量子力学是什么？有哪些用途？

量子力学是物理学中与非常小的物理学分支。它产生了一些关于物质世界的非常奇怪的结论。在原子和电子的尺度上，许多经典力学方程，描述事物在日常大小和速度下移动的方式，不再有用。在经典力学中，对象存在于特定时间的特定位置。然而，在量子力学中，物体却存在于概率的阴霾中;它们有一定的机会在A(爱丽丝)点，另一个机会是在B(鲍勃)点等等。

图注：展示了处于纠缠量子态的原子。左侧原子A(Alice)的状态表示信息被传递到3英尺外的原子B(Bob)。

三大革命性原则

量子力学(QM)发展了几十年，开始作为一套有争议的数学解释的实验，而经典力学的数学无法解释。它开始于20世纪之交，大约在同一时间，阿尔伯特·爱因斯坦发表了他的相对论，这是物理学中一个单独的数学革命，描述了物质高速运动。然而，与相对论不同，量子力学的起源不能归结于任何一位科学家。相反，在1900年至1930年间，许多科学家为三项革命性原则的基础做出了贡献，这些原则逐渐得到接受和实验验证。它们是：

图注：量子力学是描述光子、电子和构成宇宙的其他粒子的古怪行为的科学定律的主体。

量化属性：某些属性(如位置、速度和颜色)有时只能以特定设置的数量出现，就像从号码到号码的"点击"的拨号。这挑战了经典力学的基本假设，即这种特性应该存在于平滑的连续光谱上。为了描述某些属性"点击"的想法，如具有特定设置的拨号，科学家提出了"量化"一词。

光粒子：光有时可以像粒子一样。这最初遭到了严厉的批评，因为它与200年的实验相反，表明光的行为像波浪;很像平静的湖面上的波纹。光的行为类似，因为它从墙壁上反弹，在拐角处弯曲，波的波峰和波谷可以加起来或抵消。增加波峰产生更亮的光，而抵消的波产生黑暗。光源可以被看作是一个球在棍子上有节奏地浸在湖的中心。发射的颜色对应于波峰之间的距离，由球的节奏决定速度。

物质波：物质也可以像波浪一样。这与大约30年的实验结果相反，这些实验表明物质(如电子)以粒子的形式存在。

量化属性?

1900年，德国物理学家马克斯·普朗克试图解释在红热和白热物体(如灯泡灯丝)的辉光中，光谱上散发的颜色分布。当他对描述这种分布的方程式进行物理理解时，普朗克意识到这意味着只发出某些颜色的组合(尽管它们很多)发射出来，特别是那些某个基值整数倍。不知何故，颜色被量化了!这是出乎意料的，因为光被理解为波，这意味着颜色的值应该是一个连续的光谱。

图注：德国物理学家马克斯·普朗克

是什么禁止原子在这些整数倍数之间产生颜色?这似乎很奇怪，普朗克认为量化只不过是一个数学技巧。赫尔格·克拉格(Helge Kragh)在2000年《物理世界》杂志上发表文章，《马克斯·普朗克，不情愿的革命者》，文中说：“似乎没有人注意到它。普朗克也不例外。"

普朗克的方程中还包含一个数字，该数字对量子力学的未来发展非常重要;今天，它被称为"普朗克的常数."

量化有助于解释物理学的其他奥秘。1907年，爱因斯坦用普朗克的量化假说，解释了为什么如果你把相同量的热量放入物质中，改变起始温度，那么固体的温度会以不同的数量变化。

自19世纪早期以来，光谱学已经表明，不同的元素发射和吸收特定颜色的光称为"光谱线"。虽然光谱学是确定诸如遥远恒星等物体所含元素的可靠方法，但科学家对为什么这些元素会在首位感到困惑。1888年，约翰内斯·里德伯推导出了一个方程，描述了氢发射的光谱线，尽管没有人能够解释这个方程工作原理。

1913年，尼尔斯·波尔将普朗克的量化假说应用到欧内斯特·卢瑟福1911年的原子"行星"模型，该模型假定电子以行星绕太阳运行的方式环绕原子核。根据《物理2000》(科罗拉多大学的一个站点)，波尔提议电子被限制在围绕原子核的"特殊"轨道上运行。它们可以在特殊轨道之间"跃迁"，"跃迁"产生的能量会产生特定颜色的光，被观察为光谱线。虽然量化属性被发明为仅仅是一个数学技巧，但它们解释得如此之多，以至于它们成为了量子力学的创始原则。

光粒子(光子)?

1905年，爱因斯坦发表了一篇论文，题为《关于光的发射和转化的启发式观点》，他设想的光不是作为波，而是作为某种"能量量子"的方式传播，爱因斯坦认为，可以作为一个整体"被吸收或产生"，特别是当一个原子在不受约束的量化振动率间“跃迁”。这也将适用，正如几年后显示的那样，当电子在量化轨道之间"跃迁"。在这个模型中，爱因斯坦的"能量量子"包含"跃迁"的能量差;当除以普朗克的常数时，能量差决定了这些量子所携带的光的颜色。

通过这种新的方法来想象光，爱因斯坦提供了对九种不同现象行为的见解，包括普朗克描述从灯泡灯丝中释放的特定颜色。它还解释了某些颜色的光如何将电子从金属表面喷出，这种现象被称为"光电效应"。“ 然而，爱因斯坦在进行对这种电子“跃迁”解释时并不完全有道理，”美国加州大学物理系副教授斯蒂芬·克拉森(Stephen Klassen)说。

