Cơ Học Lượng Tử: Nguyên Lý Cơ Bản - Wolfgang Nolting (Lý Thuyết Vật Lý 6)

Cơ học lượng tử: Khám phá nguyên lý cơ bản của vật lý lượng tử, nền tảng của thế giới vi mô. Tìm hiểu lý thuyết vật lý 6 dễ dàng, chi tiết.

Trường đại học

Humboldt-Universität zu Berlin

Chuyên ngành

Vật Lý Lý Thuyết

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Sách giáo trình

2017

526
1
0

Phí lưu trữ

135 Point

Mục lục chi tiết

General Preface

Preface to Volume 6

1. Contents

1.1. Inductive Reasons for the Wave Mechanics

1.1.1. Limits of Classical Physics

1.1.2. Planck’s Quantum of Action

1.2. Laws of Heat Radiation

1.3. The Failure of Classical Physics

1.4. Atoms, Electrons and Atomic Nuclei

1.4.1. Divisibility of Matter

1.5. Light Waves, Light Quanta

1.5.1. Interference and Diffraction

1.5.2. Diffraction by Crystal Lattices

1.5.3. Light Quanta, Photons

1.6. Semi-Classical Atomic Structure Model Concepts

1.6.1. Failure of the Classical Rutherford Model

1.6.2. Bohr Atom Model

1.6.3. Principle of Correspondence

1.7. Self-Examination Questions

2. Schrödinger Equation

2.1. Waves of Action in the Hamilton-Jacobi Theory

2.2. The de Broglie Waves

2.2.1. Double-Slit Experiment

2.2.2. The Wave Function

2.2.3. The Free Matter Wave

2.2.4. Wave Function in the Momentum Space

2.2.5. Periodic Boundary Conditions

2.2.6. Average Values, Fluctuations

2.3. The Momentum Operator

2.3.1. Momentum and Spatial Representation

2.3.2. Non-commutability of Operators

2.3.3. Rule of Correspondence

2.3.4. Self-Examination Questions

3. Fundamentals of Quantum Mechanics (Dirac-Formalism)

3.1. Preparation of a Pure State

3.2. Hilbert Space of the Square-Integrable Functions (H D L2 )

3.3. Dual (Conjugate) Space, bra- and ket-Vectors

3.4. Eigen-Value Problem

3.5. Linear Operators as Matrices

3.5.1. Postulates of Quantum Mechanics

3.5.2. Compatible, Non-compatible Observables

3.5.3. Dynamics of Quantum Systems

3.5.3.1. Time Evolution of the States (Schrödinger Picture)
3.5.3.2. Time Evolution Operator
3.5.3.3. Time Evolution of the Observables (Heisenberg Picture)

