以海森伯1925年创建矩阵力学为起点，量子力学已经走过了整整一个世纪。本书通过一系列专题来展示该学科百年来的里程碑式跨越。从量子力学核心知识出发，进人最大熵原理、辐射与物质相互作用、量子信息学、量子生物学、天体物理学与宇宙学等领域，特别讲述宇宙加速膨胀与暗能量、黑洞与霍金辐射、中微子理论及应用前景、地球气候的物理模型、量子纠缠及阿秒物理学等诺贝尔奖专题。从大学本科知识出发，以追根溯源、深人浅出、细致详尽的方式，逐渐推进到前沿热点。追求严谨的学术论述，生动的科普解说，真实的历史故事。
　　I卷为1～11章。


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本科：1977 年，考入西北大学物理学系激光专业，1982 年 3 月毕业。 硕士和博士：1989 年，在西北大学现代物理研究所师从侯伯宇教授、张纪岳教授获得理学博士学位，研究方向为量子光学。1989年：获得理学博士学位(量子光学)，1991年晋升为副教授； 1991—今: 德国国际生物物理研究所(教授)，1995年以来任生物光子实验室主任 2010—今: Chief Scientist, International Institute of Quantum Biology, Germany1994年由于提出描述生物光子动力学与稳态行为的“顾参数”而获得德国生物物理研究所奖励。

目录
前言
第1章 量子与黑体辐射 1
1.1 从芝诺悖论说起 1
1.2 黑体辐射的概念 2
1.3 黑体辐射的实验规律 6
1.4 黑体辐射的理论研究 7
1.4.1 维恩分布 8
1.4.2 辐射模密度 9
1.4.3 瑞利–金斯公式 13
1.5 普朗克黑体辐射公式 14
1.6 黑体辐射公式的应用 20
1.6.1 普朗克公式的推论 20
1.6.2 波长分布与频率分布 22
1.6.3 固体比热的量子理论 23
1.7 芝诺悖论的解除 25
第2章 量子世界的不确定性——测不准原理 27
2.1 海森伯的故事.27
2.1.1 天之骄子 27
2.1.2 矩阵力学 28
2.1.3 测不准关系 31
2.1.4 物理学之外 33
2.2 算符的对易关系 34
2.3 算符对易的物理意义 36
2.4 测不准关系 38
2.4.1 一般性推导 38
2.4.2 傅里叶变换 41
2.4.3 电子单缝衍射 42
2.4.4 势阱中的小球 43
2.5 测不准关系的应用 44
2.5.1 自由粒子 44
2.5.2 谐振子 45
2.5.3 基态氢原子 48
2.5.4 含时情况：自由粒子波包 52
2.5.5 估算能量 53
2.5.6 超导中的测不准关系 54
2.6 能量–时间测不准关系58
2.6.1 一个简单的推导方法 58
2.6.2 作为一般性测不准关系的推论 59
2.6.3 从相对论推导测不准关系 60
2.6.4 关于测不准关系的争论 62
第3章 量子体系的统计方法——薛定谔方程 66
3.1 波函数 66
3.1.1 从“轨道”到“概率” 66
3.1.2 波函数的性质 70
3.1.3 力学量的平均值和期待值 72
3.2 薛定谔方程 73
3.2.1 电子双缝衍射 73
3.2.2 自由粒子的波函数 76
3.2.3 薛定谔方程的建立 77
3.2.4 薛定谔方程的本征解 80
3.3 薛定谔方程的一般解 82
3.4 求解量子体系的一般方法 84
3.5 一个实例：双原子分子的能级 90
3.5.1 莫尔斯势 90
3.5.2 谐振子近似 91
3.5.3 精确解 92
3.5.4 与测量结果相比较 93
3.6 关于量子力学统计方法的讨论 94
第4章 量子隧穿 97
4.1 什么是量子隧穿 97
4.2 方形势垒 98
4.3 任意势垒 104
4.3.1 任意势垒的透射系数 104
4.3.2 透射系数的估算 105
4.3.3 隧穿效应发生的条件 107
4.4 原子核的 α 衰变.108
4.5 隧穿效应的应用 111
4.5.1 冷电子发射 111
4.5.2 热核聚变 112
4.5.3 隧道二极管 114
4.5.4 扫描隧道显微镜 115
4.5.5 原子钟 116
4.5.6 化学与生物方面的应用 117
第5章 量子跃迁 119
5.1 含时微扰论方程 119
5.2 跃迁概率与典型的跃迁过程 121
5.2.1 跃迁概率 121
5.2.2 常微扰 122
5.2.3 费米黄金规则 125
5.2.4 周期性微扰 126
5.3 偶极近似 128
5.4 原子与光场的相互作用 130
5.4.1 吸收 130
5.4.2 受激发射 131
5.4.3 自发发射 131
5.5 爱因斯坦方程 132
5.5.1 非相干微扰光场 132
5.5.2 爱因斯坦方程中的跃迁速率 133
