量子力学（量子力学三大定律）

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什么是量子力学

量子力学是物理学的一个分支，它描述了粒子的行为——原子、电子、光子以及几乎所有分子和亚分子领域的东西。

量子力学发展于20世纪上半叶，其结果常常是极其奇怪和违反直觉的。

我们用经典力学描述日常大小和速度下的物体运动和相互作用，这是非常有效的。然而在原子和电子的尺度上，经典力学的方程就不再适用了。

在经典力学中，物体在某一时刻处于确定的位置。而在量子力学中，物体的位置是不确定的，它在空间中所处的位置用概率描述，它们以一定的概率存在于A点，以另一概率存在于B点。

量子力学的发展经历了几十年，最初物理学家在研究中发现了一些新的现象，而那时几近完美的经典力学无法解释这些现象。量子力学始于20世纪初，大约在同一时间，阿尔伯特·爱因斯坦发表了他的相对论，这是物理学中描述物体高速运动的另一场革命。然而，与相对论不同的是，量子力学的起源不能归于某一个科学家。相反，在19世纪末到1930年之间，多位科学家为一个逐渐被接受并得到实验验证的科学理论做出了贡献。

1900年，德国物理学家马克斯·普朗克(Max Planck)试图解释为什么在特定温度下的物体，比如灯泡的灯丝会发出特定的颜色。普朗克意识到，物理学家路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)用来描述气体行为的方程，可以转化为对温度和颜色之间关系的解释。问题在于玻尔兹曼的工作依赖于这样一个事实:任何给定的气体都是由微小的粒子组成的，这意味着光也是由离散的粒子组成的。

这一想法与当时有关光的观点大相径庭，当时大多数物理学家认为光是一种连续的波，而不是一个微小的包。普朗克本人既不相信原子，也不相信光的离散单元，但他的概念在1905年得到了推动，当时爱因斯坦发表了一篇论文，题为《关于光的发射和转换的启发式观点》。

爱因斯坦认为光的传播不是波，而是某种形式的“能量量子”。爱因斯坦在他的论文中提出，这个能量包“只能作为一个整体被吸收或产生”，特别是当一个原子在量子化振动速率之间“跳跃”时。这就是量子力学中“量子”部分的由来。

用这种新的方式来设想光，爱因斯坦在他的论文中提出了对九种现象行为的见解，包括普朗克描述的灯泡灯丝发出的特定颜色。它还解释了某些颜色的光是如何将电子从金属表面激发射出来的——这种现象被称为光电效应。

在量子力学中，粒子有时以波的形式存在，有时以粒子的形式存在。这在双缝实验中最为著名，在这个实验中，像电子这样的粒子被射向有两条缝的板，板后面有一个屏幕，当电子击中屏幕时，屏幕就会亮起来。根据《自然》杂志上一篇热门文章的说法，如果电子是粒子，它们会在穿过一条或另一条狭缝后撞击屏幕的地方产生两条明亮的线。

相反，当实验进行时，屏幕上会形成干涉图样。这种暗带和亮带的模式只有当电子是带有波峰(最高点)和波谷(最低点)的波时才有意义，而波峰和波谷会相互干扰。甚至当一个电子一次被射入狭缝时，干涉图样也会显现出来——这是一种类似于单个电子干涉自身的效应。

1924年，法国物理学家路易斯·德布罗意(Louis de Broglie)提出了粒子可以表现出波状特征，而波也可以表现出粒子状特征——这一观点使他在几年后获得了诺贝尔奖。

在20世纪10年代，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔试图用量子力学描述原子的内部结构。到那时，人们已经知道原子是由一个重、密、带正电的原子核和一群微小、轻、带负电的电子组成的。玻尔把电子放到围绕原子核的轨道上，就像亚原子太阳系中的行星一样，只不过它们只能有特定的预定轨道距离。通过从一个轨道跳到另一个轨道，原子可以接收或发射特定能量的辐射，这反映了它们的量子本质。

不久之后，两名科学家独立工作，使用各自的数学思路，创造了一个更完整的量子力学框架。在德国，物理学家维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)通过“矩阵力学”实现了这一点。奥地利-爱尔兰裔物理学家Erwin Schrödinger提出了一个类似的理论，称为“波动力学”。Schrödinger在1926年证明了这两种方法是等价的。

在原子的Heisenberg-Schrödinger模型中，每个电子都扮演着围绕原子核的波的角色，取代了早期的玻尔模型。在Heisenberg-Schrödinger原子模型中，电子服从“波函数”描述。

