量子力學

電子在不同能級的氫原子中的波功能。量子力學無法預測粒子在空間中的確切位置,只有在不同位置找到它的概率。更明亮的區域代表了查找電子的較高概率。

量子力學物理學的基本理論,它描述了原子規模下自然的行為。它是所有量子物理學的基礎,包括量子化學量子場理論量子技術量子信息科學

古典物理學是量子力學出現之前存在的理論的集合,它在普通(宏觀)尺度上描述了自然的許多方面,但不足以在小(原子和亞原子)尺度上描述它們。古典物理學中的大多數理論都可以從量子力學中得出,這是在大(宏觀)量表上有效的近似值。

與經典系統不同,量子系統的結合狀態已量化能量動量角動量和其他數量的離散值。系統的測量顯示顆粒的特徵(波粒二元性);並且,考慮到完整的初始條件(不確定性原理),在測量之前可以預測物理量的準確值的準確值有限。

量子力學逐漸源於理論,以解釋無法與經典物理學相吻合的觀察結果,例如1900年的Max Planck解決方案與黑體輻射問題,以及阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein1905年論文中能量和頻率之間的對應關係,這解釋了光電效果。這些早期嘗試理解微觀現象的嘗試,現在被稱為“舊量子理論”,導致了1920年代中期的量子力學在1920年代中期的全面發展,由尼爾斯·博爾(Niels Bohr)埃爾文·施羅丁(ErwinSchrödinger),沃納·海森伯格Werner Heisenberg) ,麥克斯(Max)出生,保羅·迪拉克(Paul Dirac)等。現代理論是在各種特殊發展的數學形式主義中提出的。在其中一個中,一個稱為波函數的數學實體以概率幅度的形式提供信息,以了解粒子能量,動量和其他物理特性的測量值可能產生的信息。

概述和基本概念

量子力學允許計算物理系統的屬性和行為。它通常應用於微觀系統:分子,原子和亞原子顆粒。已證明它可以適用於具有數千原子的複雜分子,但其對人類的應用會引發哲學問題,例如Wigner的朋友,並且在整個宇宙中的應用仍然具有投機性。量子力學的預測已通過實驗驗證,其準確性極高。例如,量子力學的相互作用的量子力學(稱為量子電動力學(QED))與某些原子特性的10 8中的1份相一致

該理論的一個基本特徵是,它通常無法確定會發生什麼,而只能給出概率。從數學上講,通過獲取複數的絕對值(稱為概率幅度)的絕對值來發現概率。這被稱為“天生” ,以物理學家麥克斯出生的名字命名。例如,像電子這樣的量子粒子可以通過波函數來描述,波函數將其與空間中的每個點相關聯概率幅度。將誕生規則應用於這些幅度給出了概率密度的函數,即在執行實驗測量時將發現電子具有。這是理論可以做的最好的。它不能確定在哪裡找到電子。 Schrödinger方程將有關概率幅度的收集與一個時刻有關的概率幅度與與另一個有關的概率振幅的收集收集有關。

量子力學的數學規則的結果之一是在不同可測量數量之間的可預測性方面的權衡。這種不確定性原理的最著名形式表明,無論量子粒子是如何準備的,或者如何仔細的實驗​​,都不可能對其位置進行精確的預測,同時也無法進行測量它的勢頭

量子力學的數學規則的另一個結果是量子乾擾的現象,這通常通過雙縫實驗來說明。在該實驗的基本版本中,一個連貫的光源(例如激光束)照亮了一個被兩個平行縫隙刺穿的板,並且在板後面的屏幕上觀察到穿過縫隙的光。光的波性質會導致光波穿過兩個縫隙進行干擾,從而在屏幕上產生明亮的黑暗帶 - 如果光由經典顆粒組成,則不會預期的結果。但是,總是發現在離散點,作為單個顆粒而不是波的光在屏幕上吸收光。干擾模式通過屏幕上這些粒子命中的不同密度出現。此外,在狹縫處包含檢測器的實驗版本發現,每個檢測到的光子都通過一個縫隙(就像經典粒子一樣),而不是通過兩個縫隙(如波浪)。但是,這樣的實驗表明,如果檢測到它們經過的狹縫,則顆粒不會形成乾擾模式。該行為稱為波粒二元性。除了光,電子原子分子外,都發現朝著雙縫發射時表現出相同的雙重行為。

