从零开始读懂量子力学

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量子力学是现代物理学的基石，推动了科学技术的快速发展。在今天，量子依然是新闻热点。 本书将为广大科技爱好者系统、严谨地介绍量子力学的基本原理和应用。读者需要熟悉高中物理和数学的相关内容，愿意学习科学的思维方式.虽然量子力学是一门有着神秘面纱、打破生活常识、颠覆人类认知的现代科学，但是读者只要愿意随着本书一起思考，就一定能够清楚地了解量子力学理论的基本概念，最终全面认识它在科学体系中的作用和对现代技术的贡献。 本书的叙述方式是一边讲解科学理论，一边介绍重要的实验现象和科学原理的应用。本书在第一篇中依次讲解了状态叠加、波粒二象性、不确定原理等基本概念；在第二篇中介绍了量子力学在凝聚态物理和基本粒子物理领域中的应用。同时，对由量子力学催生的现代电子技术，也着重做了介绍。

第1篇量子力学的基本原理
第1章物质内部是虚空的2
1.1什么是微观世界？2
1.2微观世界是什么样子的？3
1.3卢瑟福实验和行星模型4
1.4重建现代物理的物质观6
1.5自然界的四种相互作用6
第2章量子态的可叠加性9
2.1两个量子态的随意组合9
2.2复数的复习10
2.3概率和相位11
2.4我是一片“云”的波函数12
2.5爱因斯坦和玻尔的论战13
2.6中微子振荡14
2.7量子比特15
2.8量子计算机简介17
第3章波粒二象性20
3.1自由粒子的波函数20
3.2电子的双缝干涉实验22
3.3光的波粒二象性24
3.4波粒二象性和量子力学的测量26
3.5中微子振荡的机制27
第4章不确定原理29
4.1不同动量的粒子状态组合29
4.2位置和动量之间的不确定原理31
4.3原子为什么这样坚硬？32
4.4压垮原子的力量33
4.5能量与时间之间的不确定原理34
第5章量子力学的测量问题35
5.1科学和哲学35
5.2测量和波函数的坍缩36
5.3薛定谔的猫论37
第6章带电粒子和电磁场的相互作用40
6.1从牛顿定律到薛定谔方程40
6.2电磁场41
6.3矢量势43
6.4矢量势在量子力学中的角色44
6.5双缝干涉实验和对力的反思45
6.6规范不变性和杨米尔斯场论46
第7章隧道效应49
7.1能够渗透的波函数49
7.2能够穿越的粒子51
7.3波函数渗透对物质世界的影响52
7.4扫描隧道显微镜54
7.5闪存背后的量子力学55
第8章什么是量子？60
8.1盒子中的粒子61
8.2振动的粒子63
8.3氢原子的能级66
8.4光谱67
8.5原子钟和计量系统69
第9章角动量和自旋71
9.1经典物理复习：角动量72
9.2量子角动量的奇怪规则73
9.3角动量和原子的能级76
9.4自旋77
9.5角动量的相加78
9.6粒子磁矩和角动量的测量79
9.7光子的自旋81
9.8核磁共振83
9.9用自旋来记忆的磁性存储器85
9.10使用光子自旋的量子通信87
第10章玻色子和费米子91
10.1全同粒子的概念92
10.2玻色子和费米子92
10.3泡利不相容原理和原子结构94
10.4“坚强”的费米气96
10.5铁磁性的起源98
10.6玻色子和黑体辐射问题100
10.7激光原理103
10.8玻色爱因斯坦凝聚106
第11章量子纠缠108
11.1什么是量子纠缠？108
11.2爱因斯坦的困惑109
11.3贝尔定理111
11.4量子纠缠的实验检测116
11.5重新认识量子力学117
11.6量子纠缠的应用119
第2篇量子力学对物质世界的解释
第12章从原子到分子122
12.1原子能级结构的总结122
12.2离子键和共价键124
12.3元素周期表的量子解读127
12.4分子之间的相互作用128
12.5分子光谱和全球变暖131
12.6量子化学和世界复杂性133
第13章晶体里面的量子力学135
13.1能带理论136
13.2绝缘体138
13.3金属140
13.4声子142
第14章半导体的量子物理145
14.1什么是半导体？146
14.2p型、n型半导体和空穴147
14.3pn结150
14.4场效应管和CMOS技术152
14.5CMOS传感器和光伏发电156
14.6发光二极管159
第15章量子点与介观物理学162
15.1介观物理学简介162
15.2量子点的特性163
15.3量子走进你家——量子点电视165
第16章二维量子力学与石墨烯168
16.1石墨烯和它的结构168
16.2奇妙的石墨烯能带172
16.3石墨烯的应用175
第17章宏观量子现象——超导177
17.1超导的机制178
17.2永不消逝的电流180
17.3迈斯纳效应和磁通量的量子化182
17.4约瑟夫森结186
17.5超导计算机189
第18章量子场论简介191
18.1物质不灭的破灭191
18.2什么是场？193
18.3场的量子化与粒子的诞生194
18.4零点能的困惑和宇宙的命运196
18.5为什么粒子是一个点？198
18.6量子场论中的相互作用200
18.7对称性和量子力学201
18.8量子场论中的发散困难和重整化207
第19章引力波和引力子210
19.1从狭义到广义相对论210
19.2引力波214
19.3引力子和量子引力的困难216
第20章弦论简介219
20.1弦上奏出的粒子220
20.2弦与弦的相互作用222
20.3超弦和十维时空223
结语225
参考文献226