在极小尺度下宇宙的运行规律与我们日常所见的世界截然不同。量子力学作为物理学的一个重要分支专门用来描述原子、电子、光子以及分子、亚分子尺度下几乎所有物质的奇异特性。量子力学诞生于20世纪上半叶它推导得出的结论往往极其怪异、违背直觉但正是对量子力学的研究让物理学家得以更深刻地理解宇宙的本质未来它还有可能彻底改变人类处理信息的方式。量子力学与经典物理学有何区别经典力学能够精准描述日常尺度、常规速度下物体的运动与相互作用但当研究对象来到原子、电子这类微观尺度时经典力学的诸多方程便不再适用。二者核心的区别体现在对物体状态的描述上经典力学中物体在某一时刻必然处于某个确定位置量子力学里物质是以概率的形式存在它有一定概率出现在A点另有概率出现在B点以此类推。量子力学是谁创立的几乎与量子力学同期诞生的爱因斯坦广义相对论功劳可以归于单一科学家但量子力学的起源无法归于某一位研究者。据苏格兰圣安德鲁斯大学相关资料记载从19世纪末至1930年多位科学家共同搭建起量子力学的理论根基相关理论逐步获得学界认可并得到实验验证。量子力学的开端可以追溯到1900年德国物理学家马克斯・普朗克在试图解释“特定温度的物体会发出固定颜色的光”这一现象时发现将物理学家路德维希・玻尔兹曼用来描述气体特性的方程转化后就能解释温度与发光颜色的对应关系。而玻尔兹曼理论的核心前提是任何气体都由微小粒子构成这意味着光也应当由一份份离散的单元组成。这个观点与当时主流光学认知完全相悖彼时绝大多数物理学家认为光是连续的波而非微小的能量粒子普朗克本人起初也并不认可原子的存在更不相信光由离散单元构成。直到1905年爱因斯坦发表论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》为这一理论提供了关键支撑。爱因斯坦提出光并非以波的形式传播而是以“能量量子”的形式运动这种能量粒子只能作为完整单元被原子吸收或释放具体发生在原子在不同量子化振动能级之间跃迁时“量子力学”中的“量子”一词便由此而来。依托这套全新的光模型爱因斯坦在论文中解释了九类物理现象其中就包括普朗克观察到的灯泡丝发出特定的颜色同时完美诠释了光电效应特定频率的光线照射金属表面时能将电子从金属表面喷射出来。什么是波粒二象性在量子力学框架下粒子有时表现出波的特性有时又表现为实体粒子最经典的佐证便是双缝干涉实验向一块开有两条狭缝的挡板发射电子等粒子挡板后方放置一块感光屏电子打到屏幕上就会留下光斑。据《自然》杂志一篇科普文章介绍若电子是纯粹的粒子穿过两条狭缝后只会在屏幕上形成两条亮线但实际实验结果截然不同屏幕上会出现明暗相间的干涉条纹。这种条纹只有把电子视作波才能解释——波存在波峰与波谷不同波之间会发生干涉哪怕每次只发射单个电子穿过狭缝干涉条纹依旧会显现相当于单个电子自己和自己发生干涉。1924年法国物理学家路易・德布罗意运用爱因斯坦狭义相对论方程证明粒子具备波动属性波也具备粒子属性凭借这一发现他在数年后斩获诺贝尔物理学奖。量子力学如何描述原子结构20世纪10年代丹麦物理学家尼尔斯・玻尔尝试用量子力学阐释原子内部结构。当时学界已知原子由厚重致密、带正电的原子核以及环绕原子核、质量极轻、带负电的微小电子构成。玻尔提出电子如同微型太阳系里的行星沿固定轨道绕原子核运转但电子轨道半径只能取若干特定数值当电子在不同轨道间跃迁时原子会吸收或释放特定能量的辐射这正是原子量子特性的体现。据美国物理学会资料显示不久后两位物理学家各自独立、通过两套完全不同的数学体系搭建出一套更完备的原子量子模型德国物理学家维尔纳・海森堡创立了“矩阵力学”奥地利裔爱尔兰物理学家埃尔温・薛定谔提出了相似的“波动力学”1926年薛定谔证明这两套理论本质等价。