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Quantum Mechanics: The Theoretical Minimum(量子力學:理論最小值) cover

物理學

物理學

Quantum Mechanics: The Theoretical Minimum(量子力學:理論最小值)

Leonard Susskind; Art Friedman

英文原名: Quantum Mechanics: The Theoretical Minimum

李奧納德·薩斯金 Theoretical Minimum 系列第二冊,與亞特·佛里曼合著,為願意動手推導方程式的讀者介紹量子力學的邏輯與數學。本書不從波動力學談起,而是從自旋與簡單的二態系統出發,一步步建立量子態、可觀測量、量測與糾纏等概念。

需要的基礎: 基礎代數與微積分;複數與所需的線性代數會在簡短的數學補充中介紹。

難度等級
入門
學術層次
大學部
quantum mechanicsspinentanglementlinear algebra入門

01 / 導讀

導讀

引用

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

章節概要

全書共十章。出版社說,這十章與薩斯坎德在斯坦福大學開設的量子力學繼續教育課程平行,每章都附有練習。本書是「理論最小值」(Theoretical Minimum)叢書的第二卷,前一卷講經典力學。章節標題取自圖書館目錄記錄;各章內容的描述依據出版社介紹、《出版人週刊》的書評以及 C. Burrell 的書評,因為這些來源沒有逐章說明,所以按組給出。

第1–3章:系統與實驗;量子態;量子力學的原理

據 Burrell 介紹,作者從一個簡單的量子系統,即單個量子自旋入手,用它來展示量子態的奇特邏輯,以及它與經典邏輯的區別。這幾章搭起了框架(態以及支配態的原理),其餘內容都建立在這個框架之上。《出版人週刊》指出,書中介紹了自旋和量子位元,而且大部分內容是數學,從布林邏輯、統計到向量和矩陣。

第4–5章:時間與變化;不確定性與時間依賴

Burrell 說,作者同時討論了不含時和含時的量子力學,強調前者用於求系統的能量態,後者用於求系統如何隨時間演化。《出版人週刊》提到的時間演化和海森堡不確定性原理,屬於書中的這一部分。

第6–7章:組合系統:糾纏;再談糾纏

糾纏佔了兩章,Burrell 估計全書約三分之一的篇幅用於糾纏。他還說,作者論證糾纏並不意味著任何形式的非定域性,與有時的說法相反。

第8–9章:粒子與波;粒子動力學

Burrell 把後面的部分描述為向波函式和粒子的過渡,幾乎走到量子場論的邊緣,並朝裡面望了一眼。《出版人週刊》把波函式和薛定諤方程列為書中介紹的概念。

第10章:諧振子

全書以量子諧振子收尾,Burrell 稱之為最簡單卻最重要的量子系統之一。

核心概念

第1–5章:態、原理與時間演化

  • 量子自旋與量子位元:全書開頭所用的簡單系統。
  • 量子態:第2章的主題。
  • 不確定性原理:第5章的話題。

第6–10章:糾纏、波與振子

  • 糾纏:第6、7章的主題。
  • 波函式與薛定諤方程:粒子與波的幾章。
  • 諧振子:第10章。

評析

優點

  • 概念與數學並重。 Burrell 觀察到,本書既不是科普入門,也不是高深教材:它認真探討概念基礎,也包含足夠溫和而貼切的數學,讓讀者看到著名的預言是怎麼得出來的。
  • 講授清晰。 他指出中間步驟都演算出來,結論的意義得到強調,語氣親切,所需的數學(複數、基礎微積分、線性代數)在正文中都有簡要解釋。
  • 每章都有練習。 出版社強調練習是為了確保掌握每個領域,本書是為了邊做邊學,而不只是閱讀。
  • 獨特的路線。 從自旋和態的邏輯而不是波動力學出發,使糾纏和測量能夠較早、較充分地處理。

侷限

  • 數學佔主導。 《出版人週刊》把本書描述為學習該學科所需高等數學的入門,並指出大部分內容集中在數學上,所以它不是輕鬆的科普讀物。
  • 目標讀者不明確。 Burrell 覺得很難說本書是為誰寫的;他認為它可能適合受過工程訓練的讀者、有雄心的高中生或重返物理的人。
  • 不是完整的課程。 十章止於諧振子,標題中沒有近似方法或散射的章節,所以大學課程還需要一本教科書。

在課程中的定位

薩斯坎德與弗裡德曼的書是量子力學書單中的自學入口。Rae 與 Napolitano 的 Quantum Mechanics 是供大學第一門課使用的精簡教科書,先從實驗證據發展波動力學,然後講角動量、近似方法和多粒子系統。Griffiths 的 Introduction to Quantum Mechanics 是大學教科書;Sakurai 與 Napolitano 的 Modern Quantum Mechanics 是數學要求較高的教材,使用狄拉克記號,講角動量、對稱性、近似方法和散射。

Albert 的 Quantum Mechanics and Experience 是一本不使用完整形式體系的概念性指南,講態、測量、非定域性和詮釋。在大學課程之前讀薩斯坎德與弗裡德曼,可以建立 Sakurai 這類教材所依託的以態為基礎的觀點;與課程同時讀,則提供一個更溫和的第二種講解。

如何使用本書

頁面後設資料把基礎代數和微積分列為先修要求,複數和線性代數在簡短的插入內容中介紹。Burrell 也認為所需的數學不超出複數、基礎微積分和線性代數,而且正文中都有解釋。

實用的安排:

  • 按順序學習。 各章環環相扣,即使內容看似熟悉,也不要跳過前面講態和原理的章節。
  • 做練習。 出版社強調練習,而數學只有用起來才會記住。
  • 在糾纏上多花時間。 第6、7章是本書與眾不同的部分,要慢慢讀。
  • 繼續前進。 讀完第10章後,用 Rae 與 Napolitano 或 Griffiths 這類教科書繼續學習角動量、近似方法和散射。