量子力学教材中,可能属格里菲斯(Griffiths)最有名。这里我们讨论格里菲斯的优缺点,并希望以此为例,讨论一个更普适的问题:从一本好教材中,我们应该学到什么。
简言之:格里菲斯是一本优秀的“量子力学使用手册”,但在很多其它方面有欠缺。如果使用格里菲斯做教材,最好同时使用别的书,来弥补格里菲斯的缺点。
以下,我按照教材的各种功能,讨论格里菲斯的优缺点(缺点会讲得详细些,因为我们读格里菲斯时,更容易体会到优点;但格里菲斯书欠缺的地方,初学者不易从阅读格里菲斯中体会到。另外,下面各点是按照教材的功能来分类的,具体物理内容有少许重叠)。
【欠缺】历史介绍
教材不必包括历史介绍,因为历史介绍,与物理内容的“耦合”不强,可以分开放到科学史或传记里。格里菲斯书里不写历史,并非格里菲斯书的缺点(不过作为重视历史的风格,参见温伯格的教材,是另一种选择)。
不过,我仍想加几个注解,提醒读者我们可以从科学史中学到的东西:
(1)荣誉勋章:谁,在何时,发现了什么。(2)榜样作用:让同学想做某个科学家那样的人。(3)以史为鉴:让我们更清楚地看到,当代物理中,什么问题是好问题。尽管这一点很重要,但对初学者很难。因为我们需要把思维切换到“历史上,科学家当时如何想问题”的范式,才能真正做到以史为鉴。但这种在范式间切换的本领,往往是仍处于迷茫中的初学者不具备的。
【欠缺】实验现象以及为何如此构建理论
为什么要有量子力学?一百多年前,当物理学开始进入原子、亚原子尺度,很多实验无法用经典物理解释,例如原子光谱、光电效应、弱光条件下的双缝干涉、银原子束在磁场中的偏转(Stern-Gerlach)。若非如此,没人会提出量子力学 —— 物理学家既无法凭空想出量子力学,恐怕也不愿意让渡经典物理的确定性,退而接受一个包含随机性的基本理论。
但格里菲斯略过了多数实验,而书中介绍的实验,也是作为“已经建立好的量子力学框架”中的计算例子来介绍。这种介绍方式,并没有体现出这些实验“真正的价值”。这是因为,这些实验真正的价值,并不是新理论(量子力学)为什么能解释它们;而是旧理论(经典力学)为什么不能解释它们,所以物理学家不得不提出全新的量子理论。格里菲斯介绍实验的方式,没有充分体现经典力学和量子力学之间的碰撞,以及为什么我们必须接受量子力学。
几个注解:
(1)同学学习时,可能反而喜欢格里菲斯介绍实验的方式,因为“先有理论,再解释实验”更容易学。但是这既不是做出科学发现的真实过程(也就没有训练同学们未来做出开创性发现的能力),也不是这些实验的真正价值所在。所以这种“容易学”是过度简化导致的,不值得提倡。
(2)这里,“为何如此构建理论”,指逻辑上的构建,这与历史介绍不同。科学的历史发展中,充满了试错、弯路、误解与盲从。这些是初学者不必经历的。而逻辑上“为何如此构建理论”,是用当代的观点,选择最清楚的表达方式,告诉同学,为何需要这个理论。教材应当讲清楚“为何如此构建理论”。
(3)同学学习量子力学之前,可能已经在普通物理、原子物理、近代物理等课程中学过“为何如此构建量子力学”了。这可能是格里菲斯没有解释“为何如此构建量子力学”的原因。但是,正如我们不能假设同学已经精通量子力学的数学工具一样(这一点格里菲斯做得极好),我们也最好不要假设同学通过预修课程,已经掌握了“为何如此构建量子力学”。
(4)不同受众,可能需要不同风格的教材。例如,如果一个工程师,学习量子力学的目的,是制造芯片时如何减少隧穿效应,则按照格里菲斯的“手册式”学习,会很有效。但工程师可能也想知道量子力学为何有趣(而不仅是量子力学怎么使用)。所以对工程师,“为何如此构建量子力学”可能也值得了解。
【不好】理论体系
格里菲斯以薛定谔方程为中心,构建量子力学的理论体系。如果我们只学习“一个量子的粒子如何运动”,那么这种理论体系的构建方式很有效。但是,这种过于简化的理论体系,会成为我们进一步学习的障碍。这是因为:
(1)反转了运动学与动力学的学习顺序。我们通常的学习过程,是先学习运动学,即如何描述系统的状态(例如牛顿力学中的位置和速度),再学习动力学,即状态如何随时间演化。格里菲斯先介绍薛定谔方程,即动力学(尽管之后很快返回头介绍波函数),我个人觉得这不是最好理解的方式。