5.5.3 跃迁速率 136
5.6 激光 137
5.6.1 激光产生的物理机制 137
5.6.2 激光的量子特性 140
5.7 自发发射与合作自发发射 141
5.7.1 自发发射：荧光 141
5.7.2 合作自发发射：超荧光和超辐射 142
第6章 泡利矩阵与电子自旋 145
6.1 泡利矩阵 145
6.1.1 基本性质 145
6.1.2 自旋向上和自旋向下 149
6.1.3 双态体系问题 152
6.2 自旋 154
6.2.1 氢原子的轨道磁矩 154
6.2.2 自旋和自旋 1/2 156
6.3 电子自旋 158
6.3.1 电子“自转角动量” 158
6.3.2 施特恩–格拉赫实验 160
6.4 自旋的矩阵表示 163
6.4.1 自旋矩阵 163
6.4.2 自旋角动量的投影 165
6.5 电子自旋的相对论量子力学描述 167
6.6 电子自旋的机制究竟是什么？.172
第7章 固体的量子理论 176
7.1 固体中的电子：两种模型 176
7.2 自由电子气模型 177
7.2.1 三维无限深势阱模型 177
7.2.2 费米能级 178
7.2.3 经典模型 180
7.3 能带形成的机制 182
7.4 克勒尼希–彭尼模型 183
7.5 能带论 185
7.5.1 周期势场中的薛定谔方程 185
7.5.2 电子的能量方程及能带 187
7.5.3 允带和禁带 190
7.5.4 布里渊区 192
7.6 半导体 194
7.6.1 半导体的基本性质 195
7.6.2 半导体内电场 196
7.6.3 半导体载流子的定解问题 199
7.7 光子晶体 201
7.8 量子统计力学 204
7.8.1 三粒子体系 204
7.8.2 N粒子体系 207
7.8.3 最概然布居数 210
7.8.4 参数的物理意义 212
7.8.5 量子统计分布与平均粒子数 214
7.9 量子统计力学的应用215
7.9.1 化学势与费米能级 215
7.9.2 黑体辐射与平均光子数 216
7.9.3 晶格振动、声子与德拜模型 218
7.10 石墨烯 223
7.10.1 石墨烯：碳原子网 223
7.10.2 石墨烯的能带结构 225
7.10.3 奇特的量子效应 227
7.10.4 石墨烯的狄拉克方程 228
第8章 辐射场的量子态 230
8.1 量子谐振子 230
8.2 算符代数法 231
8.2.1 哈密顿算符的代数形式 232
8.2.2 基态和任意本征态 234
8.2.3 数态和数态表象 237
8.3 单模辐射场与量子谐振子 238
8.3.1 无损耗传输线的量子化 238
8.3.2 单模辐射场的量子化 240
8.4 光子数态 243
8.5 相干态 245
8.5.1 数态的相干叠加 245
8.5.2 相干态的基本性质 247
8.5.3 平移算符 249
8.5.4 非正交性 251
8.5.5 完备性 252
8.5.6 高斯波包 253
8.6 压缩态 254
8.6.1 非经典光 255
8.6.2 双光子相干态 257
8.6.3 压缩态的物理图像 259
第9章 薛定谔猫态.261
9.1 量子叠加原理 261
9.2 薛定谔猫态的概念 262
9.3 薛定谔猫态的量子统计性质 264
9.3.1 数值解与讨论 264
9.3.2 偶相干态和奇相干态 267
9.4 薛定谔猫态的相干性269
9.4.1 薛定谔猫态的退相干 269
9.4.2 用位相调制维持相干性 270
9.4.3 位相调制的实验方案 273
第10章 单模场与单原子的相互作用 275
10.1 二能级原子.275
10.2 JCM模型的精确解 277
10.3 含时JCM体系 280
10.3.1 含时JCM体系的表述 280
10.3.2 含时JCM体系的性质 281
10.4 真空态 282
10.5 相干态 285
10.5.1 相干态JCM体系 285
10.5.2 光子数分布 287
10.6 JCM体系的制备——腔模QED 288
第11章 最大熵原理 291
11.1 熵的定义 291
11.1.1 克劳修斯熵与玻尔兹曼熵 291
11.1.2 吉布斯熵：统计熵 292
11.1.3 熵与信息 294
11.1.4 熵的基本性质 295
11.2 量子熵 298
11.2.1 混合态的量子熵：正交集 299
11.2.2 混合态的量子熵：非正交集 302
11.2.3 熵动力学 305
11.3 最大熵原理：一个简单例子 310
11.3.1 一个简单例子 311
11.3.2 一般表述 315
11.3.3 玻尔兹曼分布 316
11.3.4 分布函数的熵 318
11.4 辐射场的最大熵原理.319
11.4.1 量子熵的最大化 320
