Cơ Học Lượng Tử và Tích Phân Đường Đi: Ấn Bản Sửa Đổi Chuyên Sâu

Khám phá cơ học lượng tử và tích phân đường đi trong phiên bản sửa đổi. Tìm hiểu sâu hơn về vật lý lượng tử với các khái niệm và ứng dụng mới nhất.

Chuyên ngành

Quantum Mechanics

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

textbook

1965

383
0
0

Phí lưu trữ

75 Point

Mục lục chi tiết

Preface

Preface to Emended Edition

1. The Fundamental Concepts of Quantum Mechanics

1.1. Probability in quantum mechanics

1.2. The uncertainty principle

1.3. Interfering alternatives

1.4. Summary of probability concepts

1.5. Some remaining thoughts

1.6. The purpose of this book

2. The Quantum-mechanical Law of Motion

2.1. The classical action

2.2. The quantum-mechanical amplitude

2.3. The classical limit

2.4. The sum over paths

2.5. Events occurring in succession

2.6. Some remarks

3. Developing the Concepts with Special Examples

3.1. The free particle

3.2. Diffraction through a slit

3.3. Results for a sharp-edged slit

3.4. The wave function

3.5. Gaussian integrals

3.6. Motion in a potential field

3.7. Systems with many variables

3.8. Separable systems

3.9. The path integral as a functional

3.10. Interaction of a particle and a harmonic oscillator

3.11. Evaluation of path integrals by Fourier series

4. The Schrodinger Description of Quantum Mechanics

4.1. The Schrodinger equation

4.2. The time-independent hamiltonian

4.3. Normalizing the free-particle wave functions

5. Measurements and Operators

5.1. The momentum representation

5.2. Measurement of quantum-mechanical variables

5.3. Operators

6. The Perturbation Method in Quantum Mechanics

6.1. The perturbation expansion

6.2. An integral equation for K v

6.3. An expansion for the wave function

6.4. The scattering of an electron by an atom

6.5. Time-dependent perturbations and transition amplitudes

7. Transition Elements

7.1. Definition of the transition element

7.2. Functional derivatives

7.3. Transition elements of some special functionals

7.4. General results for quadratic actions

7.5. Transition elements and the operator notation

7.6. The perturbation series for a vector potential

7.7. The hamiltonian

8. Harmonic Oscillators

8.1. The simple harmonic oscillator

8.2. The polyatomic molecule

8.3. Normal coordinates

8.4. The one-dimensional crystal

8.5. The approximation of continuity

8.6. Quantum mechanics of a line of atoms

8.7. The three-dimensional crystal

8.8. Quantum field theory

8.9. The forced harmonic oscillator

9. Quantum Electrodynamics

9.1. Classical electrodynamics

9.2. The quantum mechanics of the radiation field

9.3. The ground state

9.4. Interaction of field and matter

9.5. A single electron in a radiative field

9.6. The Lamb shift

9.7. The emission of light

9.8. Summary

10. Statistical Mechanics

10.1. The partition function

10.2. The path integral evaluation

10.3. Quantum-mechanical effects

10.4. Systems of several variables

10.5. Remarks on methods of derivation

11. The Variational Method

11.1. A minimum principle

11.2. An application of the variational method

11.3. The standard variational principle

11.4. Slow electrons in a polar crystal

12. Other Problems in Probability

12.1. Random pulses

12.2. Characteristic functions

12.3. Noise

12.4. Gaussian noise

12.5. Noise spectrum

12.6. Brownian motion

12.7. Quantum mechanics

12.8. Influence functionals

12.9. Influence functional from a harmonic oscillator

12.10. Conclusions

Appendix Some Useful Definite Integrals

Appendix Notes

Index

Tóm tắt

I. Tổng Quan Cơ Học Lượng Tử Tích Phân Đường Đi Cách Tiếp Cận Mới 55 ký tự

Cơ học lượng tử từ đầu thế kỷ 20 đã phơi bày những bất cập của vật lý cổ điển, hé lộ một thế giới lượng tử kỳ lạ. Thay vì dự đoán chính xác, cơ học lượng tử chấp nhận tính bất định và làm việc với xác suất. Điểm mấu chốt là các quy luật kết hợp xác suất trong thế giới lượng tử khác biệt so với lý thuyết xác suất cổ điển của Laplace. Sự khác biệt này trở nên rõ ràng khi ta nghiên cứu các đối tượng ở kích thước nguyên tử. Chương này sẽ minh họa các quy luật này thông qua các thí nghiệm tưởng tượng với một electron duy nhất. Thí nghiệm điển hình bao gồm nguồn electron, màn chắn có hai khe và máy dò. Thay vì nhận được kết quả dự đoán từ vật lý cổ điển, chúng ta chứng kiến hiện tượng giao thoa sóng, minh chứng sự tồn tại của hàm sóng và sự amplitude xác suất.

