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量子力學
是研究微觀粒子的運動規律的物理學分支學科,它主要研究原子、分子、凝聚態物質,以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論,它與相對論一起構成了現代物理學的理論基礎。量子力學不僅是近代物理學的基礎理論之一,而且在化學等有關學科和許多近代技術中也得到了廣泛的應用。
2樓:觀玄者
一個系統的最小可能部分,或一個系統可能完成的最小變化。因此,光子是光的最小可能單元,而一次量子性跳變的根本特徵是它代表著系統中的最小變化,並且這種變化是無規則的。
量子理論又稱為量子力學或量子物理學,是一組在極小尺度上主要應用於原子或更小實體的微粒定律。量子理論的核心是測不準原理和波粒二象性概念的結合。
量子世界的每個實體都同時具有我們習慣視為截然不同事物——波河粒子的特性。例如,通常被視為電磁波的光,在某些情況下的行為就像是粒子(稱為光子)流。19世紀末馬克斯•普朗克發現,黑體輻射的本質,僅當原子以不連續的量子(光子)發射和吸收光時,才能得到解釋。
這一發現使物理學家明白了量子物理學和經典力學之間的區別。普朗克的發現的最根本要點是,原子能量的變化究竟可以多麼小是有極限的;用現代術語說就是,這一變化的極限相對於發射或吸收單個光子。「量子跳變」的要點是,這種跳變是最小可能的變化;因此,當廣告和政治家說取得了量子躍進般的進步時,他們無意間顯露了他們的誠實。
普朗克本人並未提到光子,他不過將黑體輻射解釋為原子除了以不連續份額方式外便不能發射能量的結果;他也沒有想到光本身可以看成由粒子構成。是阿爾伯特•愛因斯坦最先在2023年發表的**(他因該**獲得諾貝爾獎)中證明可以把光看成粒子。這一思想在2023年代發展為光的玻色子學說。
也是在2023年代,實驗證明典型的基本粒子——電子同樣具有波的特性。但波粒二象性的實質在展示電子的波和粒子雙重性質的現代實驗中表現得罪清楚。
這些實驗的基礎就是經常用來(例如在中學的科學課堂上)證明光像波那樣傳播的「雙縫」實驗。在這樣的實驗中,光通過螢幕上的一個小孔,射到有兩個小孔的第二螢幕上。從第二螢幕上兩個孔的任何一個來的光繼續向第三螢幕前進,並在那裡形成由明暗相間斑紋組成的圖樣。
對這種斑紋圖樣的傳統解釋是,從兩孔中的每一個來的波抵達了最後那個螢幕的所有各處。在兩束波步伐一致的地方,它們相加而成亮斑;在兩束波的步調錯亂的地方,它們相互抵消餓留下暗斑。與此完全相同的現象也發生在同時把兩塊小石頭投進池塘所引起的漣漪之中——有些地方漣漪增強,另一些地方漣漪消失。
所以這個雙孔實驗證明了光像波那樣傳播。
2023年代末日本科學家進行的現代實驗中,光源被一支能每次發射一個電子的電子「槍」取代,兩個孔的角色由磁場扮演,最後的螢幕則是類似電視機熒屏的探測器。通過實驗裝置的每個電子必須經由兩條路線中的一條(兩個「孔」中的一個)到達探測器的熒屏。果然,當一個一個的電子射進實驗裝置,每個電子在熒屏上引發一個對應著單個粒子到達事件的確切光點。
但是,當一個一個射入實驗裝置的電子達到很大數量時,熒屏上引發的大量光點卻形成了明暗分明的圖樣,它和同時通過兩孔到達螢幕的波顯示的干涉圖樣完全一樣。
偉大的物理學家理查德•費恩曼(1918-88)曾經說,雙孔實驗包藏了量子力學的「核心祕密」,無人懂得其中究竟發生了什麼。它不僅僅表示量子實體運動時像波,到達和出發時像粒子,而且它們似乎還知道過去和未來。情況好像是,電子以粒子形式從電子槍出發,然後變成波旅行並經由兩條路線進入實驗裝置,再後重新變成粒子而到達熒屏上一個確切地點。
不僅如此,每個電子還選擇了一個正確地方引發光點,以使它對很長時間內才得以形成的干涉圖樣做出它的貢獻。它究竟是如何「瞭解」所有其它電子,以及其它電子將落在圖樣中的什麼地方呢?在經典雙孔實驗中也曾經用過及其微弱的光源,使得每次只有一個光子進入實驗裝置。
同樣,它們也在最終螢幕上形成一個干涉圖樣。
對這一切的標準解釋叫哥本哈根解釋(因為它主要是哥本哈根的學者們提出來的),這個解釋認為,量子實體運動時就像嚴格遵守概率法則的波那樣擴散,使得有可能計算什麼地方的波最強(也就是什麼地方找到電子或其它任何粒子的機會最大),什麼地方的波最弱。當進行一次觀察或測量時(例如,當電子波撞上探測器熒屏時),「波函式」瓦解成為點狀的粒子。就在那一瞬間,在其它任何地方發現電子的概率變為零,但只要量子實體不再被觀察,概率立刻又從它最後觀察到的地點向外擴散。
儘管存在很多不盡如人意之處,哥本哈根解釋可以用來預言涉及諸如電子和質子等量子實體的實驗結果,而且它還是研製鐳射器、電腦晶片和許多其它器物,以及理解複雜生物分子如脫氧核糖核酸所依據的物理基礎。但哥本哈根解釋的突出地位也和其它任何事物一樣在很大程度上乃歷史偶然。雖然哥本哈根解釋由於是第一個可用的解釋而被物理學家當作量子理論的標準版本,但它僅僅是好幾種都有著不盡如人意之處、但也都能在類似計算中給出完全相同「答案」的解釋中的一種。
對很多人來說,這意味著這些解釋全部不能正確洞察量子視界究竟在發生什麼事情;因此,在量子理論牢牢站穩腳跟之前,還需要一種對有關物理現象的全新的理解。