3.5.4. Quantum-Theoretical Equations of Motion

3.5.5. Energy-Time Uncertainty Relation

3.6. Principle of Correspondence

3.6.1. Heisenberg Picture and Classical Poisson Bracket

3.6.2. Position and Momentum Representation

3.6.3. Self-Examination Questions

4. Simple Model Systems

4.1. General Statements on One-Dimensional Potential Problems

4.1.1. Solution of the One-Dimensional Schrödinger Equation

4.1.2. Eigen-Value Spectrum

4.1.3. Kronig-Penney Model

4.2. Spectrum of the Harmonic Oscillator

4.2.1. Creation and Annihilation Operators

4.2.2. Eigen-Value Problem of the Occupation Number Operator

4.2.3. Spectrum of the Harmonic Oscillator

4.2.4. Sommerfeld’s Polynomial Method

4.2.5. Higher-Dimensional Harmonic Oscillator

4.2.6. Self-Examination Questions

Solutions of the Exercises

Tóm tắt

I. Cơ Học Lượng Tử Tổng Quan Nguyên Lý Cơ Bản 50 60

Cơ học lượng tử là một lĩnh vực lý thuyết lượng tử nghiên cứu về các hiện tượng vật lý lượng tử ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử. Nó khác biệt sâu sắc so với cơ học cổ điển, vốn mô tả thế giới vĩ mô một cách chính xác. Tại cấp độ lượng tử, các khái niệm như vị trí và động lượng trở nên mờ nhạt, và nguyên lý bất định Heisenberg chi phối. Thay vì các quỹ đạo xác định, các hạt được mô tả bằng hàm sóng, biểu diễn xác suất lượng tử tìm thấy hạt ở một vị trí nhất định. Phương trình Schrodinger đóng vai trò là phương trình cơ bản, xác định sự tiến hóa của hàm sóng theo thời gian. Các khái niệm quan trọng khác bao gồm lượng tử hóa, spin, vướng víu lượng tửnguyên lý chồng chập. Cơ học lượng tử không chỉ là một lý thuyết; nó là nền tảng cho nhiều công nghệ hiện đại, từ máy tính lượng tử đến cảm biến lượng tửmật mã lượng tử. Sự hiểu biết về cơ học lượng tử đòi hỏi một sự thay đổi tư duy đáng kể so với cơ học cổ điển, chấp nhận tính bất định và xác suất lượng tử làm những đặc điểm vốn có của thế giới tự nhiên. 'Wolfgang Nolting Theoretical Physics 6 Quantum Mechanics - Basics' cung cấp một nền tảng vững chắc cho việc nghiên cứu lĩnh vực phức tạp này.

1.1. Giới Thiệu Lịch Sử Phát Triển Vật Lý Lượng Tử

Sự phát triển của vật lý lượng tử là một hành trình đầy biến động, bắt đầu từ những năm đầu thế kỷ 20 với những khám phá mang tính cách mạng. Max Planck, với giả thuyết về lượng tử hóa năng lượng, được coi là người đặt nền móng cho lĩnh vực này. Tiếp theo đó, Albert Einstein giải thích hiệu ứng quang điện bằng cách đưa ra khái niệm photon, chứng minh tính chất hạt của ánh sáng. Niels Bohr, với mô hình nguyên tử của mình, đã giới thiệu các quỹ đạo lượng tử hóa của electron. Werner Heisenberg và Erwin Schrödinger, độc lập với nhau, đã phát triển các công thức toán học của cơ học lượng tử: cơ học ma trậnphương trình Schrodinger, tương ứng. Những khám phá và phát triển này đã tạo ra một sự thay đổi căn bản trong cách chúng ta hiểu về thế giới tự nhiên, từ bỏ các khái niệm cơ học cổ điển về sự xác định và tính liên tục.

1.2. Sự Khác Biệt Giữa Cơ Học Lượng Tử và Cổ Điển

Cơ học lượng tử khác biệt sâu sắc với cơ học cổ điển về nhiều mặt. Trong cơ học cổ điển, các đại lượng vật lý như vị trí và động lượng có thể được xác định chính xác đồng thời, trong khi nguyên lý bất định Heisenberg trong cơ học lượng tử giới hạn độ chính xác của các phép đo này. Cơ học cổ điển mô tả thế giới bằng các quỹ đạo xác định, trong khi cơ học lượng tử sử dụng hàm sóng để biểu diễn xác suất lượng tử tìm thấy một hạt ở một vị trí nhất định. Lượng tử hóa năng lượng là một khái niệm cơ bản trong cơ học lượng tử, trong khi năng lượng có thể thay đổi liên tục trong cơ học cổ điển. Những khác biệt này dẫn đến các hiện tượng độc đáo như vướng víu lượng tửnguyên lý chồng chập, không có tương ứng trong thế giới vĩ mô được mô tả bởi cơ học cổ điển.

1.3. Các khái niệm cơ bản trong cơ học lượng tử LSI

Các khái niệm như hàm sóng, toán tử, và trạng thái lượng tử tạo thành nền tảng của cơ học lượng tử. Hàm sóng mô tả trạng thái của một hạt và cho phép tính toán xác suất lượng tử của các kết quả đo. Toán tử đại diện cho các đại lượng vật lý có thể đo được, chẳng hạn như vị trí, động lượng và năng lượng. Trạng thái lượng tử là một mô tả đầy đủ về một hệ lượng tử, xác định tất cả các tính chất của nó. Spin là một momen động lượng nội tại của các hạt cơ bản, và vướng víu lượng tử là một hiện tượng trong đó hai hay nhiều hạt trở nên liên kết với nhau, bất kể khoảng cách giữa chúng. Hiểu rõ những khái niệm này là rất quan trọng để nắm bắt các nguyên lý cơ bản của cơ học lượng tử.

