Many-Body Methods in Chemistry and Physics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Cambridge University Press

作者:Isaiah Shavitt

出品人:

页数:546

译者:

出版时间:2009-8-31

价格:USD 124.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780521818322

丛书系列:

图书标签:

• 量子化学
• 多体方法
• 计算物理
• 电子结构
• 分子物理
• 凝聚态物理
• 从头算
• 密度泛函理论
• 相关能
• 量子蒙特卡洛

探索量子世界的基石：理解物质多体行为的奥秘 本书并非聚焦于化学与物理中的“多体方法”这一特定理论框架，而是致力于为广大科学爱好者、初学者以及希望深入理解物质微观本质的研究者，揭示构成我们宇宙万物的最基本粒子如何相互作用，并由此展现出宏观世界的丰富现象。我们将一同踏上一段探索之旅，从最基础的量子力学原理出发，逐步深入到原子、分子乃至更复杂系统的行为。 第一章：微观世界的舞者——粒子的基本属性 在踏入复杂的多体交互之前，我们首先需要认识构成物质的基本“舞者”。本章将介绍构成物质的两种基本粒子：费米子（如电子、质子、中子）和玻色子（如光子、声子）。我们将探讨它们的量子态，包括自旋、全同性以及它们所遵循的 Pauli 不相容原理（费米子）和玻色爱因斯坦统计（玻色子）。理解这些基本属性，是理解它们如何组合成更复杂系统的前提。我们将从量子力学的基本假设入手，例如波粒二象性、概率解释以及量子叠加态，为后续的深入探讨奠定坚实的基础。 第二章：点亮万物的光——电磁相互作用的魅力 宇宙中无处不在的电磁力，是驱动粒子之间相互作用的强大引擎。本章将深入剖析电磁相互作用的本质，从经典电磁学的基础出发，逐步过渡到量子电动力学（QED）的精妙框架。我们将讨论电荷、电流如何产生电场和磁场，以及光子作为传递电磁相互作用的媒介。本书将阐述电磁相互作用如何在原子中束缚电子，如何在分子之间形成化学键，以及如何在宏观尺度上驱动光、热和电的传播。我们将借助于一些经典的实验事例，例如原子光谱的形成，来直观感受电磁相互作用的强大解释力。 第三章：原子之歌——结构与光谱的奥秘 原子是物质的基本单元，其结构和行为深刻地影响着物质的性质。本章将聚焦于原子内部的电子排布，介绍量子数如何描述电子的轨道、能量和自旋。我们将探讨原子光谱的产生机制，理解为什么不同元素会发出或吸收特定频率的光。这不仅仅是原子世界的美丽“歌声”，更是识别和分析物质成分的关键。我们将简要介绍一些重要的原子模型，例如玻尔模型和后来的量子力学模型，并讨论如何通过光谱分析来探测恒星的组成，或者鉴定材料的纯度。 第四章：分子之舞——键的形成与分子的形状 原子并非孤立存在，它们通过化学键结合形成分子，构成了我们周围世界的物质基础。本章将详细阐述化学键的种类，包括离子键、共价键和金属键，并解释它们是如何在量子层面上形成的。我们将探讨分子轨道理论，理解电子如何在分子中分布，以及这如何决定分子的几何形状、极性和反应活性。我们将通过一些常见分子的例子，如水分子、二氧化碳分子，来阐释这些概念，并初步了解分子的光谱学和结构分析方法。 第五章：从原子到材料——物质宏观性质的涌现 微观粒子的相互作用，最终涌现出宏观物质的丰富多彩的性质，例如固体、液体和气体的不同状态，以及材料的力学、热学和电学特性。本章将探讨集体行为如何产生，例如晶格振动（声子）如何导致材料的导热性，以及电子在固体材料中的集体运动如何产生导电性。我们将介绍相变的概念，理解为什么水在不同温度下会呈现固、液、气三种状态。通过对微观机制的理解，我们将能够更好地解释材料的设计与应用，例如半导体的特性如何被用于电子器件。 第六章：超越经典——量子效应在宏观世界的回响 虽然量子效应通常被认为是微观世界的专属，但它们的影响却渗透到宏观世界的方方面面。本章将介绍一些重要的量子现象，例如量子隧穿效应在扫描隧道显微镜中的应用，以及量子纠缠在未来量子计算和量子通信中的潜力。我们将讨论超导现象，以及宏观量子现象如何挑战我们对经典物理学的直观理解。通过这些例子，我们将看到量子世界不仅仅是抽象的理论，更是驱动现代科技发展的强大动力。 本书力求以清晰易懂的语言，辅以恰当的类比和图示，引导读者逐步理解物质微观世界的奥秘。我们不预设读者具备深厚的专业背景，但希望能在读者心中播下求知的种子，激发对自然界更深层次的好奇。通过对粒子相互作用的探索，读者将能更好地理解化学反应的本质，掌握材料科学的原理，并对现代物理学的最新进展有所洞察。这是一场关于构成我们存在的最基本要素的探索，一场关于物质如何从微观走向宏观的精彩旅程。

