量子力學(xué)的概述

2016/12/12 10:24:11

量子力學(xué)是研究微觀粒子的運動規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科。它提供粒子“似-粒”、“似-波”雙重性（即“波粒二象性”）及能量與物質(zhì)相互作用的數(shù)學(xué)描述。它和經(jīng)典力學(xué)的主要區(qū)別在于：它研究原子和次原子等“量子領(lǐng)域”。量子力學(xué)的進一步研究課題為：宏觀物質(zhì)在十分低或十分高能量或溫度才出現(xiàn)的現(xiàn)象。

量子力學(xué)是描寫微觀物質(zhì)的一種物理學(xué)理論，與相對論一起被認(rèn)為是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱，許多物理學(xué)理論和科學(xué)如原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)和粒子物理學(xué)以及其它相關(guān)的學(xué)科都是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)。19世紀(jì)末，經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電動力學(xué)在描述微觀系統(tǒng)時的不足越來越明顯。量子力學(xué)是在20世紀(jì)初由普朗克、尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡、薛定諤、沃爾夫?qū)�·泡利、德布羅意、馬克斯·玻恩、恩里科·費米、保羅·狄拉克等一大批物理學(xué)家共同創(chuàng)立的。通過量子力學(xué)的發(fā)展人們對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及其相互作用的見解被革命化地改變。通過量子力學(xué)許多現(xiàn)象才得以真正地被解釋，新的、無法直覺想象出來的現(xiàn)象被預(yù)言，但是這些現(xiàn)象可以通過量子力學(xué)被精確地計算出來，而且后來也獲得了非常精確的實驗證明。除通過廣義相對論描寫的引力外，至今所有其它物理基本相互作用均可以在量子力學(xué)的框架內(nèi)描寫（量子場論）。

量子力學(xué)的基本原理包括量子態(tài)的概念，運動方程、理論概念和觀測物理量之間的對應(yīng)規(guī)則和物理原理。

在量子力學(xué)中，一個物理體系的狀態(tài)由波函數(shù)表示，波函數(shù)的任意線性疊加仍然代表體系的一種可能狀態(tài)。狀態(tài)隨時間的變化遵循一個線性微分方程，該方程預(yù)言體系的行為，物理量由滿足一定條件的、代表某種運算的算符表示；測量處于某一狀態(tài)的物理體系的某一物理量的操作，對應(yīng)于代表該量的算符對其波函數(shù)的作用；測量的可能取值由該算符的本征方程決定，測量的期待值由一個包含該算符的積分方程計算。

波函數(shù)的模平方代表作為其變數(shù)的物理量出現(xiàn)的幾率密度。根據(jù)這些基本原理并附以其他必要的假設(shè)，量子力學(xué)可以解釋原子和亞原子的各種現(xiàn)象。

關(guān)于量子力學(xué)的解釋涉及許多哲學(xué)問題，其核心是因果性和物理實在問題。按動力學(xué)意義上的因果律說，量子力學(xué)的運動方程也是因果律方程，當(dāng)體系的某一時刻的狀態(tài)被知道時，可以根據(jù)運動方程預(yù)言它的未來和過去任意時刻的狀態(tài)。

但量子力學(xué)的預(yù)言和經(jīng)典物理學(xué)運動方程(質(zhì)點運動方程和波動方程)的預(yù)言在性質(zhì)上是不同的。在經(jīng)典物理學(xué)理論中，對一個體系的測量不會改變它的狀態(tài)，它只有一種變化，并按運動方程演進。因此，運動方程對決定體系狀態(tài)的力學(xué)量可以作出確定的預(yù)言。

但在量子力學(xué)中，體系的狀態(tài)有兩種變化，一種是體系的狀態(tài)按運動方程演進，這是可逆的變化；另一種是測量改變體系狀態(tài)的不可逆變化。因此，量子力學(xué)對決定狀態(tài)的物理量不能給出確定的預(yù)言，只能給出物理量取值的幾率。在這個意義上，經(jīng)典物理學(xué)因果律在微觀領(lǐng)域失效了。

據(jù)此，一些物理學(xué)家和哲學(xué)家斷言量子力學(xué)擯棄因果性，而另一些物理學(xué)家和哲學(xué)家則認(rèn)為量子力學(xué)因果律反映的是一種新型的因果性——幾率因果性。量子力學(xué)中代表量子態(tài)的波函數(shù)是在整個空間定義的，態(tài)的任何變化是同時在整個空間實現(xiàn)的。

20世紀(jì)70年代以來，關(guān)于遠隔粒子關(guān)聯(lián)的實驗表明，類空分離的事件存在著量子力學(xué)預(yù)言的關(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)是同狹義相對論關(guān)于客體之間只能以不大于光速的速度傳遞物理相互作用的觀點相矛盾的。于是，有些物理學(xué)家和哲學(xué)家為了解釋這種關(guān)聯(lián)的存在，提出在量子世界存在一種全局因果性或整體因果性，這種不同于建立在狹義相對論基礎(chǔ)上的局域因果性，可以從整體上同時決定相關(guān)體系的行為。

量子力學(xué)用量子態(tài)的概念表征微觀體系狀態(tài)，深化了人們對物理實在的理解。微觀體系的性質(zhì)總是在它們與其他體系，特別是觀察儀器的相互作用中表現(xiàn)出來。

人們對觀察結(jié)果用經(jīng)典物理學(xué)語言描述時，發(fā)現(xiàn)微觀體系在不同的條件下，或主要表現(xiàn)為波動圖象，或主要表現(xiàn)為粒子行為。而量子態(tài)的概念所表達出來的，則是微觀體系與儀器相互作用而產(chǎn)生的表現(xiàn)為波或粒子的可能性。

量子力學(xué)表明，微觀物理實在既不是波也不是粒子，真正的實在是量子態(tài)。真實狀態(tài)分解為隱態(tài)和顯態(tài)，是由于測量所造成的，在這里只有顯態(tài)才符合經(jīng)典物理學(xué)實在的含義。微觀體系的實在性還表現(xiàn)在它的不可分離性上。量子力學(xué)把研究對象及其所處的環(huán)境看作一個整體，它不允許把世界看成由彼此分離的、獨立的部分組成的。關(guān)于遠隔粒子關(guān)聯(lián)實驗的結(jié)論，也定量地支持了量子態(tài)不可分離。