01 / 導讀
導讀
引用
Krane, K. S. (2019). Modern Physics (4th ed.). Wiley.
章節概要
全書約590頁，共15章，之後是五個附錄（常數與換算因子、複數、元素週期表、原子質量表、現代物理學史上的里程碑）、奇數題解答和兩個索引。每章都以「思考題（Questions）」和「習題（Problems）」結尾。出版社說明，每個主要概念都是先從歷史角度提出，再藉助實驗證據從現代視角展開，使各章構成一條連貫的「故事線」。
第1章：古典物理學的若干缺陷
回顧古典物理學（樣章涉及碰撞中的動量與能量、電磁學，以及熱力學與分子動力論），然後指出它在哪些地方失效：古典的時空觀念和古典的粒子統計，最後一節討論理論、實驗與定律的關係。本章含有例題和本章小結。
第2章：狹義相對論
從古典相對性和邁克生–莫雷實驗，到愛因斯坦的假設及其推論、勞侖茲變換、雙生子悖論、相對論動力學、相對論性衰變與碰撞中的守恆律，以及實驗檢驗。
第3–4章：電磁輻射的粒子性；粒子的波動性
第3章談光電效應、熱輻射、康普頓效應和其他光子過程，以「粒子還是波」的問題結束。第4章則從反面提出這一問題：德布羅意假設及其實驗證據、測不準關係、波包，以及機率與隨機性。
第5章：薛丁格方程
波在邊界處的行為、對粒子的束縛、方程本身及其應用、簡諧振子，以及階梯與位能障。
第6–8章：拉塞福–波耳原子模型；波動力學中的氫原子；多電子原子
第6章依序談散射實驗、拉塞福有核原子、線狀光譜和波耳模型，包括其不足。第7章從一維原子開始，進而談角動量、氫原子波函數、機率密度、內稟自旋、季曼效應和精細結構。第8章談包立不相容原理、電子態、屏蔽、元素的性質、X射線、角動量的合成和雷射。
第9–11章：分子結構；統計物理；固態物理
第9章談氫分子、共價鍵與離子鍵，以及分子的振動、轉動和光譜。第10章展開統計分析、古典與量子統計、態密度、馬克士威–波茲曼分布，以及玻色–愛因斯坦統計和費米–狄拉克統計的應用。第11章談晶體結構、熱容、金屬中的電子、能帶理論、超導電性、半導體及元件，以及磁性材料。
第12–13章：核結構與放射性；核反應及其應用
核的組成、大小、質量與結合能、核力、核內的量子態和放射性衰變（α、β、γ衰變與天然放射性）；然後是核反應、核分裂、核融合、核合成和應用。
第14–15章：基本粒子；宇宙學：宇宙的起源與歸宿
第14章談四種基本力、粒子分類、守恆律、交互作用與衰變、介子和重子的夸克結構以及標準模型。第15章談宇宙的膨脹、宇宙微波背景輻射、暗物質、廣義相對論及其檢驗、恆星演化與黑洞、大霹靂宇宙學、原子核與原子的形成，以及實驗宇宙學。
核心概念
第1–5章：古典物理的局限、相對論、量子基礎
- 勞侖茲變換：不同慣性系中事件座標之間的關係。
- 波粒二象性：輻射表現出粒子性，粒子表現出波動性。
- 測不準關係：同時了解共軛量時的限制。
- 薛丁格方程：支配粒子量子態的波動方程。
第6–11章：原子、分子、統計、固體
- 波耳模型及其不足：第一個量子化的原子模型，以及波動力學取而代之的原因。
- 包立不相容原理：塑造多電子原子和元素週期表的規則。
- 量子統計：玻色–愛因斯坦分布和費米–狄拉克分布及其應用。
- 能帶理論：對金屬、絕緣體和半導體的解釋。
第12–15章：原子核、粒子、宇宙學
- 結合能：把原子核維繫在一起的能量。
- 標準模型：關於粒子及其交互作用的夸克與輕子圖像。
- 大霹靂宇宙學：以膨脹、微波背景和核合成對宇宙所作的描述。
評析
優點
- 歷史與實驗的動機。 出版社強調概念先從歷史角度、再藉助實驗結果展開，樣章也從引發現代物理學的實驗和失敗寫起。附錄E彙集了該領域歷史上的里程碑。
- 一冊教材涵蓋面廣。 15章從相對論和量子論，經過原子、分子、統計物理、固態、原子核和粒子，一直到宇宙學，所以一本書既可用於整年的課程，也可以裁剪成一個學期。
- 第四版的更新。 出版社列出了關於重力波、相對論和希格斯玻色子的新實驗結果，更新了微中子質量、微波背景研究、暗物質與暗能量的內容，還有新的和修訂過的例題、練習和章末習題。
- 練習材料。 每章以思考題和習題結尾，樣章中有例題，奇數題的解答印在書末。
局限
- 廣度勝過深度。 約590頁容納15個主題，薛丁格方程在第7章引出原子之前只有一章，而廣義相對論在最後一章裡只占一個七頁的小節（15.4）和四頁的檢驗內容（15.5）。要繼續修習專門課程的學生需要更完整的講解。
- 數學方面的支援較少。 唯一的數學附錄談的是複數，所以其他工具必須來自先修課程，或在章節中引入。
在課程中的定位
在本課程書單中，Krane 是二年級程度的兩本完整現代物理教材之一。Thornton、Rex 與 Hood 的 Modern Physics for Scientists and Engineers 用16章講授大致相同的內容，並為半導體理論與元件、粒子物理、天文物理與廣義相對論分別設有獨立章節，而 Krane 把固態和半導體合為一章，把核物理分為兩章。
OpenStax 的 University Physics Volume 3 是一本免費的、使用微積分的相對論與量子概念入門，適合想先輕鬆過一遍的學生。Taylor 與 Wheeler 的 Spacetime Physics 透過時空間隔來展開狹義相對論，講解比 Krane 的一章詳盡得多；Schutz 的 A First Course in General Relativity 和 Carroll 的 Spacetime and Geometry 分別是通向廣義相對論的大學部和研究所階段的下一步，而 Krane 只是勾勒了輪廓。
如何使用本書
出版社把本書描述為適合二年級理工科大學部學生。書的開頭先回顧古典物理（1.1節），並有一個關於複數的附錄，所以使用微積分的入門物理課程是自然的準備。
兩學期的課程可以依書中順序學習。一個學期的話，學習第1–8章（相對論、波粒二象性、薛丁格方程和原子），然後根據系上的側重，從第9–11章（分子、統計物理、固態）和第12–15章（原子核、粒子、宇宙學）中選擇。第1章可以當作複習快速讀過。在做習題之前，先用思考題檢驗對概念的理解，並用書末的解答核對奇數題。