II. Phương Trình Schrodinger Cách Giải Ứng Dụng 50 60

Phương trình Schrodinger là một phương trình vi phân đạo hàm bậc hai tuyến tính mô tả sự tiến triển theo thời gian của hàm sóng của một hệ lượng tử. Nó là phương trình cơ bản của cơ học lượng tử, tương tự như định luật Newton trong cơ học cổ điển. Giải phương trình Schrodinger cho phép chúng ta xác định các trạng thái năng lượng cho phép và hàm sóng tương ứng của một hệ thống. Phương trình này có nhiều ứng dụng trong việc nghiên cứu các hệ nguyên tử, phân tử, và vật lý chất rắn. Mặc dù không thể chứng minh một cách toán học chặt chẽ, phương trình Schrodinger được giới thiệu dựa trên các nguyên tắc tương tự và đã được chứng minh là một công cụ mạnh mẽ để mô tả và dự đoán các hiện tượng lượng tử. Nolting nhấn mạnh sự cần thiết phải sử dụng các bài tập để làm quen với các nguyên tắc và khái niệm của cơ học lượng tử.

2.1. Giải Phương Trình Schrodinger Độc Lập Thời Gian

Giải phương trình Schrodinger độc lập thời gian cho phép chúng ta xác định các trạng thái dừng của một hệ thống, tức là các trạng thái có năng lượng xác định và không thay đổi theo thời gian. Phương trình này có dạng Hψ = Eψ, trong đó H là toán tử Hamiltonian, ψ là hàm sóng, và E là năng lượng. Các phương pháp giải phương trình Schrodinger độc lập thời gian phụ thuộc vào dạng của toán tử Hamiltonian và có thể bao gồm các kỹ thuật giải tích, số và gần đúng.

2.2. Ứng Dụng Bài Toán Hộp Thế và Dao Động Tử Điều Hòa

Bài toán hộp thế và dao động tử điều hòa lượng tử là hai ví dụ kinh điển về ứng dụng của phương trình Schrodinger. Bài toán hộp thế mô tả một hạt bị giới hạn trong một vùng không gian hữu hạn, trong khi dao động tử điều hòa lượng tử mô tả một hạt chịu tác dụng của một lực đàn hồi. Giải phương trình Schrodinger cho hai hệ thống này cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về các hiện tượng lượng tử hóa năng lượng và xác suất lượng tử.

2.3. Giải thích chi tiết về hàm sóng và Toán Tử

Hàm sóng là một khái niệm trung tâm trong cơ học lượng tử, cung cấp một mô tả đầy đủ về trạng thái của một hệ lượng tử. Nó là một hàm phức có giá trị tuyệt đối bình phương tại một điểm trong không gian cho biết xác suất lượng tử tìm thấy hạt tại điểm đó. Toán tử, mặt khác, đại diện cho các đại lượng vật lý có thể đo được như vị trí, động lượng, năng lượng và spin. Phép đo một đại lượng vật lý tương ứng với việc tác dụng một toán tử lên hàm sóng của hệ thống, dẫn đến một kết quả là một trong các giá trị riêng của toán tử đó.

III. Nguyên Lý Bất Định Heisenberg Ý Nghĩa Hệ Quả 50 60

Nguyên lý bất định Heisenberg là một trong những nguyên lý cơ bản nhất của cơ học lượng tử. Nó phát biểu rằng không thể xác định đồng thời vị trí và động lượng của một hạt với độ chính xác tuyệt đối. Độ bất định trong vị trí (Δx) và độ bất định trong động lượng (Δp) thỏa mãn bất đẳng thức ΔxΔp ≥ ħ/2, trong đó ħ là hằng số Planck rút gọn. Nguyên lý bất định Heisenberg không phải là một giới hạn về khả năng đo lường của chúng ta, mà là một tính chất vốn có của tự nhiên. Nó có những hệ quả sâu sắc đối với cách chúng ta hiểu về thế giới lượng tử, bác bỏ các khái niệm cơ học cổ điển về sự xác định và khả năng dự đoán tuyệt đối. Nolting giải thích rõ ràng ý nghĩa của nguyên lý bất định Heisenberg trong việc xác định các giới hạn của cơ học cổ điển.

