图说: 量子物理学的主要内容

一张量子物理图：让你全面认知量子力学

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百家号:量子认知
发布时间：2020-12-14 01:11
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[RbY转发注: 为了让条理更清晰,转发时加了0~8编号&小标题;另外,针对非物理专业,因文中概念众多,已特意将重要概念突出加黑。]

0.量子物理学的主要内容

量子物理学是现代物理学的重要基础理论，在许多学科和近代技术中得到广泛应用，量子物理学的基石是量子力学，它相当复杂，许多人对其众多概念及其联系感到头疼。这张量子物理图，让你对量子力学有一个全面的认知。

首先，看一下这张图的大概结构：左上部是有关量子力学的基础，然后往下是关于从量子现象到量子技术，中心部关于量子理论，下部和右边是有关量子的学科和领域。

1.量子力学的由来

先从量子力学的由来说起。从18世纪到19世纪末，发现已有的经典物理理论，无法解释一些重要的现象，通过这些问题的认知，在20世纪初创立了量子力学。这些现象主要有：

气体吸收并发射特定频率的光，称为原子光谱。这是一个谜，对此没有已知的经典物理解释。
人们对原子是如何稳定的感到困惑。在古典物理学中，电子会不断辐射能量坍塌入原子核。
对放射性现象也缺乏合理的解释。
高温物体会发出不同频率的电磁辐射，这称为黑体辐射。从黑体观察到的光的分布与经典物理学的预测不符。
当光照射某些金属时，可以使电子飞走。这是所谓的光电效应，经典理论难以解释。

2.量子力学的基础

现在看一下量子力学的基础。量子力学的基石实验是双缝实验，电子通过两条缝发射，在后面的探测器上形成干涉图样，这种干涉模式是只能在波中看到的东西。这是量子波粒二象性的基本实验证据之一。

实际上，在量子力学数学中，所有粒子都被描述为波，通过称为波函数的数学工具。著名的薛定谔方程描述了这种波随时间变化的方式。但是我们始终无法直接看到这些波，因为我们检测到的只是粒子。
但是通过这个波函数，可以预测粒子可能出现的位置，可是必须对它们做一些数学运算。通过称为伯恩规则，得出粒子可能在哪里的概率分布。
这将我们带到了海森堡不确定性原理，它表示量子物体对于某些特性没有确定的值，例如位置和动量，如果粒子具有确定的位置，但是我们没有有关其动量的准确信息。
另一个重要的方程是狄拉克方程，它扩展了薛定谔方程，包括了相对论，并描述具有高能的粒子。
贝尔定理是另一个重要的基础概念，它证明了量子力学中的不确定性，不是对隐藏变量的认知不足所引起的，而是宇宙的基本组成部分，这也导致了非定域性的概念。
然后是对能量进行量子化，这就像电子这样的物体只能具有确定的能量的地方，这是量子力学中量子这个名称的起源。而量子化是因为它们的波函数只能以某些特定的方式振动，这也意味着量子总是具有最小量的能量，称为零点能量。这不仅适用于原子中的电子，甚至适用于真空的空间。

3.量子现象

现在，继续看一下量子系统所具有的量子现象的特征。量子力学中的粒子具有许多上面提到的特性。如位置和动量，还有许多其它特性。

自旋是一个非常重要的属性。所有粒子分为两类：具有整数自旋且都可以具有相同量子态的玻色子，和费米子具有一半整数自旋但不能具有相同的量子态。
当粒子有可能处于许多不同状态时，叠加是一种属性，例如同时在两个不同的地方。这表示其波动函数在两个不同位置具有值。尽管当测量它时，它只会在一个位置出现一次。
薛定谔的猫，就是对叠加的流行描述。这个猫最初旨在显示量子力学看起来荒谬，因为猫不能同时又是生又是死。但这不是因为叠加不是真实的。像猫这样的宏观物体由于退相干而失去了量子行为。量子物体与环境相互作用，量子行为在该环境消失，会发生退相干，将我们从量子领域带到所生活的环境。
纠缠表示两个或多个粒子的波函数相互作用并混合，使这些粒子成为了单个量子对象，这意味着不同粒子的性质相互关联，即使它们相距很远，这种描述粒子的波函数远离粒子传播的概念称为非定域性。
还有其它一些有趣的现象，它们仅在量子系统中发生。如量子隧穿，粒子具有穿越狭窄障碍的能力，这是因为它们的波动功能；超导电子在低温下以零电阻运动的能力；超流体出色的流动性，使流体以零粘度流动；还有量子霍尔效应，它是二维材料中电导的量子化；卡西米尔效应是由于在两块板之间切出大的量子波，而引起的非常短距离的吸引力。
在研究从一个集体行为到另一个集体行为时，相变系统的量子行为是一个重要的概念。这些类似于固体、液体和气体不同相之间的过渡。但是在量子相变中，不仅温度和压力起着重要作用，还可能有外加的磁场。

4.量子科技

现在来看有关量子科技的应用。我们每天都会使用很多技术，利用了量子的惊人特性。

激光使用一种称为受激发射的过程来创建具有许多光子的光束，这些光子的频率和相位都相同。
原子钟通过使用铯原子中非常特殊的超精细跃迁，产生的光的频率来保持令人难以置信的准确时间，这是我们全球定位系统的基础。
固体能带理论描述了许多不同固体材料中电子的能级，它是半导体产业的基础，产生了许多不同的技术，例如世界上每台计算机的构建基块晶体管。
电子显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜，使我们能够看到光学显微镜看不到的东西，因为它们可以看到比可见光小的波长来分辨诸如病毒或原子之类的物体。
磁共振成像技术被用于生物学和化学领域，例如查看我们的身体。使用巨型超导磁体来产生大磁场，制造如世界上最灵敏的磁传感器的超导量子干涉仪，其核心组件是超导线环，其中包含一个称为约瑟夫森结的绝缘间隙。

