量子力學是描寫微觀物質的一種物理學理論,與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱,許多物理學理論和科學如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關的學科都是以量子力學為基礎。當時的科學家為了解決當時不能用經典物理學解決的四大問題,所以創立了量子力學,1900年被譽為量子年,當時引用了量子力學去解決了四大問題。
氫原子光譜、黑體輻射、光電效應和原子穩定性問題的解釋都引用了普朗克的量子論,普朗克被譽為量子力學之父。簡單通俗的講,當時的量子力學主要是指不能用經典物理學解釋的東西,都可以解釋成不連續,一份一份的,比如能量不是連續的,而是一份一份的;解釋原子穩定性問題時,電子層數不是連續的,是一層一層的,電子是躍遷運動的等等。
量子力學的基本原理包括量子態的概念,運動方程、理論概念和觀測物理量之間的對應規則和物理原理。
當時剛提出來量子力學還算是比較容易讓人接受,但是隨著不確定原理、疊加態和波函數等概念提出來後,就連愛因斯坦都不能再認可了,愛因斯坦到死都沒能認可量子力學。為什麼這些概念的提出後,大家都不能認可或者理解呢?主要是這些概念實在太違背我們已經既定的定律或者定理,比如最著名的要數薛丁格的貓,一隻既死又活的貓,一隻貓它既是死的也是活的兩種狀態疊加在一起,當我們打開盒子時,波函數坍塌那麼貓的死活就瞬間確定。在我們宏觀世界怎麼可能接受一隻既死又活的貓呢,根本無法理解。
薛丁格的貓是諸多量子困惑中有代表性的一個。一隻貓被封在一個密室裡,密室裡有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個錘子,錘子由一個電子開關控制,電子開關由放射性原子控制。如果原子核衰變,則放出阿爾法粒子,觸動電子開關,錘子落下,砸碎毒藥瓶,釋放出裡面的氰化物氣體,貓必死無疑。原子核的衰變是隨機事件,物理學家所能精確知道的只是半衰期——衰變一半所需要的時間。如果一种放射性元素的半衰期是一天,則過一天,該元素就少了一半,再過一天,就少了剩下的一半。物理學家卻無法知道,它在什麼時候衰變,上午,還是下午。當然,物理學家知道它在上午或下午衰變的機率——也就是貓在上午或者下午死亡的機率。如果我們不揭開密室的蓋子,根據我們在日常生活中的經驗,可以認定,貓或者死,或者活。這是它的兩種本徵態。
「薛丁格的貓」這個思想實驗本來是薛丁格用來諷刺量子力學的一個笑話,誰知道根本哈根學派完美的解釋了這個實驗,結果這個實驗成了我們理解量子力學最好的一個途徑或者工具。
1996年5月,美國科羅拉多州博爾德的國家標準與技術研究所(NIST)的Monroe等人用單個鈹離子做成了「薛丁格的貓」並拍下了快照,發現鈹離子在第一個空間位置上處於自旋向上的狀態,而同時又在第二個空間位置上處於自旋向下的狀態,而這兩個狀態相距80納米之遙!有沒有既死又活的貓雖不能直接證明,但是科學家們用實實在在的實驗證明了離子同時存在兩種相反的自旋,相當於宏觀世界既死又活的貓。
其實薛丁格的貓也很好理解,假如一個病人要做手術了,家屬問醫生手術成功的概率是多大,醫生回答到:不存在概率多大,做成功了就是100%,做失敗了就是0%,就像薛丁格的貓一樣,沒開盒子之前,生死都有可能,但是打開後要不是活的,要不是死的,兩個概率瞬間變成了0%和100%。
測不準原理更加顛覆了我們的現在有物理概念,在牛頓力學體系下,世界上的任何一個物理運動都會有一個確定值,我們用時空坐標和時間坐標就能準確的描述一個物體,比如地球在19年5月1日會在哪一個地理位置,我們是可以預測到的或者是確定的。但是在微觀世界裡面,量子的很多東西都是不可測定或者不可預測的。下一篇文章主要介紹測不準原理。