图书简介:
第1章 量子力学基本概念和一般理论 11.1 态矢量和力学量算符的表示 11.1.1 量子态矢量 11.1.2 量子算符 21.2 幺正变换的一般理论 31.2.1 态矢量和力学量算符表示的 变换 31.2.2 幺正变换的基本性质 51.3 状态随时间改变的描述—— 三种绘景 61.3.1 薛定谔绘景 61.3.2 海森伯绘景 81.3.3 相互作用绘景 101.3.4 在三种绘景下求解的例子—— 受微扰的谐振子 131.4 矢量空间的直和与直积 191.4.1 直和空间 191.4.2 直积空间 211.5 密度矩阵 231.5.1 纯态的密度算符(矩阵) 241.5.2 混合态的密度矩阵 261.5.3 举例说明密度算符 281.5.4 复合体系和约化密度矩阵 301.6 复合体系的关联特性 321.6.1 关联的一般定义 331.6.2 纠缠度量 351.6.3 量子力学与经典物理学矛盾的 进一步讨论 381.7 维格纳函数 441.8 路径积分 48第2章 量子力学测量问题 522.1 量子测量基本概念 522.1.1 量子一般测量 522.1.2 投影测量 532.1.3 局域测量——POVM 552.1.4 理想量子测量 562.1.5 操作和响应 572.2 间接量子测量 592.3 量子非破坏性测量 632.3.1 标准量子极限 642.3.2 QND测量 642.4 非选择性连续测量 662.4.1 量子Zeno效应 662.4.2 非理想测量下的Zeno效应 672.5 量子测量中的纠缠和熵 702.5.1 量子测量与纠缠 702.5.2 量子测量与量子熵 71第3章 二次量子化方法 733.1 全同粒子量子态 733.2 粒子数表象 743.2.1 谐振子状态的粒子数表象 描述 743.2.2 非耦合谐振子集合 763.2.3 相干态 773.2.4 压缩算符和压缩态 813.3 场的量子化方法 823.3.1 薛定谔波场的量子化 823.3.2 动力学方程 863.4 全同粒子系统的二次量子化理论 873.4.1 不存在相互作用的全同玻色子 系统 873.4.2 相互作用能的二次量子化 形式 883.4.3 全同玻色子系统的哈密顿 算符 893.4.4 交换对称性与对易关系 913.4.5 全同费米子系统的哈密顿 算符 92第4章 辐射场的量子化及其与物质的相互 作用 934.1 辐射场的量子化 934.1.1 经典辐射场 934.1.2 量子化电磁场 944.2 原子和电磁场的相互作用 964.2.1 电磁场中带电粒子的 哈密顿量 964.2.2 原子—场相互作用的一个简单 模型 974.2.3 JC模型及其求解 994.2.4 两能级原子自发发射理论 (Weisskopf-Wigner理论) 1024.2.5 阻尼的量子理论(密度算符 方法) 1034.2.6 场阻尼(Field damping) 108第5章 开放量子系统动力学 1095.1 开放量子系统 1095.2 量子马尔科夫过程 1105.2.1 开放量子系统动力学概述 1105.2.2 马尔科夫量子主方程 1115.2.3 伴随量子主方程 1135.3 主方程的微观推导 1135.3.1 弱耦合限 1145.3.2 奇异耦合限 1175.4 量子光学主方程 1185.4.1 处于量子化辐射场中的物质 1185.4.2 一个两能级系统的衰减 1215.4.3 系统在压缩真空场中的衰减 1235.4.4 阻尼谐振子 1265.5 量子布朗运动 1285.5.1 Caldeira-Leggett模型 1295.5.2 高温主方程 1295.5.3 精确的海森伯运动方程 1355.6 量子轨道 1425.6.1 蒙特卡罗波函数方法 1425.6.2 蒙特卡罗方法在平均上 等价于主方程 1435.6.3 随机薛定谔方程(SSE)和 耗散系统 1445.6.4 一个蒙特卡罗SSE模拟 145第6章 开放系统退相干 1496.1 退相干函数 1496.2 一个精确可解模型 1526.2.1 总系统的时间演化 1526.2.2 相干的衰减和退相干因子 1546.2.3 相干子空间和系统大小的 关系 1566.3 退相干的马尔科夫机制 1576.3.1 退相干率 1576.3.2 量子布朗运动 1586.3.3 内部自由度 1596.3.4 粒子的散射 1606.4 阻尼谐振子 1636.4.1 真空退相干 1646.4.2 热噪声 1666.5 电磁场态 1696.5.1 原子与腔场模相互作用 1696.5.2 薛定谔猫态 1716.6 Caldeira-Leggett模型 1746.6.1 一般退相干公式 1756.6.2 Ohmic环境 1766.7 退相干和量子测量 1796.7.1 指针基的动力学选择 1806.7.2 量子测量的动力学模型 183第7章 形式散射理论 1867.1 跃迁矩阵(T矩阵) 1867.2 李普曼-许温格方程 1877.3 戴逊方程 1907.4 散射矩阵(S矩阵) 192第8章 相对论量子力学 1978.1 克莱因-高登方程 1978.2 狄拉克方程 2018.3 狄拉克方程的自由粒子解 2048.4 电磁场中的狄拉克方程 2098.5 狄拉克方程的协变形式 2108.6 辏立场中的狄拉克方程 2158.7 狄拉克方程的库仑场解 221附录A 刘维方程和确定性方程 225附录B 协方差 227附录C 量子熵 229参考文献 231
