量子力學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)分支，它描述了粒子的行為——原子、電子、光子以及幾乎所有分子和亞分子領(lǐng)域的東西。
量子力學(xué)發(fā)展于20世紀(jì)上半葉，其結(jié)果常常是極其奇怪和違反直覺的。
量子力學(xué)與經(jīng)典物理有何不同?
我們用經(jīng)典力學(xué)描述日常大小和速度下的物體運(yùn)動(dòng)和相互作用，這是非常有效的。然而在原子和電子的尺度上，經(jīng)典力學(xué)的方程就不再適用了。
在經(jīng)典力學(xué)中，物體在某一時(shí)刻處于確定的位置。而在量子力學(xué)中，物體的位置是不確定的，它在空間中所處的位置用概率描述，它們以一定的概率存在于A點(diǎn)，以另一概率存在于B點(diǎn)。
量子力學(xué)是什么時(shí)候發(fā)展起來的?
量子力學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了幾十年，最初物理學(xué)家在研究中發(fā)現(xiàn)了一些新的現(xiàn)象，而那時(shí)幾近完美的經(jīng)典力學(xué)無法解釋這些現(xiàn)象。量子力學(xué)始于20世紀(jì)初，大約在同一時(shí)間，阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表了他的相對(duì)論，這是物理學(xué)中描述物體高速運(yùn)動(dòng)的另一場(chǎng)革命。然而，與相對(duì)論不同的是，量子力學(xué)的起源不能歸于某一個(gè)科學(xué)家。相反，在19世紀(jì)末到1930年之間，多位科學(xué)家為一個(gè)逐漸被接受并得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的科學(xué)理論做出了貢獻(xiàn)。
1900年，德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克(Max Planck)試圖解釋為什么在特定溫度下的物體，比如燈泡的燈絲會(huì)發(fā)出特定的顏色。普朗克意識(shí)到，物理學(xué)家路德維希·玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)用來描述氣體行為的方程，可以轉(zhuǎn)化為對(duì)溫度和顏色之間關(guān)系的解釋。問題在于玻爾茲曼的工作依賴于這樣一個(gè)事實(shí):任何給定的氣體都是由微小的粒子組成的，這意味著光也是由離散的粒子組成的。
這一想法與當(dāng)時(shí)有關(guān)光的觀點(diǎn)大相徑庭，當(dāng)時(shí)大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為光是一種連續(xù)的波，而不是一個(gè)微小的包。普朗克本人既不相信原子，也不相信光的離散單元，但他的概念在1905年得到了推動(dòng)，當(dāng)時(shí)愛因斯坦發(fā)表了一篇論文，題為《關(guān)于光的發(fā)射和轉(zhuǎn)換的啟發(fā)式觀點(diǎn)》。
愛因斯坦認(rèn)為光的傳播不是波，而是某種形式的“能量量子”。愛因斯坦在他的論文中提出，這個(gè)能量包“只能作為一個(gè)整體被吸收或產(chǎn)生”，特別是當(dāng)一個(gè)原子在量子化振動(dòng)速率之間“跳躍”時(shí)。這就是量子力學(xué)中“量子”部分的由來。
用這種新的方式來設(shè)想光，愛因斯坦在他的論文中提出了對(duì)九種現(xiàn)象行為的見解，包括普朗克描述的燈泡燈絲發(fā)出的特定顏色。它還解釋了某些顏色的光是如何將電子從金屬表面激發(fā)射出來的——這種現(xiàn)象被稱為光電效應(yīng)。
什么是波粒二象性?
在量子力學(xué)中，粒子有時(shí)以波的形式存在，有時(shí)以粒子的形式存在。這在雙縫實(shí)驗(yàn)中最為著名，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，像電子這樣的粒子被射向有兩條縫的板，板后面有一個(gè)屏幕，當(dāng)電子擊中屏幕時(shí)，屏幕就會(huì)亮起來。根據(jù)《自然》雜志上一篇熱門文章的說法，如果電子是粒子，它們會(huì)在穿過一條或另一條狹縫后撞擊屏幕的地方產(chǎn)生兩條明亮的線。
相反，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，屏幕上會(huì)形成干涉圖樣。這種暗帶和亮帶的模式只有當(dāng)電子是帶有波峰(最高點(diǎn))和波谷(最低點(diǎn))的波時(shí)才有意義，而波峰和波谷會(huì)相互干擾。甚至當(dāng)一個(gè)電子一次被射入狹縫時(shí)，干涉圖樣也會(huì)顯現(xiàn)出來——這是一種類似于單個(gè)電子干涉自身的效應(yīng)。
1924年，法國(guó)物理學(xué)家路易斯·德布羅意(Louis de Broglie)提出了粒子可以表現(xiàn)出波狀特征，而波也可以表現(xiàn)出粒子狀特征——這一觀點(diǎn)使他在幾年后獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
量子力學(xué)如何描述原子?
在20世紀(jì)10年代，丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾試圖用量子力學(xué)描述原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。到那時(shí)，人們已經(jīng)知道原子是由一個(gè)重、密、帶正電的原子核和一群微小、輕、帶負(fù)電的電子組成的。玻爾把電子放到圍繞原子核的軌道上，就像亞原子太陽(yáng)系中的行星一樣，只不過它們只能有特定的預(yù)定軌道距離。通過從一個(gè)軌道跳到另一個(gè)軌道，原子可以接收或發(fā)射特定能量的輻射，這反映了它們的量子本質(zhì)。
不久之后，兩名科學(xué)家獨(dú)立工作，使用各自的數(shù)學(xué)思路，創(chuàng)造了一個(gè)更完整的量子力學(xué)框架。在德國(guó)，物理學(xué)家維爾納·海森堡(Werner Heisenberg)通過“矩陣力學(xué)”實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。奧地利-愛爾蘭裔物理學(xué)家Erwin Schrödinger提出了一個(gè)類似的理論，稱為“波動(dòng)力學(xué)”。Schrödinger在1926年證明了這兩種方法是等價(jià)的。
