悉尼大学PHYS1904量子物理学讲解

PHYS1904面向具有深厚物理学背景并有兴趣学习更高级主题的高成就学生。它与 PHYS1902 共享讲座和辅导课程，包括流体、电和磁以及量子物理主题的模块。实验室部分的特点是与学院一个研究小组的研究人员一起执行一个研究项目。这门课程中量子物理学是一大难点，今天就把它单拎出来进行讲解。

一、什么是量子理论?

量子理论是解释亚原子现象的基础理论。这一理论基本上解释了物质和能量在原子层次上的性质和行为。

一般来说，经典物理学通常用于解释宏观层次上的物理现象。然而，量子理论进一步解释了发生在亚原子层次上的现象。量子理论与广义相对论一起，是物理学的广泛而重要的领域，提供了一种新的看待世界的方式。

二、量子理论的发展

在20世纪初，一位名叫马克斯·普朗克的德国物理学家提出了他的量子假设，他解释了来自一个发光体的辐射在温度升高时如何从红色变成橙色再到蓝色。这一现象也被称为黑体辐射。

在他的实验中，他发现能量存在于单一单位中，就像物质一样，而不是连续的电磁波。基于这一假设，能量是可量化的。发现这些单位是量子假设的主要前提。

后来，普朗克制定了一个数学方程，包括一个数字来表示能量的个别单位。他称之为量子。有了这个方程，他进一步巩固了关于这一发现的假设。普朗克在1918年因他的假设获得了诺贝尔物理学奖。然而，三十年的时间内，不同研究人员的进展都有助于对量子理论的现代理解。

1905年，阿尔伯特·爱因斯坦进一步发展了这一理论，他提出辐射，除了能量外，也以类似的方式进行量子化。他还使用这一假设来解释光电效应。

1924年，法国物理学家路易·德布鲁意提出，在亚原子层次上，物质和能量的行为没有太大的区别。在这个层次上，它们都可以作为波动或粒子来表现。这一假设被称为波粒二象性原理。

同样，在1926年，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔还提出了粒子波函数的偏微分方程。他的方程还描述了量子状态的时间演化。

随着年月的推移，1927年，维尔纳·海森伯提出，粒子的两个互相关的性质，如位置和力的精确同时测量是不可能的。这导致了海森伯不确定性原理的发展。

三、量子理论的影响和应用

在上个世纪的确立后，许多研究人员一直在努力发展量子理论的新版本。其中一些著名的包括尼尔·玻尔的哥本哈根解释和多世界或多元宇宙理论。在三十多年的时间里，还有不同的理论解释。

不管怎样，如今，量子理论的原则被应用在许多领域。量子力学本身用于解释宇宙的各种特征，以及揭示亚原子粒子(如质子、电子、中子、光子等)的个体行为。

除了物理学，量子力学还在化学中得到应用，其应用被称为量子化学。量子力学为化学键合过程提供了定量的洞察，现代计算化学中的大多数计算都基于量子力学。

更重要的是，大多数现代技术都基于量子理论，其中量子效应具有重要作用。

量子理论的其他应用包括：

- 量子光学

- 量子计算

- 发光二极管

- 超导磁体

- 光放大器和激光器

- 晶体管

- 半导体

- 磁共振成像

- 电子显微镜

常见问题解答：量子理论

Q1 定义量子理论。

量子理论是一种物理学理论，基于将辐射能量分为有限的量子，用于解释需要在原子或分子尺度上进行能量转移或转化的各种过程。

Q2 谁发展了量子理论?

量子理论的奠基人是马克斯·普朗克。他因他的量子理论工作而获得了诺贝尔物理学奖。阿尔伯特·爱因斯坦也被视为量子理论的先驱之一，因为他在他的光电效应理论中将光(光子)描述为能量量子，为此他于1921年获得了诺贝尔奖。

Q3 解释海森伯的不确定性原理。

海森伯的不确定性原理规定，不可能完全准确地知道粒子(如光子或电子)的位置和速度，越是确定粒子的位置，我们就越不了解其速度，反之亦然。这一原理是由德国物理学家维尔纳·海森伯于1927年提出的。

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