Các electron phát ra từ nguồn đi qua hai khe và được máy dò ghi lại. Vị trí của máy dò ảnh hưởng đến số lượng electron được ghi nhận, tạo ra một đồ thị phức tạp với các cực đại và cực tiểu. Nếu electron hoạt động như hạt cổ điển, ta kỳ vọng xác suất đến một điểm là tổng xác suất đi qua từng khe riêng biệt. Tuy nhiên, thí nghiệm cho thấy điều ngược lại: P ≠ P1 + P2. Điều này dẫn đến khái niệm biên độ xác suất ¢(x), một số phức mà bình phương độ lớn của nó cho ta xác suất đến một điểm x. ¢(x) là tổng của ¢1(x) và ¢2(x), biên độ đi qua khe 1 và khe 2 tương ứng. Khái niệm amplitude xác suất này là nền tảng của cơ học lượng tử.

Một hệ quả quan trọng là khi cả hai khe đều mở, ta không thể nói electron đi qua khe này hay khe kia. Quan sát (bằng cách chiếu sáng các khe) sẽ thay đổi kết quả, phá vỡ sự giao thoa và làm cho P = P1 + P2. Điều này dẫn đến nguyên lý bất định Heisenberg, giới hạn độ chính xác của các thí nghiệm. Bất kỳ nỗ lực xác định con đường của electron đều gây ra đủ xáo trộn để thay đổi kết quả. Sự kết hợp giữa tính chất sóng và hạt không mâu thuẫn nếu ta cẩn trọng với các phát biểu về thí nghiệm. Các thử nghiệm như thí nghiệm hai khe minh họa rõ nét sự khác biệt giữa thế giới lượng tử và thế giới cổ điển.

1.1. Thí nghiệm hai khe và khái niệm amplitude xác suất

Thí nghiệm hai khe là một trong những thí nghiệm nền tảng của cơ học lượng tử, minh họa rõ ràng tính chất sóng hạt lưỡng tính của các hạt vi mô như electron. Kết quả thí nghiệm mâu thuẫn với dự đoán của vật lý cổ điển, dẫn đến sự ra đời của khái niệm amplitude xác suất. Việc quan sát đường đi của electron thông qua một trong hai khe sẽ làm thay đổi kết quả giao thoa, cho thấy vai trò quan trọng của quan sát trong thế giới lượng tử. Thí nghiệm này cung cấp một cái nhìn sâu sắc về bản chất của cơ học lượng tử và sự khác biệt so với vật lý cổ điển.

1.2. Liên hệ giữa nguyên lý bất định Heisenberg và kết quả thí nghiệm

Nguyên lý bất định Heisenberg là một trong những trụ cột của cơ học lượng tử, phát biểu rằng không thể xác định đồng thời vị trí và động lượng của một hạt với độ chính xác tuyệt đối. Trong thí nghiệm hai khe, việc cố gắng xác định khe mà electron đi qua sẽ gây ra một sự xáo trộn đủ lớn để phá vỡ mô hình giao thoa. Điều này cho thấy sự liên kết chặt chẽ giữa nguyên lý bất định và các kết quả quan sát được trong thế giới lượng tử. Bất kỳ nỗ lực nào để quan sát hệ thống lượng tử đều sẽ ảnh hưởng đến trạng thái của nó, làm cho việc đo lường chính xác trở nên bất khả thi.

1.3. Tổng kết các khái niệm cơ bản về xác suất lượng tử

Cơ học lượng tử đòi hỏi một cách tiếp cận mới về xác suất. Thay vì chỉ đơn thuần cộng các xác suất cho các kết quả khác nhau, ta phải làm việc với amplitude xác suất. Bình phương độ lớn của amplitude xác suất cho ta xác suất thực tế của kết quả đó. Các amplitude xác suất có thể giao thoa với nhau, dẫn đến các hiệu ứng mà không thể giải thích được bằng vật lý cổ điển. Việc hiểu rõ các quy tắc kết hợp amplitude xác suất là rất quan trọng để nắm bắt bản chất của cơ học lượng tử.

II. Định Luật Chuyển Động Lượng Tử Tích Phân Đường Đi Feynman 59 ký tự

Chương này trình bày một cách đầy đủ về cơ học lượng tử phi tương đối tính, bắt đầu với biên độ cho mỗi quỹ đạo. Trong khi vật lý cổ điển chỉ tập trung vào quỹ đạo có tác dụng cực trị, cơ học lượng tử xem xét tất cả các quỹ đạo, mỗi quỹ đạo đóng góp một biên độ có pha tỷ lệ với tác dụng S. Điều này trái ngược với cơ học cổ điển, nơi chỉ có một quỹ đạo cụ thể đi từ điểm a đến điểm b. Trong cơ học lượng tử, chúng ta có biên độ, hay còn gọi là kernel K(b, a), để đi từ điểm a đến điểm b. Kernel này là tổng đóng góp từ tất cả các quỹ đạo.

