量子力学：量子物理学的定义、公理和关键概念
量子力学：量子物理学的定义、公理和关键概念
量子力学是描述光子、电子和构成宇宙的其他亚原子粒子行为的科学理论。它与经典物理学在描述微观粒子行为时存在本质区别，其发展始于20世纪初，经过多位科学家的共同努力，逐渐形成了完整的理论体系。量子力学不仅改变了人们对物质世界的认知，还为量子计算等前沿技术的发展奠定了基础。
量子物理学是描述原子和亚原子粒子的“奇妙”行为
在最小的尺度上，宇宙的行为与我们在周围观察到的日常世界非常不同。量子力学是物理学的一个子领域，它描述了微观粒子（原子、电子、光子以及分子和亚分子领域中的几乎所有其他事物）的这种奇异行为。
量子力学发展于 20 世纪上半叶，其结果往往极其奇怪且违反直觉。然而，研究它们让物理学家对宇宙的本质有了更深入的了解，并且有一天可能会改变我们人类处理信息的方式。
量子力学与经典物理学有何不同？
在原子和电子的尺度上，许多描述物体在日常尺寸和速度下的运动和相互作用的经典力学方程不再有用。
在经典力学中，物体在特定时间存在于特定地点。在量子力学中，物体存在于概率的迷雾中。他们有一定的机会位于 A 点，还有另一个机会位于 B 点，依此类推。
量子力学是谁创立的？
与几乎同时发展的阿尔伯特·爱因斯坦著名的相对论不同，量子力学的起源不能归因于某个科学家。相反，根据苏格兰圣安德鲁斯大学的说法，在 1800 年代末至 1930 年间，多位科学家为这个基金会做出了贡献，该基金会逐渐获得接受和实验验证。
1900 年，德国物理学家马克斯·普朗克试图解释为什么物体在特定温度下，例如 1,470 华氏度（800 摄氏度）的灯泡灯丝，会发出特定颜色的红光 。普朗克意识到物理学家路德维希·玻尔兹曼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粒子组成的，这意味着光也是由离散的粒子组成的。
这个想法与当时关于光的想法相悖，当时大多数物理学家认为光是连续的波而不是微小的包。普朗克本人既不相信原子，也不相信离散的光，但他的概念在 1905 年得到了进一步的发展，当时爱因斯坦发表了一篇论文“关于光的发射和变换的启发式观点” 。
爱因斯坦设想光不是以波的形式传播，而是以某种形式的“能量量子”传播。爱因斯坦在他的论文中提出，这组能量“只能作为一个整体被吸收或产生”，特别是当原子在量子振动速率之间“跳跃”时。这就是量子力学的“量子”部分的由来。
通过这种理解光的新方法，爱因斯坦在他的论文中提供了对九种现象行为的见解，包括普朗克描述的从灯泡灯丝发出的特定颜色。它还解释了某些颜色的光如何将电子从金属表面喷射出来——这种现象被称为光电效应。
什么是波粒二象性？
双缝实验使用二个缝使电子产生的波形
在量子力学中，粒子有时可以波的形式存在，有时也可以粒子的形式存在。这在双缝实验中最为著名，其中电子等粒子被发射到一块切有两条狭缝的板上，板后面有一个屏幕，当电子击中它时，屏幕就会亮起。根据《自然》杂志上的一篇热门文章，如果电子是粒子，它们在穿过一个或另一个狭缝后撞击屏幕时会产生两条亮线。
相反，当进行实验时，屏幕上会形成干涉图案。只有当电子是具有波峰（高点）和波谷（低点）并且可以相互干扰的波时，这种暗带和亮带的图案才有意义。即使一次有一个电子穿过狭缝，也会出现干涉图案——这种效果类似于单个电子的自身干扰。
1924年，法国物理学家路易斯·德布罗意利用爱因斯坦狭义相对论的方程证明粒子可以表现出类波特征，波也可以表现出类粒子特征——这一发现几年后他获得了诺贝尔奖。
量子力学如何描述原子？
1910 年代，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔 (Niels Bohr) 尝试用量子力学描述原子的内部结构。至此，人们知道原子是由一个重、致密、带正电的原子核组成，周围环绕着一群微小、轻、带负电的电子。玻尔将电子置于围绕原子核的轨道上，就像亚原子太阳系中的行星一样，只不过它们只能有一定的预定轨道距离。通过从一个轨道跳跃到另一轨道，原子可以接收或发射特定能量的辐射，反映其量子性质。
