物理學中的量子概念：從歷史的視角理解量子力學（簡體書）

馬爾科姆·朗蓋爾（Malcolm Longair）教授，1941年出生於英國，1967年在劍橋大學卡文迪什實驗室獲博士學位。1968—1969年作為英國皇家學會的交換訪問學者在莫斯科列別捷夫研究所工作。其後又6次作為交換訪問學者到蘇聯空間研究所工作，並擔任美國多個研究所和天文臺的訪問教授。1980—1990年同時擔任蘇格蘭皇家天文學家、愛丁堡大學欽定天文學講座教授和愛丁堡皇家天文臺臺長。1991—1997年任卡文迪什實驗室副主任，專門負責物理教學工作，1997年以後成為卡文迪什實驗室主任。獲得過多個獎項，包括1986年2月獲得的“首屆大不列顛學習與豐富生活傳播獎”。1990年12月在電視上做了題為“我們宇宙的起源”的系列講座，該系列講座是英國皇家科學研究所在聖誕節期間專為青少年開設的。在2000年被英國政府授予司令勛章。主要研究領域為高能天體物理學與天體物理宇宙學。撰寫了多部學術著作，並發表了超過250篇的研究論文。

高先龍，2001年博士畢業於中國科學技術大學，2001—2007年先後在德國烏爾姆大學、義大利比薩高等師範學院開展博士後研究工作，2007年起在浙江師範大學任教授。曾赴西班牙巴斯克國立大學、義大利國際理論物理中心、美國密蘇裡-哥倫比亞大學等國外高校、研究機構訪問。長期從事凝聚態和低維冷原子物理方面的研究工作，以作者或通訊作者的身份在《Physical Review》等期刊發表論文50余篇。長期為本科生講授“量子力學”“可視化物理”“定性與半定量物理”等課程。

梁兆新，2006年博士畢業於中國科學院大學，2006—2017年先後在香港浸會大學非線性中心和中國科學院金屬研究所開展博士後研究工作，2017年起在浙江師範大學任教授。長期從事冷原子物理和非線性物理方面的研究工作，以作者或通訊作者的身份發表40余篇學術論文（其中3篇發表在《Physical Review Letters》）。長期為本科生和研究生講授“量子力學”“高等量子力學”“量子光學”等課程。

本書為高年級本科生、物理學家、物理史學家和物理哲學家撰寫，講述在20世紀前30年的非凡歲月裡我們在理解量子現象的過程中發生的故事。本書沒有遵循標準的公理化方法，而是從歷史的視角，清晰而權威地闡述了海森堡、薛定諤、泡利和狄拉克等先驅者如何發展量子力學的基本原理並將它們融合成一個自洽的理論，以及量子力學的數學框架為什麼必須如此複雜。作者開創了一種引人入勝的寫作方式，提供了一個如何在實踐中運用物理和數學的非凡例子。本書鼓勵人們加深對數學、理論和實驗之間互動的理解。與其他任何相同層次的書相比，本書可以幫助讀者更深入地了解量子力學的發展和內容。

（1）《物理學名家名作譯叢》中的一冊，《物理學中的理論概念》（2017年度引進版優秀圖書獎，每年全國僅30種）的姊妹篇。

（2）英文版由劍橋大學出版社出版。

（3）原作者Malcolm Longair教授曾任劍橋大學卡文迪什實驗室的主任，天體物理學家。

（4）中文版由浙江師範大學高先龍教授和梁兆新教授合譯。

（6）本書不遵循標準的公理化方法，而是從歷史的視角，清晰而權威地闡述了海森堡、薛定諤、泡利和狄拉克等先驅者如何發展量子力學的基本原理並將它們融合成一個自洽的理論。

前言

第1部分 量子的發現

第1章 1895年的物理學和理論物理學

1.1 19世紀物理學的勝利

1.2 19世紀的原子和分子

1.3 氣體動理論和玻爾茲曼統計力學

1.4 麥克斯韋電磁場方程

1.5 邁克耳孫-莫雷實驗與相對論

1.6 譜線的起源

1.7 黑體輻射譜

1.8 暴風前夕

第2章 普朗克和黑體輻射

2.1 實驗技術的關鍵作用

2.2 1895年～1900年：改變實驗物理學的面貌

2.3 普朗克和黑體輻射譜

2.4 通向黑體輻射譜

2.5 黑體輻射定律與實驗的比較

2.6 普朗克的黑體輻射理論

2.7 普朗克和“自然單位”

