这一页是全书的公式速查面板:按章组织,每条公式注明它在正文中的出处,
点链接可以回到推导现场。每章开头用一两句话点明这一章公式的主线。
末尾附常用对易子恒等式、物理常数与做题时最好用的单位换算。
三种打开方式:
- 做题时:按章跳到对应表格,顺链接回正文看推导与适用条件;
- 复习时:只看每章开头的「主线」句子,能否自己把表里的公式默写出一半;
- 查符号时:直接看下面的符号约定表。
先把撑起全书的骨架单独列出——如果只允许背十条,就是这十条:
∎本节关键公式
薛定谔方程
iℏ∂tΨ=H^Ψ 全书唯一的运动方程
Born 规则
P=∣⟨a∣ψ⟩∣2 理论与实验之间唯一的桥
正则对易关系
[x^,p^]=iℏ 量子性的代数源头
不确定性原理
σxσp≥ℏ/2 上一条的直接推论
定态展开
Ψ(t)=n∑cne−iEnt/ℏ∣n⟩ 解任何演化问题的标准流程
角动量谱
J^2: j(j+1)ℏ2,J^z: mℏ 纯代数推出,轨道与自旋通用
氢原子能级
En=−13.6 eV/n2 第一个被完整解释的原子
交换对称性
Ψ(1,2)=±Ψ(2,1) 玻色子 +,费米子 −;元素周期表由此而来
变分原理
Egs≤⟨ψTH^ψT⟩ 解不出来时的救命稻草
密度算符演化
iℏρ^˙=[H^,ρ^] 孤立系统版;开放系统加 Lindblad 项
符号约定
全书统一使用的记号,供跨章阅读时对照:
| 符号 | 含义 | 备注 |
|---|
| Ψ(x,t) / ψ(x) | 含时波函数 / 定态(空间部分)波函数 | 大写含时、小写不含时 |
| ∣ψ⟩,⟨ϕ∣,⟨ϕ∣ψ⟩ | 态矢、对偶矢、内积 | Dirac 记号,见 3.2 |
| A^,A^† | 算符及其厄米共轭 | 戴帽子的都是算符 |
| [A^,B^],{A^,B^} | 对易子 A^B^−B^A^、反对易子 A^B^+B^A^ | 花括号偶尔也表示集合,看上下文 |
| σA | 可观测量 A 的标准差(不确定度) | σA2=⟨A^2⟩−⟨A^⟩2 |
| σx,σy,σz | Pauli 矩阵 | 与不确定度的 σ 无关,习惯如此 |
| ℏ=h/2π | 约化 Planck 常数 | 公式里几乎只出现 ℏ |
| i,e,d | 虚数单位、自然常数、微分号 | 正体排版,区别于变量 i,e,d |
| δmn,δ(x) | Kronecker 符号、Dirac δ 函数 | 离散用下标版、连续用函数版,见 A.2 |
| ρ^ | 密度算符 | 与概率密度 ρ(x) 靠帽子区分 |
第 1 章 · 旧量子论
主线:一批「经典物理解释不了」的实验,各自逼出一个含 h 的公式——
它们还不是理论,但已经把普朗克常数钉进了物理学。
| 公式 | 说明 | 出处 |
|---|
| E=hν=ℏω | Planck 能量子;一份光的能量 | 1.2 |
| ℏω=W+21mvmax2 | 光电效应方程,W 为逸出功 | 1.3 |
| En=−n213.6 eV | Bohr 氢原子能级 | 1.4 |
| L=nℏ | Bohr 角动量量子化条件 | 1.4 |
| λ1=R(n121−n221) | 氢光谱的 Rydberg 公式,Bohr 模型的胜利 | 1.4 |
| λ=ph | de Broglie 物质波波长 | 1.5 |
| σxσp≳ℏ | 不确定性关系的启发式版本 | 1.7 |
第 2 章 · 波函数
主线:一条方程(薛定谔方程)加一条解释规则(Born 规则),
再在四五个标准势场里把它们完整解一遍。
| 公式 | 说明 | 出处 |
|---|
| P(x,t)=∣Ψ(x,t)∣2 | Born 规则:模平方是概率密度 | 2.1 |
