中美著名大学《量子力学》课程比较与分析

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1、中美著名大学《量子力学》课程比较与分析张立彬（教育部南开大学外国教材中心，天津300071）徐皓、刘学文（南开大学物理科学学院，天津300071）内容摘要：根据中美高校物理学排名，笔者搜集了美国12所顶尖高校与中国10所著名大学的量子力学课程及其教材等信息，在此基础上，比较了中美著名大学量子力学课程的内容、教材与参考书使用情况、培养目标、教学方式、师资力量等。通过比较发现了美国量子力学教学的特点和国内教学的不足，本文可为国内量子力学课程教学的改善提供一定的启示与借鉴。关键词：量子力学；美国大学；中国高校；课程特点

2、；课程比较；物理教材量子力学是“四大力学”的物理课程之一。对于各高校物理教学是必不可少的基础课程。它是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。[1]为了深入了解量子力学的教学情况，我们调研收集了美国物理学排名前十二的高校的课程情况、教材使用等信息，通过分析美国高校的培养目标、课程内容、学时、教学方式等

3、来了解他们的量子力学课程的特点，并与国内进行了比较分析。研究的结果可为国内量子力学的教学给予启示。文章收集了美国十二所顶尖大学（位列全美物理学排名前十二名）的量子力学课程信息，包括了课程主讲内容、使用教材及参考书等。这些学校有：麻省理工学院（MassachusettsInstituteofTechnology）、斯坦福大学（StanfordUniversity）、加州理工学院（CaliforniaInstituteofTechnology）、哈佛大学（HarvardUniversity）、普林斯顿大学（Princ

4、etonUniversity）、加州大学伯克利分校（UniversityofCaliforniaBerkley）康奈尔大学（CornellUniversity）、芝加哥大学（TheUniversityofChicago）、伊利诺伊大学香槟分校（UniversityofIllinoisUrbana-Champaign）、加州大学圣塔芭芭拉分校（UniversityofCaliforniaSantaBarbara）、哥伦比亚大学（ColumbiaUniversity）、耶鲁大学（YaleUniversity）。一、中

5、美著名大学《量子力学》课程的比较1.课程内容方面国内的量子力学课程教学，首先，从课程内容上看。量子力学是描写微观物质的一种物理学理论，与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱，许多物理学理论和科学如原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学以及其它相关的学科都是以量子力学为基础。19世纪末，经典力学和经典电动力学在描述微观系统时的不足越来越明显。量子力学是在20世纪初由普朗克、尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡、薛定谔、沃尔夫冈·泡利、德布罗意、马克斯·玻恩、恩里科·费米、保罗·狄拉克、阿尔伯特·爱因斯坦等一大批物

6、理学家共同创立的。通过量子力学的发展人们对物质的结构以及其相互作用的见解被革命化地改变。通过量子力学许多现象才得以真正地被解释，新的、无法直觉想象出来的现象被预言，但是这些现象可以通过量子力学被精确地计算出来，而且后来也获得了非常精确的实验证明。除通过广义相对论描写的引力外，至今所有其它物理基本相互作用均可以在量子力学的框架内描写（量子场论）。[1]量子力学的表述形式通常有三种：矩阵力学、波动力学、路径积分。国内在本科生的教学过程中主要讲的是矩阵力学部分和波动力学部分，而路径积分形式的量子力学，则通常在研究生阶段

7、高等量子力学的部分讲述。课程教学从介绍经典物理在十九世纪末期所遇到不可逾越的障碍讲起，介绍了量子力学的诞生背景，提出了普朗克和爱因斯坦的光量子学说、玻尔11的量子论以及德布罗意的物质波假说，奠定了量子论的基础。然后，通过介绍波函数的统计诠释和量子力学中的基本原理：态叠加原理，引出了量子力学基本方程：薛定谔方程，并通过求解一维定态问题，展示了波动力学中利用薛定谔方程求解问题的基本方法。然后，从量子力学的另一条线索出发，介绍力学量用算符表达与表象变换以及力学量与时间的演化与对称性，建立矩阵力学的基本形式。然后求解了一

8、些简单的物理模型，比如中心力场、粒子在电磁场中的运动等等。同时介绍了自旋、力学量本征值代数解法、定态与非定态微扰论等内容。最后介绍量子跃迁、多粒子体系和散射理论。通过比较美国各大高校的课程内容发现国内外的量子力学教学内容大同小异，见表1。表1：美国部分高校量子力学的课程信息及教材、参考书（星号标记）信息美国大学课程名称课程代码教材及参考书课程描述麻省理工学院[2]量子力学