2.8 普朗克和h的物理意義

第3章 愛因斯坦和量子1900年～1911年

3.1 愛因斯坦在1905年

3.2 愛因斯坦關於布朗運動

3.3 《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》

3.4 固體的量子理論

3.5 德拜的比熱理論

3.6 粒子和波的漲落——愛因斯坦

3.7 屆索爾維會議

3.8 序幕的尾聲

第2部分 舊 量 子 論

第4章 氫原子的玻爾模型

4.1 塞曼效應：洛倫茲和拉莫爾的解釋

4.2 建立原子模型的問題

4.3 湯姆孫和盧瑟福

4.4 哈斯和尼科爾森的原子模型

4.5 玻爾的氫原子模型

4.6 莫塞萊和化學元素的X射線譜

4.7 弗蘭克-赫茲實驗

4.8 接受玻爾的原子理論

第5章 索末菲和埃倫費斯特——推廣玻爾模型

5.1 簡介

5.2 索末菲對玻爾模型的橢圓軌道推廣

5.3 索末菲和精細結構常數

5.4 數學插曲——從牛頓到哈密頓-雅可比

5.5 索末菲的原子三維模型

5.6 埃倫費斯特和絕熱原理

5.7 發展中的量子理論框架

第6章 愛因斯坦系數、玻爾對應原理和選擇定則

6.1 定態躍遷問題

6.2 《關於輻射的量子理論》

6.3 玻爾對應原理

6.4 選擇定則

6.5 量子化輻射的偏振和選擇定則

6.6 裡德伯線系和量子虧損

6.7 邁向更完備的原子量子理論

第7章 理解原子光譜——額外的量子數

7.1 光譜學、多重譜和譜線的分裂

7.2 斯塔克效應

7.3 塞曼效應

7.4 反常塞曼效應

7.5 巴尼特、愛因斯坦-德哈斯和斯特恩-格拉赫的實驗

第8章 玻爾的元素周期表模型和自旋的起源

8.1 玻爾的個元素周期表模型

8.2 沃爾夫斯凱爾講座和玻爾的第二個元素周期表理論

8.3 X射線標準和斯通納修訂的元素周期表

8.4 泡利不相容原理

8.5 電子的自旋

第9章 波粒二象性

9.1 康普頓效應

9.2 玻色-愛因斯坦統計

9.3 德布羅意波

9.4 電子衍射

9.5 到1924年底已取得的成就

第3部分 量子力學的發現

第10章 舊量子論的崩潰和再生

10.1 拉登堡、克拉默斯和色散理論

10.2 斯萊特和玻爾-克拉默斯-斯萊特理論

10.3 玻恩和“量子力學”

10.4 哥廷根的數學和物理學

第11章 海森堡的突破

11.1 海森堡在哥廷根、哥本哈根和黑爾戈蘭

11.2 《運動和力學關係的量子理論再解釋》

11.3 輻射問題以及從經典物理學到量子物理學的轉變

11.4 新動力學

11.5 非線性諧振子

11.6 簡單旋子

11.7 反思

第12章 矩陣力學

12.1 玻恩的響應

12.2 玻恩和約當的矩陣力學

12.3 玻爾、海森堡和約當——三人論文

12.4 泡利的氫原子理論

12.5 矩陣力學的勝利及其不完備性

第13章 狄拉克的量子力學

13.1 狄拉克的量子力學方法

13.2 狄拉克和《量子力學基本方程》

13.3 量子代數、q數和c數以及氫原子

13.4 多電子原子、《關於量子代數》和博士學位論文

第14章 薛定諤與波動力學

14.1 薛定諤的物理學和數學背景

14.2 愛因斯坦、德布羅意和薛定諤

14.3 相對論性的薛定諤方程

14.4 《量子化是本征值問題（第1部分）》

14.5 《量子化是本征值問題（第2部分）》

14.6 波包

14.7 《量子化是本征值問題（第3部分）》

14.8 《量子化是本征值問題（第4部分）》

14.9 反思

第15章 統一矩陣力學和波動力學

15.1 薛定諤

15.2 蘭喬斯

15.3 玻恩和維納的算符形式

15.4 泡利給約當的信

15.5 埃卡特和算子微積分

15.6 調和量子力學和玻爾角動量量子化——WKB近似

15.7 反思

第16章 自旋與量子統計

16.1 自旋與朗德g因子

16.2 海森堡與氦原子

16.3 費米-狄拉克統計——費米的方法

16.4 費米-狄拉克統計——狄拉克的方法

16.5 將自旋引入量子力學——泡利自旋矩陣

16.6 狄拉克方程與電子理論

16.7 正電子的發現

第17章 量子力學的解釋

17.1 薛定諤的解釋

17.2 玻恩對波函數ψ的概率解釋

17.3 狄拉克-約當變換理論

17.4 量子力學的數學完備性

17.5 海森堡的不確定性原理

17.6 埃倫費斯特定理

17.7 量子力學的哥本哈根詮釋

第18章 余波

18.1 理論的發展

18.2 量子隧穿理論

18.3 原子分裂與科克羅夫特和沃爾頓實驗

18.4 中子的發現

18.5 核裂變的發現

18.6 泡利、中微子和費米的弱相互作用理論

18.7 宇宙射線與基本粒子的發現

18.8 天體物理中的應用

注釋

參考文獻

致謝

主題索引

後記