5.量子信息

量子信息是正在兴起和改善中的新技术

量子密码学利用量子纠缠进行通信。这种通信极为安全，并构成了量子互联网的基础。
量子位是量子计算机的构建块，使用量子叠加和纠缠来创建实际上在经典计算机上无法模拟的状态。挑战在于设计大批量子比特。这些量子比特可以保持足够长的连贯性以执行其计算。这并非易事，但潜力巨大。因为它们的组合叠加意味着他们可以同时探索指数级的计算能力。这使它们与我们每天使用的传统计算机处于不同的复杂度等级。
量子计算机有许多令人兴奋的应用。由于它的计算能力，量子模拟将有广阔的前景。对于发现具有全新特性的新材料，或解决化学和生物学中计算量巨大的任务，例如蛋白质折叠，将发挥巨大的作用。

6.量子相关领域

现在来看量子物理学的有关学科领域（从左至右）：

量子生物学研究量子力学在生物系统中的作用，关于能量的传输、光合作用的效率、和生物学中有许多过程。离开量子力学理论这些很难解释，例如鸟类的磁感受导航、我们的嗅觉和视觉如何工作、以及酶如何加速化学反应。
冷原子物理学是从凝聚态物理学演化而来，研究了在磁阱或光阱中控制，并通过激光冷却将其冷却至超低温的气体，研究许多异质相，如玻色-爱因斯坦凝聚物和莱德伯格物质，观察其行为，例如量子相变量子自旋系统。还有更多的冷原子实验也可以用作量子模拟器，还有量子传感器，例如引力传感器。
量子力学描述了原子中电子的行为，所以它也描述了化学的基本规则。薛定谔方程用来描述原子的电子结构，以及分子如何结合和移动，称为分子动力学。解决分子的量子力学是一项计算量很大的任务。计算技术对量子化学非常重要，一种流行的方法是称为量子蒙特卡洛的方法。
核物理学是对原子核以及核聚变或核聚变方式的研究，还描述了这些核反应中涉及的粒子和能量。核物理的应用如包括核电、核武器、核医学、核磁共振技术、离子注入和放射性碳测年等技术。

7.粒子物理

粒子物理学是从核物理学演变而来的，认知宇宙的基本粒子是什么以及它们如何相互作用。粒子物理学中的实验在大型粒子加速器中进行，高能粒子被粉碎，从而从碰撞能中产生出新的粒子，因此被称为高能物理学。

粒子物理学的标准模型描述我们所知道的所有基本粒子，这些粒子历经数十年被发现，其中最后一个是希格斯玻色子。标准模型的理论包括描述电磁力的量子电动力学、电弱相互作用，包括弱力，和量子色动力学，也描述了强力。
在标准模型中，这些都是量子场论，粒子被理解为是量子场的激发，这也决定了粒子之间如何相互作用。可能还有其他尚未发现的粒子。
暗物质有可能由称为弱相互作用的大颗粒的粒子组成，而弱力与引力之间的巨大差异被称为层次问题，可以通过称为超对称粒子的其他粒子来解决。粒子物理学的前沿是尝试探索新的方法，来探索高能潜在粒子的态势。

8.量子理论

最后进入量子理论部分，之所以把它放在中心部位，是因为它实际上涵盖了整张图中的每个角落。下里是一些重要的量子理论方面。量子理论的核心是设定基本的量子力学假设。

路径积分通过对粒子可能采取的所有可能路径，进行积分巧妙地计算粒子的运动。希尔伯特空间是描述量子系统所有可能状态的多维空间。量子力学的对称性是理论的重要组成部分，。它告诉我们守恒规则，基本上是粒子相互作用的规则。结果是，我们达到了当前理论认知的极限，。
有两个主要的理论领域：一个是量子力学诠释是试图解决波函数的反直觉含义，一个是量子引力旨在调和量子场论和广义相对论，以构建能解释一切的宏伟理论。
量子力学诠释的核心是测量问题。当对量子对象进行测量检测到粒子时，波函数突然改变。量子力学定律不包含对波函数实际发生作用的任何解释。在测量的瞬间，我们也不知道波函数是否真的存在。
量子力学中的这些概念性问题，多年来试图予以解释。默认的解释理论是哥本哈根诠释，其它有如导航波理论、多世界解释和量子贝叶斯等，还有其它许多不同的解释。之所以称为诠释或解释，是因为我们还没有任何实验来说明哪些是真实的、哪些不是。所以实际上只是一种想法的集合，而不是恰当的物理理论。

量子场论是对物理现实的最全面描述，结合了量子力学和狭义相对论。但是我们知道这不是完整的描述，因为它不包括广义相对论和引力。尝试将量子力学和广义相对论合并为一个统一的万物理论。

主要有弦论和圈量子引力论，M-理论将各种相容形式的超弦理论结合在一起。测试量子引力理论非常困难，因为需要非常高的能量，目前对量子引力探测的最大希望来自观察宇宙中的高能过程，大爆炸或黑洞的探测可能会给我们一些线索。这是一个活跃的研究领域。

以上，就是量子物理学的大概的主要内容。如果还需要具体地了解有关方面，可根据需要进一步的深入学习。这张简单扼要的量子物理图，希望能使你对量子力学有一个全面的了解。

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