麻省理工学院理论物理专业教材评价与研究

麻省理工学院理论物理专业教材评介与分析

张立彬（南开大学外国教材中心；天津 300071）

朱美玲（南开大学物理科学学院；天津 300071）

[内容摘要] 通过对麻省理工学院理论物理专业所用五本教材的评介与分析，认为国内编写同类教材时，新编教材应注意：问题新颖，习题难度适中；风格多样，增加阅读趣味；资料丰富，文献经典广泛；材料适当，扩展学生知识；及时更新，增加实效内容；因材施教，满足各种需求；图形描述，发挥图表功能等。[ 关键词]国外教材；理论物理；粒子与核子；量子信息；量子计算；超弦理论；量子力学；现代量子力学引言

教材是体现教学理念、教学内容和教学方法的载体，在深化课程教学改革、全面推进素质教育，提高人才培养质量方面发挥着重要作用。为进一步吸收、借鉴国外优秀的经典教材，提高国内教材建设的水平，为国家培养出急需的拔尖创新人才，本文对国外一流大学——麻省理工学院理论物理专业所用的五本经典教材进行了评介与分析。本文选定的五本经典教材分别是：德国物理学家Bogdan Povh 、Klaus Rith、Christoph Scholz 和Frank Zetsche等教授联合撰写，2006年由Springer出版社出版的《Particles and Nuclei》（粒子与核子·第五版）；美国加州理工学院的Michael A.Nielsen教授和麻省理工学院的Isaac L. Chuang教授合著，2000年由英国剑桥大学出版社出版的《Quantum Computation and Quantum Information》（量子计算与量子信息）；麻省理工学院Barton Zwiebach教授撰写，2004年由英国剑桥大学出版社出版的《A First Course in String Theory》（超弦理论基础）；诺贝尔奖得主、法籍物理学家Claude Cohen-Tannoudji教授撰写，1977年由Hermann出版社出版的《Quantum Mechanics》（量子力学·第一册）；美籍日裔著名理论物理学家J.J.Sakurai的遗作，1994年由Addison-Wesley publishers出版的《Modern Quantum Mechanics》（现代量子力学·修订版）。以下将一一介绍：

一、《Particles and Nuclei》（第五版）评介

《Particles and Nuclei》（粒子与核子·第五版）是由德国物理学家Bogdan Povh 、Klaus Rith、Christoph Scholz 和Frank Zetsche等教授联合编写而成，第一版于1995年出版，此后又在1999年出版了第二版；2002年出版第三版；2004年出版第四版，本书是第五版，于2006年由Springer出版社出版。本版主要的修改是增加了中微子振荡和无中微子双β衰变等最新实验进展介绍。[1] Bogdan Povh教授是著名的德国物理学家，主要从事粒子物理的研究工作，写了几十本关于粒子物理的书，对粒子物理以至于对理论物理的研究工作都具有很大贡献，是粒子物理方面的知名权威专家；同时，Klaus Rith、Christoph Scholz 和Frank Zetsche也是德国著名的物理学家，正是因为有这么多著名专家一起编写了这本书且进行了多次修改才使得这本书成为初步认识粒子和核子方面的一流教科书。

1.1内容简介

《Particles and Nuclei》（粒子与核子·第五版）这本书涵盖了主修物理学的大学生所必备的粒子与原子核领域的基本知识。本书的重点是强调基本的物理概念。其中也介绍了许多相关的实验，但不拘泥于实验细节。随着实验和理论物理的进展，原子核、中子以及夸克这些微观粒子在上世纪已经得到充分研究。世界是由这些组分构成的，这些物质组分间的强相互作用即所谓的“标准模型”的观点，虽然颇具吸引力，但是还未经证实。一旦我们接受这个基本观点，将立刻面临这样一个问题：由于大系统中多体相互作用的复杂性，反映基本粒子间相互作

用的基本定律也无法起作用，那么我们周围复杂的结构究竟是如何由它们构成的呢？鉴于此问题，本书对核与粒子物理作了明确的描述。本书第一部分，分析献身于解开事情的基础：这个部分表明用于揭露原子核和核子的基础性实验有一个相似的概念性基础，并且在少量初步组分和基本的相互作用之外揭示全部事实。第二部分，综合：阐述基本粒子怎样被结合，构成强子和原子核。书中习题并不复杂，目的在于考虑学生对于粒子和核物理基本概念的掌握。这本基于海森堡大学授课教案编写的教材已被译为多种语言，成为本科高年级学生及研究生的标准参考书。

《粒子与核子·第五版》这本书分两个部分，共二十章。其中第一章是简短的导言。以后各章可分为两部分：第一部分是分析，把复杂的物质一步一步的剖析成有基本的组分和基本的相互作用组成，包括第二到第十二章的内容。各章内容分别是：整体性质；核的稳定性；散射；核的几何形状；核子的弹性散射；无弹性散射深度；夸克、胶子和强相互作用；正负电子碰撞；波色子之间的弱相互作用；标准模型。第二部分是综合，把前面讲的基础知识和基础粒子组合成微观的系统或粒子，分析基础知识，包括第十三到第二十章的内容。各章内容如下：夸克学；介绍从光夸克中制造介子；重子；核子相互作用；核子的结构；核子激发；核子热力学；在强相互作用下的粒子。

1.2主要特点

以下简要介绍一下《粒子与核子·第五版》这本书的主要特点。

首先，此书讲解深入浅出，图文并茂。书中介绍的基本粒子都是很抽象的，例如介绍夸克等基本粒子与基本相互作用时，如果只用枯燥的文字是很难让人理解的，所以教材中加入了很多形象的举例、实验与图表，让理论变得通俗易懂；此书中的插图图像清晰，使读者能对理论知识有更形象的理解，并直观地认识具体的实验装置及研究成果，对读者深刻掌握和理解所述内容起到了至关重要的作用。随着人们对基本粒子的深入研究，大家不但需要那些描述现象、介绍理论应用的读物，更希望从本质上了解粒子的相互作用和基本机理；本书结束时还详细列举了书中引用过的近期文献，方便读者进一步了解相关领域的最新研究成果。总之该书图文并茂，大量的模拟的图形，能加深读者对基本概念的理解，使读者不会对这本理论性很强的书感到厌倦。

其次，及时更新再版。当今时代科学技术发展迅速，教材内容的更新迅速，最新文献的引用、最新研究进展的及时补充，成了衡量教材先进性的重要指标。这本书1995年出版第一版，此后又于1999年出版第二版；2002年出版第三版；2004年出版第四版，第五版于2006年由Springer出版社出版；第五版主要的修改是增加了中微子振荡和无中微子双β衰变等最新实验进展介绍。

再次，阐述生动形象。核子和粒子在我们的现实生活中是看不到的，所以它相对于其他讲解宏观的知识是要有一定的难度。但是，该书对概念进行了形象的讲解，书中用精确的语言，形象的比喻讲解抽象的问题，让读者有一种形象的认识，能更好的理解抽象的问题，这是本书的一大成功之处。

1.3社会反映与适用对象

读者认为《粒子与核子·第五版》这本书是初步学习粒子和核子等微观粒子的必读的书，讲解清楚、举例恰当、形象。每章后的问题即可以检查读者的对书中所讲知识的理解程度，同时还可以让读者学会思考问题，解决问题的方法。该书内容是麻省理工学院大学生第六学期所学的一门课程，它强调基本的概念，所以本书一般适合物理专业的学生，同时对于从事这方面研究的研究人员也是一个