物理学中的量子概念

　　马尔科姆·朗盖尔（Malcolm Longair）教授，1941年出生于英国，1967年在剑桥大学卡文迪什实验室获博士学位。1968—1969年作为英国皇家学会的交换访问学者在莫斯科列别捷夫研究所工作。其后又6次作为交换访问学者到苏联空间研究所工作，并担任美国多个研究所和天文台的访问教授。1980—1990年同时担任苏格兰皇家天文学家、爱丁堡大学钦定天文学讲座教授和爱丁堡皇家天文台台长。1991—1997年任卡文迪什实验室副主任，专门负责物理教学工作，1997年以后成为卡文迪什实验室主任。获得过多个奖项，包括1986年2月获得的“首届大不列颠学习与丰富生活传播奖”。1990年12月在电视上做了题为“我们宇宙的起源”的系列讲座，该系列讲座是英国皇家科学研究所在圣诞节期间专为青少年开设的。在2000年被英国政府授予司令勋章。主要研究领域为高能天体物理学与天体物理宇宙学。撰写了多部学术著作，并发表了超过250篇的研究论文。 高先龙，2001年博士毕业于中国科学技术大学，2001—2007年先后在德国乌尔姆大学、意大利比萨高等师范学院开展博士后研究工作，2007年起在浙江师范大学任教授。曾赴西班牙巴斯克国立大学、意大利国际理论物理中心、美国密苏里-哥伦比亚大学等国外高校、研究机构访问。长期从事凝聚态和低维冷原子物理方面的研究工作，以作者或通讯作者的身份在《Physical Review》等期刊发表论文50余篇。长期为本科生讲授“量子力学”“可视化物理”“定性与半定量物理”等课程。 梁兆新，2006年博士毕业于中国科学院大学，2006—2017年先后在香港浸会大学非线性中心和中国科学院金属研究所开展博士后研究工作，2017年起在浙江师范大学任教授。长期从事冷原子物理和非线性物理方面的研究工作，以作者或通讯作者的身份发表40余篇学术论文（其中3篇发表在《Physical Review Letters》）。长期为本科生和研究生讲授“量子力学”“高等量子力学”“量子光学”等课程。

　　本书为高年级本科生、物理学家、物理史学家和物理哲学家撰写，讲述在20世纪前30年的非凡岁月里我们在理解量子现象的过程中发生的故事。本书没有遵循标准的公理化方法，而是从历史的视角，清晰而权威地阐述了海森堡、薛定谔、泡利和狄拉克等先驱者如何发展量子力学的基本原理并将它们融合成一个自洽的理论，以及量子力学的数学框架为什么必须如此复杂。作者开创了一种引人入胜的写作方式，提供了一个如何在实践中运用物理和数学的非凡例子。本书鼓励人们加深对数学、理论和实验之间互动的理解。与其他任何相同层次的书相比，本书可以帮助读者更深入地了解量子力学的发展和内容。