量子力學預測的另一種非古典現像是量子隧道:與潛在屏障相對的粒子也可以越過它,即使其動能小於電勢的最大值。在經典的力學中,這個粒子會被困。量子隧道具有幾個重要的後果,可以使放射性衰減,恆星中的核融合以及掃描隧道顯微鏡隧道二極管等應用。

當量子系統相互作用時,結果可能是量子糾纏的創建:它們的屬性變得如此交織,以至於不再有可能僅根據單個部分的整體描述。埃文·施羅丁(ErwinSchrödinger)稱糾纏“ ...量子力學的特徵性特徵,這是一種使其整個偏離經典思想的特徵”。量子糾纏實現量子計算,是量子通信協議的一部分,例如量子密鑰分佈超密集編碼。與普遍的誤解相反,糾纏不允許比光更快地發送信號,如無通信定理所證明的那樣。

糾纏開放的另一種可能性是測試“隱藏變量”,比量子理論本身所涉及的數量更基本的假設屬性,其知識將允許比量子理論提供的更精確的預測。結果的集合,最重要的是貝爾定理,已經證明,這種隱藏變異理論的廣泛類別實際上與量子物理學不相容。根據貝爾定理,如果自然實際上根據局部隱藏變量的任何理論運行,那麼貝爾測試的結果將以特定的,可量化的方式限制。已經進行了許多鈴鐺測試,並且顯示結果與局部隱藏變量施加的約束不符。

如果不引入實際的數學,則不可能以一種表面的方式提出這些概念。理解量子力學不僅需要操縱複數,還需要線性代數微分方程群體理論和其他更高級的主題。因此,本文將介紹量子力學的數學表述,並調查其在一些有用且經常研究的例子中的應用。

數學公式

在量子力學的數學嚴格公式中,量子力學系統的狀態是屬於(可分離的)複雜希爾伯特空間的矢量。假定該向量是在Hilbert Space內部產品下進行歸一化的,也就是說,它的遵守,並且定義明確地達到了一個複雜數量的模量1(全局階段),即,即代表相同的物理系統。換句話說,可能的狀態是希爾伯特空間的投射空間中的點,通常稱為複雜的投射空間。這個希爾伯特空間的確切性質取決於系統 - 例如,為了描述位置和動力,希爾伯特的空間是複雜的方形函數的空間,而單個質子旋轉的希爾伯特空間只是簡單的空間二維複合載體與通常的內部產品。

興趣的物理數量 - 位置,動量,能量,自旋 - 由可觀察到作用的Hermitian(更確切地說,是自我接合)線性算子,作用於希爾伯特空間。量子狀態可以是可觀察到的特徵向量,在這種情況下,它稱為特徵態,相關的特徵值對應於該特徵態中可觀察到的值。更一般而言,量子狀態將是特徵狀態的線性組合,稱為量子疊加。當測量可觀察到的結果時,結果將是其特徵值之一,誕生規則給出了概率:在最簡單的情況下,特徵值是非分類的,概率是由其相關的特徵向量給出的。更一般地,特徵值是退化的,概率由投影儀在其相關的特徵空間中給出。在連續的情況下,這些公式給出了概率密度。

測量後,如果獲得結果,則假定量子狀態將在非脫位情況下或在一般情況下崩潰。因此,量子力學的概率性質源於測量的行為。這是要理解的量子系統最困難的方面之一。這是著名的Bohr – Einstein辯論中的核心話題,其中兩位科學家試圖通過思考實驗來闡明這些基本原則。在製定量子力學後的幾十年中,已廣泛研究了什麼構成“測量”的問題。已經制定了對量子力學的較新解釋,它消除了“波函數崩潰”的概念(例如,參見許多世界的解釋)。基本思想是,當量子系統與測量設備相互作用時,它們各自的波函數就會糾纏,因此原始量子系統不再是獨立實體。有關詳細信息,請參見有關量子力學測量的文章。

量子狀態的時間演變由Schrödinger方程描述:

在這裡,表示哈密頓量,可觀察到的對應於系統的總能量,是降低的普朗克常數。引入常數,以便在經典系統可以近似量子系統的情況下,將哈密頓量還原為經典的哈密頓量。在一定範圍內進行這種近似值的能力稱為對應原理。