3.1. Giải Thích Chi Tiết Nguyên Lý Bất Định Về Vị Trí và Động Lượng

Nguyên lý bất định Heisenberg liên quan đến độ bất định trong vị trí và động lượng phát biểu rằng tích của độ bất định trong vị trí và độ bất định trong động lượng luôn lớn hơn hoặc bằng một hằng số, ħ/2. Điều này có nghĩa là nếu chúng ta biết vị trí của một hạt với độ chính xác cao, chúng ta sẽ không thể biết động lượng của nó một cách chính xác, và ngược lại. Điều quan trọng cần lưu ý là nguyên lý bất định Heisenberg không phải là một giới hạn về khả năng đo lường của chúng ta, mà là một tính chất vốn có của tự nhiên.

3.2. Hệ Quả Của Nguyên Lý Bất Định Sự Không Xác Định Cơ Bản

Nguyên lý bất định Heisenberg có những hệ quả sâu sắc đối với cách chúng ta hiểu về thế giới lượng tử. Nó bác bỏ các khái niệm cơ học cổ điển về sự xác định và khả năng dự đoán tuyệt đối. Trong thế giới lượng tử, chúng ta chỉ có thể dự đoán xác suất lượng tử của các kết quả đo, chứ không thể biết chắc chắn kết quả nào sẽ xảy ra. Điều này dẫn đến sự không xác định cơ bản trong thế giới lượng tử, một sự khác biệt sâu sắc so với thế giới vĩ mô được mô tả bởi cơ học cổ điển.

3.3. Ví Dụ Ứng Dụng Nguyên Lý Bất Định Vào Nguyên Tử Hydro

Nguyên lý bất định Heisenberg có thể được sử dụng để ước tính năng lượng tối thiểu của electron trong nguyên tử hydro. Bằng cách sử dụng nguyên lý bất định Heisenberg để liên hệ giữa độ bất định trong vị trí và độ bất định trong động lượng, chúng ta có thể tìm ra năng lượng tối thiểu mà electron có thể có. Điều này cho thấy rằng electron không thể đơn giản chỉ nằm yên trong hạt nhân, vì điều đó sẽ vi phạm nguyên lý bất định Heisenberg.

IV. Ứng Dụng Cơ Học Lượng Tử Từ Nghiên Cứu Đến Công Nghệ 50 60

Ứng dụng cơ học lượng tử rất đa dạng và ngày càng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ. Từ máy tính lượng tử, hứa hẹn khả năng giải quyết các bài toán phức tạp mà máy tính cổ điển không thể, đến mật mã lượng tử, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho truyền thông, cơ học lượng tử đang định hình tương lai của chúng ta. Cảm biến lượng tử với độ nhạy cực cao cũng đang được phát triển để ứng dụng trong y học, môi trường và nhiều lĩnh vực khác. Ngoài ra, điện tử lượng tửquang học lượng tử cũng là những lĩnh vực nghiên cứu và phát triển quan trọng, mở ra những khả năng mới trong việc điều khiển và sử dụng ánh sáng và vật chất ở cấp độ lượng tử. Nolting nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nắm vững các nguyên tắc của cơ học lượng tử để có thể tham gia vào các nghiên cứu và phát triển tiên tiến trong tương lai.

4.1. Tiềm Năng Cách Mạng Của Máy Tính Lượng Tử LSI

Máy tính lượng tử sử dụng các qubit, đơn vị thông tin lượng tử, thay vì các bit cổ điển. Qubit có thể đồng thời ở cả trạng thái 0 và 1 nhờ vào nguyên lý chồng chập, cho phép máy tính lượng tử thực hiện các phép tính song song và giải quyết các bài toán phức tạp một cách nhanh chóng hơn nhiều so với máy tính cổ điển. Các ứng dụng tiềm năng của máy tính lượng tử bao gồm khám phá thuốc, thiết kế vật liệu mới, tối ưu hóa tài chính và phá mã.

4.2. Mật Mã Lượng Tử Bảo Mật Tuyệt Đối Trong Truyền Thông

Mật mã lượng tử sử dụng các nguyên tắc của cơ học lượng tử để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho truyền thông. Một trong những giao thức mật mã lượng tử nổi tiếng nhất là BB84, dựa trên các thuộc tính của photon. Bất kỳ nỗ lực nghe lén nào cũng sẽ làm thay đổi trạng thái của các photon, và do đó, sẽ bị phát hiện. Mật mã lượng tử hứa hẹn sẽ cách mạng hóa an ninh mạng và bảo vệ thông tin nhạy cảm.

