量子物理學(xué)是對(duì)物質(zhì)和能量最基本層面的研究。它旨在發(fā)現(xiàn)自然界最基本組成部分的特性和行為。

雖然許多量子實(shí)驗(yàn)研究的是非常小的物體，如電子和光子，但量子效應(yīng)就在我們身邊，并在所有尺度上發(fā)揮作用。然而，我們可能不容易在較大的物體中探測(cè)到它們。這會(huì)給人一種量子效應(yīng)很奇怪的錯(cuò)覺。事實(shí)上，量子科學(xué)填補(bǔ)了我們物理學(xué)知識(shí)的空白，讓我們對(duì)日常生活有了更全面的了解。

量子發(fā)現(xiàn)已經(jīng)融入我們對(duì)材料、化學(xué)、生物學(xué)和天文學(xué)的基本理解。這些發(fā)現(xiàn)是寶貴的創(chuàng)新源泉，催生了激光和晶體管等設(shè)備，并使量子計(jì)算機(jī)等一度被認(rèn)為純屬猜測(cè)的技術(shù)取得了真正的進(jìn)步。物理學(xué)家正在探索量子科學(xué)的潛力，以改變我們對(duì)重力及其與空間和時(shí)間關(guān)系的看法。量子科學(xué)甚至可能揭示宇宙(或多個(gè)宇宙)中的萬事萬物是如何通過我們的感官無法理解的更高維度與萬事萬物聯(lián)系在一起的。

一、物理學(xué)的起源

量子物理學(xué)興起于 19 世紀(jì)末 20 世紀(jì)初，源于對(duì)原子的一系列實(shí)驗(yàn)觀察，這些觀察在經(jīng)典物理學(xué)中沒有直觀的意義。在這些基本發(fā)現(xiàn)中，人們認(rèn)識(shí)到物質(zhì)和能量可以被視為離散的數(shù)據(jù)包或量子，它們都有一個(gè)最小值。例如，恒定頻率的光以稱為 "光子 "的量子形式提供能量。這個(gè)頻率下的每個(gè)光子都具有相同的能量，而且這種能量不能被分割成更小的單位。事實(shí)上，"量子 "一詞源于拉丁語，意思是 "多少"。

量子原理的知識(shí)改變了我們對(duì)原子的理解，原子由電子包圍的原子核組成。在早期的模型中，電子被描述為圍繞原子核運(yùn)行的粒子，就像衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)行一樣。現(xiàn)代量子物理學(xué)認(rèn)為電子分布在軌道中，這種數(shù)學(xué)描述代表了電子在給定時(shí)間內(nèi)處于給定范圍內(nèi)多個(gè)位置的概率。電子在獲得或失去能量時(shí)可以從一個(gè)軌道跳到另一個(gè)軌道，但不能在軌道之間移動(dòng)。

二、為量子物理學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)的關(guān)鍵概念

1.波粒二象性

這一原理可追溯到量子科學(xué)的早期。它描述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光和物質(zhì)具有粒子或波的特性，這取決于如何測(cè)量它們。今天我們知道，這些不同形式的能量實(shí)際上既不是粒子也不是波。它們是獨(dú)立的量子物體，我們無法輕易感知。

2.疊加

這是一個(gè)術(shù)語，用來描述一個(gè)物體同時(shí)具有幾種可能狀態(tài)的組合。疊加對(duì)象類似于湖面上的波紋，它是兩個(gè)重疊波紋的組合。在數(shù)學(xué)意義上，重疊對(duì)象可以用一個(gè)方程來表示，這個(gè)方程有不止一個(gè)解或結(jié)果。

3.不確定性原理

這是一個(gè)數(shù)學(xué)概念，表示互補(bǔ)近似之間的權(quán)衡。在物理學(xué)中，這意味著一個(gè)物體的兩個(gè)屬性(如位置和速度)不可能同時(shí)完全已知。例如，如果我們仔細(xì)測(cè)量電子的位置，那么我們知道其速度的精確度就會(huì)受到限制。

4.糾纏

當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的物體以這樣一種方式連接在一起時(shí)，即使它們相距甚遠(yuǎn)，也可以將它們視為一個(gè)單一的系統(tǒng)。如果沒有另一個(gè)物體的狀態(tài)信息，就無法完全描述該系統(tǒng)中一個(gè)物體的狀態(tài)。同樣，一個(gè)物體的信息會(huì)自動(dòng)告訴另一個(gè)物體的信息，反之亦然。

三、觀測(cè)量子物體

觀測(cè)是量子物理學(xué)中一個(gè)頗具爭(zhēng)議的話題。在這一領(lǐng)域發(fā)展的早期，研究人員驚訝地發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)受到觀測(cè)本身的影響。例如，一個(gè)電子在未被觀測(cè)時(shí)表現(xiàn)得像波，但當(dāng)它被觀測(cè)時(shí)，波坍縮了(或更準(zhǔn)確地說 "衰減 "了)，電子表現(xiàn)得像粒子?？茖W(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)意識(shí)到，"觀測(cè) "一詞在這種情況下會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)，因?yàn)樗馕吨庾R(shí)的參與。取而代之的是，"測(cè)量 "一詞能更好地描述這種效應(yīng)，即結(jié)果的變化是由于量子現(xiàn)象與外部環(huán)境(包括用于測(cè)量現(xiàn)象的儀器)之間的相互作用造成的。然而，即使是這種聯(lián)系也有注意事項(xiàng)，我們?nèi)匀恍枰媪私鉁y(cè)量與結(jié)果之間的聯(lián)系。

四、數(shù)學(xué)與量子對(duì)象的概率性質(zhì)

由于量子物理學(xué)的許多概念很難甚至不可能形象化，因此數(shù)學(xué)對(duì)這一領(lǐng)域至關(guān)重要。方程被用來幫助描述或預(yù)測(cè)量子對(duì)象和現(xiàn)象，其準(zhǔn)確性超過我們的想象力。

量子現(xiàn)象的概率性質(zhì)也需要數(shù)學(xué)來表示。例如，電子的位置可能無法準(zhǔn)確知道。相反，它可以被描述為處于許多可能的位置(如軌道內(nèi))，每個(gè)位置都與在該位置找到電子的概率相關(guān)聯(lián)。

鑒于其概率性質(zhì)，量子對(duì)象通常用數(shù)學(xué) "波函數(shù) "來描述，它是薛定諤方程的解。水中的波可以用波通過一個(gè)確定點(diǎn)時(shí)水的高度變化來描述。同樣，聲波也可以用空氣分子在通過某點(diǎn)時(shí)壓縮或膨脹的變化來描述。波函數(shù)與物理特性的關(guān)系并非如此。波函數(shù)的解提供了觀察者在一組潛在選擇中遇到特定物體的概率。然而，正如池塘中的一圈漣漪或小號(hào)吹出的一個(gè)音符會(huì)擴(kuò)散開來，并不局限于一個(gè)地方，量子物體可以同時(shí)出現(xiàn)在多個(gè)地方--而且可以呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，就像疊加一樣。

五、雙縫實(shí)驗(yàn)

量子物理學(xué)中最權(quán)威的實(shí)驗(yàn)或許是雙縫實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是讓光子或電子等粒子通過一個(gè)有兩個(gè)狹縫的屏障，最初是在 1801 年用來證明光是由波組成的。從那時(shí)起，這個(gè)實(shí)驗(yàn)被反復(fù)用來證明物質(zhì)也可以表現(xiàn)得像波一樣，以及證明疊加、糾纏和觀察者效應(yīng)的原理。

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