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量子力学的基本理论是什么?

常驻编辑 科普中国 2022-10-16 普朗克   能级   量子力学   量子   粒子   原子   函数   物理   理论   世界   电子
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再比如一场音乐会,我们听的到是无数不同频率波叠加以后的交响乐效果。想象一下某种特殊情况下,所有乐器产生的声波互相叠加产生了波包。那感觉就是你听到短促的滴的一声,然后会场就一片寂静,可是那些演员明明还在卖力演奏。这个时候不要怀疑自己的听力,你大概率是碰上波包了。Qxj拜客生活常识网

一场音乐会变成短促的一声,就是波坍缩成粒子。Qxj拜客生活常识网

以这个为基础,我们就可以理解海森堡不确定性原理。如果波包位置确定,这个包的产生是由无数各种频率的波叠加而成,波包的频率就不可知。如果频率可知,波一定是一个标准波的形状,你没法为这个波指定位置,理论上他处于波经过的所有区域,就跟水波一样,也就是位置不定。现在我们把频率换成动量(波的频率与波的能量正相关),就会得到那个著名的结论,位置和动量不能同时测量。Qxj拜客生活常识网

利用这个理论,我们也可以理解波的坍缩,坍缩其实就是互相叠加的电磁波挤出了一个波包。从空间平面看,这些电磁波变成一个粒子。所以微观上可以把粒子理解为无数波的叠加。Qxj拜客生活常识网

不确定性对物理学甚至现代科学都产生颠覆性的影响,物理学的根本就是研究物质的运动规律,几百年来物理学家都在寻找普世公式来解释大千世界,你现在说微观粒子充满随机性,那物理学研究的意义何在?Qxj拜客生活常识网

不确定性是量子物理的一个重要理论基石。从不确定性开始,量子物理学就泾渭分明的分成两大阵营,以波尔、海森堡为首的一伙称为哥本哈根学派,他们代表量子物理的正统学派,认可微观世界的不确定性。以爱因斯坦为首的另外一伙人,认为世界万物都是有规律的,他们也认可哥本哈根学派的研究成果,承认这些理论都有严谨的推理和实验支持,但是他们认为所谓不确定,只是因为还有一些规律你没有发现。世界永远是由客观规律支配,上帝不会掷骰子来做决定。Qxj拜客生活常识网

这两大派别的斗争一直持续到贝尔不等式诞生,哥本哈更学派才慢慢占据主流,咱们后面再说。Qxj拜客生活常识网

四、量子物理的基本盘2-薛定谔方程Qxj拜客生活常识网

海森堡的矩阵公式是把电子看成一种粒子,用量子的方式解释电子的能级。当时德布罗意的物质波理论已经得到证实,物理学家薛定谔觉得,既然电子有波粒二象性,那我从波的角度研究,是不是也能解释电子能级问题呢?Qxj拜客生活常识网

薛定谔数学功底扎实,一番推演,量子物理最重要的公式薛定谔方程诞生了。利用薛定谔方程解出的波函数,也可以描述电子的运动,和电子能级完美吻合。波函数是量子物理中描写微观量子运动状态的函数。在经典力学中,用质点的位置和动量(或速度)来描写宏观质点的状态,突出了质点的粒子性。由于微观粒子具有波粒二象性,因而质点状态的经典描述方式不适用于对微观粒子状态的描述,进入微观世界,波函数更如鱼得水。Qxj拜客生活常识网

至此海森堡用粒子的方式,薛定谔用波的方式都解释了能级问题,而且不久以后,有大神从数学角度又做了论证,证实矩阵方程和波函数其实是一回事,殊途同归,也从另一个侧面证实了电子的波粒二象性。Qxj拜客生活常识网

海森堡的矩阵公式有点绕,物理学家对这种两个大表格互相乘的方程不感冒,大家更喜欢传统的一维方程,所以薛定谔方程慢慢成了描述微观粒子运动的主要理论。不过薛定谔方程虽然能用波函数描述粒子的运动,但对波函数求出的具体值有什么意义,大家都说不清楚,薛定谔自己也一脸懵,这个波函数的副产品成了谜一样的存在。

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