这套海森堡-薛定谔原子模型推翻了早期玻尔模型模型中每个电子都以波的形式环绕原子核运动电子遵循“波函数”规律所处区域被称为“轨道”原子轨道而非玻尔模型中圆形的运行轨迹。据化学家吉姆・克拉克介绍原子轨道形态多样球形、哑铃形、花瓣形等均有并不全是圆形。什么是薛定谔的猫悖论薛定谔的猫是一个常被大众误解的思想实验它展现了量子力学早期奠基者对理论结论的困惑。玻尔及其众多学生认为微观粒子在被观测前不存在确定的物理性质但薛定谔与爱因斯坦始终无法接受这一结论因为它会推导出违背现实常识的荒谬结果。1935年薛定谔设想了这样一个思想实验一只猫的生死由某个量子粒子的随机量子态决定在箱子打开前没人能观测粒子状态。薛定谔试图用这个贴近现实的例子证明玻尔理论的荒谬性——量子粒子的概率特性会推导出完全不合常理的现实结论。按照玻尔对量子力学的诠释在箱子被打开观测前猫会处于一种不可能的叠加态同时活着、又同时死去该实验从未用真实猫咪实操过。薛定谔与爱因斯坦都认为这个悖论足以说明量子力学理论并不完备未来一定会出现一套符合日常经验的新理论将其取代。时至今日物理学家仍难以解释为什么微观粒子可以同时处于多种状态的叠加态而宏观大型物体比如整个宇宙却不存在这种现象。学界有人提出对薛定谔方程进行修正试图化解这一矛盾但相关方案至今未获得科学界广泛认可。什么是量子纠缠薛定谔与爱因斯坦还共同发现了量子力学另一难以理解的奇异效应。据《斯坦福哲学百科全书》记载1935年爱因斯坦联合物理学家鲍里斯・波多尔斯基、纳森・罗森提出可以制备一对存在关联的量子粒子二者的量子态始终相互绑定。两个粒子仿佛能实时知晓对方的状态——无论相隔多远只要测量其中一个粒子的状态就能瞬间确定另一个配对粒子的状态。爱因斯坦将这种现象称作“鬼魅般的超距作用”薛定谔随后将其命名为“量子纠缠”。如今学界证实量子纠缠是量子力学最核心的特性之一在自然界中时刻发生。科研人员常年利用量子纠缠开展实验这一现象也是新兴量子计算领域的理论基础。什么是量子计算经典计算机依靠二进制比特处理数据单个比特只有0、1两种固定状态而量子计算机使用电子、光子等微观粒子作为信息载体也就是量子比特量子位qubit量子比特能同时处于0和1的叠加态可承载多种状态。叠加态让量子计算机能够并行运算同时处理量子比特的所有可能状态除此之外量子纠缠可以让多个量子比特共享信息、同步相互作用不受粒子之间距离的限制。量子叠加与纠缠赋予量子计算机远超经典计算机的运算潜力但该领域目前仍有漫长发展之路。现阶段的量子计算机规模偏小、运行维护难度极高运算误差大性能尚无法比肩顶尖经典计算机不过多数专家认为随着技术发展这一现状终将改变。量子力学与广义相对论是否互斥目前物理学家还没有一套能够完整解释宇宙中所有粒子与作用力的理论也就是学界追寻的“万物理论”。爱因斯坦相对论适用于大质量、大尺度天体量子力学则描述微小微观粒子。两套理论并非严格意义上完全冲突但科学家至今没能找到统一二者的数学框架。大量研究者致力于构建量子引力理论将引力纳入量子力学体系实现从亚微观粒子到超大星系的统一解释。学界提出过诸多构想例如假子“引力子”但没有任何一套理论能够完美契合宇宙所有观测现象另一热门理论是弦理论该理论认设存在传递引力的微观粒为宇宙最基础的单元是在多维空间中振动的微小弦但由于始终缺少实验证据支撑近年来认同弦理论的物理学家持续减少还有学者研究圈量子引力理论该理论认为时空本身由离散的微小单元构成不过这套理论同样没能在物理学界形成主流共识。本文转载自 雪兽软件更多精彩推荐请访问 雪兽软件官网
