量子力学是不同于经典物理学的新物理 , 通过费曼的双缝实验或物质波概念 , 我们可以重新构造描述电子的理论 。在量子力学中 , 我们用波函数来描述电子的运动 , 并且满足波动的叠加原理 , 比如电子可以在左边 , 用波函数ψL表示 , 电子还可以在右边 , 用波函数ψR表示 , 波函数的叠加:ψL+ψR , 表示电子同时在左边也在右边 。
这些疯狂的陈述与我们的日常经验相去甚远 , 但这就是量子力学 , 它成功地解释了从原子到原子核 , 到基本粒子领域里的现象 , 也成功地解释了从原子到分子 , 到固体物理领域的现象 。现在有些科学家甚至已经在基于量子力学一个原子、一个原子或一层原子、一层原子地设计材料的性质了 。
总之 , 不论是广度 , 还是深度 , 量子力学都取得了极大的成功 。
大学阶段的量子力学会比较重视:波函数的叠加 , 量子隧穿 , 不确定原理 , 波函数的概率解释等 。相对忽视的概念有:量子纠缠 , 量子力学的测量理论 , 量子力学中的相位等 , 传统上国内的教材对这些概念介绍的也比较少 。
值得注意的是这些教学中相对被忽视的概念在量子力学中的地位并不低 , 比如量子纠缠是量子信息和量子计算的基础 , 测量理论和量子力学的基础有关 , 量子力学中的相位与规范场论和凝聚态中的场论有关等等 。
量子力学是物理系(学院)的一门专业课 。如同经典力学(牛顿力学和分析力学)是宏观世界的物理学一样 , 量子力学是微观世界的物理学 。由于经典力学是量子力学在宏观尺度的近似 , 因此量子力学比经典力学更基本更深入地描述了这个宇宙 。从根本上说 , 我们的宇宙是受量子力学支配的 。
20世纪初普朗克、爱因斯坦、玻尔等人就提出了量子理论的雏形 , 而20世纪20年代海森堡、薛定谔 , 狄拉克等人正式建立的量子力学 , 是物理学史上最重要最彻底的一次革命 。量子力学和相对论也被誉为是现代物理学的两大支柱 , 但是量子力学的研究内容和相关领域要远多于相对论:量子力学和狭义相对论结合而成的量子场论是粒子物理学的基础 , 解释了从基本粒子到宇宙繁星各个方面 。量子力学本身是原子分子物理学、凝聚态物理学和量子光学的基础 , 并通过半导体和激光的发明 , 催生了人类的第三次科技革命(即信息革命) , 把人类文明带入了互联网时代 。
话说量子
一、量子一词的来源
量子(quantum)最早是M·普朗克在1900年提出的 。他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的 , 只能取能量基本单位的整数倍 。后来的研究表明 , 不但能量表现出这种不连续的分离化性质 , 其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象 。这同以牛顿力学为代表的经典物理有根本的区别 。量子化现象主要表现在微观物理世界 。后来就把描写微观物理世界的物理理论是量子力学 。
二、量子理论
量子作为一个理论 , 它好像没有一个固定的确切的理论 , 不确定性原理?原子理论?能量量子化理论?测不准原理?黑体辐射?所以看来量子理论是一个理论的集合 , 也就是说没有一个确切的理论 , 没有一个确切的理论如何证伪?所以量子理论永远正确 。
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