给孩子讲量子力学 中译本

★译文流畅精准本书根据原书准确译注，配以详细的译注，呈现给我们原滋原味的物理盛宴。★精美装帧本书装帧设计雅致，图文并茂，封面设计美观而且饱含深意，是一本经典的收藏佳作。★适用范围广泛即便是物理零基础的人都可以无障碍阅读。

《给孩子讲量子力学》是伽莫夫的又一科普经典之作。本书讲述了伟大的物理学家们对微观量子理论发展所作出的杰出贡献。普朗克是第一个将能量的量子化概念引入到物理学的人。普朗克的光量子、玻尔的量子轨道、泡利的不相容原理、德·布罗意的导波、海森堡的不确定原理、狄拉克的反粒子、费米的粒子转换一直到汤川的介子等一系列伟大的物理学发现，本书都有详细介绍。本书译文通俗易懂，语言生动幽默，对读者来说，是一本的科普经典读物。

乔治•伽莫夫（George Gamow，1904-1968），1904年出生于俄国的敖德萨市，是俄裔美籍的核物理学家、天文学家，也是杰出的科普学家。1928年至1932年，先后在丹麦哥本哈根大学和英国剑桥大学师从有名物理学家尼尔斯•玻尔和卢瑟福，从事研究工作。 伽莫夫兴趣广泛，曾在原子核物理研究中成就斐然，并与勒梅特一起最早提出了天体物理学的“大爆炸”理论，他还提出了放射性量子论以及原子核的“液滴”模型。他也对生物学的译解遗传密码方面做出过重要的贡献。 伽莫夫还是一位杰出的科普学家，在他一生正式出版的25部著作中，就有18部是科普作品。他的科普作品专业权威，把深奥抽象的物理学理论深入浅出地呈现给读者。他的多部作品风靡全球，其中有:《从一到无穷大》《物理世界奇遇记》《太阳的生与死》《有一颗行星叫地球》《从伽利略到爱因斯坦：伟大物理学家的故事》《给孩子讲万有引力》《给孩子讲量子力学》 等。1956年，他荣获联合国教科文组织颁发的卡林伽科普奖。