前言
第1部分   量子的发现
第1章   1895年的物理学和理论物理学
1.1   19世纪物理学的胜利
1.2   19世纪的原子和分子
1.3   气体动理论和玻尔兹曼统计力学
1.4   麦克斯韦电磁场方程
1.5   迈克耳孙-莫雷实验与相对论
1.6   谱线的起源
1.7   黑体辐射谱
1.8   暴风前夕
第2章   普朗克和黑体辐射
2.1   实验技术的关键作用
2.2   1895年～1900年：改变实验物理学的面貌
2.3   普朗克和黑体辐射谱
2.4   通向黑体辐射谱
2.5   黑体辐射定律与实验的比较
2.6   普朗克的黑体辐射理论
2.7   普朗克和“自然单位”
2.8   普朗克和h的物理意义
第3章   爱因斯坦和量子1900年～1911年
3.1   爱因斯坦在1905年
3.2   爱因斯坦关于布朗运动
3.3   《关于光的产生和转化的一个启发性观点》
3.4   固体的量子理论
3.5   德拜的比热理论
3.6   粒子和波的涨落——爱因斯坦
3.7   届索尔维会议
3.8   序幕的尾声
第2部分   旧 量 子 论
第4章   氢原子的玻尔模型
4.1   塞曼效应：洛伦兹和拉莫尔的解释
4.2   建立原子模型的问题
4.3   汤姆孙和卢瑟福
4.4   哈斯和尼科尔森的原子模型
4.5   玻尔的氢原子模型
4.6   莫塞莱和化学元素的X射线谱
4.7   弗兰克-赫兹实验
4.8   接受玻尔的原子理论
第5章   索末菲和埃伦费斯特——推广玻尔模型
5.1   简介
5.2   索末菲对玻尔模型的椭圆轨道推广
5.3   索末菲和精细结构常数
5.4   数学插曲——从牛顿到哈密顿-雅可比
5.5   索末菲的原子三维模型
5.6   埃伦费斯特和绝热原理
5.7   发展中的量子理论框架
第6章   爱因斯坦系数、玻尔对应原理和选择定则
6.1   定态跃迁问题
6.2   《关于辐射的量子理论》
6.3   玻尔对应原理
6.4   选择定则
6.5   量子化辐射的偏振和选择定则
6.6   里德伯线系和量子亏损
6.7   迈向更完备的原子量子理论
第7章   理解原子光谱——额外的量子数
7.1   光谱学、多重谱和谱线的分裂
7.2   斯塔克效应
7.3   塞曼效应
7.4   反常塞曼效应
7.5   巴尼特、爱因斯坦-德哈斯和斯特恩-格拉赫的实验
第8章   玻尔的元素周期表模型和自旋的起源
8.1   玻尔的个元素周期表模型
8.2   沃尔夫斯凯尔讲座和玻尔的第二个元素周期表理论
8.3   X射线标准和斯通纳修订的元素周期表
8.4   泡利不相容原理
8.5   电子的自旋
第9章   波粒二象性
9.1   康普顿效应
9.2   玻色-爱因斯坦统计
9.3   德布罗意波
9.4   电子衍射
9.5   到1924年底已取得的成就
第3部分   量子力学的发现
第10章   旧量子论的崩溃和再生
10.1   拉登堡、克拉默斯和色散理论
10.2   斯莱特和玻尔-克拉默斯-斯莱特理论
10.3   玻恩和“量子力学”
10.4   哥廷根的数学和物理学
第11章   海森堡的突破
11.1   海森堡在哥廷根、哥本哈根和黑尔戈兰
11.2   《运动和力学关系的量子理论再解释》
11.3   辐射问题以及从经典物理学到量子物理学的转变
11.4   新动力学
11.5   非线性谐振子
11.6   简单旋子
11.7   反思
第12章   矩阵力学
12.1   玻恩的回应
12.2   玻恩和约当的矩阵力学
12.3   玻尔、海森堡和约当——三人论文
12.4   泡利的氢原子理论
12.5   矩阵力学的胜利及其不完备性
第13章   狄拉克的量子力学
13.1   狄拉克的量子力学方法
13.2   狄拉克和《量子力学基本方程》
13.3   量子代数、q数和c数以及氢原子
13.4   多电子原子、《关于量子代数》和博士学位论文
第14章   薛定谔与波动力学
14.1   薛定谔的物理学和数学背景
14.2   爱因斯坦、德布罗意和薛定谔
14.3   相对论性的薛定谔方程
14.4   《量子化是本征值问题（第1部分）》
14.5   《量子化是本征值问题（第2部分）》
14.6   波包
14.7   《量子化是本征值问题（第3部分）》
14.8   《量子化是本征值问题（第4部分）》
14.9   反思
第15章   统一矩阵力学和波动力学
15.1   薛定谔
15.2   兰乔斯
15.3   玻恩和维纳的算符形式
15.4   泡利给约当的信
15.5   埃卡特和算子微积分
15.6   调和量子力学和玻尔角动量量子化——WKB近似
15.7   反思
第16章   自旋与量子统计
16.1   自旋与朗德g因子
16.2   海森堡与氦原子
16.3   费米-狄拉克统计——费米的方法
16.4   费米-狄拉克统计——狄拉克的方法
16.5   将自旋引入量子力学——泡利自旋矩阵
16.6   狄拉克方程与电子理论
16.7   正电子的发现
第17章   量子力学的解释
17.1   薛定谔的解释
17.2   玻恩对波函数ψ的概率解释
17.3   狄拉克-约当变换理论
17.4   量子力学的数学完备性
17.5   海森堡的不确定性原理
17.6   埃伦费斯特定理
17.7   量子力学的哥本哈根诠释
第18章   余波
18.1   理论的发展
18.2   量子隧穿理论
18.3   原子分裂与科克罗夫特和沃尔顿实验
18.4   中子的发现
18.5   核裂变的发现
18.6   泡利、中微子和费米的弱相互作用理论
18.7   宇宙射线与基本粒子的发现
18.8   天体物理中的应用
注释
参考文献
致谢
主题索引
后记