Schrödinger的猫是一个经常被误解的思想实验，描述了一些量子力学的早期开创者对其结果的疑虑。玻尔和他的许多学生相信，量子力学表明，粒子在被观察到之前没有明确定义的性质，Schrödinger和爱因斯坦不相信这种可能性，因为它会导致关于现实本质的荒谬结论。1935年，Schrödinger提出了一个实验，在这个实验中，猫的生死取决于一个量子粒子的随机翻转，而这个量子粒子的状态直到盒子被打开才会被发现。Schrödinger希望通过一个依赖于量子粒子的概率性质的真实例子来证明玻尔思想的荒谬性，但却得到了一个荒谬的结果。

根据玻尔对量子力学的解释，在盒子被打开之前，猫处于一种不可能的双重状态，即同时活着和死去。(还没有真正的猫做过这个实验。)Schrödinger和爱因斯坦都认为，这有助于表明量子力学是一个不完整的理论，最终将被符合普通经验的理论所取代。

量子纠缠是量子理论的结果之一。两个粒子似乎是跨越时空联系在一起的，其中一个粒子的变化(例如观察或测量)会影响另一个粒子。这种瞬时效应似乎独立于空间和时间，这意味着，在量子领域，效应可能先于原因。

Schrödinger和爱因斯坦强调了量子力学的另一个奇怪结果，这两个人都无法完全理解。1935年，爱因斯坦与物理学家鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)和内森·罗森(Nathan Rosen)证明，可以建立两个量子粒子，使它们的量子态始终相互关联。粒子本质上总是“知道”彼此的性质。这意味着，测量一个粒子的状态，就会立即告诉你它的伴粒子(纠缠对粒子)的状态，无论它们相隔多远。这个结果被爱因斯坦称为“远距离的幽灵作用”，Schrödinger很快将其命名为“纠缠”。

纠缠已被证明是量子力学最重要的结果之一，并在现实世界中一直存在。研究人员经常使用量子纠缠进行实验，这种现象是新兴的量子计算领域的基础的一部分。

目前，物理学家对宇宙中所有观测到的粒子和力缺乏一个完整的解释，这通常被称为万有理论。爱因斯坦的相对论描述的是大而有质量的东西，而量子力学描述的是小而无形的东西。这两种理论并非完全不相容，但没有人知道如何把它们结合起来。

许多研究人员都在寻找一种量子引力理论，它将引力引入量子力学，并解释从亚原子到超星系领域的一切。有很多关于如何做到这一点的建议，比如发明一种假想的重力量子粒子——引力子，但到目前为止，还没有一种理论能够满足我们宇宙中所有物体的观测。另一个流行的理论是弦理论，它假设最基本的实体是在许多维度上振动的微小弦，但由于几乎没有发现支持它的证据，物理学家开始不那么广泛地接受它。其他研究人员也在研究涉及环圈量子引力的理论，在环圈量子引力理论中，时间和空间都是离散的、微小的块，但到目前为止，还没有一个想法能在物理学界得到认可。

量子力学是什么意思

量子力学是研究微观粒子运动规律的理论，是现代物理学的理论基础之一。量子力学用波函数描写微观粒子的运动状态，以薛定谔方程确定波函数的变化规律，并用算符或矩阵方法对各物理量进行计算。

量子力学的规律用于宏观物体或质量和能量相当大的粒子时，也能得出经典力学的结论。在解决原子核和基本粒子的某些问题时，必须将量子力学与狭义相对论结合起来。1928年狄拉克 *** 了量子力学的原理，使之适合相对论，建立了相对论量子力学，后逐步发展为量子场论。

量子力学的意义

量子力学的建立大大促进了原子物理、固体物理和原子核物理学的发展，并推动了半导体、激光和超导等新技术的应用。它标志着人类认识已从宏观领域深入到微观领域。

量子力学为哲学研究的发展开辟了新的领域，它向人们提出了一系列新的哲学课题，诸如微观客体的存在特征、微观世界是否存在因果关系、主客体在原则上是否不可分、主客体之间的互补问题等等。深入和正确地回答这些问题，无疑将会推动马克思主义哲学的深入发展。

量子力学是什么？

量子力学有一个重要理论，叫哥本哈根诠释。主要内容是：物体在没有被观察前，可以同时以各种可能的状态存在。这就是所谓的叠加态，有时也被称为波函数。要想知道物体处在什么状态，必须进行观察。它使波函数消失，也就是叠加态消失，物体呈现一种确定的状态。

有两个著名的量子力学实验——双孔实验和薛定谔的猫实验，都是围绕叠加态进行的。

双孔实验是在一块纸板上切出两个细长的孔。纸板的一边放置电子发射器，另外一边放置电子检测屏。当电子发射器一个一个地向双孔轮流发射电子时，电子检测屏上就会出现明暗相间的条纹图案，这与利用光做双孔实验的结果相同，说明每个电子都像光一样同时通过了两个孔。可是如果我们在两个孔旁边装上电子监测器，监测电子的实际运行轨迹。结果发现电子每次只是通过一个孔，原来那种只有电子同时通过两个孔才会出现的明暗相间的条纹图案也不见了，电子检测屏上呈现的只是电子通过一个孔时才有的图案。好像电子知道有人在监测它们，所以不再像原来那样行动。著名量子物理学家费曼指出，双孔实验揭示了量子物理学的核心，可是没有人知道这种现象的实质是什么！