据美国物理学会资料，不久之后，两位科学家独立工作并使用不同的数学思维，创建了更完整的原子量子图景。在德国，物理学家维尔纳·海森堡通过发展“矩阵力学”实现了这一目标。奥地利裔爱尔兰物理学家欧文·薛定谔提出了一种类似的理论，称为“波力学”。薛定谔在 1926 年证明这两种方法是等效的。
海森堡-薛定谔原子模型取代了早期的玻尔模型，其中每个电子都充当原子核周围的波。在原子的海森堡-薛定谔模型中，电子服从“波函数”并占据“轨道”而不是轨道。根据化学家吉姆·克拉克的解释性网站，与玻尔模型的圆形轨道不同，原子轨道有多种形状，从球形到哑铃形再到雏菊形。
什么是薛定谔猫悖论？
薛定谔的猫是一个经常被误解的思想实验，它描述了量子力学的一些早期开发者对其结果的疑虑。虽然玻尔和他的许多学生相信量子力学表明粒子在被观察之前不具有明确定义的属性，但薛定谔和爱因斯坦无法相信这种可能性，因为这会导致关于现实本质的荒谬结论。
1935 年，薛定谔提出了一项实验，其中一只猫的生死取决于量子粒子的随机翻转，在打开盒子之前，量子粒子的状态将保持不可见。薛定谔希望用一个现实世界的例子来展示玻尔思想的荒谬性，这个例子依赖于量子粒子的概率性质，但却产生了荒谬的结果。
根据玻尔对量子力学的解释，在盒子被打开之前，猫一直处于既生又死的不可能的双重状态。 （从来没有真正的猫做过这个实验。）薛定谔和爱因斯坦都认为，这有助于表明量子力学是一个不完整的理论，最终会被符合普通经验的理论所取代。
即使在今天，物理学家仍在努力解释为什么亚原子粒子似乎可以以不同状态的叠加存在，但大型结构（例如宇宙本身）似乎却不然。对薛定谔方程的拟议调整可能有助于解决这种紧张关系，但到目前为止，还没有一个被科学界广泛接受。
什么是量子纠缠？
量子纠缠
薛定谔和爱因斯坦帮助强调了量子力学的另一个奇怪的结果，但他们都无法完全理解。根据《斯坦福哲学百科全书》，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) 一起证明，可以设置两个量子粒子，使它们的量子态始终相互关联。粒子基本上总是“了解”彼此的属性。这意味着测量一个粒子的状态可以立即告诉你它的孪生粒子的状态，无论它们相距多远，爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”，但薛定谔很快将其称为“纠缠”。
纠缠已被证明是量子力学最重要的方面之一，并且一直存在于现实世界中。研究人员经常使用量子纠缠进行实验，这种现象是新兴量子计算领域基础的一部分。
什么是量子计算？
黄金量子计算机
与使用二进制位（可以处于 0 或 1 两种状态之一）处理数据的经典计算机不同，量子计算机使用电子或光子等粒子。这些量子位或量子位代表 0 和 1 的叠加，这意味着它们可以同时存在于多种状态。
这种叠加使得量子计算机能够通过同时处理量子位的所有状态来并行执行计算。此外，量子纠缠允许多个量子位同时共享信息和相互作用，而不管粒子之间的距离如何。
虽然量子叠加和纠缠使得量子计算机的处理潜力远高于经典计算机，但该领域还有很长的路要走。目前，量子计算机太小、太难维护、太容易出错，无法与最好的经典计算机竞争。然而，许多专家预计，随着该领域的进步，这一情况有一天会发生改变。
量子力学和广义相对论是不相容的吗？
哈勃太空望远镜拍摄到的“爱因斯坦环”图像
目前，物理学家缺乏对宇宙中所有观察到的粒子和力的完整解释，这通常被称为万有（或万物）理论。爱因斯坦的相对论描述的是大的和巨大的事物，而量子力学描述的是小的和非实质性的事物。这两种理论并非完全不相容，但没有人知道如何使它们结合在一起。
许多研究人员都在寻求一种量子引力理论，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。关于如何做到这一点，有很多建议，例如发明一种假设的引力量子粒子，称为引力子，但到目前为止，还没有任何单一理论能够适应对宇宙中物体的所有观察。另一种流行的提议是弦理论，它认为最基本的实体是在多个维度上振动的微小弦，但由于几乎没有发现有利于它的证据，物理学家开始不那么广泛接受它。其他研究人员也研究了涉及圈量子引力的理论，其中时间和空间都是离散的、微小的块，但到目前为止，没有一个想法能够在物理学界获得普遍的支持。