從零開始讀懂量子力學

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量子力學是現代物理學的基石，推動了科學技術的快速發展。在今天，量子依然是新聞熱點。 本書將為廣大科技愛好者系統、嚴謹地介紹量子力學的基本原理和應用。讀者需要熟悉高中物理和數學的相關內容，願意學習科學的思維方式.雖然量子力學是一門有著神秘面紗、打破生活常識、顛覆人類認知的現代科學，但是讀者只要願意隨著本書一起思考，就一定能夠清楚地瞭解量子力學理論的基本概念，最終全面認識它在科學體系中的作用和對現代技術的貢獻。 本書的敘述方式是一邊講解科學理論，一邊介紹重要的實驗現象和科學原理的應用。本書在第一篇中依次講解了狀態疊加、波粒二象性、不確定原理等基本概念；在第二篇中介紹了量子力學在凝聚態物理和基本粒子物理領域中的應用。同時，對由量子力學催生的現代電子技術，也著重做了介紹。

第1篇量子力學的基本原理
第1章物質內部是虛空的2
1.1什麼是微觀世界？2
1.2微觀世界是什麼樣子的？3
1.3盧瑟福實驗和行星模型4
1.4重建現代物理的物質觀6
1.5自然界的四種相互作用6
第2章量子態的可疊加性9
2.1兩個量子態的隨意組合9
2.2複數的複習10
2.3概率和相位11
2.4我是一片“雲”的波函數12
2.5愛因斯坦和玻爾的論戰13
2.6中微子振盪14
2.7量子比特15
2.8量子計算機簡介17
第3章波粒二象性20
3.1自由粒子的波函數20
3.2電子的雙縫干涉實驗22
3.3光的波粒二象性24
3.4波粒二象性和量子力學的測量26
3.5中微子振盪的機制27
第4章不確定原理29
4.1不同動量的粒子狀態組合29
4.2位置和動量之間的不確定原理31
4.3原子為什麼這樣堅硬？32
4.4壓垮原子的力量33
4.5能量與時間之間的不確定原理34
第5章量子力學的測量問題35
5.1科學和哲學35
5.2測量和波函數的坍縮36
5.3薛定諤的貓論37
第6章帶電粒子和電磁場的相互作用40
6.1從牛頓定律到薛定諤方程40
6.2電磁場41
6.3矢量勢43
6.4矢量勢在量子力學中的角色44
6.5雙縫干涉實驗和對力的反思45
6.6規範不變性和楊米爾斯場論46
第7章隧道效應49
7.1能夠滲透的波函數49
7.2能夠穿越的粒子51
7.3波函數滲透對物質世界的影響52
7.4掃描隧道顯微鏡54
7.5閃存背後的量子力學55
第8章什麼是量子？60
8.1盒子中的粒子61
8.2振動的粒子63
8.3氫原子的能級66
8.4光譜67
8.5原子鐘和計量系統69
第9章角動量和自旋71
9.1經典物理複習：角動量72
9.2量子角動量的奇怪規則73
9.3角動量和原子的能級76
9.4自旋77
9.5角動量的相加78
9.6粒子磁矩和角動量的測量79
9.7光子的自旋81
9.8核磁共振83
9.9用自旋來記憶的磁性存儲器85
9.10使用光子自旋的量子通信87
第10章玻色子和費米子91
10.1全同粒子的概念92
10.2玻色子和費米子92
10.3泡利不相容原理和原子結構94
10.4“堅強”的費米氣96
10.5鐵磁性的起源98
10.6玻色子和黑體輻射問題100
10.7激光原理103
10.8玻色愛因斯坦凝聚106
第11章量子糾纏108
11.1什麼是量子糾纏？108
11.2愛因斯坦的困惑109
11.3貝爾定理111
11.4量子糾纏的實驗檢測116
11.5重新認識量子力學117
11.6量子糾纏的應用119
第2篇量子力學對物質世界的解釋
第12章從原子到分子122
12.1原子能級結構的總結122
12.2離子鍵和共價鍵124
12.3元素週期表的量子解讀127
12.4分子之間的相互作用128
12.5分子光譜和全球變暖131
12.6量子化學和世界複雜性133
第13章晶體裡面的量子力學135
13.1能帶理論136
13.2絕緣體138
13.3金屬140
13.4聲子142
第14章半導體的量子物理145
14.1什麼是半導體？146
14.2p型、n型半導體和空穴147
14.3pn結150
14.4場效應管和CMOS技術152
14.5CMOS傳感器和光伏發電156
14.6發光二極管159
第15章量子點與介觀物理學162
15.1介觀物理學簡介162
15.2量子點的特性163
15.3量子走進你家——量子點電視165
第16章二維量子力學與石墨烯168
16.1石墨烯和它的結構168
16.2奇妙的石墨烯能帶172
16.3石墨烯的應用175
第17章宏觀量子現象——超導177
17.1超導的機制178
17.2永不消逝的電流180
17.3邁斯納效應和磁通量的量子化182
17.4約瑟夫森結186
17.5超導計算機189
第18章量子場論簡介191
18.1物質不滅的破滅191
18.2什麼是場？193
18.3場的量子化與粒子的誕生194
18.4零點能的困惑和宇宙的命運196
18.5為什麼粒子是一個點？198
18.6量子場論中的相互作用200
18.7對稱性和量子力學201
18.8量子場論中的發散困難和重整化207
第19章引力波和引力子210
19.1從狹義到廣義相對論210
19.2引力波214
19.3引力子和量子引力的困難216
第20章弦論簡介219
20.1弦上奏出的粒子220
20.2弦與弦的相互作用222
20.3超弦和十維時空223
結語225
參考文獻226