4.3. Các ứng dụng khác Cảm biến Vật liệu lượng tử

Cảm biến lượng tử tận dụng các hiệu ứng lượng tử như vướng víu lượng tửnguyên lý chồng chập để đạt được độ nhạy cực cao. Chúng có thể được sử dụng để đo đạc các trường từ, điện và gia tốc với độ chính xác chưa từng có. Các ứng dụng tiềm năng của cảm biến lượng tử bao gồm y học (chẩn đoán bệnh sớm), môi trường (giám sát ô nhiễm) và an ninh (phát hiện chất nổ). Vật liệu lượng tử là những vật liệu có các tính chất độc đáo do hiệu ứng lượng tử. Chúng đang được nghiên cứu để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm siêu dẫn, điện tử học spinnăng lượng tái tạo.

V. Mô Hình Nguyên Tử Bohr Hạn Chế Phát Triển 50 60

Mô hình nguyên tử Bohr là một bước tiến quan trọng trong việc hiểu cấu trúc của nguyên tử, mặc dù nó có những hạn chế nhất định. Bohr đã kết hợp các khái niệm lượng tử hóa năng lượng của Planck và Einstein với mô hình nguyên tử Rutherford để đưa ra một mô hình trong đó các electron chỉ có thể tồn tại ở các quỹ đạo có năng lượng xác định. Mô hình nguyên tử Bohr đã thành công trong việc giải thích quang phổ của nguyên tử hydro, nhưng nó không thể giải thích quang phổ của các nguyên tử phức tạp hơn. Ngoài ra, mô hình nguyên tử Bohr không phù hợp với nguyên lý bất định Heisenberg và không cung cấp một mô tả đầy đủ về hành vi của electron trong nguyên tử. Mặc dù có những hạn chế, mô hình nguyên tử Bohr vẫn là một cột mốc quan trọng trong sự phát triển của cơ học lượng tử.

5.1. Tổng Quan Về Mô Hình Nguyên Tử Rutherford và Bohr

Mô hình nguyên tử Rutherford đã đề xuất rằng nguyên tử bao gồm một hạt nhân nhỏ, tích điện dương, chứa hầu hết khối lượng của nguyên tử, và các electron tích điện âm quay xung quanh hạt nhân. Tuy nhiên, mô hình nguyên tử Rutherford không thể giải thích sự ổn định của nguyên tử, vì các electron sẽ phát ra bức xạ điện từ và mất năng lượng khi quay xung quanh hạt nhân, dẫn đến việc chúng rơi vào hạt nhân. Mô hình nguyên tử Bohr đã giải quyết vấn đề này bằng cách giới thiệu các quỹ đạo lượng tử hóa của electron, trong đó electron chỉ có thể tồn tại ở các quỹ đạo có năng lượng xác định và không phát ra bức xạ điện từ khi quay quanh hạt nhân.

5.2. Thành Công và Hạn Chế Của Mô Hình Nguyên Tử Bohr LSI

Mô hình nguyên tử Bohr đã thành công trong việc giải thích quang phổ của nguyên tử hydro và dự đoán các mức năng lượng của electron trong nguyên tử hydro một cách chính xác. Tuy nhiên, mô hình nguyên tử Bohr không thể giải thích quang phổ của các nguyên tử phức tạp hơn và không phù hợp với nguyên lý bất định Heisenberg. Ngoài ra, mô hình nguyên tử Bohr không cung cấp một mô tả đầy đủ về hành vi của electron trong nguyên tử, vì nó coi electron như một hạt điểm quay xung quanh hạt nhân, thay vì một hàm sóng phân bố trong không gian.

5.3. Phát Triển Từ Mô Hình Bohr Mô Hình Lượng Tử Hiện Đại

Các nhà khoa học đã phát triển các mô hình nguyên tử lượng tử hiện đại hơn dựa trên cơ học lượng tử để vượt qua những hạn chế của mô hình nguyên tử Bohr. Các mô hình này sử dụng phương trình Schrodinger để mô tả hành vi của electron trong nguyên tử và tính đến nguyên lý bất định Heisenberg. Các mô hình nguyên tử lượng tử hiện đại cung cấp một mô tả chính xác hơn về cấu trúc và tính chất của nguyên tử, và chúng được sử dụng rộng rãi trong hóa học lượng tử và vật lý chất rắn.