前 言
序 章／1

第一章 M·普朗克和光量子／7
统计力学和热辐射／11
马克斯·普朗克和能量量子化／17
光量子和光电效应／22
康普顿效应／26

第二章 N·玻尔和量子轨道／29
卢瑟福的原子核理论／33
力学系统的量子化／36
索莫菲尔德的椭圆形轨道／45
玻尔实验室／47

第三章 W·泡利和不相容原理／59
电子能级配额／63
电子自旋／67
泡利与核物理／69
中微子／72

第四章 L·德·布罗意和导波／75
薛定谔的波动方程／83
应用波动力学／87

第五章 W·海森堡和不确定原理／91
放弃经典线性轨迹／98

第六章 P·A·M·狄拉克和反粒子／109
将相对论和量子理论统一起来／114
反粒子物理学／122
……

     20世纪的开端预示着一个靠前的时代的到来。从前牛顿时代以来，统治着物理学的经典理论被颠覆和重新评估。在1900年12月14日举办的德国物理学会会议上，马克斯·普朗克发表了演讲，提出如果作出这样的假设，辐射能仅以一份一份不连续的形式存在，那么困扰着经典理论的“物体放射光和吸收光”的悖论就能得到消除。普朗克将这些份称为“光量子”。5年后，阿尔伯特·爱因斯坦成功地将“光量子”思想应用到了解释光电效应的经验定律上。也就是说，在紫光和紫外线的照射下从金属表面逃逸出电子的现象。再后来，亚瑟·康普顿进行了他的经典实验，说明通过自由电子散射的X-射线之间遵循着与两个弹性球碰撞相同的规则。因此，在短短的几年时间里，辐射能量子化的这一新兴观点在理论物理和实验物理上稳稳地站住了脚跟。 1913年，一位丹麦物理学家，尼尔斯·玻尔，将普朗克辐射能量子化的观点扩展到了描述一个原子内部电子具有的机械能上。通过在原子水平的机械系统中引入确切的“量子化规则”，玻尔对欧内斯特·卢瑟福提出的原子行星模型给出了合理的解释，在此之前，这一模型仅停留在有稳固的实验基础，但与经典物理中所有基本概念产生强烈的冲突。玻尔计算了原子中电子的各种离散的量子能级，并将光的释放解释为一个“光量子”的放射，这个“光量子”的能量等同于原子中电子初始量子态和跃迁后最终量子态之间的能量差。根据他的计算，玻尔可以解释氢元素和较重元素谱线中的细节，而这些问题困扰了光谱学家数十年时间。玻尔在原子的量子理论上发表的第一篇论文带来了一系列突飞猛进的发展。10年间，由于各个领域中理论物理学家和实验物理学家共同的努力，人们都可以极其细致地了解光学、电磁学以及各种原子的化学性质。只是随着时间的推移，人们越来越清楚地知道，尽管玻尔的理论是如此成功，但是它并不是一个终极理论，因为仍有一些我们所了解的原子事实并不能被这个理论所解释。例如，它接近不能描述电子从一个量子态到另一个量子态的变换过程，并且根本不能用它计算出光谱中各种谱线的强度。 1925年，一位法国物理学家，路易斯·德·布罗意发表了一篇论文。在这篇论文中，对于玻尔的量子轨道，他给出了一个相当出人意料的解释。根据德·布罗意，每个电子的运动都受到了某种神秘导波的控制，它们传播的速度和波长都与电子速度相关。假设这些导波的波长与电子的速度成反比，那么，德·布罗意可以将玻尔氢原子模型中各个量子轨道与整数个导波对应起来。因此，原子模型看起来就像有一个基准音（也就是能量大力度优惠的最内侧轨道）和其他泛音（更高能的外侧轨道）的一种乐器。在他们发表后的一年里，德·布罗意的想法被奥地利物理学家厄尔文·薛定谔发展并写成了更精准的数学形式，薛定谔的理论成为了我们所知道的波动力学。在玻尔理论已经可以解释的所有原子现象的基础上，波动力学还能解释玻尔理论所不能解释的现象（比如谱线的强度等等）。此外，这个理论还预测出经典物理或是普朗克-玻尔量子理论中从未想象过的一些新现象（例如电子束的衍射）。事实上，波动理论为所有原子现象提供了一个完整而完美的自洽理论。并且，正如人们在20世纪末期所知道的，波动理论还可以解释放射性衰变现象以及人工原子核转换过程。 与薛定谔的波动力学论文同时期发表的，是一位年轻的德国物理学家W·海森堡的文章。他提出了用所谓的“非交换代数”来解释量子问题的一种方法，这个数学概念中a×b不一定与b×a的值相等。薛定谔和海森堡的论文在两个不同的德国杂志（《物理学年鉴》和《物理学杂志》）上的同时发表震惊了理论物理界。表面看起来，这两篇论文接近不同，但是得到的却是关于原子结构和原子谱线接近相同的结果。又过了一年多时间，人们才发现这两个理论除了以两种接近不同的数学形式表述以外，在物理上是相同的。就像在说，美国是由哥伦布向西航行横跨大西洋发现的，同时也可能是某些同样有探索精神的日本人向东航行跨越太平洋后发现的。 不过，在量子理论的王冠中仍残留着一根尖锐的刺，谁试图将机械系统量子化的时候都会使它感受到疼痛，因为所涉及的超高速度（接近光速），所以问题需要用到相对论的方法。人们试着将相对论和量子理论结合在一起，并进行了很多尝试，最后都以失败而告终。直到1929年，一位英国物理学家P·A·M·狄拉克，写下了他有名的相对论波动方程。这个方程的解给出了速度接近光速的原子内电子运动的完美描述，并且在无意识中，就像中奖了一样，同时也给出了它们的机械动量、角动量和磁矩。求解这个方程遇到的真正的一些困难使狄拉克想到，伴随着普通带负电的电子，一定也存在着带正电的反电子。几年之后，人们在宇宙射线中发现了反电子，他的预测被成功地证实了。而反粒子理论也从电子推广到基本粒子上。目前为止，我们已经有了反质子、反中子、反介子等等。 P3-5