Biên độ P(b, a) đi từ điểm Xa tại thời điểm ta đến điểm Xb tại thời điểm tb là bình phương tuyệt đối của biên độ K(b, a). Biên độ này là tổng các đóng góp ¢[x(t)] từ mỗi đường dẫn, mỗi đường dẫn có pha tỷ lệ với tác dụng S. Tích phân đường đi Feynman là công cụ toán học để tính tổng đóng góp từ tất cả các đường dẫn có thể. Khi tác dụng S lớn so với h, ta tiến gần đến giới hạn cổ điển, trong đó chỉ quỹ đạo có tác dụng cực trị là quan trọng.

Trong giới hạn cổ điển, các đường dẫn lân cận có tác dụng khác nhau rất nhiều, dẫn đến sự triệt tiêu. Chỉ trong vùng lân cận quỹ đạo có tác dụng cực trị, các đường dẫn mới đóng góp cùng pha và giao thoa xây dựng. Phương pháp này cho phép ta suy ra các định luật chuyển động cổ điển từ các định luật lượng tử. Tuy nhiên, ở cấp độ nguyên tử, S có thể so sánh với h, và tất cả các quỹ đạo phải được cộng vào. Để giải quyết những trường hợp này, chúng ta cần phải tìm hiểu cách thực hiện các tổng như trong phương trình (2.14).

2.1. Nguyên tắc tác dụng tối thiểu trong cơ học cổ điển

Trong cơ học cổ điển, nguyên tắc tác dụng tối thiểu phát biểu rằng quỹ đạo thực tế của một hệ thống là quỹ đạo làm cho tác dụng, một tích phân của hàm Lagrangian theo thời gian, đạt giá trị cực trị (thường là tối thiểu). Hàm Lagrangian là hiệu giữa động năng và thế năng của hệ thống. Nguyên tắc này là một cách thanh lịch để diễn đạt các định luật chuyển động của Newton và là nền tảng của cơ học Lagrangecơ học Hamilton.

2.2. Mối liên hệ giữa cơ học lượng tử và cơ học cổ điển

Cơ học lượng tử và cơ học cổ điển có những điểm khác biệt cơ bản, nhưng cơ học cổ điển có thể được xem là một trường hợp giới hạn của cơ học lượng tử khi các hiệu ứng lượng tử trở nên không đáng kể. Trong tích phân đường đi Feynman, khi tác dụng lớn so với hằng số Planck, các đường dẫn lân cận quỹ đạo cổ điển sẽ triệt tiêu lẫn nhau do sự khác biệt về pha, và chỉ quỹ đạo cổ điển mới đóng góp đáng kể vào biên độ xác suất. Điều này giải thích tại sao cơ học cổ điển vẫn đúng trong nhiều trường hợp.

2.3. Hàm Lagrangian và vai trò của nó trong cơ học lượng tử

Hàm Lagrangian, được định nghĩa là hiệu giữa động năng và thế năng của hệ thống, đóng vai trò quan trọng trong cả cơ học cổ điển và cơ học lượng tử. Trong tích phân đường đi Feynman, hàm Lagrangian xuất hiện trong biểu thức tính tác dụng, một đại lượng quyết định pha của biên độ xác suất cho mỗi đường dẫn. Việc xác định đúng hàm Lagrangian là rất quan trọng để có thể tính toán chính xác các biên độ xác suất và dự đoán hành vi của hệ thống.

III. Tính Toán Tích Phân Đường Đi Hướng Dẫn Chi Tiết và Ví Dụ 60 ký tự

Mặc dù ý tưởng về tổng đóng góp cho mỗi đường dẫn là rõ ràng, nhưng cần có một định nghĩa toán học chính xác hơn. Số lượng đường dẫn là vô hạn, và không rõ làm thế nào để xác định 'độ đo' cho không gian đường dẫn này. Chúng ta bắt đầu bằng cách chọn một tập hợp con của tất cả các đường dẫn. Để làm điều này, chúng ta chia biến thời gian thành các bước có độ rộng E. Tại mỗi thời điểm ti, chúng ta chọn một điểm đặc biệt Xi. Chúng ta xây dựng một đường dẫn bằng cách kết nối tất cả các điểm được chọn bằng các đường thẳng. Khi có giới hạn, ta nhận được biểu thức K(b, a) = lim (E->0) A^-N * ∫∫...∫ ¢[x(t)] dx1 dx2...dx(N-1), trong đó S[b, a] là tích phân đường được lấy trên quỹ đạo đi qua các điểm Xi với các đoạn thẳng ở giữa.