| j=mℏIm(Ψ∗∂xΨ) | 概率流;配合 ∂t∣Ψ∣2+∂xj=0 | 2.2 |
| iℏ∂tΨ=−2mℏ2∂x2Ψ+VΨ | 含时薛定谔方程 | 2.4 |
| −2mℏ2ψ′′+Vψ=Eψ | 定态(不含时)薛定谔方程 | 2.3 |
| Ψn(x,t)=ψn(x)e−iEnt/ℏ | 定态解只挂一个相位 | 2.5 |
| ⟨A⟩=∫Ψ∗A^Ψdx | 期望值 | 2.6 |
| σxσp≥2ℏ | 不确定性原理(精确版) | 2.6 |
| En=2mL2n2π2ℏ2,ψn=L2sinLnπx | 无限深势阱,n≥1 | 2.7 |
| 偶宇称:ktan2kL=κ;奇宇称:−kcot2kL=κ | 有限深势阱的能级条件(超越方程,图解或数值求根) | 2.8 |
| En=(n+21)ℏω | 谐振子能级,n≥0 | 2.9 |
| ψ0(x)=(πℏmω)1/4e−mωx2/2ℏ | 谐振子基态:最小不确定度的高斯 | 2.9 |
| a^†∣n⟩=n+1∣n+1⟩,a^∣n⟩=n∣n−1⟩ | 升降算符 | 2.9 |
| x^=2mωℏ(a^+a^†),p^=i2mℏω(a^†−a^) | 用升降算符算任何矩阵元的入口 | 2.9 |
| vg=dkdω=mℏk | 波包群速度 = 粒子速度 | 2.10 |
| σx(t)=σ01+(2mσ02ℏt)2 | 自由高斯波包的扩散:越窄的包散得越快 | 2.10 |
| T≈e−2γ,γ=ℏ1∫2m(V−E)dx | 隧穿概率(Gamow 因子) | 2.11 |
第 3 章 · 形式理论
主线:把第 2 章的具体计算升级成一套抽象语法——态是向量、
可观测量是厄米算符、测量按谱分解投影、演化是幺正变换。
| 公式 | 说明 | 出处 |
|---|
| n∑∣n⟩⟨n∣=1^ | 完备性关系(插基神器) | 3.2 |
| ⟨x∣p⟩=2πℏeipx/ℏ | 位置—动量表象变换核 | 3.3 |
| [x^,p^]=iℏ | 正则对易关系 | 3.6 |
| σAσB≥21⟨[A^,B^]⟩ | 广义不确定性关系 | 3.6 |
| ΔEΔt≳2ℏ | 能量—时间不确定性:Δt 是可观测量显著变化所需的时间 | 3.9 |
| A^=A^† ⇒ 本征值实、本征态正交完备 | 可观测量为什么必须厄米 | 3.5 |
| p(an)=∣⟨an∣ψ⟩∣2 | 测量得 an 的概率;测后态坍缩为 ∣an⟩ | 3.8 |
| ∣ψ⟩↦∥P^n∣ψ⟩∥P^n∣ψ⟩,P^n=∣an⟩⟨an∣ | 投影公设(简并时 P^n 为子空间投影) | 3.8 |
| U^(t)=e−iH^t/ℏ | 时间演化算符(H^ 不含时) | 3.9 |
| dtd⟨A^⟩=iℏ1⟨[A^,H^]⟩+⟨∂tA^⟩ | Ehrenfest 定理 | 3.9 |
| ρ^=i∑pi∣ψi⟩⟨ψi∣,⟨A^⟩=tr(ρ^A^) | 密度算符与期望值 | 3.10 |
第 4 章 · 一维问题进阶
主线:对称性帮你少算一半,散射问题用透射/反射系数与转移矩阵系统化。
| 公式 | 说明 | 出处 |
|---|
| Π^ψ(x)=ψ(−x),本征值 ±1 | 宇称算符:Π^2=1^ 逼出的仅有两个本征值 | 4.1 |
| [H^,Π^]=0 ⇒ 本征态可取确定宇称 | 对称势的宇称定理 | 4.1 |
| T+R=1 | 透射率加反射率守恒 | 4.2 |
| Mtotal=MN⋯M2M1 | 转移矩阵按区域连乘 | 4.3 |
| ψ′′≈h2ψj+1−2ψj+ψj−1 | 三点有限差分(数值解的起点) | 4.4、C.1 |
第 5 章 · 角动量与自旋
