包邮量子力学-(卷II)(第四版)

／!t版序言
    根据近几年使用本书的读者反映的信息，对本书第三版的安排和内容做了部
分修改．—些读者和教师建议单列一章讲述表象理论，这是一个很好的建议．所
以把第三版苍千鲔4章分为两章，力学量用算符表达的内容保留在第4章，而把
表象理论放在第6章(中心力场)和第7章(电磁场中粒子的运动)之后，这有
助于读者掌握较抽象的表象理论．原来卷Ⅱ中的Coulomb散射问题，并人卷I
第13章，这便于和散射的Born近似方法和分波法进行比较．
    在讲述内容方面，一方面删去了确属不是量子力学很基本的部分内容．这些
内容更适合放在专门的课程中去讲述；另一方面，增加了少量确属量子力学基本
问题(包括基本理论和有关的重要实验结果)的近期重要进展的简介．例如，大
分子C60的双缝干涉实验，重力场中中子能量量子化的实验证据，介观和宏观尺
度的Schr6dinger猫态的制备，N(≥3)量子比特的Greenberger-Horne-
Zeilinger(GHZ)纠缠态及相关的实验，量子远程传态实验等．此外，对于部分
问题的讲述做了改进，使初学者更容易确切了解和掌握有关内容．对于多年以来
对本书提出过许多宝贵建议的广大读者和教师，在此表示诚挚的谢意，并希望继
续听到他们宝贵的意见，使本书不断改进．
    *    *    *
    量子论的提出，已经历一百多年．量子力学的建立已有80年的历史．简单
介绍一下国际学术刊物的一些文献对量子力学的评价及有关实验结果，对读者是
有裨益的．
    在纪念量子论诞生100周年之际，D．Kleppner&R．Jackiw写道①：
"Quantum theory is the most precisely tested and most successful theory in
the history of science."
尽管量子力学已经取得如此重大的成功，由于量子力学的基本概念和原理(波
动一粒子二象性与波函数的统计诠释，量子态叠加原理和测量问题，不确定度关
系等)与人们日常生活经验严重抵触，人们接受起来有很大难度．正如N．Bohr
所说：
  “Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it．”
对待量子力学基本概念和原理的诠释，一直存在持续的争论．而大多数争论集中

在著名的EPR(Einstein-Podolsky-Rosen)佯谬①和SchrOdinger猫态佯谬②两个
问题③．
    对于EPR佯谬的争论，M．A．Rowe等(2001)④做了如下表述：
"Local realism is the idea that objects have definite properties whether
or not they are measured, and that measurements of these properties are
not affected by events taking place sufficiently far away.  Einstein,
Podolsky and Rosen used those reasonable assumptions to conclude that
quantum mechanics is incomplete."
很长一段时间，争论一直停留为纯理论性或思辨性的．但④
"Starting in 1965, Bell and others constructed mathematical inequalities
whereby experiments tests could distinguish between quantum mecha-
nics and local realistic theories. Many experiments have since been done
that are consistent with quantum mechanics and inconsistent with local
realism."
Bell等的不等式⑤⑥所揭示的定域实在论与量子力学的矛盾是统计性的．Bell不
等式是对2量子比特的自旋纠缠态(自旋单态)的分析得出的．Greenberger，
Horne&Zeilinger对Bell的工作做了推广⑦，他们分析了N(≥3)量子比特的
纠缠态(GHZ态)，发现量子力学对某些可观测量的确切预期结果与定域实在论
矛盾⑦⑧．后来的实验观测结果与量子力学预期完全一致，而与定域实在论尖锐
矛盾⑨．A．Zeilinger在纪念量子论诞生100周年的文章⑩中写道：
"All modern experiments confirm the quantum predictions with unpre-
cedented precision. Evidence overwhelmingly suggests that a local rea-
little oYnl~natinn nit natnro la nnt nn~ihlo '
SchrOdinger猫态佯谬一文②提出了一个疑问，即“量子力学对宏观世界是

否适用?”这也涉及量子力学和经典力学的关系[注意，不可把“经典”(classi—
cai)与“宏观”(macroscopic)等同起来]．近年来，在特定的实验条件下，已
相继制备出介观尺度和宏观尺度的Schr6dinger“猫态”①②．H．D．Zeh和w．
H．z'ek提出用退相干(decoherence)观点来描述微观世界到宏观世界的
过渡．他佃认为④：
States of quantum systems evolve according to the deterministic, linear
chr6dinger equation
That is, just as in classical mechanics, given the initial state of the sys-
tem and its Hamiltonian H, one can compute the state at an arbitrary
time. This deterministic evolution of >has been verified in carefully
controlled experiments."
同时他们又指出，由于实在的宏观物体不可避免与周围环境相互作用，从而导致
相干性迅即消失．在一般情况下，不可能观测到宏观量子叠加态．对此，Myatt
等写道⑥：
"The theory of mechanics applies to closed system. In such ideal situa-
tions, a single atom can, for example, exist simultaneously in a super-
                                                 ,
position of two different spatial locations. In contrast, real systems al-
ways interact with their environmefit, with the consequence that macro-
scopic quantum superpositions (as illustrated by the Schrodinger's cat'
thought-experiment) are not observed."
对于量子力学基本概念的持续多年的争论，R．Blatt(2000)评论道⑦：
"The apparently strange predictions of quantum theory have led to the
notion of 'paradox', which arises only when quantum systems are
viewed with a classical eye."
C．Tesche写道⑧：

 "The paradoxes of the past are about to the technology of the future．”
人们看到，伴随这个长期的争论，一些新兴的学科领域，例如量子信息论(量子
计算，量子远程传态，量子搜索，量子博弈等)，量子态工程等，正方兴未艾．
    当然，尽管量子力学已在如此广泛和众多领域取得极为辉煌的成功，19世
纪末物理学家的历史经验值得注意．量子力学是经过大量实验工作验证了的一门
科学，它的正确性在人们实践所及领域内毋庸质疑．但量子力学并非绝对真理．
量子力学并没有，也不可能关闭人们进一步认识自然界的道路．人们应记住
Feynman的如下告诫：
    “We should always keep in mind the possibility that quantum mechanics
    may fail，since it has certain difficulties with philosophical prej udices
    that we have about measurement and observation．’’
此外，量子力学与广义相对论的矛盾，还未解决①．关于量子力学的争论，或许
是一个更深层次的有待探索的问题的一部分②．正如中国古代伟大诗人屈原的
《离骚》中所说：
    “路漫漫其修远兮，吾将3z-F而求索．”
在进一步探索中，人们对于自然界中物质存在的形式和运动规律的认识，或许还
有更根本性的变革．  
    作者于北京大学物理学院
    2007年1月