Cách tiếp cận thay thế là sử dụng các đoạn quỹ đạo cổ điển thay vì các đường thẳng giữa các điểm. Có nhiều cách để xác định một tập hợp con của tất cả các đường dẫn giữa a và b. Việc định nghĩa một yếu tố chuẩn hóa có vẻ là một vấn đề rất khó khăn, nhưng chúng ta biết cách đưa ra định nghĩa cho tất cả các tình huống có giá trị thực tế. Chúng ta viết tổng trên tất cả các đường dẫn bằng ký hiệu K(b, a) = ∫(b, a) ei/ħ S[b, a] Dx(t), mà chúng ta gọi là tích phân đường dẫn. Để tính tích phân đường đi, chúng ta chia nhỏ khoảng thời gian thành các phần nhỏ, xấp xỉ đường đi bằng các đoạn thẳng, và sau đó tính toán tích phân qua tất cả các khả năng của các điểm trung gian.

3.1. Định nghĩa toán học của tích phân đường đi

Tích phân đường đi là một công cụ toán học mạnh mẽ để tính toán biên độ xác suất trong cơ học lượng tử. Thay vì chỉ xem xét một quỹ đạo cổ điển, nó tính tổng biên độ của tất cả các đường đi có thể giữa hai điểm trong không gian và thời gian. Việc định nghĩa chính xác tích phân này đòi hỏi các kỹ thuật toán học phức tạp, bao gồm việc chia nhỏ khoảng thời gian và xấp xỉ đường đi bằng các đoạn thẳng hoặc các quỹ đạo cổ điển.

3.2. Các phương pháp xấp xỉ tích phân đường đi

Việc tính toán chính xác tích phân đường đi thường rất khó khăn, đặc biệt đối với các hệ thống phức tạp. Do đó, người ta thường sử dụng các phương pháp xấp xỉ để ước tính giá trị của tích phân. Một phương pháp phổ biến là chia nhỏ khoảng thời gian thành các phần nhỏ và xấp xỉ đường đi bằng các đoạn thẳng. Các phương pháp khác bao gồm sử dụng các quỹ đạo cổ điển để xấp xỉ đường đi hoặc sử dụng các kỹ thuật số để tính toán tích phân trực tiếp.

3.3. Hàm số cho trước và ví dụ áp dụng tích phân đường đi

Để hiểu rõ hơn về cách tính tích phân đường đi, chúng ta có thể xem xét các ví dụ cụ thể, chẳng hạn như hạt tự do hoặc dao động tử điều hòa. Đối với mỗi hệ thống, chúng ta cần xác định hàm Lagrangian và sau đó sử dụng tích phân đường đi để tính toán biên độ xác suất cho các quá trình khác nhau. Các ví dụ này cung cấp một cái nhìn trực quan về cách tích phân đường đi hoạt động và cách nó có thể được sử dụng để giải quyết các bài toán trong cơ học lượng tử.

IV. Phương Trình Schrodinger Cách Tiếp Cận Thay Thế Cơ Học Lượng Tử 59 ký tự

Trong cơ học lượng tử, biên độ ¢ là nghiệm của một phương trình hoàn toàn xác định (phương trình Schrodinger). Hiểu ¢ tại t=0 có nghĩa là biết nó ở mọi thời điểm sau đó. Việc diễn giải 1¢1^2 là xác suất của một sự kiện là một diễn giải phi xác định. Điều này ngụ ý rằng kết quả của một thí nghiệm không thể đoán trước được một cách chính xác. Thật đáng chú ý là cách giải thích này không dẫn đến bất kỳ mâu thuẫn nào. Tuy nhiên, sự thật là không có mâu thuẫn nào có thể xảy ra không phải là điều hiển nhiên hoàn toàn. Vì lý do này, cơ học lượng tử có vẻ là một chủ đề khó khăn và có phần bí ẩn đối với người mới bắt đầu. Bí ẩn giảm dần khi thử nghiệm nhiều ví dụ hơn, nhưng người ta không bao giờ hoàn toàn mất đi cảm giác rằng có điều gì đó kỳ lạ về chủ đề này.

Có một vài vấn đề giải thích mà vẫn có thể được thực hiện. Một trong số đó là chứng minh rằng cách giải thích xác suất của ¢ là cách giải thích duy nhất phù hợp với số lượng này. Chúng ta và các dụng cụ đo lường của chúng ta là một phần của tự nhiên và do đó, về nguyên tắc, được mô tả bằng các hàm biên độ thỏa mãn một phương trình xác định. Tại sao chúng ta chỉ có thể dự đoán xác suất rằng một thí nghiệm nhất định sẽ dẫn đến một kết quả xác định? Sự không chắc chắn nảy sinh từ đâu? Gần như chắc chắn nó nảy sinh từ nhu cầu khuếch đại các hiệu ứng của các sự kiện nguyên tử đơn lẻ đến một mức độ mà chúng có thể dễ dàng được quan sát bởi các hệ thống lớn. Các chi tiết của việc này đã được phân tích chỉ với giả định rằng 1¢1^2 là một xác suất và tính nhất quán của giả định này đã được chứng minh.

