圭尔夫大学量子力学课程辅导

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量子力学在 20 世纪上半叶发展起来，其结果往往极其奇怪且违反直觉。然而，对它们的研究使物理学家对宇宙的本质有了更深入的理解，并且有一天可能会改变我们人类处理信息的方式。

一、谁发展了量子力学?

与大约在同一时期发展起来的阿尔伯特・爱因斯坦著名的相对论不同，量子力学的起源不能归功于单一的科学家。相反，根据苏格兰圣安德鲁斯大学的说法，在 19 世纪末至 20 世纪 30 年代期间，多位科学家为一个逐渐被接受并得到实验验证的基础做出了贡献。

1900 年，德国物理学家马克斯・普朗克试图解释为什么特定温度下的物体，比如 1470 华氏度(800 摄氏度)的灯泡灯丝会发出特定的颜色 —— 在这种情况下是红色，根据圆周理论物理研究所的说法。普朗克意识到物理学家路德维希・玻尔兹曼用于描述气体行为的方程可以转化为对温度和颜色之间这种关系的解释。问题是玻尔兹曼的工作基于任何给定的气体都是由微小粒子组成的这一事实，这意味着光也是由离散的小块组成的。

这个想法与当时关于光的观念背道而驰，当时大多数物理学家认为光是连续的波而不是微小的粒子包。普朗克本人既不相信原子也不相信离散的光粒子，但在 1905 年，当爱因斯坦发表了一篇论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》时，他的概念得到了推动。

爱因斯坦设想光不是以波的形式传播，而是以某种 “能量量子” 的形式传播。爱因斯坦在他的论文中提出，这种能量包 “只能作为一个整体被吸收或产生”，特别是当一个原子在量子化的振动频率之间 “跳跃” 时。这就是量子力学中 “量子” 一词的由来。

有了这种构想光的新方式，爱因斯坦在他的论文中对九种现象的行为提供了见解，包括普朗克所描述的从灯泡灯丝发出的特定颜色。它还解释了为什么某些颜色的光可以从金属表面击出电子 —— 这种现象被称为光电效应。

二、什么是波粒二象性?

在量子力学中，粒子有时可以以波的形式存在，有时可以以粒子的形式存在。这在双缝实验中最为著名，在这个实验中，像电子这样的粒子被射向一块有两个狭缝的板子，后面有一个屏幕，当电子击中屏幕时屏幕会亮起来。如果电子是粒子，它们在穿过其中一个狭缝后撞击屏幕时会在屏幕上形成两条亮线，根据《自然》杂志上的一篇热门文章。

相反，当进行这个实验时，屏幕上会形成一个干涉图样。这种明暗带的图案只有在电子是波，具有波峰(高点)和波谷(低点)，并且可以相互干涉时才有意义。即使一次只向狭缝发射一个电子，干涉图样也会出现 —— 这种效果就像一个电子在与自己干涉一样。

1924 年，法国物理学家路易・德布罗意利用爱因斯坦狭义相对论的方程表明，粒子可以表现出波的特性，波也可以表现出粒子的特性 —— 几年后他因这一发现获得了诺贝尔奖。

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