這個微分方程的解決方案由

操作員被稱為時間進化操作員,並具有至關重要的屬性,即它是統一的。從某種意義上說,這種時間的演變是確定性的,因為在初始量子狀態下,它可以確定對量子狀態在任何以後的時間的影響。

圖1:與具有確定能級的氫原子中電子的波函數相對應的概率密度(從圖像的頂部增加到底部: n = 1,2,3,...)和角動量(從左到右增加: SPD ,...)。密集的區域對應於位置測量中較高的概率密度。這樣的波函數直接與Chladni在經典物理學中振動的聲學模式的數字也是可比的,並且也是振盪模式,具有尖銳的能量,因此具有明確的頻率角動量和能量被量化,並且採用像所示的離散值。 (就像聲學中的共振頻率一樣。)

某些波函數產生獨立於時間的概率分佈,例如哈密頓量的特徵狀態。這種“靜態”波函數描述了許多在經典力學中動態處理的系統。例如,在未激發原子中的單個電子被通常描繪成在原子核周圍的圓形軌跡中移動的粒子,而在量子力學中,它是由圍繞核的靜態波函數描述的。例如,未開啟的氫原子的電子波函數是一個被稱為s軌道的球形對稱函數(圖1)。

Schrödinger方程的分析溶液以極少數相對簡單的模型漢密爾頓(包括量子諧波振盪器盒子中的粒子二氫陽離子氫原子)而聞名。甚至僅包含兩個電子的氦氣原子也違反了對完全分析治療的所有嘗試。

但是,有一些用於查找近似解決方案的技術。一種稱為擾動理論的方法使用了一個簡單的量子機械模型的分析結果來為相關但更複雜的模型創建結果,例如(例如)添加弱勢。另一種方法稱為“半古典運動方程式”,該方法適用於量子力學僅產生與經典行為的小偏差的系統。然後可以根據經典運動來計算這些偏差。這種方法在量子混亂的領域尤為重要。

不確定性原則

基本量子形式主義的結果​​之一是不確定性原理。以最熟悉的形式,這表明沒有製備量子粒子可以同時進行精確的預測,以測量其位置和測量其動量。位置和動力都是可觀察的,這意味著它們由赫爾米利亞操作員代表。位置操作員和動量操作員不通勤,而是滿足規範的通勤關係:

鑑於量子狀態,天生的規則使我們能夠計算兩者的期望值,並為它們的權力提供。定義標準偏差可觀察到的不確定性,我們有

同樣在勢頭上:

不確定性原則指出

這兩種標準偏差原則上都可以任意規模,但不能同時使兩者同時偏離。這種不平等概括為任意成對的一對自我伴侶操作員。這兩個操作員的換向器是

這提供了標準偏差乘積的下限:

規範換向關係的另一個結果是,位置和動量操作員是彼此之間的傅立葉變換,因此根據對象的勢頭對對象的描述是其描述的傅立葉變換。動量依賴性是位置依賴性的傅立葉變換的事實意味著,動量操作員是等效的(直至一個因素),而不是根據位置採用衍生物,因為在傅立葉分析中,分析分化與雙重空間中的乘法相對應。這就是為什麼在位置空間中的量子方程式中,動量被取代,尤其是在位置空間中的非相關schrödinger方程中,動量方積分項被laplacian時代取代。

複合系統和糾纏

當一起考慮兩個不同的量子系統時,組合系統的希爾伯特空間是兩個組件的希爾伯特空間的張量。例如,讓A和B分別為Hilbert空間,分別為兩個量子系統。然後,複合系統的希爾伯特空間是

如果第一個系統的狀態是向量,而第二個系統的狀態為,則復合系統的狀態為

但是,並非聯合希爾伯特空間中的所有狀態都可以以這種形式編寫,因為疊加原理意味著這些“可分離”或“產品狀態”的線性組合也有效。例如,如果並且都是系統的可能狀態,以及同樣的狀態,並且都是系統的可能狀態,那麼

是一個不可分開的有效聯合狀態。不可分開的狀態稱為糾纏

如果復合系統的狀態糾纏在一起,則不可能由狀態向量描述組件系統A或系統B。相反,可以定義降低的密度矩陣,這些密度矩陣描述可以通過單獨對任何一個組件系統進行測量來獲得的統計數據。但是,這必然導致信息丟失:了解單個系統的密度降低不足以重建複合系統的狀態。正如密度矩陣指定較大系統的子系統的狀態一樣,類似地,正面運算符值衡量標準(POVM)描述了對對較大系統進行測量的子系統的影響。 POVM廣泛用於量子信息理論。