4.1. So sánh tích phân đường đi và phương trình Schrodinger

Tích phân đường điphương trình Schrodinger là hai cách tiếp cận khác nhau để mô tả cơ học lượng tử. Phương trình Schrodinger là một phương trình vi phân mô tả sự tiến triển theo thời gian của hàm sóng, trong khi tích phân đường đi tính toán biên độ xác suất bằng cách tính tổng trên tất cả các đường đi có thể. Cả hai phương pháp đều cho kết quả tương đương, nhưng tích phân đường đi có thể hữu ích hơn trong một số tình huống, chẳng hạn như khi xử lý các hệ thống phức tạp hoặc khi nghiên cứu các hiệu ứng topo.

4.2. Sự tương đồng giữa hai phương pháp trong giải thích các hiện tượng vật lý

Mặc dù có sự khác biệt về mặt toán học, cả tích phân đường điphương trình Schrodinger đều đưa ra các giải thích tương đương cho các hiện tượng vật lý. Cả hai phương pháp đều dự đoán đúng các kết quả thí nghiệm và cung cấp một cái nhìn sâu sắc về bản chất của thế giới lượng tử. Sự tương đương giữa hai phương pháp này củng cố thêm sự tin cậy vào cơ học lượng tử và khả năng của nó trong việc mô tả thế giới vi mô.

4.3. Ứng dụng của phương trình Schrodinger trong cơ học lượng tử

Phương trình Schrodinger là một trong những công cụ cơ bản nhất trong cơ học lượng tử. Nó được sử dụng để mô tả sự tiến triển theo thời gian của các hệ thống lượng tử khác nhau, từ các nguyên tử và phân tử đơn giản đến các vật chất ngưng tụ phức tạp. Việc giải phương trình Schrodinger cho phép chúng ta tính toán các tính chất của hệ thống, chẳng hạn như mức năng lượng, hàm sóng và các xác suất chuyển đổi.

V. Ứng Dụng Thực Tế của Cơ Học Lượng Tử và Tích Phân Đường Đi 57 ký tự

Các vấn đề khác có thể được phân tích thêm là những vấn đề liên quan đến lý thuyết tri thức. Ví dụ, dường như có sự thiếu đối xứng về thời gian trong kiến thức của chúng ta. Kiến thức của chúng ta về quá khứ khác về chất so với kiến thức về tương lai. Chỉ có xác suất của một sự kiện trong tương lai là có thể tiếp cận được với chúng ta theo cách nào, trong khi sự chắc chắn về một sự kiện trong quá khứ thường có vẻ có thể khẳng định được? Những vấn đề này một lần nữa đã được phân tích ở một mức độ lớn. Tuy nhiên, có lẽ có thể nói thêm một chút để làm rõ tình hình.

Chúng ta rõ ràng lại liên quan đến những hậu quả của kích thước lớn của chính chúng ta và của thiết bị đo lường của chúng ta. Sự tách biệt thông thường giữa người quan sát và người được quan sát hiện đang cần thiết trong việc phân tích các phép đo trong cơ học lượng tử không thực sự cần thiết, hoặc ít nhất là nên được phân tích kỹ lưỡng hơn. Cái có vẻ cần thiết là cơ học thống kê của thiết bị khuếch đại. Tất nhiên, các phân tích về các vấn đề như vậy có bản chất là các câu hỏi triết học. Chúng không cần thiết cho sự phát triển hơn nữa của vật lý. Chúng ta biết rằng chúng ta có một cách giải thích nhất quán về ¢ và, gần như chắc chắn, cách giải thích nhất quán duy nhất. Vấn đề của ngày hôm nay dường như là khám phá ra các quy luật chi phối hành vi của ¢ đối với các hiện tượng liên quan đến hạt nhân và meson.

5.1. Tính toán lượng tử và tiềm năng của cơ học lượng tử

Tính toán lượng tử là một lĩnh vực mới nổi đầy hứa hẹn, khai thác các nguyên lý của cơ học lượng tử để thực hiện các tính toán vượt xa khả năng của máy tính cổ điển. Các máy tính lượng tử có tiềm năng giải quyết các bài toán phức tạp trong nhiều lĩnh vực, bao gồm hóa học, vật lý, y học và tài chính. Cơ học lượng tử là nền tảng lý thuyết cho tính toán lượng tử, cung cấp các công cụ và khái niệm cần thiết để thiết kế và xây dựng các máy tính lượng tử.

5.2. Ứng dụng của cơ học lượng tử trong lý thuyết trường lượng tử

Lý thuyết trường lượng tử là một khuôn khổ lý thuyết kết hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối hẹp để mô tả các hạt và tương tác cơ bản. Cơ học lượng tử cung cấp các nguyên tắc cơ bản và các công cụ toán học cần thiết để xây dựng và giải quyết các phương trình trong lý thuyết trường lượng tử. Ví dụ, tích phân đường đi Feynman được sử dụng rộng rãi trong lý thuyết trường lượng tử để tính toán các biên độ xác suất cho các quá trình khác nhau.

