量子力学的基本概念

Question

如题所述

Answer 1

量子力学是研究微观粒子运动规律的物理学分支学科，主要涉及原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论。这一理论与相对论共同构成了现代物理学的理论基础，并在化学等学科和许多技术领域得到广泛应用。
在量子力学中，粒子的状态用波函数描述，它是坐标和时间的复数函数。粒子的力学量（如坐标、动量、角动量、能量等）不具有确定的数值，而具有一系列可能值，每个可能值以一定的几率出现。当粒子所处的状态确定时，力学量具有某一可能值的几率也就完全确定。这一理论的基本原理包括量子态的概念、运动方程、理论概念和观测物理量之间的对应规则和物理原理。
量子力学的发展历程是在旧量子论的基础上逐步发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。1900年，普朗克提出辐射量子假说，成功地解释了黑体辐射现象。1905年，爱因斯坦提出光量子概念，并解释了光电效应。1913年，玻尔建立原子的量子理论。
20世纪初，为了解释经典理论无法解释的现象，德布罗意提出物质波概念。在此基础上，海森堡、薛定谔等人分别提出了矩阵力学和波动力学，两者后来被证明是数学等价的。量子力学与狭义相对论结合，产生了相对论量子力学，进一步发展出量子电动力学，构成了描述基本粒子现象的理论基础。
量子力学的基本方程是薛定谔方程，它描述了量子态随时间变化的规律。量子力学中的一个核心问题是因果性和物理实在问题。在量子力学中，体系的状态有两种变化，一种是按运动方程演进的可逆变化，另一种是测量引起的不可逆变化。因此，经典物理学的因果律在微观领域失效了，量子力学中的因果律反映的是一种新型的因果性——几率因果性。
量子力学用量子态的概念表征微观体系状态，深化了人们对物理实在的理解。微观体系的性质总是在它们与其他体系，特别是观察仪器的相互作用中表现出来。人们对观察结果用经典物理学语言描述时，发现微观体系在不同的条件下，或主要表现为波动图像，或主要表现为粒子行为。而量子态的概念所表达的，则是微观体系与仪器相互作用而产生的表现为波或粒子的可能性。
量子力学的不确定性原理指出，在一定条件下，一些力学量只能处在它的本征态上，所表现出来的值是分立的，因此在不同的时间测量，就有可能得到不同的值，就会出现不确定值。在经典物理学中，可以用质点的位置和动量精确地描述它的运动。但在微观物理学中，不确定性告诉我们，如果要更准确地测量质点的位置，那么测得的动量就更不准确。也就是说，不可能同时准确地测得一个粒子的位置和动量，因而也就不能用轨迹来描述粒子的运动。
量子力学的发展和应用，极大地拓展了人类对自然界的认识，也对相关学科和技术产生了深远影响。