如上所述,糾纏是測量過程模型的關鍵特徵,其中設備與所測量的系統糾纏在一起。與它們居住的環境相互作用的系統通常與該環境糾纏在一起,這種現象稱為量子腐蝕性。這可以解釋為什麼在大於顯微鏡的系統中很難觀察到量子效應。

配方之間的等效性

量子力學上有許多數學上等效的公式。保羅·迪拉克(Paul Dirac)提出的“轉化理論”最古老,最常見的之一是,它統一併概括了量子力學的兩個最早的配方 -矩陣力學(由Werner Heisenberg發明)和波浪力學(由ErwinSchrödinger發明)。量子力學的替代公式是Feynman路徑積分公式,其中量子機械振幅被認為是在初始狀態和最終狀態之間所有可能的經典和非經典路徑上的總和。這是經典力學動作原理的量子機械對應物。

對稱和保護法

哈密​​頓量被稱為時間演變的發生者,因為它為每個值定義了一個單一的時間進化運算符。從這種關係中,可以得出的任何可觀察到的通勤的可觀察到:其期望值不會隨著時間而變化。該聲明在數學上概括了任何遺產運算符,都可以生成一個由變量參數化的統一操作員家族。根據由任何可觀察到的通勤的任何可觀察到的進化。此外,如果是通過進化來保守的,則在產生的進化下保存。這意味著艾米·諾瑟(Emmy Noether)在古典(拉格朗日)機械中證明了結果的量子版本:對於每種可減少的哈密頓量對稱性的對稱性,都存在相應的保護法。

例子

游離粒子

位置空間概率密度密度在自由空間中移動的一個維度

具有自由度位置程度的量子系統的最簡單示例是單個空間維度中的自由粒子。自由粒子是不受外部影響的粒子,因此其哈密頓量僅由其動能組成:

Schrödinger方程的一般解決方案由

這是所有可能的平面波的疊加,它是動量動量的動量算子的本徵狀態。疊加的係數是初始量子狀態的傅立葉變換。

解決方案不可能是單個動量本徵態或單個位置本徵態,因為它們不是可正常的量子狀態。相反,我們可以考慮一個高斯波

具有傅立葉變換,因此動量分佈

我們看到,隨著我們使位置較小的差異隨著較小的位置而變小,但是動量中的傳播越來越大。相反,通過使更大的速度使動量擴散較小,但是位置的傳播變大了。這說明了不確定性原理。

當我們讓高斯波數據包隨著時間的推移而發展時,我們看到它的中心以恆定的速度穿過太空(就像沒有作用的經典粒子一樣)。但是,隨著時間的流逝,波數據包也將擴散,這意味著位置變得越來越不確定。但是,動量的不確定性保持恆定。

盒子中的粒子

一維勢能箱(或無限電位很好)

一維勢能箱中的粒子是最簡單的示例,其中約束導致能量水平的量化。該盒子被定義為在某個區域內到處的勢能為零,因此該區域以外的地方無限勢能。對於沿方向的一維情況,可以編寫與時間無關的schrödinger方程

用差分運算符定義

以前的方程式是經典動能類似物的回憶性,

在這種情況下,狀態與粒子的動能一致。

盒子中粒子方程的一般解決方案是

或者,從Euler的公式

盒子的無限勢壁決定了零和位置的值。因此,在

和 。在 ,

在其中不能為零,因為這將與具有規範1的假設相抵觸。因此,由於必須是整數倍數,

對這種限制意味著對能量水平的限制,產生

有限的潛在井是將無限潛在的井問題推廣到具有有限深度的潛在井。有限的潛在井問題在數學上比無限的粒子盒問題更為複雜,因為波函數在井的壁上未固定為零。取而代之的是,波函數必須滿足更複雜的數學邊界條件,因為在井外的區域中,它的數量非零。另一個相關的問題是矩形電勢障礙,它為量子隧道效應提供了一個模型,該模型在現代技術(例如閃存掃描隧道顯微鏡)的性能中起著重要作用。

