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量子力学是什么?都有哪些应用?

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online_member 发表于 6 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式
量子力学是什么?都有哪些应用?
online_member 发表于 6 天前 | 显示全部楼层
大多数理工科学生是在大学物理的最后一部分接触量子力学及其应用的。从学习的角度来说这是大部分人学习物理学的顶点。量子力学和相对论一起构成了今天物理学的基础。
随着时代的发展,量子力学也是很多工程技术的基础,是理工科各专业学生进一步学习各自专业课的基础。没有量子力学就没有半导体技术,就没有今天蓬勃发展的计算科学与信息技术。没有量子力学也不会有分子生物学,不会有蛋白质及DNA分子结构的发现。
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X射线衍射技术,电子显微术,中子显微术等对生命科学的发展至关重要。

这意味着对大多数同学来说,将来真正进入科研阶段,不论你从事的是物质科学,计算科学,还是生命科学,量子力学都有可能成为你在科研工作中的日常语言。因此,学好量子力学,不仅仅是物理系同学的任务,也是今天各学科、各专业的共同任务。

量子力学的诞生也不仅仅是源自物理学内部的需要,如果我们看一下科学史的话,我们会发现化学对量子力学的出现起了非常重要的助推作用。比如门捷列夫的元素周期表,比如居里夫人对放射化学的研究……,甚至地质学的发展对量子力学的诞生也有助推作用,开尔文勋爵曾经用热力学和经典力学计算了地球和太阳的寿命,发现计算结果远远小于地球上很多化石的寿命。

当然我们在课堂上讲授量子力学的时候,由于时间的限制不可能真实地还原量子力学诞生的方方面面,我们给出的是一个简化后的故事,这个故事帮助我们在最短的时间内掌握量子力学的基本概念及研究方法。
这里提出一个学习的小建议,对于学习来说不要怕重复,比如我们会发现高中学物理的时候就已经学过了光电效应,大学的时候还会再学一遍,但这不是简单的重复,当我们背景知识多到一定程度,即便是重新陈述一遍光电效应的主要实验事实,对有心人来说也是不一样的,在新的知识基础上重新思考旧问题正是我们在学习上取得进步的途径。

初学量子力学最重要的概念是“波粒二象性”,我们有两个线索,一个线索是追问光的本性是什么?另一个线索是追问电子的本性是什么?
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G P 汤姆逊(J J 汤姆逊的儿子)做了电子衍射实验,证明电子是一种波动。父亲证明电子具有粒子性,儿子证明电子具有波动性。

关于光的本性,最早人们认为是粒子,后来惠更斯等认为是波动,到了麦克斯韦更进一步判定光是一种电磁波,随后赫兹又做实验验证了电磁波和光波的物理性质一样。当普朗克解释黑体辐射实验的时候,光的波动图像已经牢固地确立了,但普朗克为了解释黑体辐射规律不得不引入量子概念,认为光的能量存在一份、一份的量子。爱因斯坦在此基础上干脆认为光就是粒子,具有确定的能量和确定的动量。爱因斯坦的这个大胆的猜测被康普顿实验证实了,光子可以和碳原子中的电子发生碰撞,并发生能量和动量的交换,这种碰撞就和我们平时在台球桌上看到的白球和红球的碰撞一样。

关于电子的本性,汤姆逊实验发现电子可以在电场和磁场中偏转,并由此测定了电子的荷质比(电荷与质量的比值)。密立根的油滴实验直接测量了电子的电荷,由此我们可以推算出电子的质量比原子的质量小得多。为了推测原子中正电部分的分布,卢瑟福用高速运动的α粒子撞击金属薄片,发现有些α粒子竟然被反弹回来了,这说明原子中的正电部分(原子核)是集中分布的。如果我们把电子设想为一个很小很轻的带负电的粒子的话,它就应该在带正电的很大很重的原子核附近做“圆周运动”,但这种圆周运动是不稳定的,随着电子以电磁波的形式向外辐射能量,电子很快就会落在原子核上。

为了解释氢原子光谱现象,玻尔提出了一个简单的模型,他认为电子只能在原子核周围特定轨道上运动,玻尔称这些轨道为定态,当电子处在定态的时候,电子不向外辐射电磁波。电子在两个定态之间可以发生跃迁,在此过程中会伴随着光子的发射或吸收。

那么为什么电子处在定态时是稳定的呢?德布罗意把这个状态想象成一种“驻波”,换句话说电子现在必须被重新理解为一种“波动”的图像,这种波叫“物质波”。德布罗意的“物质波”概念是理解量子力学的基础。电子和光子都是物质波,只不过前者是费米子而后者是玻色子。

为了尽快引入“物质波”概念,费曼从一个理想化的实验——双缝干涉——直接出发,建立量子力学。双缝实验是个很直观的实验,我们在自家浴缸里就可以做,同时干涉现象也是我们从前学习光学时仔细讨论过的。
量子力学是不同于经典物理学的新物理,通过费曼的双缝实验或物质波概念,我们可以重新构造描述电子的理论。在量子力学中,我们用波函数来描述电子的运动,并且满足波动的叠加原理,比如电子可以在左边,用波函数ψL表示,电子还可以在右边,用波函数ψR表示,波函数的叠加:ψL+ψR,表示电子同时在左边也在右边。
这些疯狂的陈述与我们的日常经验相去甚远,但这就是量子力学,它成功地解释了从原子到原子核,到基本粒子领域里的现象,也成功地解释了从原子到分子,到固体物理领域的现象。现在有些科学家甚至已经在基于量子力学一个原子、一个原子或一层原子、一层原子地设计材料的性质了。
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各种二维材料。面内是共价键,面间是范德瓦尔斯力。通过堆叠不同的二维材料从而实现对材料物性的设计。

