From Micro to Macro Quantum Systems pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Wan, K. Kong

出品人:

页数:688

译者:

出版时间:

价格:$ 209.05

装帧:HRD

isbn号码:9781860946257

丛书系列:

图书标签:

量子系统
微观世界
宏观世界
量子力学
凝聚态物理
量子信息
量子计算
量子光学
多体物理
量子现象

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具体描述

Traditional quantum theory has a very rigid structure, making it difficult to accommodate new properties emerging from novel systems. This book presents a flexible and unified theory for physical systems, from micro and macro quantum to classical. This is achieved by incorporating superselection rules and maximal symmetric operators into the theory. The resulting theory is applicable to classical, microscopic quantum and non-orthodox mixed quantum systems of which macroscopic quantum systems are examples. A unified formalism also greatly facilitates the discussion of interactions between these systems. A scheme of quantization by parts is introduced, based on the mathematics of selfadjoint and maximal symmetric extensions of symmetric operators, to describe point interactions. The results are applied to treat superconducting quantum circuits in various configurations. This book also discusses various topics of interest such as the asymptotic treatment of quantum state preparation and

跨越尺度：从基础原理到复杂现象的物理学之旅一部旨在系统梳理和深入探讨物理学核心概念，并展示如何将微观世界的精确描述拓展至宏观复杂系统的综合性著作。本书并非聚焦于量子力学从微观到宏观的特定过渡，而是提供了一个更宏大、更具普适性的物理学框架。它旨在引导读者理解物理学如何通过不同尺度的理论工具和数学描述，揭示自然界从基本粒子行为到复杂系统演化的统一规律。第一部分：基础的精确性——微观世界的坚实基石本部分首先确立了理解复杂系统的必要前提：对最基本物理实体行为的精确掌握。第一章：经典力学的遗产与局限本章从牛顿力学出发，回顾了描述宏观物体运动的强大工具。我们详细分析了拉格朗日和哈密顿力学在处理多体问题和约束条件下的优越性，这为后续引入更抽象的数学结构打下了基础。然而，重点在于指出经典理论在描述原子和分子层面现象时的根本性失效，特别是对黑体辐射、光电效应和原子光谱的解释失败，这些失败直接指向了量子革命的必然性。第二章：量子力学的核心公设与数学结构本章深入探讨了量子力学（QM）的数学骨架。我们详细阐述了希尔伯特空间、态矢量、算符（厄米算符与观测量）以及薛定谔方程。我们将波函数视为概率幅的载体，并严格区分了态的演化（幺正演化）与测量的突变（波函数坍缩）。本章强调了不确定性原理的深刻哲学含义，即观测行为本身即是物理过程的一部分，而非被动记录。第三章：一维与三维势阱中的精确解为建立直观理解，本章侧重于可解析求解的模型。从无限深势阱到有限深势阱，再到谐振子，我们详细推导了能级量子化和零点能的概念。