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Quantum Mechanics: The Theoretical Minimum(量子力学:理论最小值) cover

物理学

物理学

Quantum Mechanics: The Theoretical Minimum(量子力学:理论最小值)

Leonard Susskind; Art Friedman

英文原名: Quantum Mechanics: The Theoretical Minimum

伦纳德·萨斯坎德 Theoretical Minimum 系列的第二卷,与阿特·弗里德曼合著,面向愿意动手推导公式的读者介绍量子力学的逻辑与数学。它不从波动力学出发,而是从自旋和简单的二态系统入手,逐步建立量子态、可观测量、测量和纠缠等概念。

需要的基础: 基础代数与微积分;复数以及所需的线性代数会在简短的数学插曲中介绍。

难度等级
入门
学术层次
本科
quantum mechanicsspinentanglementlinear algebra入门

01 / 导读

导读

引用

Susskind, L., & Friedman, A. (2015). Quantum Mechanics: The Theoretical Minimum. Basic Books.

章节概要

全书共十章。出版社说,这十章与萨斯坎德在斯坦福大学开设的量子力学继续教育课程平行,每章都附有练习。本书是“理论最小值”(Theoretical Minimum)丛书的第二卷,前一卷讲经典力学。章节标题取自图书馆目录记录;各章内容的描述依据出版社介绍、《出版人周刊》的书评以及 C. Burrell 的书评,因为这些来源没有逐章说明,所以按组给出。

第1–3章:系统与实验;量子态;量子力学的原理

据 Burrell 介绍,作者从一个简单的量子系统,即单个量子自旋入手,用它来展示量子态的奇特逻辑,以及它与经典逻辑的区别。这几章搭起了框架(态以及支配态的原理),其余内容都建立在这个框架之上。《出版人周刊》指出,书中介绍了自旋和量子比特,而且大部分内容是数学,从布尔逻辑、统计到向量和矩阵。

第4–5章:时间与变化;不确定性与时间依赖

Burrell 说,作者同时讨论了不含时和含时的量子力学,强调前者用于求系统的能量态,后者用于求系统如何随时间演化。《出版人周刊》提到的时间演化和海森堡不确定性原理,属于书中的这一部分。

第6–7章:组合系统:纠缠;再谈纠缠

纠缠占了两章,Burrell 估计全书约三分之一的篇幅用于纠缠。他还说,作者论证纠缠并不意味着任何形式的非定域性,与有时的说法相反。

第8–9章:粒子与波;粒子动力学

Burrell 把后面的部分描述为向波函数和粒子的过渡,几乎走到量子场论的边缘,并朝里面望了一眼。《出版人周刊》把波函数和薛定谔方程列为书中介绍的概念。

第10章:谐振子

全书以量子谐振子收尾,Burrell 称之为最简单却最重要的量子系统之一。

核心概念

第1–5章:态、原理与时间演化

  • 量子自旋与量子比特:全书开头所用的简单系统。
  • 量子态:第2章的主题。
  • 不确定性原理:第5章的话题。

第6–10章:纠缠、波与振子

  • 纠缠:第6、7章的主题。
  • 波函数与薛定谔方程:粒子与波的几章。
  • 谐振子:第10章。

评析

优点

  • 概念与数学并重。 Burrell 观察到,本书既不是科普入门,也不是高深教材:它认真探讨概念基础,也包含足够温和而贴切的数学,让读者看到著名的预言是怎么得出来的。
  • 讲授清晰。 他指出中间步骤都演算出来,结论的意义得到强调,语气亲切,所需的数学(复数、基础微积分、线性代数)在正文中都有简要解释。
  • 每章都有练习。 出版社强调练习是为了确保掌握每个领域,本书是为了边做边学,而不只是阅读。
  • 独特的路线。 从自旋和态的逻辑而不是波动力学出发,使纠缠和测量能够较早、较充分地处理。

局限

  • 数学占主导。 《出版人周刊》把本书描述为学习该学科所需高等数学的入门,并指出大部分内容集中在数学上,所以它不是轻松的科普读物。
  • 目标读者不明确。 Burrell 觉得很难说本书是为谁写的;他认为它可能适合受过工程训练的读者、有雄心的高中生或重返物理的人。
  • 不是完整的课程。 十章止于谐振子,标题中没有近似方法或散射的章节,所以大学课程还需要一本教科书。

在课程中的定位

萨斯坎德与弗里德曼的书是量子力学书单中的自学入口。Rae 与 Napolitano 的 Quantum Mechanics 是供大学第一门课使用的精简教科书,先从实验证据发展波动力学,然后讲角动量、近似方法和多粒子系统。Griffiths 的 Introduction to Quantum Mechanics 是大学教科书;Sakurai 与 Napolitano 的 Modern Quantum Mechanics 是数学要求较高的教材,使用狄拉克记号,讲角动量、对称性、近似方法和散射。

Albert 的 Quantum Mechanics and Experience 是一本不使用完整形式体系的概念性指南,讲态、测量、非定域性和诠释。在大学课程之前读萨斯坎德与弗里德曼,可以建立 Sakurai 这类教材所依托的以态为基础的观点;与课程同时读,则提供一个更温和的第二种讲解。

如何使用本书

页面元数据把基础代数和微积分列为先修要求,复数和线性代数在简短的插入内容中介绍。Burrell 也认为所需的数学不超出复数、基础微积分和线性代数,而且正文中都有解释。

实用的安排:

  • 按顺序学习。 各章环环相扣,即使内容看似熟悉,也不要跳过前面讲态和原理的章节。
  • 做练习。 出版社强调练习,而数学只有用起来才会记住。
  • 在纠缠上多花时间。 第6、7章是本书与众不同的部分,要慢慢读。
  • 继续前进。 读完第10章后,用 Rae 与 Napolitano 或 Griffiths 这类教科书继续学习角动量、近似方法和散射。