量子力學-全43集 | 易學族自學網

量子力學——簡介

量子力學，是描寫微觀物質的一個物理學理論，與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱。許多物理學理論和科學如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關的學科都是以量子力學為基礎。

19世紀末，經典力學和經典電動力學在描述微觀系統時的不足越來越明顯。

20 世紀初，量子力學由普朗克、尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡、薛定諤、沃爾夫岡·泡利、德布羅意、馬克斯·玻恩、恩裡科·費米、保羅·狄拉克等一大批物理學家共同創立。量子力學的發展，使人們對物質的結構以及其相互作用的見解被革命化地改變。通過量子力學，許多現象才得以真正地被解釋。

新的、無法直覺想像出來的現象被預言，這些現象可以通過量子力學被精確地計算出來，而且後來也獲得了非常精確的實驗證明。

除通過廣義相對論描寫的引力外，至今所有其它物理基本相互作用均可以在量子力學的框架內描寫（量子場論）。

量子力學——基本內容

量子力學的基本原理包括量子態的概念，運動方程、理論概念和觀測物理量之間的對應規則和物理原理。

在量子力學中，一個物理體系的狀態由波函數表示，波函數的任意線性疊加仍然代表體系的一種可能狀態。狀態隨時間的變化遵循一個線性微分方程，該方程預言體系的行為，物理量由滿足一定條件的、代表某種運算的算符表示；測量處於某一狀態的物理體系的某一物理量的操作，對應於代表該量的算符對其波函數的作用；測量的可能取值由該算符的本征方程決定，測量的期待值由一個包含該算符的積分方程計算。

波函數的平方代表作為其變數的物理量出現的幾率。根據這些基本原理並附以其他必要的假設，量子力學可以解釋原子和亞原子的各種現象。

關於量子力學的解釋涉及許多哲學問題，其核心是因果性和物理實在問題。按動力學意義上的因果律說，量子力學的運動方程也是因果律方程，當體系的某一時刻的狀態被知道時，可以根據運動方程預言它的未來和過去任意時刻的狀態。

但量子力學的預言和經典物理學運動方程（質點運動方程和波動方程）的預言在性質上是不同的。在經典物理學理論中，對一個體系的測量不會改變它的狀態，它只有一種變化，並按運動方程演進。因此，運動方程對決定體系狀態的力學量可以作出確定的預言。

但在量子力學中，體系的狀態有兩種變化，一種是體系的狀態按運動方程演進，這是可逆的變化；另一種是測量改變體系狀態的不可逆變化。因此，量子力學對決定狀態的物理量不能給出確定的預言，只能給出物理量取值的幾率。在這個意義上，經典物理學因果律在微觀領域失效了。

據此，一些物理學家和哲學家斷言量子力學擯棄因果性，而另一些物理學家和哲學家則認為量子力學因果律反映的是一種新型的因果性——幾率因果性。量子力學中代表量子態的波函數是在整個空間定義的，態的任何變化是同時在整個空間實現的。

量子力學表明，微觀物理實在既不是波也不是粒子，真正的實在是量子態。真實狀態分解為隱態和顯態，是由於測量所造成的，在這裡只有顯態才符合經典物理學實在的含義。微觀體系的實在性還表現在它的不可分離性上。量子力學把研究對象及其所處的環境看作一個整體，它不允許把世界看成由彼此分離的、獨立的部分組成的。關於遠隔粒子關聯實驗的結論，也定量地支持了量子態不可分離性的觀點。

量子力學——具體應用

量子力學在解析世界現象已獲得巨大的成功。只能用量子力學才能滿意地描述構成物質所有形式的次原子——電子，質子，中子，光子，及其它粒子的行為。量子力學已對線理論（string theory，每件事的預備理論）產生很大的影響。

要瞭解個別原子如何共價化學結合或結成分子，量子力學是很重要的。應用量子力學的化學稱為量子化學。相對論的化學原則上能大部數學描述化學問題。

量子力學可定量瞭解游離和共價過程，它清晰表明哪種分子更有利，並能顯出有利多少。計算化學的大多計算都要靠量子力學。

許多現代技術要靠量子效應起作用的範圍才能有效。例如：激光，二極管，電子顯微鏡和磁共振成像等。

現在（2011年）正在研究如何能直接操縱量子態的方法。努力發展量子密碼學，它可以保證秘密信息的安全傳遞。略遠一點的目標是發展量子計算機，希望它的運算速度比現有的指數倍提高。另一研究課題是量子遠程傳送，把量子信息送到任意距離。

在許多器件中，量子隧道效應已是事實。在閃光存儲片中可用量子隧道效應清除存儲單元。

量子力學主要在物質的原子範疇內應用。但一些大尺寸的系統也出現量子效應，如超流（液體在接近絕對零度時液體流動無阻力）是一個大家知道的例子。

量子理論也提供許多以前不能解析的現象。如黑體輻射和電子軌道的穩定性。它也對許多生物系統提出深入的瞭解，包括嗅覺感受器和蛋白結構。最近光合成的工作已提出證據，在植物王國的基本過程中，量子的相關作用起了關鍵作用。