加拿大皇后大学量子物理学的基础关键概念指南

量子物理学是对物质和能量最基本层面的研究。它旨在发现自然界最基本组成部分的特性和行为。

虽然许多量子实验研究的是非常小的物体，如电子和光子，但量子效应就在我们身边，并在所有尺度上发挥作用。然而，我们可能不容易在较大的物体中探测到它们。这会给人一种量子效应很奇怪的错觉。事实上，量子科学填补了我们物理学知识的空白，让我们对日常生活有了更全面的了解。

量子发现已经融入我们对材料、化学、生物学和天文学的基本理解。这些发现是宝贵的创新源泉，催生了激光和晶体管等设备，并使量子计算机等一度被认为纯属猜测的技术取得了真正的进步。物理学家正在探索量子科学的潜力，以改变我们对重力及其与空间和时间关系的看法。量子科学甚至可能揭示宇宙(或多个宇宙)中的万事万物是如何通过我们的感官无法理解的更高维度与万事万物联系在一起的。

一、物理学的起源

量子物理学兴起于 19 世纪末 20 世纪初，源于对原子的一系列实验观察，这些观察在经典物理学中没有直观的意义。在这些基本发现中，人们认识到物质和能量可以被视为离散的数据包或量子，它们都有一个最小值。例如，恒定频率的光以称为 "光子 "的量子形式提供能量。这个频率下的每个光子都具有相同的能量，而且这种能量不能被分割成更小的单位。事实上，"量子 "一词源于拉丁语，意思是 "多少"。

量子原理的知识改变了我们对原子的理解，原子由电子包围的原子核组成。在早期的模型中，电子被描述为围绕原子核运行的粒子，就像卫星围绕地球运行一样。现代量子物理学认为电子分布在轨道中，这种数学描述代表了电子在给定时间内处于给定范围内多个位置的概率。电子在获得或失去能量时可以从一个轨道跳到另一个轨道，但不能在轨道之间移动。

二、为量子物理学的发展奠定了基础的关键概念

1.波粒二象性

这一原理可追溯到量子科学的早期。它描述的实验结果表明，光和物质具有粒子或波的特性，这取决于如何测量它们。今天我们知道，这些不同形式的能量实际上既不是粒子也不是波。它们是独立的量子物体，我们无法轻易感知。

2.叠加

这是一个术语，用来描述一个物体同时具有几种可能状态的组合。叠加对象类似于湖面上的波纹，它是两个重叠波纹的组合。在数学意义上，重叠对象可以用一个方程来表示，这个方程有不止一个解或结果。

3.不确定性原理

这是一个数学概念，表示互补近似之间的权衡。在物理学中，这意味着一个物体的两个属性(如位置和速度)不可能同时完全已知。例如，如果我们仔细测量电子的位置，那么我们知道其速度的精确度就会受到限制。

4.纠缠

当两个或两个以上的物体以这样一种方式连接在一起时，即使它们相距甚远，也可以将它们视为一个单一的系统。如果没有另一个物体的状态信息，就无法完全描述该系统中一个物体的状态。同样，一个物体的信息会自动告诉另一个物体的信息，反之亦然。

三、观测量子物体

观测是量子物理学中一个颇具争议的话题。在这一领域发展的早期，研究人员惊讶地发现，实验结果可能会受到观测本身的影响。例如，一个电子在未被观测时表现得像波，但当它被观测时，波坍缩了(或更准确地说 "衰减 "了)，电子表现得像粒子。科学家们现在已经意识到，"观测 "一词在这种情况下会产生误导，因为它意味着意识的参与。取而代之的是，"测量 "一词能更好地描述这种效应，即结果的变化是由于量子现象与外部环境(包括用于测量现象的仪器)之间的相互作用造成的。然而，即使是这种联系也有注意事项，我们仍然需要全面了解测量与结果之间的联系。

四、数学与量子对象的概率性质

由于量子物理学的许多概念很难甚至不可能形象化，因此数学对这一领域至关重要。方程被用来帮助描述或预测量子对象和现象，其准确性超过我们的想象力。

量子现象的概率性质也需要数学来表示。例如，电子的位置可能无法准确知道。相反，它可以被描述为处于许多可能的位置(如轨道内)，每个位置都与在该位置找到电子的概率相关联。

鉴于其概率性质，量子对象通常用数学 "波函数 "来描述，它是薛定谔方程的解。水中的波可以用波通过一个确定点时水的高度变化来描述。同样，声波也可以用空气分子在通过某点时压缩或膨胀的变化来描述。波函数与物理特性的关系并非如此。波函数的解提供了观察者在一组潜在选择中遇到特定物体的概率。然而，正如池塘中的一圈涟漪或小号吹出的一个音符会扩散开来，并不局限于一个地方，量子物体可以同时出现在多个地方--而且可以呈现不同的状态，就像叠加一样。

五、双缝实验

量子物理学中最权威的实验或许是双缝实验。这个实验是让光子或电子等粒子通过一个有两个狭缝的屏障，最初是在 1801 年用来证明光是由波组成的。从那时起，这个实验被反复用来证明物质也可以表现得像波一样，以及证明叠加、纠缠和观察者效应的原理。

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