諧波振盪器

古典力學(AB)和量子力學(CH)中的諧波振盪器(即連接到彈簧的球)的一些軌跡。在量子力學中,球的位置由(稱為波函數)表示,實際部分以藍色顯示,而虛部則以紅色為單位。某些軌跡(例如C,D,E和F)是站立波(或“固定狀態”)。每個駐波頻率與振盪器的可能能級成正比。這種“能量量化”不會發生在振盪器可以具有任何能量的古典物理學中。

與經典情況一樣,量子諧波振盪器的潛力由

可以通過直接求解並非微不足道的Schrödinger方程來處理此問題,也可以使用Paul Dirac首先提出的更優雅的“梯子方法”來處理。特徵態

其中H nHermite多項式

相應的能量水平是

這是說明結合狀態能量離散化的另一個示例。

馬赫 - 齊漢德干涉儀

馬赫德干涉儀的示意圖

Mach -Zehnder干涉儀(MZI)說明了在維度2中的疊加和乾擾線性代數的概念,而不是微分方程。它可以看作是雙縫實驗的簡化版本,但它本身就是感興趣的,例如,在延遲的選擇量子橡皮擦Elitzur-vaidman炸彈測試人員和量子糾纏研究中。

我們可以通過考慮到只有兩個路徑的疊加來建模穿過乾涉儀的光子:從左側開始的“較低”路徑,直接穿過兩個梁拆分器,然後在頂部結束,從底部開始的“上部”路徑直接穿過兩個梁拆分器,並在右側結束。因此,光子的量子狀態是一個矢量,是“下部”路徑和“上部”路徑的疊加的矢量,也就是說。為了尊重我們需要的假設。

兩個光束拆分器均建模為單位矩陣,這意味著當光子符合光束分離器時,它將以概率幅度的幅度保持在相同的路徑上,或者以概率幅度的幅度反射到另一個路徑。上臂上的相位變速器被建模為單位矩陣,這意味著,如果光子在“上部”路徑上,則它將獲得相對相位的相對相,並且如果它在下部路徑中,則它將保持不變。

然後,從左側進入乾涉儀的光子將用梁分離器,相位變速器和另一個梁拆分器作用,因此最終處於狀態

並且在右側或頂部檢測到的概率分別由

因此,通過估計這些概率,可以使用Mach -Zehnder干涉儀來估計相移

有趣的是,如果光子肯定位於梁拆分器之間的“下部”或“上部”路徑中,將會發生什麼。這可以通過阻止其中一條路徑或等效地刪除第一個梁分離器(根據需要從左側或底部饋送光子)來實現。在這兩種情況下,路徑之間都不會干擾,並且概率與階段無關。從中,我們可以得出結論,光子在第一個梁分離器之後不會採用一條路徑,而是在兩條路徑的真實量子疊加中。

申請

關於小規模和離散的數量和相互作用,量子力學在解釋我們宇宙的許多特徵方面取得了巨大的成功,而經典方法無法解釋。量子力學通常是唯一可以揭示構成所有形式物質(電子,質子中子光子等)的亞原子顆粒的個體行為的理論。固態物理學材料科學取決於量子力學。

在許多方面,現代技術在量子效應顯著的規模上運行。量子理論的重要應用包括量子化學量子光學元件量子計算超導磁鐵發光二極管光學放大器和激光器,晶體管半導體,例如微處理器醫學和研究成像,例如磁共振成像和電氣成像和電氣成像和電氣成像和電子成像電子成像顯微鏡。許多生物和物理現象的解釋源於化學鍵的性質,最著名的是宏分子DNA

與其他科學理論有關

古典力學

量子力學的規則斷言,系統的狀態空間是希爾伯特的空間,並且系統的可觀察到的是在該空間中作用於矢量的遺傳操作員- 儘管他們沒有告訴我們哪個希爾伯特空間或哪個操作員。可以適當地選擇這些這些,以獲取量子系統的定量描述,這是做出物理預測的必要步驟。做出這些選擇的重要指南是對應原理,它是一種啟發式原理,該原理指出,量子力學的預測減少了大量量子數量的經典力學。也可以從特定係統的已建立的經典模型開始,然後嘗試猜測在對應限制中引起經典模型的基礎量子模型。這種方法稱為量化