薛定谔的猫实验是一种虚构的“思想实验”。这个实验的构想是：在一个密闭的盒子里，放置一块放射性物质、一套检测机关、一瓶毒药和一只猫。放射性物质什么时候发生衰变是事先无法预测的。一旦发生衰变，就会触发检测机关，打碎毒药瓶，继而将猫毒死。那么，在打开盒子观察前，盒子里的猫会是一种什么状态呢？按照常识来说，会有两种可能：猫可能是活的，也可能是死的；然而量子力学理论认为，这两种可能都同时存在，也就是说，猫既是活的，又是死的。这显然与人们的传统思维大相径庭。薛定谔的本意，是想通过这个实验证明这种观点的荒谬性。然而，随着时光的流转，“叠加态”的说法不仅没有被驳倒和摈弃，反而得到越来越多的理论和实验的支持。

可是，当人们打开盒子，明明看到的是一只活猫，或一只死猫。那么，怎么能够证明在打开盒子之前，猫既是活的，又是死的呢？在目前的量子力学领域，越来越多的人倾向于两种解释：

一种是“意识决定存在”。人们看到的活猫或死猫的“事实”，是人们进行了观察的结果，也就是人类意识的产物。是意识“创造”了“事实”，而不是事物的本来状态。任何事物在观察前和观察后都不是同一个样子。

一种是自然界存在多重宇宙。另外那些宇宙，也和我们所感知的这个宇宙一样真实，一样存在真实的物体和事件。那些宇宙中，还有许多个一模一样的你。不过有的可能与你的初恋情人结了婚（另外宇宙中也有你初恋情人的翻版），生活的十分幸福甜蜜；有的可能从事了你年轻时最喜欢的工作，而且事业有成……以薛定谔的猫实验为例，在打开盒子的那一刻，宇宙就分裂成了两个。在一个宇宙中，猫是活的；在另一个宇宙中，猫是死的。哥本哈根派所说的“叠加态”并未消失，只是存在于两个世界。就如同一条大河，在一座分水岭前分成了两条河；其中的一条又遇到一座分水岭，于是一条河又分成了两条河……自然界无穷无尽的多重宇宙，就是这样不断地永无休止地分裂而成的。

量子世界许多奇异的现象和理论，不仅令芸芸众生大为困惑，也让许多量子学者头晕目眩。恰如费曼所言：“从常识的观点看，量子力学对自然的描述是荒谬可笑的。但是它与实验完全吻合。因此我希望你能够接受自然是荒谬的，因为它确实是荒谬的。”另一位著名的量子物理学家普朗克也同样感慨道：“科学不能解答自然的最终秘密，这是因为归根到底我们自己就是一个需要解答的秘密。”

诚如斯言，我们人类本身就是一个大大的问号——我们是宇宙间全知全能的上帝，还是“上帝”眼里的大猩猩？我们看见的就是真实的吗？看不见的就不存在吗？我们究竟掌握了自然界的多少秘密？我们中间还有没有哥白尼和爱因斯坦……这些问题得不到明确的回答，宇宙对于我们就只能是一个深不可测的谜团。

什么是量子力学？

量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的.旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论.

1、1900年,普朗克提出辐射量子假说,假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的,能量子的大小同辐射频率成正比,比例常数称为普朗克常数,从而得出黑体辐射能量分布公式,成功地解释了黑体辐射现象.

2、1905年,爱因斯坦引进光量子(光子)的概念,并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系,成功地解释了光电效应.其后,他又提出固体的振动能量也是量子化的,从而解释了低温下固体比热问题.

3、1913年,玻尔在卢瑟福原有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论.按照这个理论,原子中的电子只能在分立的轨道上运动,在轨道上运动时候电子既不吸收能量,也不放出能量.原子具有确定的能量,它所处的这种状态叫“定态”,而且原子只有从一个定态到另一个定态,才能吸收或辐射能量.这个理论虽然有许多成功之处,但对于进一步解释实验现象还有许多困难.

4、在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后,为了解释一些经典理论无法解释的现象,法国物理学家德布罗意于1923年提出了物质波这一概念.认为一切微观粒子均伴随着一个波,这就是所谓的德布罗意波.

5、玻尔子力学与经典力学的差别首先表现在对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律上.在量子力学中,粒子的状态用波函数描述,它是坐标和时间的复函数.为了描写微观粒子状态随时间变化的规律,就需要找出波函数所满足的运动方程.这个方程是薛定谔在1926年首先找到的,被称为薛定谔方程.

由此量子力学基本内容就完成了.但是还有很多不完善的地方,需要我们去努力.

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