5.3. Cơ học lượng tử và vật liệu tiên tiến

Cơ học lượng tử đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế và phát triển các vật liệu tiên tiến. Các tính chất của vật liệu, chẳng hạn như độ dẫn điện, độ bền và tính chất quang học, phụ thuộc vào cấu trúc điện tử của chúng, có thể được mô tả bằng cơ học lượng tử. Bằng cách sử dụng các phương pháp tính toán dựa trên cơ học lượng tử, các nhà khoa học có thể dự đoán và tối ưu hóa các tính chất của vật liệu để đáp ứng các yêu cầu cụ thể.

VI. Tương Lai của Nghiên Cứu Cơ Học Lượng Tử Tích Phân Đường Đi 58 ký tự

Một mục tiêu trung tâm của cuốn sách này là thu thập công trình này vào một tập duy nhất, nơi nó có thể được trình bày với đủ rõ ràng và chi tiết để hữu ích cho sinh viên quan tâm. Để giữ cho chủ đề trong giới hạn, chúng ta sẽ không phát triển hoàn toàn cơ học lượng tử. Thay vào đó, bất cứ khi nào một chủ đề đã đạt đến một điểm mà việc làm sáng tỏ thêm sẽ được thực hiện tốt nhất bằng các lập luận thông thường xuất hiện trong các cuốn sách khác, chúng ta sẽ tham khảo các cuốn sách đó. Vì sự không đầy đủ này, cuốn sách này không thể phục vụ như một cuốn sách giáo khoa hoàn chỉnh về cơ học lượng tử. Nó có thể phục vụ như một giới thiệu về những ý tưởng của chủ đề nếu được sử dụng kết hợp với một cuốn sách khác đề cập đến phương trình Schrodinger, cơ học ma trận và các ứng dụng của cơ học lượng tử. Mặt khác, chúng ta sẽ sử dụng không gian đã được tiết kiệm (bằng cách không phát triển chi tiết tất cả cơ học lượng tử) để xem xét ứng dụng của các phương pháp toán học được sử dụng trong việc xây dựng cơ học lượng tử cho các ngành vật lý khác (Chương 10, 11 và 12).

6.1. Các hướng nghiên cứu mới trong cơ học lượng tử

Cơ học lượng tử vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu năng động và đầy tiềm năng. Các hướng nghiên cứu mới bao gồm phát triển các phương pháp tính toán lượng tử mạnh mẽ hơn, khám phá các trạng thái lượng tử kỳ lạ và tìm kiếm các ứng dụng mới của cơ học lượng tử trong các lĩnh vực khác nhau. Việc giải quyết những vấn đề mở trong cơ học lượng tử có thể dẫn đến những đột phá khoa học và công nghệ mang tính cách mạng.

6.2. Tích phân đường đi và lý thuyết dây

Lý thuyết dây là một ứng cử viên hàng đầu cho một lý thuyết thống nhất của vật lý, kết hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối rộng. Trong lý thuyết dây, các hạt cơ bản không phải là các điểm mà là các chuỗi một chiều. Tích phân đường đi đóng một vai trò quan trọng trong lý thuyết dây, được sử dụng để tính toán biên độ xác suất cho các chuỗi di chuyển trong không gian và thời gian.

6.3. Thách thức và cơ hội trong lĩnh vực cơ học lượng tử

Cơ học lượng tử đặt ra nhiều thách thức về mặt lý thuyết và thực nghiệm. Một trong những thách thức lớn nhất là hiểu rõ hơn về sự kết hợp giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng. Tuy nhiên, lĩnh vực này cũng mang lại nhiều cơ hội thú vị, chẳng hạn như phát triển các công nghệ lượng tử mới và khám phá những luật lệ cơ bản của vũ trụ.

28/09/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

EC A ICS TH TEGRALS Edition DOVER PUBLICATIONS, INC. MINEOLA, NEW YORK www.com Copyright Copyright© 1965 by Richard P. Feynman and Albert R. Hibbs Emended Edition © 2005 by Daniel F.

All rights reserved Bibliographical Note This Dover edition, first published in 2010, is an unabridged, emended republication of the work originally published in 1965 by McGraw-Hill Companies, Inc. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Feynman, Richard Phillips. Quantum mechanics and path integrals I Richard P. Hibbs, and Daniel F.

Originally published: Emended edition. New York : McGraw- Hill, 2005. Includes bibliographical references and index.12-dc22 2010004550 Manufactured in the United States by Courier Corporation 47722303 www.com Preface The fundamental physical and mathematical concepts which underlie the path integral approach to quantum mechanics were first developed by R. Feynman in the course of his graduate studies at Princeton, although more fully developed ideas, such as those described in this volume, were not worked out until a few years later.

