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(yùn)動(dòng)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(jìn)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(duì)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(dòng)力學(xué)在描述微觀系統(tǒng)時(shí)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(fèi)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(duì)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(jì)算出來，而且后來也獲得了非常精確的實(shí)驗(yàn)證明。除通過廣義相對(duì)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(chǎng)論）。

量子力學(xué)的基本原理包括量子態(tài)的概念，運(yùn)動(dòng)方程、理論概念和觀測(cè)物理量之間的對(duì)應(yīng)規(guī)則和物理原理。

在量子力學(xué)中，一個(gè)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(shí)間的變化遵循一個(gè)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(yùn)算的算符表示；測(cè)量處于某一狀態(tài)的物理體系的某一物理量的操作，對(duì)應(yīng)于代表該量的算符對(duì)其波函數(shù)的作用；測(cè)量的可能取值由該算符的本征方程決定，測(cè)量的期待值由一個(gè)包含該算符的積分方程計(jì)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(shí)在問題。按動(dòng)力學(xué)意義上的因果律說，量子力學(xué)的運(yùn)動(dòng)方程也是因果律方程，當(dāng)體系的某一時(shí)刻的狀態(tài)被知道時(shí)，可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程預(yù)言它的未來和過去任意時(shí)刻的狀態(tài)。

但量子力學(xué)的預(yù)言和經(jīng)典物理學(xué)運(yùn)動(dòng)方程(質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程和波動(dòng)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(duì)一個(gè)體系的測(cè)量不會(huì)改變它的狀態(tài)，它只有一種變化，并按運(yùn)動(dòng)方程演進(jìn)。因此，運(yùn)動(dòng)方程對(duì)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(yùn)動(dòng)方程演進(jìn)，這是可逆的變化；另一種是測(cè)量改變體系狀態(tài)的不可逆變化。因此，量子力學(xué)對(duì)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(gè)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(gè)空間定義的，態(tài)的任何變化是同時(shí)在整個(gè)空間實(shí)現(xiàn)的。

20世紀(jì)70年代以來，關(guān)于遠(yuǎn)隔粒子關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)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(duì)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(diǎn)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(duì)論基礎(chǔ)上的局域因果性，可以從整體上同時(shí)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(duì)物理實(shí)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(duì)觀察結(jié)果用經(jīng)典物理學(xué)語言描述時(shí)，發(fā)現(xiàn)微觀體系在不同的條件下，或主要表現(xiàn)為波動(dòng)圖象，或主要表現(xiàn)為粒子行為。而量子態(tài)的概念所表達(dá)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(shí)在既不是波也不是粒子，真正的實(shí)在是量子態(tài)。真實(shí)狀態(tài)分解為隱態(tài)和顯態(tài)，是由于測(cè)量所造成的，在這里只有顯態(tài)才符合經(jīng)典物理學(xué)實(shí)在的含義。微觀體系的實(shí)在性還表現(xiàn)在它的不可分離性上。量子力學(xué)把研究對(duì)象及其所處的環(huán)境看作一個(gè)整體，它不允許把世界看成由彼此分離的、獨(dú)立的部分組成的。關(guān)于遠(yuǎn)隔粒子關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，也定量地支持了量子態(tài)不可分離。