當量子力學最初制定時,將其應用於其對應限制為非相關的經典力學的模型。例如,量子諧波振盪器的眾所周知模型對振盪器的動能使用明確的非相關表達式,因此是經典諧波振盪器的量子版本。

混亂系統發生並發症,這些系統沒有良好的量子數,而量子混亂研究了這些系統中的經典描述與量子描述之間的關係。

量子脫位是一種量子系統失去連貫性的機制,因此無法顯示許多通常量子效應的能力:量子疊加成為簡單的概率混合物,而量子糾纏成為經典的相關性。在宏觀尺度上,量子相干性通常並不明顯,除非在接近絕對零的溫度下,量子行為可能會在宏觀上表現出來。

經典系統的許多宏觀特性是其部分量子行為的直接結果。例如,散裝物質的穩定性(由僅在電力下迅速倒塌的原子和分子組成),固體的剛度以及物質的機械,熱,化學,光學和磁性特性都是相互作用的結果根據量子力學規則的電荷

特殊相對論和電動力學

早期嘗試將量子力學與特殊相對論合併的嘗試涉及將Schrödinger方程替換為klein -gordon方程狄拉克方程等協變量方程。儘管這些理論成功地解釋了許多實驗結果,但由於忽略了對粒子的相對論創造和殲滅,它們具有某些不滿意的品質。完全相對論的量子理論需要開發量子場理論,該理論將量化應用於一個場(而不是固定的粒子集)。第一個完整的量子場理論,量子電動力學,提供了電磁相互作用的完全量子描述。量子電動力學是有史以來最精確的物理理論之一。

量子場理論的完整儀器通常不需要描述電動力系統。一種自量子力學成立以來已被使用的簡單方法是將帶電的顆粒視為經典電磁場作用的量子力學對象。例如,氫原子的基本量子模型使用經典的庫侖電勢描述了氫原子的電場。如果電磁場中的量子波動起著重要作用,例如在帶電顆粒的光子發射中,這種“半古典”方法會失敗。

也已經開發出強核力量弱核力量量子場理論。強核力的量子場理論稱為量子染色體動力學,並描述了核下粒子(例如夸克膠子)的相互作用。物理學家阿卜杜勒·薩拉姆(Abdus Salam) ,謝爾頓·格拉什( Sheldon Glashow )和史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg )以量化形式(稱為伊萊克克理論)將弱的核力量和電磁力統一為單個量子場理論(稱為electroweak理論)。

與一般相對論的關係

儘管嚴格和反复的經驗證據支持了量子理論和一般相對論的預測,但它們的抽象形式彼此矛盾,事實證明,他們很難將其納入一個一致的,具有凝聚力的模型。在粒子物理學的許多領域,重力可以忽略不計,因此在這些特定應用中,一般相對論和量子力學之間的統一不是緊迫的問題。但是,缺乏正確的量子重力理論是物理宇宙學和物理學家尋求優雅的“一切理論”(腳趾)的重要問題。因此,解決這兩種理論之間的不一致是20世紀和21世紀物理學的主要目標。該腳趾不僅結合了亞原理的模型,而且還將從單力或現像中得出自然的四個基本力。

這樣做的一個建議是弦理論,該理論認為粒子物理點狀粒子被稱為字符串的一維對象代替。字符串理論描述了這些字符串如何通過空間傳播並相互交流。在比字符串比例大的距離尺度上,字符串看起來像普通粒子,其質量電荷和其他由字符串振動狀態確定的特性。在弦理論中,弦的眾多振動狀態之一對應於重力頓,這是一種帶有引力力的量子機械粒子。

另一個流行的理論是循環量子重力(LQG),它描述了重力的量子特性,因此是量子時空的理論。 LQG試圖合併和適應標準量子力學和標準的一般相對論。該理論將空間描述為一個非常細的織物“編織”,稱為旋轉網絡。隨著時間的推移,自旋網絡的演變稱為自旋泡沫。自旋泡沫的特徵長度尺度是普朗克長度,約為1.616×10 -35 m,因此長度短於Planck長度在LQG中的物理上沒有意義。

哲學含義

物理學中未解決的問題

是否有對量子力學的首選解釋?現實的量子描述如何包括諸如“狀態疊加”和“波浪函數崩潰”之類的元素,從而產生我們所感知的現實?