These early in- quiries were involved with the problem of the infinite self-energy of the electron. In working on that problem, a "least-action" principle using half advanced and half retarded potentials was discovered. The princi- ple could deal successfully with the infinity arising in the application of classical electrodynamics.com Vl Preface The problem then became one of applying this action principle to quantum mechanics in such a way that classical mechanics could arise naturally as a special case of quantum mechanics when 1i was allowed to go to zero. Feynman searched for any ideas which might have been previously worked out in connecting quantum-mechanical behavior with such clas- sical ideas as the lagrangian or, in particular, Hamilton's principle func- tion S, the indefinite integral of the lagrangian.

During some conversa- tions with a visiting European physicist, Feynman learned of a paper in which Dirac had suggested that the exponential function of iE times the lagrangian was analogous to a transformation function for the quantum- mechanical wave function in that the wave function at one moment could be related to the wave function at the next moment (a time interval E later) by multiplying with such an exponential function. The question that then arose was what Dirac had meant by the phrase "analogous to," and Feynman determined to find out whether or not it would be possible to substitute the phrase "equal to." A brief analysis showed that indeed this exponential function could be used in this manner directly. Further analysis then led to the use of the exponent of the time integral of the lagrangian, S (in this volume referred to as the action), as the transformation function for finite time intervals. However, in the application of this function it is necessary to carry out integrals over all space variables at every instant of time.

In preparing an article 1 describing this idea, the idea of "integral over all paths" was developed as a way of both describing and evalu- ating the required integrations over space coordinates. By this time a number of mathematical devices had been developed for applying the path integral technique and a number of special applications had been worked out, although the primary direction of work at this time was toward quantum electrodynamics. Actually, the path integral did not then provide, nor has it since provided, a truly satisfactory method of avoiding the divergence difficulties of quantum electrodynamics, but it has been found to be most useful in solving other problems in that field. In particular, it provides an expression for quantum-electrodynamic laws in a form that makes their relativistic invariance obvious.

In addition, useful applications to other problems of quantum mechanics have been found. The most dramatic early application of the path integral method to an intractable quantum-mechanical problem followed shortly after the 1 R. Feynman, Space-Time Approach to Non-relativistic Quantum Mechanics, Rev.com Preface vii discovery of the Lamb shift and the subsequent theoretical difficulties in explaining this shift without obviously artificial means of getting rid of divergent integrals. The path integral approach provided one way of handling these awkward infinities in a logical and consistent manner.

The path integral approach was used as a technique for teaching quantum mechanics for a few years at the California Institute of Tech- nology. It was during this period that A. Hibbs, a student of Feyn- man's, began to develop a set of notes suitable for converting a lecture course on the path integral approach to quantum mechanics into a book on the same subject. Over the succeeding years, as the book itself was elaborated, other subjects were brought into both the lectures of Dr.

Feynman and the book; examples are statistical mechanics and the variational principle. At the same time, Dr. Feynman's approach to teaching the subject of quantum mechanics evolved somewhat away from the initial path in- tegral approach. At the present time, it appears that the operator technique is both deeper and more powerful for the solution of more general quantum-mechanical problems.

Nevertheless, the path integral approach provides an intuitive appreciation of quantum-mechanical be- havior which is extremely valuable in gaining an intuitive appreciation of quantum-mechanical laws. For this reason, in those fields of quantum mechanics where the path integral approach turns out to be particularly useful, most of which are described in this book, the physics student is provided with an excellent grasp of basic quantum-mechanical princi- ples which will permit him to be more effective in solving problems in broader areas of theoretical physics.com Preface to Emended Edition In the forty years since the first publication of Quantum Mechanics and Path Integrals, the physics and the mathematics introduced here has grown both rich and deep. Nevertheless this founding book - full of the verve and insight of Feynman remains the best source for learning about the field. Unfortunately, the 1965 edition was flawed by extensive typographical errors as well as numerous infelicities and inconsistencies.

This edition corrects more than 879 errors, and many more equations are recast to make them easier to understand and interpret. Notation is made uniform throughout the book, and grammatical errors have been corrected. On the other hand, the book is stamped with the rough and tumble spirit of a creative mind facing a great challenge. The objective throughout has been to retain that spirit by correcting, but not polish- ing.

This edition does not attempt to add new topics to the book or to bring the treatment up to date. However, some comments are added in an appendix of notes. (The existence of a relevant comment is signaled in the text through the symbol 0 .) Equation numbers are the same here as in the 1965 edition, except that equations (10. I thank Edwin Tayor for encouragement and Daniel Keren, Jozef Hanc, and especially Tim Hatamian for bringing errors to my attention.