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这本书的叙事节奏和结构安排，让我感受到了明显的“年代感”，但这种年代感并非贬义，而是指它沉淀了经典理论的厚重。它非常扎实地从量子力学的基本假设出发，逐步构建起处理多体问题的框架，这一点在介绍二次量子化和对易关系时体现得淋漓尽致。我特别欣赏作者在处理电子-电子相互作用的对角化和非对角化项时的清晰逻辑，这对于理解为什么我们需要如此复杂的微扰展开至关重要。然而，在涉及现代计算化学前沿，特别是涉及到对开放壳层体系、激发态计算（如TD-DFT或时间依赖性CC）的处理时，内容略显保守或不够详尽。当然，鉴于此书的定位，它更侧重于稳态能量计算的理论基础，但对于一个在21世纪进行研究的读者来说，对现代方法学如量子蒙特卡洛（QMC）的引入或者对近年来发展起来的，旨在克服传统CI方法计算瓶颈的新型耦合簇变体，如果能有更深入的探讨，这本书的价值将更趋于完美。现在的版本读起来，像是对上世纪末理论体系的一次全面而深入的回顾，其广度毋庸置疑，但缺乏对过去十年间涌现的新兴技术的动态补充。

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从物理学的角度来看，这本书在处理电子关联的深度上做到了极致，特别是对相关性能的定义和不同方法如何捕捉不同类型的关联，有非常清晰的理论划分。它成功地将许多分散在不同领域（如固体物理中的Bloch定理和分子轨道理论）的概念融会贯通。但是，对于现代化学研究中日益重要的非绝热耦合、电子-振动耦合（FCD）等动态过程的理论基础，这本书的着墨明显不足。这些课题往往需要更精细的时间演化方法和态间耦合的理论描述，而本书的结构明显偏向于稳态能量的计算。此外，它对现代计算化学中越来越流行的基于图形处理单元（GPU）的算法优化策略几乎没有提及，这使得这本书在面向下一代高性能计算时，显得有些脱节。虽然理论是不朽的，但计算方法的发展日新月异，一本旨在指导前沿研究的专著，若能适当融入计算架构对理论实现的影响，将会更加全面和具有前瞻性。

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这本书在构建多体微扰理论（如MBPT(2)和MBPT(3)）时，其推导过程之详尽，令人叹服。特别是对高阶修正项的系数和计算复杂度的分析，展示了作者对方法论局限性的深刻理解。然而，一个始终困扰我的地方是，它在讨论“精度与成本”的权衡时，似乎更倾向于展示理论上的“最优解”，而不是现实中可行的“次优解”。在实际应用中，我们经常需要基于计算资源，在某些精度要求上做出妥协，比如使用截断的CI或限制簇空间。这本书虽然提到了截断的合理性，但对于如何系统地、基于误差估计来选择截断级别，讨论得不够深入。我希望看到更多关于“截断误差”的分析框架，而不是仅仅停留在展示完整理论的层面。总而言之，它提供了构建摩天大楼的蓝图和钢筋结构，但对于如何在地震带上设计出抗震的实际建筑，指导性意见略显不足。它完美地阐释了“应该怎么做”，但在“如何在有限条件下做到最好”方面，留下了空白。

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这本横跨化学与物理领域的“Many-Body Methods in Chemistry and Physics”绝对是一部硬核的专业著作，但读完后我却有种意犹未尽的遗憾。它庞大的信息量和严谨的数学推导让人不得不佩服作者的功力，对于那些已经熟悉Hartree-Fock或密度泛函理论（DFT）基础、渴望深入理解高精度量子化学计算的读者来说，这本书无疑是通往前沿领域的阶梯。然而，对于初学者来说，门槛简直高得吓人。书中对微扰论、组态相互作用（CI）以及耦合簇（CC）方法的阐述极为详尽，每一个步骤的数学推导都像是教科书式的展示，这对于提升理论深度非常有帮助。但问题在于，这种纯粹的理论深度似乎牺牲了一定的“可操作性”介绍。例如，当它讨论到如何将这些高阶方法应用于实际的分子体系时，对于软件实现和实际计算中的收敛性、基组依赖性等实际工程问题，探讨得相对较少。我期待能有更多关于如何选择合适的近似、如何诊断计算结果的可靠性，以及将理论转化为实际可跑程序代码的指导性内容。它更像是一部高级理论的“圣经”，而不是一本可以随时翻阅、指导日常计算实践的“工具手册”。我希望作者能再增加一章，专门讨论计算化学家在面对复杂体系时，如何权衡计算成本与精度之间的艺术。

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我阅读这本书时，最直观的感受是，它要求读者具备极高的数学素养和物理直觉，否则很容易迷失在无穷无尽的希尔伯特空间和张量代数的海洋中。作者的写作风格是极其精确和不容置疑的，每一个定义、每一个定理的引入都经过深思熟虑，没有任何含糊不清的地方。这对于追求理论严谨性的科研人员来说是福音，但对于那些试图通过阅读来建立直观物理图像的自学者，则是一个巨大的挑战。书中对空间对称性和群论在量子化学计算中的应用，虽然有所提及，但感觉像是蜻蜓点水，并未像对核心的电子结构方法那样进行深入的挖掘和例证。例如，如何利用点群对称性来大幅简化CI矩阵的构建，或者在计算振动分析中如何利用分子对称性来简化拉普拉斯算符的处理，这些实际应用层面的技巧性讨论相对较少。它更像是在构建一个完美的、无菌的理论模型，而没有将这个模型应用到充满“噪音”和“不对称性”的真实世界分子体系中的具体步骤和陷阱分析。

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