主线:一套对易关系 [L^i,L^j]=iℏϵijkL^k
就决定了全部谱结构——轨道、自旋、以及它们的相加都只是这套代数的不同表示。
| 公式 | 说明 | 出处 |
|---|
| [L^x,L^y]=iℏL^z(轮换) | 角动量代数 | 5.1 |
| L^2∣ℓ,m⟩=ℓ(ℓ+1)ℏ2∣ℓ,m⟩,L^z∣ℓ,m⟩=mℏ∣ℓ,m⟩ | 本征值谱,m=−ℓ,…,ℓ | 5.1 |
| L^±∣ℓ,m⟩=ℏℓ(ℓ+1)−m(m±1)∣ℓ,m±1⟩ | 升降算符 | 5.1 |
| S^i=2ℏσi | 自旋 1/2 与 Pauli 矩阵 | 5.3 |
| σiσj=δij1^+iϵijkσk | Pauli 矩阵乘法一条顶十条 | 5.3 |
| R^n(θ)=e−iθn⋅σ/2=cos2θ1^−isin2θn⋅σ | 自旋 1/2 的转动算符;转 2π 差个负号 | 5.3 |
| ωL=2mgqB | 磁场中自旋进动(Larmor)频率 | 5.5 |
| 单态 2∣↑↓⟩−∣↓↑⟩;三态 ∣↑↑⟩, 2∣↑↓⟩+∣↓↑⟩, ∣↓↓⟩ | 两个自旋 1/2 的相加:1⊕0 | 5.6 |
| ∣j1−j2∣≤j≤j1+j2 | 角动量相加的取值范围 | 5.6 |
| L^⋅S^=21(J^2−L^2−S^2) | 自旋轨道耦合的标准处理 | 5.7 |
第 6 章 · 氢原子
主线:中心力场分离变量,角向部分通用(球谐),
径向方程给出能级——三个量子数 n,ℓ,m 各司其职。
| 公式 | 说明 | 出处 |
|---|
| u′′+[ℏ22m(E−V)−r2ℓ(ℓ+1)]u=0,u=rR | 径向方程(含离心势垒) | 6.2 |
| En=−2(4πε0)2ℏ2me4n21=−n213.6 eV | 氢原子能级 | 6.4 |
| a0=me24πε0ℏ2≈0.529 A˚ | Bohr 半径 | 6.3 |
| ψ100=πa031e−r/a0 | 氢原子基态波函数 | 6.3 |
| 简并度 =n2(含自旋 2n2) | ℓ=0,…,n−1;m=−ℓ,…,ℓ | 6.4 |
| ⟨T⟩=−En,⟨V⟩=2En | 位力定理(库仑势 ∝1/r 情形) | 6.4 |
| ΔEfs∼α2En,α≈1371 | 精细结构的量级 | 6.6 |
| ΔEZ=gJμBBmJ | (弱场)Zeeman 分裂 | 6.7 |
第 7 章 · 近似方法
主线:解不出来的问题占绝大多数——微扰、变分、WKB 三板斧
各有适用范围,含时微扰则通向「跃迁速率」这个可测量。
| 公式 | 说明 | 出处 |
|---|
| En(1)=⟨n(0)H^′n(0)⟩ | 一阶能量修正 = 微扰在无微扰态里的平均 | 7.1 |
| En(2)=m=n∑En(0)−Em(0)∣⟨m(0)H^′n(0)⟩∣2 | 二阶能量修正;基态永远被压低 | 7.1 |
| 简并空间内先对角化 H^′ | 简并微扰的核心操作 | 7.2 |
| Egs≤⟨ψT∣ψT⟩⟨ψT∣H^∣ψT⟩ | 变分原理:任何试探态给出基态能上界 | 7.3 |
| n(1)⟩=m=n∑En(0)−Em(0)⟨m(0)H^′n(0)⟩m(0)⟩ | 一阶波函数修正 | 7.1 |
| ψ∼p(x)1exp(±ℏi∫pdx) | WKB 波函数 | 7.4 |
| ∮pdx=(n+21)2πℏ | WKB 量子化条件(两个软转折点) | 7.4 |
| 共振时二能级完全翻转:Pi→f(t)=sin22ω1t | Rabi 振荡(ω1 正比于驱动强度) | 7.5 |
| Γi→f=ℏ2π∣⟨f∣H^′∣i⟩∣2ρ(Ef) | Fermi 黄金规则 | 7.6 |