展开
量子力学是当代自然科学最重要的理论基础之一,当今的化学、材料科学、生物学、宇宙学乃至哲学都依赖于量子力学的发展。因此,“量子力学”或“高等量子力学”课程已经成为物理类各专业及相关专业研究生的一门基础课。本书是作者在为研究生讲授“高等量子力学”课程多年所用教案的基础上编写和扩充而成的,书中不但介绍了量子力学的基本概念、原理、处理问题的方法,还详细讲述了量子力学近些年发展起来的一些重要理论问题。量子力学是整个微观物理学所依赖的基本理论框架。近百年来,它在物理学基础与应用的方方面面取得了一个又一个的成功,从基本粒子到物质结构,从天体物理到宇宙早期演化,从半导体到激光,再从原子能到信息技术,等等。这个历史不是一次性的革命过程,而是大大小小持续的革命过程,也导致了人类社会和生产生活的深刻变革。现代社会离不开量子力学,量子力学还在进一步发展中。有学者认为,在量子信息和量子操控等方面正发生着第二次量子革命。20世纪即将结束的时候,以计算机和通信技术为代表的信息科学和技术开始对世界经济、科技、军事、教育和文化产生越来越深刻的影响。信息技术的迅速普及和应用,带动了世界范围信息产业的蓬勃发展。与此同时,由量子力学和信息科学形成的一门新兴交叉学科——量子信息学,无论在理论还是在实验方面都取得了长足的进步。迄今为止的研究证实,量子信息在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量等方面可以突破现有传统信息系统的极限。目前,科学家们普遍认为量子信息处理器很快可以在实验中获得实现。1993年,基于量子纠缠(简称纠缠)的量子隐形传态方案的提出及1997年首次实验的实现,更为量子信息的实际应用描绘出了一幅美好的前景。例如,通过量子态隐形传输的手段将为量子计算机的研制提供帮助。进入21世纪,特别是近些年来,量子信息研究更加呈现出蓬勃发展之势。鉴于量子信息理论和技术的迅速发展,理论和实验研究需要量子力学的支持,传统的量子力学教材,无论是物理及相关专业本科生学习所用的初等量子力学,还是研究生选用的高等量子力学教材内容,都不能完全满足现代科技发展的要求。特别是研究生使用的传统高等量子力学教材中讲述的理论知识和内容普遍落后于量子信息等前沿理论研究的需求。目前,量子信息研究所需要的理论知识很大部分分散于量子光学、激光原理、群论等教材中,甚至有些内容根本不在现有任何课程教材之内,但是,这些内容却是当前量子理论及量子信息前沿研究所不可缺少的量子力学基础理论。例如,与纠缠方面相关的内容,量子测量理论、量子开放系统理论等,以往国内少数高等量子力学教材对此只是粗浅地一提,大部分内容甚至从未涉及。因此,本教材内容主要是针对传统的高等量子力学做符合近些年量子力学研究前沿需求的调整和补充。本教材是针对研究生编写的,目的是使学生在掌握必要的传统基本理论的基础上,对当前研究的冷门项目所需要的知识有所了解,而对当前研究的热点所需要的理论知识能够较全面地掌握,为尽快尽早地进入前沿领域打下基础,并且为未来研究工作减少障碍。另外,量子力学的很多问题仍然没有解决,因此量子力学是一个在不断发展的学科。当前量子力学的研究有可能正在开辟一条具有挑战性的道路。希望本书关于量子力学全新的基本理论的介绍也能对有志于此的读者有所帮助。从诞生到现在,量子力学在不到百年的时间里迅速发展,内容极其广泛。高等量子力学不同的教材和书籍包含不同的内容,并没有一个较为严格的界限以区别于初等量子力学;并且关于初等量子力学和高等量子力学的叫法也见仁见智。不过,以本人的观点,它必须要有所谓二次量子化的内容才能够称得上高等量子力学。最后,作者还想和研究生谈点个人粗浅的认识。我想对于登山者来说,恐怕最痛苦的不是能不能登上哪座山,而是不知道山在哪儿,即使知道了山在哪儿又不知道该登哪座山及登哪座山受益最大。本书则试图将适合的初学者领到离“山”最近的地方。再者,想象是科学技术的发展源泉,但是它必须建立在头脑中具备一定知识的基础之上。学习理论要循序渐进。有人提出学习和读书可分为三个区:舒适区、伸长区、恐惧区。因此,我认为提高知识水平既要避免长时间处于舒适区,又要避免处于恐惧区。长时间处于舒适区会使你的知识止步不前,而处于恐惧区又会使你丧失自信和进一步学习的兴趣,只有伸长区才是合适的。所以,学习高等量子力学一定要在学习了前序知识的基础上才会有效果。本人从事本科和研究生量子力学的教学工作多年,使用和参考过多种国内外各级各类量子力学教材。因此,本书很多地方借鉴了这些同行和前辈著作的内容,在此对这些前辈和同行表示感谢。由于作者水平有限,错误之处在所难免,真诚希望阅读此书的老师和同学多提宝贵意见。作者邮箱是:yanxuequn@tjpu.edu.cn。
作 者 2019年3月18日于天津
展开