在2008年的一篇题为《光电效应：为物理课堂重建故事》的论文中，克拉森说，爱因斯坦的能量量子并不是解释这九种现象的必要条件。某些将光作为波的数学处理方法仍然能够描述普朗克描述从灯泡灯丝发出的特定颜色和光电效应。事实上，在爱因斯坦备受争议的1921年诺贝尔经济学奖中，诺贝尔委员会只承认"他发现了光电效应定律"，而没有肯定爱因斯坦的能量量子的概念。

在爱因斯坦论文发表大约20年后，1923年，由于阿瑟·康普顿的工作，用来描述能量量子的"光子"一词被推广，他的研究表明，被电子束散射的光在颜色上发生了变化。这表明光粒子(光子)确实与物质粒子(电子)相撞，从而证实了爱因斯坦的假说。到现在为止，很明显，光可以同时作为波和粒子来运动，将光的"波粒子二相性性"置于量子力学的基础中。

物质的波?

自1896年发现电子以来，所有物质以粒子形式存在的证据正在慢慢形成。然而，光波粒子二相性的证明使得科学家们怀疑物质是否仅限于作为粒子作用。也许波粒子二相性对物质来说也是正确的?

第一位在这一推理上取得实质性进展的科学家是法国物理学家路易·维克多·德布罗意。1924年，德布罗意利用爱因斯坦狭义相对论的方程来表明粒子可以表现出波状的特征，而波可以表现出粒子状的特征。

然后在1925年，两位科学家独立工作，使用单独的数学思维线，运用德布罗意的推理来解释电子是如何在原子中绕原子核高速旋转(这种现象是用古典力学方程无法解释的)。在德国，物理学家沃纳·海森伯格通过开发"矩阵力学"实现了这一点。奥地利物理学家欧文·薛定谔在1926年提出了类似的理论，叫做"波力学"。这两种方法是等价的。

海森堡-薛定谔原子模型，其中每个电子在原子核周围充当波(有时称为"云")，取代了卢瑟福-波尔模型。新模型的一个规定是，形成电子的波的末端必须相遇。在《化学量子力学》第三版中，Melvin Hanna写道，"边界条件的施加将能量限制为离散值。“这一规定一个顺序是，只允有整数个波峰和波谷，这解释了为什么某些性质被量化。在海森堡-薛定谔原子模型中，电子遵循"波函数"，占据"轨道"而不是轨值。与卢瑟福-波尔模型的圆形轨道不同，原子轨道具有从球体到哑铃到雏菊的各种形状。

1927年，沃尔特·海特勒和弗里茨·伦敦进一步开发了“波力学”，以展示原子轨道如何结合形成分子轨道，有效地展示了原子为什么相互结合形成分子。这是另一个使用经典力学数学无法解决的问题。这些见解催生了"量子化学"领域。

不确定性原理

也是在1927年，海森堡对量子物理学又做出了重大贡献。他推断，由于物质作为波，一些属性，如电子的位置和速度，是"互补的"，这意味着每个属性的精度有一个限制(与普朗克的常数有关)。

根据所谓的"海森堡的不确定性原理"，人们有理由认为，电子的位置越精确，其速度就越不精确，反之亦然。这种不确定性原理也适用于日常大小的物体，但并不明显，因为精度的缺乏非常小。如果一个棒球的速度在0.16公里/小时的精度范围之内，那么就可以知道球的位置的最大精度是0.000000000000000008毫米。

图注：物理学家海森堡

展望

量化、波粒子二相性和不确定性原理开创了量子力学的新时代。1927年，保罗·狄拉克对电场和磁场进行了量化理解，从而引发了"量子场理论"(QFT)的研究，该理论将粒子(如光子和电子)视为底层物理场的兴奋状态。"量子场理论"(QFT)的工作持续了十年，直到科学家遇到障碍："量子场理论"(QFT)中的许多方程都失去物理意义，因为它们产生了无穷大的结果。

图注：物理学家汉斯·贝特(Hans Bethe)

经过十年的停滞，汉斯·贝特在1947年用一种叫做"再正常化"的技术取得了突破，在这里，汉斯·贝特意识到所有无限结果都与两种现象(特别是"电子自能"和"真空极化")有关。观测到的电子质量和电子电荷值可以用来消除所有的无穷大。

自“再正常化”取得突破以来，"量子场理论"(QFT)一直发展关于自然四个基本力的量子理论的基础：1)电磁力，2)弱核力，3)强核力，4)引力。QFT提供的第一个见解是通过"量子电动力学"(QED)对电磁学的量子描述，该描述在20世纪40年代末和50年代初取得了长足的进步。

接下来是弱核力的量子描述，它与电磁学统一，在整个20世纪60年代建立"电弱理论"(EWT)。最后，在20世纪60年代和70年代，使用"量子色动力学"(QCD)对强核力进行了量子处理。QED、EWT和QCD理论共同构成了粒子物理标准模型的基础。不幸的是，QFT还没有产生一个量子引力理论。这一探索在弦理论和环量子引力的研究中仍在继续。

郑重声明：本站所有内容均来自互联网，旨在传播更多的信息，版权为原作者所有。若有不合适的地方，请联系本站删除，邮箱：599385753@qq.com。