| 骤变近似:Pi→f=∣⟨fnew∣iold⟩∣2 | 哈密顿量突变时态来不及动,直接投影 | 7.8 |
| γn=i∮⟨n∣∇Rn⟩⋅dR | Berry 相位 | 7.7 |
第 8 章 · 全同粒子
主线:全同粒子交换只允许两种结局——对称(玻色子)或反对称(费米子),
一切「交换效应」都从这条二选一里长出来。
| 公式 | 说明 | 出处 |
|---|
| Ψ(1,2)=±Ψ(2,1) | 玻色子取 +、费米子取 − | 8.2 |
| Ψ=N!1det[ψi(xj)] | Slater 行列式;两行相同即为零 ⇒ Pauli 不相容 | 8.3 |
| [a^i,a^j†]=δij(玻色);{c^i,c^j†}=δij(费米) | 二次量子化基本(反)对易关系 | 8.5 |
| Esinglet/triplet=E0±J | 交换积分 J 劈裂自旋单态/三态 | 8.4 |
| 平均场自洽:每个电子在其余电子的平均势里解单粒子方程,迭代到收敛 | Hartree–Fock 方法的一句话版本 | 8.6 |
第 9 章 · 量子信息
主线:把「二能级系统 + 幺正演化 + 测量」当成计算资源,
纠缠是其中最关键的新资源。
| 公式 | 说明 | 出处 |
|---|
| ∣ψ⟩=cos2θ∣0⟩+eiφsin2θ∣1⟩ | 量子比特的 Bloch 球参数化 | 9.1 |
| X,Y,Z=σx,σy,σz;H=21(111−1) | 单比特门就是 Pauli 矩阵一家;H 制备等权叠加 | 9.2 |
| 不可克隆定理:不存在 U^∣ψ⟩∣0⟩=∣ψ⟩∣ψ⟩(对任意 ∣ψ⟩) | 线性性的直接推论;量子密码的根基 | 9.2 |
| S(ρ^A)=−tr(ρ^Alog2ρ^A) | 纠缠熵(纯态二分纠缠的度量) | 9.3 |
| ∣⟨CHSH⟩∣≤2(经典)vs 22(量子) | Bell 不等式与 Tsirelson 上限 | 9.4 |
| 1 个 Bell 对 + 2 比特经典信息 ⇒ 传 1 个量子比特 | 量子隐形传态的资源账本 | 9.5 |
| 1 次查询判定「常函数还是平衡函数」(经典最坏要 2n−1+1 次) | Deutsch–Jozsa:量子并行的第一个干净示范 | 9.7 |
| O(N) 次查询 | Grover 搜索的平方加速 | 9.8 |
第 10 章 · 开放系统
主线:系统与环境纠缠后,只看系统就必须用密度矩阵;
它的演化不再幺正,由 Lindblad 方程描述。
| 公式 | 说明 | 出处 |
|---|
| ρ^A=trBρ^AB | 偏迹:只看子系统时的唯一正确操作 | 10.1 |
| trρ^=1,ρ^†=ρ^,ρ^≥0 | 密度矩阵三条件 | 10.2 |
| trρ^2≤1,取等号仅当纯态 | 纯度:区分纯态与混态 | 10.2 |
| ρ^↦k∑K^kρ^K^k†,∑kK^k†K^k=1^ | Kraus 表示(CPTP 映射) | 10.3 |
| ρ^˙=−ℏi[H^,ρ^]+k∑(L^kρ^L^k†−21{L^k†L^k,ρ^}) | Lindblad 主方程 | 10.4 |
| 相干项衰减:ρ01(t)=ρ01(0)e−t/T2 | 退相干杀的是非对角元;T2 是相干时间 | 10.5 |
第 11 章 · 路径积分
主线:传播子 = 对所有路径求和,每条路径按经典作用量挂相位——
经典力学是相位驻定的极限。
| 公式 | 说明 | 出处 |
|---|
| K(b,a)=所有路径∑eiS[x(t)]/ℏ | 路径积分的核心思想 | 11.1 |
| K0=2πiℏtmexp[2ℏtim(xb−xa)2] | 自由粒子传播子 | 11.2 |