自成立以來,量子力學的許多違反直覺和結果引發了強烈的哲學辯論和許多解釋。該論點集中在量子力學的概率性質,波函數崩潰的困難以及相關的測量問題以及量子非局部性。關於這些問題的唯一共識也許是沒有共識。理查德·費曼(Richard Feynman)曾經說過:“我想我可以肯定地說沒有人理解量子力學。”根據史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)的說法,“我認為現在沒有完全令人滿意的量子力學解釋。”

Niels Bohr ,Werner Heisenberg和其他物理學家的觀點通常被歸為“哥本哈根的解釋”。根據這些觀點,量子力學的概率性質不是臨時特徵,最終將被確定性理論取代,而是對“因果關係”經典觀念的最終放棄。 BOHR特別強調,由於在不同的實驗情況下獲得的證據的互補性質,量子機械形式主義的任何明確的應用都必須始終提及實驗佈置。諾貝爾獎獲得者在量子物理學中採用了哥本哈根型解釋,包括Bohr,Heisenberg,Schrödinger,Feynman和Zeilinger,以及量子基礎的21世紀研究​​人員。

阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)本人是量子理論的創始人之一,由於其明顯未能尊重一些珍貴的形而上學原則,例如確定性地方性而感到困擾。愛因斯坦與Bohr關於量子力學的含義和狀態的長期交流現在被稱為Bohr – Einstein辯論。愛因斯坦認為,基本的量子力學必須是一種明確禁止在距離行動的理論。他認為,量子力學是不完整的,這種理論是有效但不是基本的,類似於熱力學的有效程度,但其背後的基本理論是統計力學。 1935年,愛因斯坦和他的合作者鮑里斯·波多爾斯基(Boris Podolsky )和內森·羅森( Nathan Rosen)發表了一個論點,即當地原理意味著量子力學的不完整性,後來的思想實驗後來被稱為愛因斯坦 - 波多爾斯基 - 恩屬派的範式。 1964年,約翰·貝爾(John Bell)表明,EPR的本地性原理以及確定論實際上與量子力學不相容:它們暗示了距離系統所產生的相關性(現在稱為貝爾不平等)所產生的相關性的約束,這可能會被糾纏的粒子違反。從那時起,已經進行了幾項實驗以獲得這些相關性,結果它們實際上違反了貝爾的不平等,因此偽造了當地的結合與確定論的結合。

博學的力學表明,有可能以明確的非本地化為代價重新制定量子力學來確定性。它不僅將波函數歸因於物理系統,而且還將實際位置歸因於非本地引導方程式下的確定性發展。物理系統的演變始終由Schrödinger方程與指導方程式一起給出。波函數從來沒有崩潰。這解決了測量問題。

埃弗里特(Everett)在1956年制定的許多世界解釋認為,量子理論所描述的所有可能性同時出現在由大多數獨立平行宇宙組成的多元宇宙中。這是去除波包倒塌的公理的結果。測量系統的所有可能狀態和測量設備以及觀察者都存在於實際的物理量子疊加中。儘管多元宇宙是確定性的,但我們認為由概率支配的非確定性行為,因為我們不觀察整個多元宇宙,而是一次僅一個平行宇宙。確切地說,這是如何工作的,這是許多辯論的主題。已經進行了幾項嘗試,以理解這一點並得出出生的規則,而他們是否成功就沒有共識。

關係量子力學出現在1990年代後期,作為哥本哈根型思想的現代衍生品,幾年後發展了QBISM

歷史

馬克斯·普朗克(Max Planck)被認為是量子理論的父親。

量子力學是在20世紀初期開發的,這是由於需要解釋現象的驅動,在某些情況下已經在早期觀察到。對光的波性的科學探究始於17世紀和18世紀,當時羅伯特·胡克(Robert Hooke) ,克里斯蒂亞·霍根斯( Christiaan Huygens)和萊昂哈德·歐拉(Leonhard Euler)等科學家提出了基於實驗觀察的光理論。 1803年,英國多頭托馬斯·楊(Thomas Young)描述了著名的雙縫實驗。該實驗在對光理論的普遍接受中起著重要作用。