11.4.2 热平衡中的辐射场 320
11.4.3 平均光子数与量子熵 323
11.4.4 光子统计的一般性计算 325
11.4.5 热场的光子统计性质 327
11.4.6 热场的量子起伏 329
11.5 噪声中的相干态 329
11.5.1 熵的最大化 330
11.5.2 两个特殊情况 332
11.5.3 辐射场的性质 334
11.6 噪声中的压缩态 338
11.6.1 Yuen哈密顿量 339
11.6.2 熵的最大化 340
11.6.3 辐射场的性质 342
11.7 结论 347
第12章 生物光子辐射的量子理论349
12.1 合作效应与合作辐射.349
12.2 三能级系统的Exciplex模型 351
12.2.1 理论建立的实验基础 351
12.2.2 系统的哈密顿和主方程 353
12.2.3 系统的耦合运动方程 355
12.2.4 密度算子的稳态解 359
12.3 生物分子的激发态 363
12.4 发射强度 369
12.5 强度关联 371
12.6 系统的动力学 374
12.6.1 激发态动力学方程 375
12.6.2 合作辐射：超辐射 378
12.6.3 合作辐射：超荧光 381
12.7 理论与实验结果的比较 386
12.8 应用举例 391
12.9 结论 392
第13章 生命体系的非经典光 395
13.1 生命体系的若干非经典现象 395
13.2 生物光子场与 DNA 声子库的相互作用 397
13.3 叠加态体系的动力学性质 399
13.3.1 密度算符的含时解 399
13.3.2 辐射场的一般性质 400
13.3.3 量子熵 401
13.3.4 Wehrl熵 404
13.3.5 光子统计熵 406
13.3.6 光场熵对平均光子数的依赖性 408
13.4 实验：生物光子统计测量 410
13.4.1 仪器，样品，测量 410
13.4.2 数据分析 411
13.4.3 结果与讨论 412
13.5 光子统计熵方法的优点 416
13.5.1 熵对奇异点的不敏感性 416
13.5.2 统计熵方法的推广 418
13.6 转基因种子的光子统计性质 420
第14章 探索宇宙是一种浪漫 422
14.1 从外星生命谈起 422
14.2 宇宙膨胀 424
14.2.1 宇宙的初态 424
14.2.2 相对论多普勒效应 427
14.2.3 哈勃定律 428
14.2.4 爱因斯坦场方程 432
14.3 宇宙加速膨胀与暗能量 434
14.3.1 红移值 434
14.3.2 宇宙膨胀的简单模型 436
14.3.3 弗里德曼方程 439
14.3.4 退行速度与宇宙距离 442
14.3.5 宇宙年龄与可测半径：宇宙因子 444
14.3.6 宇宙加速膨胀与暗能量 446
14.3.7 宇宙加速膨胀的观测 449
14.3.8 暴胀和早期宇宙 453
14.3.9 宇宙膨胀全景图 455
14.3.10 暗能量探索面临的挑战 456
14.4 宇宙的起源与演化 458
14.4.1 大爆炸理论的提出 458
14.4.2 大爆炸后的瞬态与演化 460
14.5 宇宙微波背景辐射 461
14.5.1 理论分析 462
14.5.2 地面探测 462
14.5.3 卫星探测 463
14.6 模拟宇宙大爆炸 465
14.7 一颗非寻常的系外行星 468
14.7.1 第一颗系外行星的发现 468
14.7.2 寻找外星生命 470
第15章 曝光黑洞的神秘 472
15.1 黑洞：甜甜圈的模样.472
15.2 时空弯曲 475
15.3 “黑洞”何以现身？ 477
15.4 黑洞：视界与奇点 479
15.5 史瓦西半径.482
15.5.1 公式推导 482
15.5.2 典型结果 484
15.6 黑洞的观测和特性 486
15.6.1 黑洞的发现 486
15.6.2 黑洞的形成 486
15.6.3 最古老的黑洞 487
15.6.4 黑洞吞噬恒星 487
15.7 黑洞合并的引力波 489
15.8 黑洞的量子理论 492
15.8.1 量子宇宙学 492
15.8.2 黑洞质量极限 494
15.8.3 黑洞与暗物质 498
15.9 黑洞熵 502
15.10 黑洞温度与黑洞常数 505
15.11 黑洞的热辐射谱 508
15.12 霍金辐射 510
15.12.1 霍金辐射概念 510
15.12.2 霍金辐射的量子理论 511
15.12.3 黑洞的量子热力学性质 514
15.12.4 霍金辐射的测量 515
15.13 结束语：黑洞的生平 517
第16章 中微子振荡之谜 518
16.1 中微子与标准模型 518
16.1.1 中微子缘起 518
16.1.2 粒子物理标准模型 522