A research status leave from Oberlin College made this project possible. I can well remember the day thirty years ago when I opened the pages of Feynman-Hibbs, and for the first time saw quantum mechanics as a living piece of nature rather than as a flood of arcane algorithms that, while lovely and mysterious and satisfying, ultimately defy under- standing or intuition. It is my hope and my belief that this emended edition will open similar doors for generations to come. Styer viii www.com Contents Preface v Preface to Emended Edition VIn chapter 1 The Fundamental Concepts of Quantum Mechanics 1 1-1 Probability in quantum mechanics 2 1-2 The uncertainty principle 9 1-3 Interfering alternatives 13 1-4 Summary of probability concepts 19 1-5 Some remaining thoughts 22 1-6 The purpose of this book 23 ix www.com X Contents chapter 2 The Quantum-mechanical Law of Motion 25 2-1 The classical action 26 2-2 The quantum-mechanical amplitude 28 2-3 The classical limit 29 2-4 The sum over paths 31 2-5 Events occurring in succession 36 2-6 Some remarks 39 chapter 3 Developing the Concepts with Special Examples 41 3-1 The free particle 42 3-2 Diffraction through a slit 47 3-3 Results for a sharp-edged slit 55 3-4 The wave function 57 3-5 Gaussian integrals 58 3-6 Motion in a potential field 62 3-7 Systems with many variables 65 3-8 Separable systems 66 3-9 The path integral as a functional 68 3-10 Interaction of a particle and a harmonic oscillator 69 3-11 Evaluation of path integrals by Fourier series 71 i chapter 4 The Schrodinger Description of Quantum Mechanics 75 4-1 The Schrodinger equation 76 4-2 The time-independent hamiltonian 84 4-3 Normalizing the free-particle wave functions 89 chapter 5 Measurements and Operators 95 5-1 The momentum representation 96 5-2 Measurement of quantum-mechanical variables 106 5-3 Operators 112 chapter 6 The Perturbation Method in Quantum Mechanics 119 6-1 The perturbation expansion 120 6-2 An integral equation for K v 126 6-3 An expansion for the wave function 127 6-4 The scattering of an electron by an atom 129 6-5 Time-dependent perturbations and transition amplitudes 144 www.com Contents Xl chapter 7 Transition Elements 163 7-1 Definition of the transition element 164 7-2 Functional derivatives 170 7-3 Transition elements of some special functionals 174 7-4 General results for quadratic actions 182 7-5 Transition elements and the operator notation 184 7-6 The perturbation series for a vector potential 189 7-7 The hamiltonian 192 chapter 8 Harmonic Oscillators 197 8-1 The simple harmonic oscillator 198 8-2 The polyatomic molecule 203 8-3 Normal coordinates 208 8-4 The one-dimensional crystal 212 8-5 The approximation of continuity 218 8-6 Quantum mechanics of a line of atoms 222 8-7 The three-dimensional crystal 224 8-8 Quantum field theory 229 8-9 The forced harmonic oscillator 232 chapter 9 Quantum Electrodynamics 235 9-1 Classical electrodynamics 237 9-2 The quantum mechanics of the radiation field 242 9-3 The ground state 244 9-4 Interaction of field and matter 24 7 9-5 A single electron in a radiative field 253 9-6 The Lamb shift 256 9-7 The emission of light 260 9-8 Summary 262 chapter· 10 Statistical Mechanics 267 10-1 The partition function 269 10-2 The path integral evaluation 273 10-3 Quantum-mechanical effects 279 10-4 Systems of several variables 287 10-5 Remarks on methods of derivation 296 www.com Xll Contents chapter 11 The Variational Method 299 11-1 A minimum principle 300 11-2 An application of the variational method 303 11-3 The standard variational principle 307 11-4 Slow electrons in a polar crystal 310 chapter 12 Other Problems in Probability 321 12-1 Random pulses 322 12-2 Characteristic functions 324 12-3 Noise 327 12-4 Gaussian noise 332 12-5 Noise spectrum 334 12-6 Brownian motion 337 12-7 Quantum mechanics 341 12-8 Influence functionals 344 12-9 Influence functional from a harmonic oscillator 352 12-10 Conclusions 356 Appendix Some Useful Definite Integrals 359 Appendix Notes 361 Index 366 www.com 1 The Fundamental Concepts of Quantum Mechanics www.com 1-1 PROBABILITY IN QUANTUM MECHANICS 1 J From about the beginning of the twentieth century experimental physics amassed an impressive array of strange phenomena which demonstrated the inadequacy of classical physics.

The attempts to discover a theoret- ical structure for the new phenomena led at first to a confusion in which it appeared that light, and electrons, behaved sometimes like waves and sometimes like particles. This apparent inconsistency was completely resolved in 1926 and 1927 in the theory called quantum mechanics. The new theory asserts that there are experiments for which the exact out- come is fundamentally unpredictable and that in these cases one has to be satisfied with computing probabilities of various outcomes. But far more fundamental was the discovery that in nature the laws of com- bining probabilities were not those of the classical probability theory of Laplace.

The quantum-mechanical laws of the physical world approach very closely the laws of Laplace as the size of the objects involved in the experiments increases. Therefore, the laws of probabilities which are conventionally applied are quite satisfactory in analyzing the behavior of the roulette wheel but not the behavior of a single electron or a single photon of light. The concept of probability is not altered in quantum mechanics.

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