| δS=0 ⇒ 经典路径主导 | 驻定相位 ⇒ 最小作用量原理 | 11.3 |
第 12 章 · 相对论量子力学
主线:把 E2=p2c2+m2c4 塞进量子力学,
代价与回报都是新自由度——负能解、自旋、反粒子。
| 公式 | 说明 | 出处 |
|---|
| E2=p2c2+m2c4 | 相对论能量动量关系:一切的出发点 | 12.1 |
| (c21∂t2−∇2+ℏ2m2c2)ϕ=0 | Klein–Gordon 方程 | 12.2 |
| iℏ∂tψ=(cα⋅p^+βmc2)ψ | Dirac 方程 | 12.3 |
| {γμ,γν}=2ημν | γ 矩阵代数 | 12.3 |
| 四分量旋量 = (粒子 / 反粒子)×(自旋上 / 下) | 负能解的重新解释:反粒子 | 12.4 |
| g=2 | Dirac 方程自动给出的电子 g 因子 | 12.5 |
第 13 章是前沿综述,以概念地图为主、可背公式很少,故不入表;
各节自带的 KeyFormulas 块仍可用站内搜索直达。
常用对易子与算符恒等式
散落在各章、但每章都在用的「代数弹药库」。A^,B^,C^ 为任意算符。
| 恒等式 | 说明 |
|---|
| [A^,B^C^]=[A^,B^]C^+B^[A^,C^] | 乘积展开(类莱布尼茨规则),拆长对易子全靠它 |
| [x^,f(p^)]=iℏf′(p^),[p^,g(x^)]=−iℏg′(x^) | 由 [x^,p^]=iℏ 逐阶推出 |
| [a^,a^†]=1,N^=a^†a^ | 谐振子/二次量子化的全部代数起点 |
| [J^i,J^j]=iℏϵijkJ^k,[J^2,J^i]=0 | 任何角动量(轨道、自旋、总)通用 |
| eA^B^e−A^=B^+[A^,B^]+2!1[A^,[A^,B^]]+⋯ | Hadamard 引理:算符「换到旋转参考系」的展开式 |
| eA^eB^=eA^+B^+21[A^,B^](当 [A^,B^] 与两者都对易) | BCH 公式的可用特例;相干态、平移算符、C.2 分步法都靠它 |
| tr(A^B^C^)=tr(B^C^A^) | 迹的轮换不变性;密度矩阵计算的日常工具 |
| (A^B^)†=B^†A^† | 取厄米共轭要反序 |
物理常数与单位换算
做题强烈推荐用「eV 制」组合常数——避免 10−34 量级的数值相乘:
| 常数 | 数值 | 用法提示 |
|---|
| ℏ | 1.055×10−34 J⋅s=6.582×10−16 eV⋅s | 频率 ↔ 能量 |
| ℏc | 197.3 eV⋅nm=197.3 MeV⋅fm | 长度 ↔ 能量,最常用的组合 |
| mec2 | 0.511 MeV | 电子静能;动能公式里配 ℏc 用 |
| mpc2 | 938.3 MeV | 质子静能 |
| α=4πε0ℏce2 | ≈137.041 | 精细结构常数,电磁作用强度 |
| a0 | 0.0529 nm | Bohr 半径 =ℏc/(αmec2) |
| ERy | 13.606 eV | Rydberg 能量 =21α2mec2 |
| μB | 5.788×10−5 eV/T | Bohr 磁子,Zeeman 分裂用 |
| kBT(300 K) | ≈0.0259 eV | 「室温 ≈ 26 meV」判断热效应是否重要 |
| hc | 1240 eV⋅nm | 光子能量 ↔ 波长:E=1240/λ(nm) eV |
| 1 eV | 1.602×10−19 J | 与 SI 制互换时才需要;能不换就不换 |
| 1 A˚ | 0.1 nm=10−10 m | 原子尺度的自然标尺(a0≈0.53 Å) |