(杜克大學)、Paul Haines(達特茅斯學院)、J R Huddle(商船學院)、Larry Hunter(阿默斯特學院)、David Kaplan(華盛頓學院)、Don Koks(阿德萊德大學)、Peter Leung(波特蘭州立大學)、Tony Liss(伊利諾伊學院)、Jeffry Mallow(芝加哥洛約拉大學)、James McTavish(利物浦大學)、James Nearing(邁阿密大學)、Dick Palas、Johnny Powell(里德學院)、Krishna Rajagopal(麻省理工學院)、Brian Raue(佛羅里達國際大學)、Robert Reynolds(里德學院)、Keith Riles(密歇根大學)、Klaus Schmidt-Rohr(布蘭迪斯大學)、Kenny Scott(倫敦大學)、Dan Schroeder(韋伯州立大學)、Mark Semon(貝茨學院)、Herschel Snodgrass(路易克拉克大學)、John Taylor(科羅拉多大學)、Stavros Theodor-akis(塞浦路斯學院)、A S Tremsin(伯克利學院)、Dan Velleman(阿默斯特學院)、Nicholas Wheeler(里德學院)、Scott Willenbrock(伊利諾伊學院)、William Wootters(威廉姆斯學院)和Jens Zorn(密歇根大學)。
作者簡介:
David JGriffiths: 1964年和1970年分別獲得哈佛大學學士和博士學位。畢業(yè)后先后在罕布什爾學院、曼荷蓮學院、三一學院執(zhí)教,1978年加入里德學院至今。20012002年在馬薩諸塞大學、阿默斯特學院、曼荷蓮學院、斯密斯學院和罕布什爾學院做訪問教授。2007年春季在斯坦福大學講授電動力學。盡管格里菲斯教授的博士論文是基本粒子理論,但他主要的科研方向是電動力學和量子力學。共發(fā)表了50多篇的研究論文,出版4部著作,分別是:《電動力學概論》(第4版,劍橋大學出版社,2013)、《粒子物理概論》(第2版,WileyVCH出版社,2008)、《量子力學概論》(第3版,劍橋大學出版社,2018)、《二十世紀物理學革命》(劍橋大學出版社,2013)。
Darrell FSchroeter: 凝聚態(tài)物理理論學家,1995年在里德學院取得學士學位, 2002年在斯坦福大學獲得博士學位,為美國國家自然科學基金博士后研究員。施勒特先后在斯沃斯摩爾學院、西方學院從事物理教學工作,2007年加盟里德學院。由于他指導本科生開展理論研究的出色成就,2011年獲得KITPAnacapa學者稱號。譯者的話量子力學概論(翻譯版原書第3版)格里菲斯教授所著《量子力學概論》是一本適合本科生學習的量子力學教材。第1版、第2版分別于1994年、2005年由美國培生出版集團出版。英文版的《量子力學概論》出版以來,一直是美國和歐洲許多一流理工科大學,包括麻省理工學院、斯坦福大學、加州大學洛杉磯分校等高校物理系學生的教材和指定教學用書,在歐美被認為是合適、現(xiàn)代的教材之一。現(xiàn)在的第3版為格里菲斯教授和施勒特教授兩人合著,改由英國劍橋大學出版社于2018年出版。在第2版出版后,我國機械工業(yè)出版社積極引進英文版,并組織翻譯出版中文版,出版以后深受國內(nèi)廣大讀者的歡迎,多次重印。
譯者的話
前言
第Ⅰ部分理論
第1章波函數(shù)2
11薛定諤方程2
12統(tǒng)計詮釋2
13幾率6
131離散變量6
132連續(xù)變量9
14歸一化11
15動量13
16不確定原理15
本章補充習題17
第2章定態(tài)薛定諤方程20
21定態(tài)20
22無限深方勢阱25
23諧振子32
231代數(shù)法34
232解析法41
24自由粒子47
25函數(shù)勢53
251束縛態(tài)和散射態(tài)53
252函數(shù)勢阱55
26有限深方勢阱61
本章補充習題66
第3章形式理論79
31希爾伯特空間79
32可觀測量81
321厄米算符81
322定態(tài)83
33厄米算符的本征函數(shù)84
331離散譜84
332連續(xù)譜86