(2)降低了“线性叠加原理”的重要性。尽管薛定谔方程是线性的,与线性叠加原理自洽,但“线性叠加原理”仍值得作为一条基本原理出现,而不是薛定谔方程的导出结论。比如量子纠缠等现象,是线性叠加原理的直接体现,与系统的动力学无关,如果采用模块化的学习方式,则不该和薛定谔方程联系起来。
(3)降低了“希尔伯特空间”的重要性。因为格里菲斯以粒子运动的薛定谔方程为中心,所以“物理态”自然地等同于“波函数”,而“物理态作为希尔伯特空间中的矢量”则成了描述波函数的数学点缀。这种理解割裂了不同的量子体系:学习自旋系统、量子场论时,同学会觉得是在学习完全不同的理论。从符号的使用上,尽管格里菲斯也介绍了狄拉克左右矢,但也因“波函数为中心”,未充分发挥狄拉克记号的便利之处。
(4)特化了哈密顿量的形式:非相对论粒子的哈密顿量。这会导致两个问题:(i)降低了动量算符的地位,让同学觉得动量算符 p=-iħ∂ 是从薛定谔方程推出来的,而不是基本的(从基本性而言,动量算符可以从对称性推出来,但不应该从薛定谔方程推出来)。(ii)割裂了非相对论量子力学与量子场论的联系。我刚学习量子场论时,并不知道量子场论的时间演化也可以写成薛定谔方程的形式,只是需要使用正确的哈密顿量而已(这不怪格里菲斯,因为我是从别处学到这个偏见的)。
话说回来,尽管格里菲斯的理论体系有以上问题,像前面已经提到的,毕竟对于“量子粒子的运动”问题而言,格里菲斯的体系还是比较易懂的。另外,同学们可能已经学习过格里菲斯,或受其影响的教材,没法忘掉了。这就需要同学有“理论体系的进化能力”:追求更深入的理解,并且当理解更深时,可以重新构建思想中的理论体系,而不是固守自己的最初理解。
【很好】为概念和机制命名
“起个好名字”对理论的内在逻辑没有影响,但对同学的学习和理解很重要。格里菲斯很善于起名,例如推广的统计解释、推广的不确定性原理之类(我没有查这些是不是他的原创,至少他小心地区分了不同概念,这是很好的)。
【极好】解决技术问题
格里菲斯解决技术问题时,步骤清晰、细致,对初学者非常友好。
【极好】介绍数学背景知识
格里菲斯从不假设“读者的数学足够好”。恰到好处的数学背景介绍,对初学者非常有帮助。
【不好】为进阶课程做好准备
前面讨论过,由于格里菲斯把量子力学的各种性质,以及非相对论粒子的特殊性,全都“塞”到薛定谔方程里,这割裂了格里菲斯书中讨论的内容,和量子信息、量子场论等系统的联系,为学习这些课程造成了不必要的困难。
【不好】可迁移的数理基础
很多物理系的同学,毕业未必做物理,而是利用他们的数理基础,做其它工作。这就要求同学们在物理系学到的数理基础,在解决其它问题时,具有可迁移性。我觉得,“可迁移性”的培养,重在“如何发现问题”、“如何抓住问题的关键”,以及“解决问题的思路”(格里菲斯都有所欠缺),而不是解决问题的具体技术过程(格里菲斯的强项)。
【极好】练习题
格里菲斯提供了很好的练习题,并对难度进行了分级。这些题也容易找到答案。
【极好】备考用
不幸的是,考试考的基本都是技术问题。这正是格里菲斯的强项。或许可以说,格里菲斯是在一本深刻的教材,和考研突击辅导手册之间,做出了个不错的平衡。
另外,更不幸的是,同学往往需要“卷”谁学得更快。例如中学生物理竞赛,卷王已经开始卷量子力学了。看格里菲斯的确能学得更快。(但是一时的快不是目的。学习是一场马拉松。未来一定要再好好学一遍。)
【极好】网上资源
由于使用格里菲斯教材的学校很多(特别是在英文世界),容易找到视频、题解、难点讨论等学习材料,也容易找到同学互相讨论。
【极好】给同学“学到了”的感觉
我把“学到了”的感觉,作为最后一点,因为格里菲斯的量子力学,给我的感觉是:无论有意无意,这本书是围绕着“给同学学到了的感觉”构建的。
这种获得感,可以给同学们学下去的动力,本身应该算做优点。不过,也提醒大家,不要满足于只学到名词、技术细节,以及过度简化的“教学式介绍”。
总结
其实上面已经总结过了:我觉得格里菲斯是极好的“量子力学使用指南”。但是它缺乏关键实验、理论为何如此构建,以及模块化的量子力学框架。这些,都是使用格里菲斯教材的同学需要注意弥补的。
学习量子力学,大家喜欢哪本书呢?希望看到大家的意见。
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