在19世紀初期,約翰·道爾頓(John Dalton )和阿米迪多·阿瓦加德(Amedeo Avogadro)化學研究使重量賦予了原子質理論,即詹姆斯·克萊克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell ),路德維格·鮑爾茨曼(Ludwig Boltzmann)和其他人建立了基因驅動理論。動力學理論的成功進一步證明了物質由原子組成的觀念,但該理論也存在缺點,只能通過量子力學的發展來解決。儘管希臘哲學的原子的早期概念是,它們是不可分割的單元 - “原子”一詞,從希臘語中衍生而來,以“無途徑”的形式- 19世紀看到了關於亞原子結構的假設的表述。在這方面,一個重要的發現是邁克爾·法拉第(Michael Faraday) 1838年觀察到由玻璃管內的電氣放電引起的發光,該玻璃管在低壓下含有氣體。 JuliusPlückerJohann Wilhelm HittorfEugen Goldstein在Faraday的作品上進行並改進了,導致了陰極射線的鑑定, JJ Thomson發現這些射線由被稱為電子的亞原子粒子組成。

Gustav Kirchhoff於1859年發現了黑體輻射問題。1900年,Max Planck提出了以下假設:能量被離散的“ Quanta”(或能量數據包)輻射和吸收,產生了與觀察到的黑色模式相匹配的計算- 體輻射。量子一詞來自拉丁語,意思是“多麼偉大”或“多少”。根據普朗克的說法,可以認為大量能量分為“元素”,其大小( e )與其頻率成正比( ν ):

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h的位置是普朗克的不變。普朗克謹慎地堅持認為,這只是輻射吸收和排放過程的一個方面,而不是輻射的物理現實。實際上,他認為他的量子假設是獲得正確答案而不是一個相當大的發現的數學技巧。然而,1905年,阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)現實地解釋了普朗克的量子假設,並用它來解釋光電效應,其中某些材料的光線可以從材料中彈出電子。尼爾斯·鮑爾(Niels Bohr)隨後將普朗克(Planck)關於輻射的觀念發展為成功預測氫光譜線的氫原子模型。愛因斯坦進一步發展了這一想法,以表明像光之類的電磁波也可以描述為粒子(後來稱為光子),其能量取決於其頻率。愛因斯坦在他的論文《輻射量子理論》中,擴展了能量與物質之間的相互作用,以解釋原子對能量的吸收和發射。儘管當時他的相對論一般理論掩蓋了他,但本文闡明了輻射刺激發射的基礎機制,這成為激光的基礎。

1927年在布魯塞爾舉行的Solvay會議是第五屆世界物理會議。

該階段稱為舊量子理論。舊的量子理論從未完成或自以赴,是對古典力學的一系列啟發式校正。現在,該理論被理解為對現代量子力學的半古典近似。此期間的值得注意的結果包括,除了普朗克,愛因斯坦和玻爾的工作外,愛因斯坦和彼得·迪比在固體的特定熱量上的工作,博爾和亨德里卡·約翰娜·範·李溫證明了古典物理學無法解釋古典物理學的證明DiamagnetismArnold Sommerfeld的Bohr模型擴展,包括特殊的依據作用。

在1920年代中期,量子力學發展成為原子理的標準配方。 1923年,法國物理學家路易斯·德·布羅格利(Louis de Broglie)提出了他的物質波,說明顆粒可以表現出波浪特徵,反之亦然。以De Broglie的方法為基礎,現代量子力學生於1925年,當時德國物理學家Werner Heisenberg,Max Born和Pascual Jordan開發了Matrix Mechanics ,而奧地利物理學家ErwinSchrödinger發明了波浪力學。 Born於1926年7月引入了對Schrödinger的波浪功能的概率解釋。因此,量子物理學的整個領域都出現了,導致其在1927年的第五屆Solvay會議上更廣泛地接受。

到1930年,大衛·希爾伯特( David Hilbert) ,保羅·迪拉克(Paul Dirac)和約翰·馮·諾伊曼(John von Neumann)進一步統一和正式化,更加重視測量,我們對現實知識的統計性質以及對“觀察者”的哲學猜測。此後,它滲透到許多學科,包括量子化學,量子電子量子光學量子信息科學。它還為現代元素週期表的許多特徵提供了一個有用的框架,並描述了化學鍵合過程中原子的行為和計算機半導體中電子的流動,因此在許多現代技術中起著至關重要的作用。雖然構建了量子力學來描述非常小的世界,但還需要解釋某些宏觀現象,例如超導體超流體

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