16.2 中微子概况.525
16.2.1 中微子来源 525
16.2.2 中微子的基本性质 527
16.2.3 中微子的开创性探测 527
16.3 超级神冈实验 533
16.3.1 实验设置与测量原理 533
16.3.2 测量与结果 536
16.3.3 中微子丢失 538
16.4 中微子振荡的量子模型 538
16.4.1 双态振荡问题 538
16.4.2 中微子振荡的物理含义 540
16.4.3 与实验比较 542
16.4.4 关于体系的 νe和ντ 545
16.5 测量中微子振荡的意义 547
16.6 中微子研究的最新进展 548
16.6.1 中微子的质量上限 548
16.6.2 冰立方中微子天文台 550
16.6.3 LHC 探测到高能中微子 552
16.6.4 高能中微子束的产生 554
16.6.5 深层地下中微子实验 555
16.6.6 中微子–原子核弹性相干散射 555
16.6.7 中微子波包的测量 560
16.7 中微子技术的应用前景 562
16.7.1 点对点全球通信 562
16.7.2 为互联网在线应用提供能源 563
16.7.3 核潜艇通信 563
16.7.4 其他可能的应用 564
第17章 核裂变——揭开尘封的往事 566
17.1 一张老照片.566
17.2 放射性化学与原子核物理 570
17.3 制造 “超铀元素”引发的核实验 574
17.4 核裂变：一种前所未有的核爆裂反应.577
17.4.1 核裂变机制 577
17.4.2 核裂变的产物分析：电荷守恒 580
17.4.3 核裂变的经典理论 583
17.4.4 经典处理的进一步讨论 587
17.4.5 核裂变的验证：弗里施实验 589
17.5 确定裂变能的不同方法 591
17.5.1 核子结合能曲线 592
17.5.2 半经验公式 593
17.6 裂变能的来源：质量亏损 593
17.6.1 裂变能的精确计算 593
17.6.2 爱因斯坦质能公式 595
17.6.3 裂变产物的 2/3 份额 597
17.6.4 200MeV裂变能的分配 599
17.7 原子弹——巨大的破坏性能源 600
17.7.1 谁是第一人？ 600
17.7.2 德国原子弹计划 602
17.7.3 玻尔到美国之后 604
17.7.4 鞭炮式的链式反应 606
17.7.5 曼哈顿计划 609
17.8 战后轶事 612
17.8.1 重逢哥本哈根 612
17.8.2 迈特纳成为 “原子弹之母” 613
17.9 难忘故国 616
第18章 气候物理中的量子辐射 620
18.1 地球气候模型的奠基人 620
18.2 影响气候的主要因素.621
18.2.1 温室效应 621
18.2.2 辐射平衡 622
18.2.3 气体对流 625
18.3 地球气候的物理模型.625
18.4 两个重要问题的进一步讨论 628
18.5 结束语 631
第19章 剪不断的量子纠缠 632
19.1 薛定谔猫：思想实验.632
19.2 哥本哈根学派 634
19.3 微观叠加态与宏观叠加态的耦合 636
19.4 玻尔–爱因斯坦之争637
19.5 纠缠态概述.638
19.5.1 EPR佯谬 639
19.5.2 典型的纠缠态 639
19.5.3 爱因斯坦的世界观 641
19.6 贝尔不等式.641
19.6.1 一个奇妙的思想 641
19.6.2 推导贝尔不等式 642
19.6.3 量子关联 645
19.7 纠缠态的实验观察 646
19.7.1 阿斯拜克特实验 646
19.7.2 量子关联测量 649
19.7.3 纠缠态的物理机制 650
19.8 最新纠缠态实验 651
19.9 纠缠态的密度算符理论 653
19.9.1 密度算符 654
19.9.2 量子力学正确的必然性 655
19.9.3 双态纠缠体系 656
19.10 量子隐形传态 659
19.10.1 基本概念 659
19.10.2 实施过程 661
19.10.3 实验验证与应用进展 663
19.10.4 量子不可克隆定理 664
19.11 原子与光场的纠缠664
19.12 生命运动中的量子纠缠 668
19.12.1 生命的量子性 668
19.12.2 生命系统的量子纠缠现象 669
19.12.3 知更鸟导航的量子纠缠机制 671
第20章 奔向时间极限的里程碑 675
20.1 阿秒与阿秒物理学 675
20.2 时间极限——普朗克时间 677
20.3 氢原子：典型的阿秒动力学 678
20.4 阿秒体系的量子模型.681
20.5 用超短光脉冲捕捉瞬态过程 684
20.6 阿秒光脉冲的产生机制 685
20.7 阿秒物理学的应用 688
20.8 结束语 691