特别地，对三维空间中的角动量算符的对易关系及其本征态的求解（球面谐函数），为理解原子结构和角动量守恒奠定了计算基础。第四章：自旋、全同粒子与泡利不相容原理本章引入了量子力学的非经典特征——内禀角动量（自旋）。我们通过斯特恩-格拉赫实验的视角，解释了自旋作为一种纯粹的量子力学概念如何独立于轨道运动。随后，对全同粒子（费米子和玻色子）的处理，引入了对称性和反对称性要求，这是构建多电子原子结构和理解凝聚态物理（如电子简并压）的逻辑起点。第二部分：多体系统的涌现与近似一旦单个粒子的行为被理解，挑战便转向如何处理包含大量相互作用粒子的系统。本部分关注如何通过近似方法和平均场理论来管理复杂性。第五章：微扰论：处理弱相互作用在许多实际物理问题中，精确解难以获得，此时微扰论成为至关重要的工具。本章系统介绍了定态微扰论和含时微扰论。我们详细推导了对能量本征值和本征态的一阶和二阶修正，并应用其解释了塞曼效应（外磁场对能级的线性与平方效应）和斯塔克效应（电场对能级的二次效应）。此外，本章探讨了费米黄金法则，它是理解辐射跃迁和散射截面的核心工具。第六章：变分原理与电子结构计算针对原子和分子的精确解（特别是多电子体系），本章引入了变分法作为一种强大的优化工具。我们解释了如何利用试探波函数来估算系统的基态能量的上限。这一原理是现代计算化学和材料科学中密度泛函理论（DFT）基础方法的哲学前驱。第七章：平均场理论与平均场近似对于强关联系统，精确处理粒子间的复杂相互作用是不切实际的。本章聚焦于平均场理论（Mean-Field Theory），特别是Hartree-Fock（HF）方法。我们展示了如何用一个平均的、平均分布的场替换掉其他所有粒子对特定粒子的瞬时作用，从而将一个 $N$ 体问题近似转化为一个可解的单体问题。本章探讨了平均场理论的成功之处（如对分子轨道的初步描述）及其固有的缺陷（如缺乏对电子关联的描述）。第三部分：从量子涨落到统计热力学本部分致力于搭建量子描述与宏观热力学和统计物理学之间的桥梁，关注系统在大量粒子和高温极限下的集体行为。第八章：统计力学的桥梁：系综理论本章回顾了统计力学的基本概念，重点是将微观量子态与宏观可观测属性（温度、压力、熵）联系起来。我们详细讨论了微正则系综、正则系综和巨正则系综，并推导了配分函数（Partition Function）作为连接微观和宏观的桥梁。特别地，我们展示了如何从正则系综中导出亥姆霍兹自由能，以及如何利用它来计算平均能量和比热。第九章：理想气体与费米子/玻色子统计本章应用统计力学的工具来处理理想系统。我们推导了麦克斯韦-玻尔兹曼分布（作为宏观极限），并深入探讨了费米-狄拉克统计和玻色-爱因斯坦统计在描述简并系统中的必要性。重点分析了电子在金属中的费米能级概念，以及在低温下玻色子系统可能出现的凝聚现象（如氦的超流性）。第十章：相变与临界现象的描述相变是宏观世界中最显著的复杂性表现之一。本章不关注量子相变，而是侧重于经典热力学中的二阶相变。我们引入了序参量（Order Parameter）的概念，并讨论了朗道关于平均场理论对相变中临界指数的预测。随后，本章转向了更精细的描述，引入了重整化群（Renormalization Group, RG）方法的思想框架——不是通过详细的计算，而是通过说明其如何描述系统在不同尺度下的有效哈密顿量如何变化，从而解释临界指数的普适性。第四部分：时空与场论的抽象化本部分将物理学的视角进一步提升到描述粒子产生和湮灭的框架，这是现代物理学处理基本相互作用的通用语言。第十一章：经典场论与拉格朗日形式的推广为了统一描述多体系统和场，本章引入了场论的视角。我们从经典力学的解析力学出发，将其推广到连续介质，定义了场和场密度。我们推导了欧拉-拉格朗日方程在场论中的形式，这为描述电磁场和弹性波提供了连续性的数学描述。第十二章：量子场论的初步概念：从粒子到激发态本章旨在为读者建立量子场论（QFT）的直观图像，作为描述基本粒子和相互作用的最终语言。我们将量子化过程理解为将经典场视为算符，其激发态对应于粒子。本章简要介绍了玻色子场的二次量子化（产生和湮灭算符）以及费米子场的处理。重点在于理解粒子作为量子场的基本激发态的本质，而非将粒子视为独立实体的集合。结语：物理学的统一性与未解之谜全书的最后部分总结了从严格的微观公设到涌现的宏观复杂现象之间的逻辑链条。我们强调了理论框架的层次性：量子力学提供了基础，统计力学提供了连接，而场论提供了描述相互作用和相对论效应的通用语言。本书最终引导读者认识到，理解宏观复杂性（如湍流、生命过程、甚至宇宙学）的关键在于掌握如何恰当地选择和应用适用于特定尺度和相互作用强度的理论工具。