通俗解释：量子力学基础知识

量子力学是一门令人感到深奥、违反直觉的理论，但这个理论并不是所想象的那么神秘与不可思议。如果你了解下面的量子力学基础知识，你会觉得量子力学更容易理解。

量子力学

量子力学是物理学的一个分支，也称为量子物理学或量子理论。

力学是物理学的一部分，涉及从炮弹到网球、汽车、火箭和行星等移动的东西。量子力学描述物体在分子、原子和亚原子等水平上的运动，例如光子和电子。

量子力学是一非常成功的科学理论，我们现代的科学技术和许多生活方式都依赖于量子力学的应用，但它却也使人难以理解。

这个理论被证明很有效，但是它似乎让我们去追逐奇异的东西：波是粒、粒是波；猫既是生、又是死；“远距离的怪异作用”等。

如果你曾经想知道使量子力学令人困惑的的理论背后的基础知识是什么，那么下面是对量子力学的几个基础问题的简单通俗的解释。

量子的由来

我们现在知道，所有物质都是由原子组成的。每个原子依次由电子“环绕”一个由质子和中子组成的原子核组成。原子是一个一个地离散的。它们是“有定域地点的”：即在“这里”或在“那里”。

但是在19世纪末，原子引起了很大的争议，这使得德国物理学家普朗克研究了所谓的“黑体”辐射的性质和行为。

普朗克得出的结论说，辐射被吸收和发射，就好像它是由一个个离散的量组成的，他将这个离散的量称为量子。1905年，爱因斯坦将这一量子观念进一步深入，他推测量子是真实的——辐射本身来自离散的光粒子。今天，我们称这些光粒子为光子。

光既像波又像粒子

这个问题的关键是一个称为“双缝实验”所观察的结果。

将光线穿过一个狭窄的孔或狭缝，它将从孔或狭缝中挤过，在边缘弯曲并散开来，这称为“衍射”。

将光线穿过并排切开的两条缝，会得到一种称为“干涉”的现象。由两个狭缝衍射的波会产生称为干涉条纹的亮带和暗带的交替模式。这种行为不仅限于光，如水波也很容易证明这种波的干扰。

但是，波本质上是“没有定域地点”的：它们在“这里”和在“那里”。爱因斯坦的假设并不是推翻所有关于光的非定域波状特性的证据。他的建议是，完整的描述在某种程度上也需要考虑其定域性的、类似粒子的特性。

所以，光既像波，又像粒子。

1923年，法国物理学家德布罗意提出了一个大胆的建议。如果光波也可以是粒子，那么像电子这样的粒子也可以是波吗？他在电子的波状性质（波长）和粒状性质（动量）之间建立起了直接的数学关系。

但这还不是一个完整的“波粒”物质理论。这项挑战落在了奥地利物理学家薛定谔身上。1926年初他提出了一个波动方程式，通过其中的波函数计算电子等粒子的运动。

波函数

在经典力学中所表示的函数概念的方式，是通过物理可观察量，例如可观察的能量和动量，来描述与拥有它们的对象的属性的关系，不存在真正的问题。

比如在经典力学中，如果想要计算以固定速度在空中飞行的物体的经典动量？很简单，测量物体的质量及其速度并将其相乘即可得到。

但是，如果想要知道一个电子在真空中自由移动的动量，该怎么办？在量子力学中，是通过对电子的波函数执行特定的数学运算来计算的。

这些操作是数学技巧，这些数学技巧如何起作用的？

简单来说，可以将这种数学操作视为如打开一个箱子的“钥匙”，从而使我们能够打开这个箱子、解锁波函数，得到“可观察的对象”。如果要得到电子的动量，则需要通过使用“动量钥匙”打开箱以得到电子的动量。不同的可观察对象值可以用不同的钥匙。

粒子真的像波吗？

如果电子的行为像波，那么，它们会被衍射吗？如果我们将电子束并排穿过两条缝，我们会在远处的屏幕上看到干涉条纹吗？如果我们限制电子束的强度，以致平均一次只有一个电子通过狭缝，该怎么办？然后怎样？

首先我们看到的是令人欣慰的结果。每个穿过狭缝的电子在屏幕上都记录为一个点，告诉我们“电子撞击到这里”。这与电子作为粒子的概念完全一致，因为看起来它们像一个一个地通过一个或另一条缝，并以看似随机的方式撞击屏幕。

但是，这个看似随机的被撞击的屏幕又具有一定模式：随着越来越多的电子通过狭缝，我们开始看到各个点组合在一起、重叠和合并。最终，得到了一个由亮条纹和暗条纹这两种条纹组成的交替的干涉图案。

也许，我们可以得出结论，电子的波特性是一种固有的行为。每个单独的电子都表现为一个波，由波函数描述，它同时穿过两条缝并在撞击屏幕之前对其自身产生干扰。

问题是，粒子可以同时在两个地方吗？如何精确地知道下一个电子将出现在哪里？

粒子可以同时在两个地方吗？

薛定谔曾想将波函数真正地解释为“物质波”的理论表示。但是为了使单个电子的干涉成立，必须寻求另一种解释，这种解释于1926年晚些时候由德国理论物理学家玻恩提出。

玻恩认为，在量子力学中，波函数的平方是对在特定位置“找到”其相关电子的概率的度量。

电子波的波峰和波谷的交替转化为了量子概率模式：在变为亮条纹的位置，找到下一个电子的可能性更高；而在变为暗条纹的位置，找到下一个电子的可能性较小。

在电子撞击屏幕之前，很可能会发现波函数的平方都大于零的电子：“在这里”、“在那里”、或“在任何地方”。许多具有这样可能概率的状态都同时在一起存在，称为“量子叠加”。

这是否意味着单个电子同时可以位于一个以上的位置？不是的。可以说，每次有可能在多个地方发现它。如果我们想将波函数解释为真实的物理事物，则可以感觉到它是非定域性的，这种非定域性有时也称为不确定性。

但是，如果通过这样的“单个电子”将电子称为粒子，则存在一种感觉，在这种情况下，直到波函数与屏幕相互作用，在这个作用点“塌缩”，电子仅在一个地方出现在了“这里”。

量子力学中的概率

投掷一个硬币有50％的概率落在“正面”或“反面”，只是我们不能预测它将具体落在哪一个面上，这是基于无法知道所导致的经典概率的概念。

硬币在空中旋转时，仍然会具有正面和反面的两个侧面，但是我们不知道其运动的确切细节，所以无法确定最终哪个面朝上。从理论上讲，如果我们确切地知道硬币运动有关所有细节，就会预测它将落在哪一面。

概率在量子力学中很重要，但是量子概率与经典概率不同。当抛掷一枚量子硬币时，可以对它的运动的许多细节都非常了解，但是我们不能假定在这个硬币落定之前是“正面”或“反面”，需要观察。

因此，拥有多少有关量子概率的信息并不重要，仍永远无法确定结果将是什么，因为它不是像经典概率那样如掌握充足信息可能预先确定。

爱因斯坦完全不赞成量子力学这种看起来偶然、不确定的元素与概念，他为此著名地宣称：“上帝不玩骰子”。

这场论战到如今还在延续着。量子力学所提出的基本问题如：波函数是什么？应该如何解释？量子力学告诉我们关于物理现实的本质是什么？归根结底，什么是真实？等。这些重要而基础的问题还有待于进一步探索，科学家和哲学家们也在不断地探索之中。如果有那么一天这些基础问题得到了解决，量子力学就不会再使人感到深奥与神秘。