要獲得全新的理解,可能需要完成某種理性的飛躍。量子力學的有些解釋要求在時間上倒過來傳播的訊號,而所有解釋都要求即使粒子相距很遠也能彼此瞬間交換資訊。這些也許就是理性飛躍的標誌。
然而,量子理論就像烹調全書中的食譜,可以用來計算原子和其它粒子系統的性質。你可以按照食譜烘烤出蛋糕而不必瞭解烤爐中發生的物理過程,同樣你可以利用量子法則計算比如氫的光譜而不必瞭解量子世界發生了什麼。所以,利用光譜學方法研究宇宙,就直接依賴於量子理論提供的關於原子和分子的知識。
原子核的性質也取決於量子過程,因此我們對核合成和恆星內部產能反應的認識也依賴於量子理論。例如,正是量子不確定性解釋了α粒子如何在發生α衰變時(通過隧道效應)從原子核中逃出,也解釋了原子核何以能夠在恆星內部條件下克服自身正電荷的排斥力而聚合在一起。由於原子核的位置不確定,它們比對應的經典粒子伸展得更大,因而即使經典力學說它們相隔太遠無法匯合時,它們卻能彼此「交搭」而聚合。
描述太陽內部這一切如何發生的模型在預言太陽的諸多觀測性質(包括它的中心溫度)方面所取得的成功,是表明量子物理學確為這一層面事物的恰當描述(至少在烹調全書意義上)的最佳大尺度象徵之一。
量子物理學和宇宙學之間最重要的交匯是2023年代魏納•海森伯提出的測不準原理。它和波粒二象性有關,並且可用物體的位置和動量的不確定性——即物體對正往何處去的瞭解程度——予以最清楚的說明。位置顯然是粒子的屬性,你可以準確說出一個經典粒子在何處。
同樣顯然的是,你無法說出經典的波在**,而只能指出波通過的空間區域,因為波動本性決定了它是一種向外擴充套件的東西。在經典力學世界,波沒有與粒子同一意義上的位置,但它們確實有方向——它們有動量,並且知道它們正在走向何方。
海森伯證明,在量子世界,存在著一種瞭解位置和動量的內在不確定性。你永遠不可能同時知道比如電子那樣一個實體的位置和動量,就會加強實體的「波動性」,使它擴大從而位置不確定。如果你試圖精密測量它的位置,就將使它的波動性變得不確定,以致它無法肯定正在走向何方。
位置不確定性的大小,乘以動量不確定性的大小,必須永遠等於或大於一個確定數值,它等於普朗克常數除以2π(這個數值記為h,讀成「h槓」)。
這並不是測量試驗中的困難導致的後果。當然,測量單個電子的位置和動量無疑是困難的,就在你進行測量時(大概會用光子從電子反跳回來的辦法),你也在改變你試圖測量的性質,因為電子因光子撞擊而**。但量子不確定性是量子世界實體的內在本質的真正屬性。
一個像電子那樣的實體不能既有精密的動量,又同時有精密的位置;它自己確實不能同時準確「知道」它身在何處和走向何方。
就日常標準來看,這個效應是非常小的——在質量以克計的標準單位體系中,數值h大約等於10-34;這就是重約1克的物體的位置不確定性的量度(以釐米計)。物體的質量越大,不確定性越小。對於質量僅10-27克的一個電子來說,其影響就十分顯著了。
這種不確定性對天文學的重要性在於,一個物體或甚至一個虛無空間區的能量與它被觀測的時間長度之間存在同一型別的關係。如果你長時間仔細觀察某個事物,你想多精密就能夠多精密地測量它的能量。但如果你僅僅一瞥,則能量——不單單是你測量的能量,而且也指真正存在的能量——總是不確定的。
和量子實體不「知道」它自己的準確位置一樣,它(以及整體宇宙)在一個短時間隔內也不「知道」它擁有能量的準確數量。正是這個量子不確定性使得電子-正電子對(和其它粒子-反粒子對)能從完全空無一物之中出現,條件是它們要在量子不確定性允許的短短一瞬間彼此湮滅。這就是與黑洞關聯的霍金輻射的**。
甚至可能整個宇宙也是以這種方式、通過真空量子漲落中出現的暴漲而創生的。
很多物理學家的終極希望是把量子理論和廣義相對論統一在一個「萬物之理」之中。這種理論的測試臺將是它們能在多大程度上解釋極早期宇宙的性質,因為那時的條件,比地球上粒子加速器中高能碰撞達到的條件遠為極端。
抄於《大宇宙百科全書》339頁。
量子力學理論到底是什麼
3樓:點點星光帶晨風
量子力學,為物理學理論,是研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支,主要研究原子、分子、凝聚態物質,以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論。
它與相對論一起構成現代物理學的理論基礎。量子力學不僅是現代物理學的基礎理論之一,而且在化學等學科和許多近代技術中得到廣泛應用。
19世紀末,人們發現舊有的經典理論無法解釋微觀系統,於是經由物理學家的努力,在20世紀初創立量子力學,解釋了這些現象。量子力學從根本上改變人類對物質結構及其相互作用的理解。除了廣義相對論描寫的引力以外,迄今所有基本相互作用均可以在量子力學的框架內描述。
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量子力學問題,量子力學一個問題
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相對論和量子力學理論的衝突矛盾是什麼
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