总之,不论是广度,还是深度,量子力学都取得了极大的成功。

大学阶段的量子力学会比较重视:波函数的叠加,量子隧穿,不确定原理,波函数的概率解释等。相对忽视的概念有:量子纠缠,量子力学的测量理论,量子力学中的相位等,传统上国内的教材对这些概念介绍的也比较少。

值得注意的是这些教学中相对被忽视的概念在量子力学中的地位并不低,比如量子纠缠是量子信息和量子计算的基础,测量理论和量子力学的基础有关,量子力学中的相位与规范场论和凝聚态中的场论有关等等。
online_member 发表于 6 天前 | 显示全部楼层
量子力学在一般大众眼里,要不然就是一门高深玄奥而又前沿的学科,要不然就是一个似是而非骗人的鬼把戏,其实这些理解都是错误的。
量子力学是一门发展了一百多年的严谨的学科,并且其应用早就已包围了你的生活,例如激光、数码相机里的感光元件、晶体管、扫描隧道显微镜、核磁共振仪等等!当然,也有现在关注度极高的一些黑科技,例如量子通讯、量子计算机等等!
量子力学诞生于1900年,最早由普朗克在研究“黑体辐射”时提出。普朗克发现,只有把能量看成一份份的,才能解释“”黑体辐射”的曲线,而他经过计算,这每一份能量数值为6.626×10-34 J.s,也就是普朗克常数h,而总能量必须是h的整数倍。
由于这个h非常非常小,宏观条件下根本感觉不到,因此长久以来科学家一直认为能量是平滑连续的,而普朗克常数的出现,打破了人们的固有思维,是一次科学史上的伟大革命!后来人们把这一份份的能量命名为“量子”,量子力学因此而诞生!
可能是“量子”太具有革命性,也可能是普朗克相对保守,总之,普朗克被自己发现的东西“吓住了”,其后,他一直反对将量子的研究扩大化,认为量子可能只是在“黑体辐射”中的一个个案,可能不具有普遍性。
爱因斯坦打破了这个僵局!他发现,只有把光看成一份一份的,才能解释“光电效应”,光是一种电磁波,竟然也是一份一份的!后来被人们称为“光子”!爱因斯坦因为成功解释“光电效应”而成功获得了诺贝尔奖!
再后来,量子力学快速发展,人们发现电子等实物粒子也是一种波,正是所谓的“波粒二象性”;量子力学方程相继被发现,包括“薛定谔方程”和相对论性的“狄拉克方程”,再到后来,出现了集大成者——哥本哈根学派,波尔是其代表……
普朗克、爱因斯坦、薛定谔、狄拉克、泡利、海森堡、波尔等一大批科学巨匠,为量子力学的发展前赴后继,直到现在,量子力学发现成为了一门理论成熟的学科,它的理论预言,至今为止没有错过一次!这真的令人惊叹!
应该说,量子力学的理论相对完善成熟,而对它的技术应用,只是刚刚开始!人们发现了一座金山,只开采了一点点……
最后再强调一下,量子力学就是一门严谨的科学,不应该庸俗化、神话化、符号化、宗教化,更不能拿来炒作圈钱!下次碰到鼓吹量子无所不能的人,请果断远离!你说呢?


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东升西落——专注回答科普问题的理科男,研究生学历,酷爱物理学及科普著作,高中时就加入物理兴趣团体,登过天文台,看过望远镜,找过室女座……。回答特点:力求通俗而准确,严谨而活泼,喜欢的话请关注我,谢谢。
有问题的欢迎回复,知无不尽,言无不答!
online_member 发表于 6 天前 | 显示全部楼层
量子力学是物理系(学院)的一门专业课。如同经典力学(牛顿力学和分析力学)是宏观世界的物理学一样,量子力学是微观世界的物理学。由于经典力学是量子力学在宏观尺度的近似,因此量子力学比经典力学更基本更深入地描述了这个宇宙。从根本上说,我们的宇宙是受量子力学支配的。
20世纪初普朗克、爱因斯坦、玻尔等人就提出了量子理论的雏形,而20世纪20年代海森堡、薛定谔,狄拉克等人正式建立的量子力学,是物理学史上最重要最彻底的一次革命。量子力学和相对论也被誉为是现代物理学的两大支柱,但是量子力学的研究内容和相关领域要远多于相对论:量子力学和狭义相对论结合而成的量子场论是粒子物理学的基础,解释了从基本粒子到宇宙繁星各个方面。量子力学本身是原子分子物理学、凝聚态物理学和量子光学的基础,并通过半导体和激光的发明,催生了人类的第三次科技革命(即信息革命),把人类文明带入了互联网时代。
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online_member 发表于 6 天前 | 显示全部楼层
量子层面的东西很难跟每个人讲清楚吧。我也不太清楚,有自己的一点理解而已。量子力学就是微观层面的牛顿经典力学,大概就是这个意思。量子就是最小的不可在分的物理量。所以也可以说量子力学是物质最小单元的运动。大家都知道的薛定谔的猫,量子的纠缠,现在的量子通信,都是讲的量子层面的东西。这个有些听了就懂点,有的只会越听越迷糊。不必纠结这个,就像说的科学越研究到尽头越发现像神学了
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