34廣義統(tǒng)計詮釋88
35不確定原理91
351廣義不確定原理的證明91
352小不確定波包94
353能量時間不確定原理94
36矢量和算符98
361希爾伯特空間的基矢98
362狄拉克記號101
363狄拉克記號中的基矢變換105
本章補充習題107
第4章三維空間中的量子力學114
41薛定諤方程114
411球坐標115
412角方程116
413徑向方程120
42氫原子125
421徑向波函數(shù)125
422氫原子光譜135
43角動量136
431本征值137
432本征函數(shù)142
44自旋144
441自旋1/2146
442磁場中的電子150
443角動量耦合154
45電磁作用158
451小耦合158
452阿哈羅諾夫玻姆效應160
本章補充習題164
第5章全同粒子174
51雙粒子體系174
511玻色子和費米子176
512交換力178
513自旋181
514廣義對稱性原理182
52原子184
521氦原子185
522元素周期表187
53固體190
531自由電子氣190
532能帶結(jié)構(gòu)194
本章補充習題199
第6章對稱性和守恒律204
61引言204
611空間變換204
62平移算符206
621算符如何平移207
622平移對稱性209
63守恒律212
64宇稱213
641一維宇稱213
642三維宇稱214
643宇稱選擇定則216
65旋轉(zhuǎn)對稱217
651繞z軸旋轉(zhuǎn)217
652三維旋轉(zhuǎn)218
66簡并221
67轉(zhuǎn)動選擇定則223
671標量算符的選擇定則223
672矢量算符的選擇定則226
68時間平移變換230
681海森伯繪景231
682時間平移不變性233
本章補充習題235第Ⅱ部分應用
第7章定態(tài)微擾理論242
71非簡并微擾理論242
711一般公式242
712一階理論243
713二階能量修正246
72簡并微擾理論248
721二重簡并248
722好態(tài)252
723多重簡并254
73氫原子的精細結(jié)構(gòu)256
731相對論修正256
732自旋軌道耦合259
74塞曼效應263
741弱場塞曼效應264
742強場塞曼效應266
743中間場塞曼效應267
75氫原子超精細分裂269
本章補充習題271
第8章變分原理283
81理論283
82氦原子的基態(tài)287
83氫分子離子291
84氫分子295
本章補充習題300
第9章WKB近似307
91經(jīng)典區(qū)域307
92隧道效應311
93連接公式314
本章補充習題322
第10章散射327
101引言327
1011經(jīng)典散射理論327
1012量子散射理論329
102分波法331
1021理論形式331
1022計算策略333
103相移334
104玻恩近似337
1041薛定諤方程的積分形式337
1042一階玻恩近似340
1043玻恩級數(shù)343
本章補充習題345
第11章量子動力學349
111二能級系統(tǒng)350
1111微擾系統(tǒng)350
1112含時微擾理論352
1113正弦微擾355
112輻射的發(fā)射與吸收357
1121電磁波357
1122吸收、受激發(fā)射和自發(fā)發(fā)射358
1123非相干微擾359
113自發(fā)發(fā)射361
1131愛因斯坦A、B系數(shù)361
1132激發(fā)態(tài)壽命363
1133選擇定則365
114費米黃金規(guī)則367
115絕熱近似370
1151絕熱過程370
1152絕熱定理372
本章補充習題377
第12章跋388
121EPR佯謬388
122貝爾定理390
123混合態(tài)和密度矩陣395
1231純態(tài)395
1232混合態(tài)396
1233子系統(tǒng)398
124不可克隆定理399
125薛定諤貓400
附錄線性代數(shù)403
A1矢量403
A2內(nèi)積405
A3矩陣407
A4基矢變換411
A5本征矢和本征值413
A6厄米變換419
索引422