PHYS1904面向具有深厚物理學背景并有興趣學習更高級主題的高成就學生。它與 PHYS1902 共享講座和輔導課程，包括流體、電和磁以及量子物理主題的模塊。實驗室部分的特點是與學院一個研究小組的研究人員一起執(zhí)行一個研究項目。這門課程中量子物理學是一大難點，今天就把它單拎出來進行講解。

一、什么是量子理論?

量子理論是解釋亞原子現(xiàn)象的基礎理論。這一理論基本上解釋了物質和能量在原子層次上的性質和行為。

一般來說，經(jīng)典物理學通常用于解釋宏觀層次上的物理現(xiàn)象。然而，量子理論進一步解釋了發(fā)生在亞原子層次上的現(xiàn)象。量子理論與廣義相對論一起，是物理學的廣泛而重要的領域，提供了一種新的看待世界的方式。

二、量子理論的發(fā)展

在20世紀初，一位名叫馬克斯·普朗克的德國物理學家提出了他的量子假設，他解釋了來自一個發(fā)光體的輻射在溫度升高時如何從紅色變成橙色再到藍色。這一現(xiàn)象也被稱為黑體輻射。

在他的實驗中，他發(fā)現(xiàn)能量存在于單一單位中，就像物質一樣，而不是連續(xù)的電磁波。基于這一假設，能量是可量化的。發(fā)現(xiàn)這些單位是量子假設的主要前提。

后來，普朗克制定了一個數(shù)學方程，包括一個數(shù)字來表示能量的個別單位。他稱之為量子。有了這個方程，他進一步鞏固了關于這一發(fā)現(xiàn)的假設。普朗克在1918年因他的假設獲得了諾貝爾物理學獎。然而，三十年的時間內，不同研究人員的進展都有助于對量子理論的現(xiàn)代理解。

1905年，阿爾伯特·愛因斯坦進一步發(fā)展了這一理論，他提出輻射，除了能量外，也以類似的方式進行量子化。他還使用這一假設來解釋光電效應。

1924年，法國物理學家路易·德布魯意提出，在亞原子層次上，物質和能量的行為沒有太大的區(qū)別。在這個層次上，它們都可以作為波動或粒子來表現(xiàn)。這一假設被稱為波粒二象性原理。

同樣，在1926年，奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤還提出了粒子波函數(shù)的偏微分方程。他的方程還描述了量子狀態(tài)的時間演化。

隨著年月的推移，1927年，維爾納·海森伯提出，粒子的兩個互相關的性質，如位置和力的精確同時測量是不可能的。這導致了海森伯不確定性原理的發(fā)展。

三、量子理論的影響和應用

在上個世紀的確立后，許多研究人員一直在努力發(fā)展量子理論的新版本。其中一些著名的包括尼爾·玻爾的哥本哈根解釋和多世界或多元宇宙理論。在三十多年的時間里，還有不同的理論解釋。

不管怎樣，如今，量子理論的原則被應用在許多領域。量子力學本身用于解釋宇宙的各種特征，以及揭示亞原子粒子(如質子、電子、中子、光子等)的個體行為。

除了物理學，量子力學還在化學中得到應用，其應用被稱為量子化學。量子力學為化學鍵合過程提供了定量的洞察，現(xiàn)代計算化學中的大多數(shù)計算都基于量子力學。

更重要的是，大多數(shù)現(xiàn)代技術都基于量子理論，其中量子效應具有重要作用。

量子理論的其他應用包括：

- 量子光學

- 量子計算

- 發(fā)光二極管

- 超導磁體

- 光放大器和激光器

- 晶體管

- 半導體

- 磁共振成像

- 電子顯微鏡

常見問題解答：量子理論

Q1 定義量子理論。

量子理論是一種物理學理論，基于將輻射能量分為有限的量子，用于解釋需要在原子或分子尺度上進行能量轉移或轉化的各種過程。

Q2 誰發(fā)展了量子理論?

量子理論的奠基人是馬克斯·普朗克。他因他的量子理論工作而獲得了諾貝爾物理學獎。阿爾伯特·愛因斯坦也被視為量子理論的先驅之一，因為他在他的光電效應理論中將光(光子)描述為能量量子，為此他于1921年獲得了諾貝爾獎。

Q3 解釋海森伯的不確定性原理。

海森伯的不確定性原理規(guī)定，不可能完全準確地知道粒子(如光子或電子)的位置和速度，越是確定粒子的位置，我們就越不了解其速度，反之亦然。這一原理是由德國物理學家維爾納·海森伯于1927年提出的。

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