VI. Tương Lai Cơ Học Lượng Tử Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng 50 60

Tương lai của cơ học lượng tử hứa hẹn nhiều khám phá và ứng dụng đột phá. Các nhà khoa học đang nỗ lực phát triển máy tính lượng tử mạnh mẽ hơn, cảm biến lượng tử nhạy hơn và các vật liệu lượng tử mới với các tính chất độc đáo. Nghiên cứu về vướng víu lượng tửtruyền tải lượng tử cũng đang được tiến hành để khám phá các khả năng truyền thông và tính toán lượng tử mới. Ngoài ra, việc tích hợp cơ học lượng tử với các lý thuyết vật lý khác, chẳng hạn như thuyết tương đối rộng, là một thách thức lớn, nhưng cũng có thể dẫn đến những hiểu biết sâu sắc hơn về vũ trụ. Nolting khuyến khích sinh viên tiếp tục khám phá cơ học lượng tử và đóng góp vào sự phát triển của lĩnh vực này.

6.1. Những Thách Thức Trong Nghiên Cứu Máy Tính Lượng Tử

Mặc dù máy tính lượng tử hứa hẹn nhiều tiềm năng, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc xây dựng các máy tính lượng tử mạnh mẽ và ổn định. Một trong những thách thức lớn nhất là duy trì sự koherent của các qubit, tức là ngăn chặn chúng khỏi bị mất thông tin do tương tác với môi trường. Các nhà khoa học đang nghiên cứu các phương pháp khác nhau để cải thiện sự koherent của các qubit, chẳng hạn như sử dụng các vật liệu siêu dẫn và các kỹ thuật điều khiển lượng tử tiên tiến.

6.2. Vướng Víu Lượng Tử và Ứng Dụng Truyền Thông LSI

Vướng víu lượng tử là một hiện tượng trong đó hai hay nhiều hạt trở nên liên kết với nhau, bất kể khoảng cách giữa chúng. Điều này có nghĩa là nếu chúng ta đo trạng thái của một hạt, chúng ta sẽ biết ngay lập tức trạng thái của các hạt còn lại, ngay cả khi chúng ở cách xa nhau hàng tỷ năm ánh sáng. Vướng víu lượng tử có thể được sử dụng để truyền thông lượng tử, tức là truyền thông tin một cách an toàn và nhanh chóng. Tuy nhiên, việc xây dựng các hệ thống truyền thông lượng tử vẫn còn nhiều thách thức kỹ thuật.

6.3. Kết hợp Cơ Học Lượng Tử và Thuyết Tương Đối Hướng đi mới

Việc kết hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối rộng là một trong những mục tiêu lớn nhất của vật lý lý thuyết hiện đại. Thuyết tương đối rộng mô tả lực hấp dẫn ở quy mô vũ trụ, trong khi cơ học lượng tử mô tả các hiện tượng ở quy mô nguyên tử và hạ nguyên tử. Hai lý thuyết này mâu thuẫn với nhau trong một số trường hợp, chẳng hạn như trong lỗ đen và vũ trụ sơ khai. Việc tìm ra một lý thuyết thống nhất cả hai lý thuyết này có thể mở ra những hiểu biết sâu sắc hơn về bản chất của không gian, thời gian và vật chất.

27/09/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Wolfgang Nolting Theoretical Physics 6 Quantum Mechanics - Basics Theoretical Physics 6 www.com Wolfgang Nolting Theoretical Physics 6 Quantum Mechanics - Basics 123 www.com Wolfgang Nolting Inst. Physik Humboldt-Universität zu Berlin Berlin, Germany ISBN 978-3-319-54385-7 ISBN 978-3-319-54386-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-319-54386-4 Library of Congress Control Number: 2016943655 © Springer International Publishing AG 2017 This work is subject to copyright. All rights are reserved by the Publisher, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed. The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc.

in this publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use. The publisher, the authors and the editors are safe to assume that the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication. Neither the publisher nor the authors or the editors give a warranty, express or implied, with respect to the material contained herein or for any errors or omissions that may have been made. The publisher remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Printed on acid-free paper This Springer imprint is published by Springer Nature The registered company is Springer International Publishing AG The registered company address is: Gewerbestrasse 11, 6330 Cham, Switzerland www.com General Preface The nine volumes of the series Basic Course: Theoretical Physics are thought to be text book material for the study of university level physics. They are aimed to impart, in a compact form, the most important skills of theoretical physics which can be used as basis for handling more sophisticated topics and problems in the advanced study of physics as well as in the subsequent physics research. The conceptual design of the presentation is organized in such a way that Classical Mechanics (volume 1) Analytical Mechanics (volume 2) Electrodynamics (volume 3) Special Theory of Relativity (volume 4) Thermodynamics (volume 5) are considered as the theory part of an integrated course of experimental and theoretical physics as is being offered at many universities starting from the first semester. Therefore, the presentation is consciously chosen to be very elaborate and self-contained, sometimes surely at the cost of certain elegance, so that the course is suitable even for self-study, at first without any need of secondary literature.

At any stage, no material is used which has not been dealt with earlier in the text. This holds in particular for the mathematical tools, which have been comprehensively developed starting from the school level, of course more or less in the form of recipes, such that right from the beginning of the study, one can solve problems in theoretical physics. The mathematical insertions are always then plugged in when they become indispensable to proceed further in the program of theoretical physics. It goes without saying that in such a context, not all the mathematical statements can be proved and derived with absolute rigor.

Instead, sometimes a reference must be made to an appropriate course in mathematics or to an advanced textbook in mathematics. Nevertheless, I have tried for a reasonably balanced representation so that the mathematical tools are not only applicable but also appear at least “plausible”.com vi General Preface The mathematical interludes are of course necessary only in the first volumes of this series, which incorporate more or less the material of a bachelor program. In the second part of the series which comprises the modern aspects of theoretical physics, Quantum Mechanics: Basics (volume 6) Quantum Mechanics: Methods and Applications (volume 7) Statistical Physics (volume 8) Many-Body Theory (volume 9), mathematical insertions are no longer necessary. This is partly because, by the time one comes to this stage, the obligatory mathematics courses one has to take in order to study physics would have provided the required tools.

The fact that training in theory has already started in the first semester itself permits inclusion of parts of quantum mechanics and statistical physics in the bachelor program itself. It is clear that the content of the last three volumes cannot be part of an integrated course but rather the subject matter of pure theory lectures. This holds in particular for Many-Body Theory which is offered, sometimes under different names, e., Advanced Quantum Mechanics, in the eighth or so semester of study. In this part, new methods and concepts beyond basic studies are introduced and discussed which are developed in particular for correlated many particle systems which in the meantime have become indispensable for a student pursuing a master’s or a higher degree and for being able to read current research literature.

In all the volumes of the series Theoretical Physics, numerous exercises are included to deepen the understanding and to help correctly apply the abstractly acquired knowledge. It is obligatory for a student to attempt on his own to adapt and apply the abstract concepts of theoretical physics to solve realistic problems. Detailed solutions to the exercises are given at the end of each volume. The idea is to help a student to overcome any difficulty at a particular step of the solution or to check one’s own effort.

Importantly these solutions should not seduce the student to follow the easy way out as a substitute for his own effort. At the end of each bigger chapter, I have added self-examination questions which shall serve as a self-test and may be useful while preparing for examinations. I should not forget to thank all the people who have contributed one way or another to the success of the book series. The single volumes arose mainly from lectures which I gave at the universities of Muenster, Wuerzburg, Osnabrueck, and Berlin (Germany), Valladolid (Spain), and Warangal (India).

The interest and constructive criticism of the students provided me the decisive motivation for preparing the rather extensive manuscripts. After the publication of the German version, I received a lot of suggestions from numerous colleagues for improvement, and this helped to further develop and enhance the concept and the performance of the series. In particular, I appreciate very much the support by Prof. Ramakanth, a long-standing scientific partner and friend, who helped me in many respects, e., what concerns the checking of the translation of the German text into the present English version.com General Preface vii Special thanks are due to the Springer company, in particular to Dr.

Schneider and his team. I remember many useful motivations and stimulations. I have the feeling that my books are well taken care of. Berlin, Germany Wolfgang Nolting August 2016 www.com Preface to Volume 6 The main goal of the present volume 6 (Quantum Mechanics: Basics) corresponds exactly to that of the total basic course in Theoretical Physics.

It is thought to be accompanying textbook material for the study of university-level physics. It is aimed to impart, in a compact form, the most important skills of theoretical physics which can be used as basis for handling more sophisticated topics and problems in the advanced study of physics as well as in the subsequent physics research. It is presented in such a way that it enables self-study without the need for a demanding and laborious reference to secondary literature. For the understanding of the text it is only presumed that the reader has a good grasp of what has been elaborated in the preceding volumes.

Mathematical interludes are always presented in a compact and functional form and practiced when they appear indispensable for the further development of the theory. For the whole text it holds that I had to focus on the essentials, presenting them in a detailed and elaborate form, sometimes consciously sacrificing certain elegance. It goes without saying, that after the basic course, secondary literature is needed to deepen the understanding of physics and mathematics. For the treatment of Quantum Mechanics also, we have to introduce certain new mathematical concepts.

However now, the special demands may be of rather conceptual nature. The Quantum Mechanics utilizes novel ‘models of thinking’, which are alien to Classical Physics, and whose understanding and applying may raise difficulties to the ‘beginner’. Therefore, in this case, it is especially mandatory to use the exercises, which play an indispensable role for an effective learning and therefore are offered after all important subsections, in order to become familiar with the at first unaccustomed principles and concepts of the Quantum Mechanics. The elaborate solutions to exercises at the end of the book should not keep the learner from attempting an independent treatment of the problems, but should only serve as a checkup of one’s own efforts.

This volume on Quantum Mechanics arose from lectures I gave at the German universities in Würzburg, Münster, and Berlin. The animating interest of the students in my lecture notes has induced me to prepare the text with special care. The present ix www.com x Preface to Volume 6 one as well as the other volumes is thought to be the textbook material for the study of basic physics, primarily intended for the students rather than for the teachers. The wealth of subject matter has made it necessary to divide the presentation of Quantum Mechanics into two volumes, where the first part deals predominantly with the basics.

In a rather extended first chapter, an inductive reasoning for Quantum Mechanics is presented, starting with a critical inspection of the ‘pre- quantum-mechanical time’, i., with an analysis of the problems encountered by the physicists at the beginning of the twentieth century. Surely, opinions on the value of such a historical introduction may differ. However, I think it leads to a profound understanding of Quantum Mechanics. The presentation and interpretation of the Schrödinger equation, the fundamental equation of motion of Quantum Mechanics, which replaces the classical equations of motion (Newton, Lagrange, Hamilton), will be the central topic of the second chapter.

The Schrödinger equation cannot be derived in a mathematically strict sense, but has rather to be introduced, more or less, by analogy considerations. For this purpose one can, for instance, use the Hamilton-Jacobi theory (section 3, Vol. 2), according to which the Quantum Mechanics should be considered as something like a super-ordinate theory, where the Classical Mechanics plays a similar role in the framework of Quantum Mechanics as the geometrical optics plays in the general theory of light waves. The particle-wave dualism of matter, one of the most decisive scientific findings of physics in the twentieth century, will already be indicated via such an ‘extrapolation’ of Classical Mechanics.

The second chapter will reveal why the state of a system can be described by a ‘wave function’, the statistical character of which is closely related to typical quantum-mechanical phenomena as the Heisenberg uncertainty principle. This statistical character of Quantum Mechanics, in contrast to Classical Physics, allows for only probability statements. Typical determinants are therefore probability distributions, average values, and fluctuations. The Schrödinger wave mechanics is only one of the several possibilities to represent Quantum Mechanics.

The complete abstract basics will be worked out in the third chapter. While in the first chapter the Quantum Mechanics is reasoned inductively, which eventually leads to the Schrödinger version in the second chapter, now, opposite, namely, the deductive way will be followed. Fundamental terms such as state and observable are introduced axiomatically as elements and operators of an abstract Hilbert space. ‘Measuring’ means ‘operation’ on the ‘state’ of the system, as a result of which, in general, the state is changed.

This explains why the describing mathematics represents an operator theory, which at this stage of the course has to be introduced and exercised. The third chapter concludes with some considerations on the correspondence principle by which once more ties are established to Classical Physics.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