一張量子物理圖:讓你全面認知量子力學

量子物理學是現代物理學的重要基礎理論，在許多學科和近代技術中得到廣泛應用，量子物理學的基石是量子力學，它相當複雜，許多人對其眾多概念及其聯繫感到頭疼。這張量子物理圖，讓你對量子力學有一個全面的認知。

首先，看一下這張圖的大概結構：左上部是有關量子力學的基礎，然後往下是關於從量子現象到量子技術，中心部關於量子理論，下部和右邊是有關量子的學科和領域。

先從量子力學的由來說起。從18世紀到19世紀末，發現已有的經典物理理論，無法解釋一些重要的現象，通過這些問題的認知，在20世紀初創立了量子力學。這些現象主要有：

氣體吸收並發射特定頻率的光，稱為原子光譜。這是一個謎，對此沒有已知的經典物理解釋。人們對原子是如何穩定的感到困惑。在古典物理學中，電子會不斷輻射能量坍塌入原子核。對放射性現象也缺乏合理的解釋。高溫物體會發出不同頻率的電磁輻射，這稱為黑體輻射。從黑體觀察到的光的分布與經典物理學的預測不符。當光照射某些金屬時，可以使電子飛走。這是所謂的光電效應，經典理論難以解釋。現在看一下量子力學的基礎。量子力學的基石實驗是雙縫實驗，電子通過兩條縫發射，在後面的探測器上形成幹涉圖樣，這種幹涉模式是只能在波中看到的東西。這是量子波粒二象性的基本實驗證據之一。

實際上，在量子力學數學中，所有粒子都被描述為波，通過稱為波函數的數學工具。著名的薛丁格方程描述了這種波隨時間變化的方式。但是我們始終無法直接看到這些波，因為我們檢測到的只是粒子。但是通過這個波函數，可以預測粒子可能出現的位置，可是必須對它們做一些數學運算。通過稱為伯恩規則，得出粒子可能在哪裡的概率分布。這將我們帶到了海森堡不確定性原理，它表示量子物體對於某些特性沒有確定的值，例如位置和動量，如果粒子具有確定的位置，但是我們沒有有關其動量的準確信息。另一個重要的方程是狄拉克方程，它擴展了薛丁格方程，包括了相對論，並描述具有高能的粒子。貝爾定理是另一個重要的基礎概念，它證明了量子力學中的不確定性，不是對隱藏變量的認知不足所引起的，而是宇宙的基本組成部分，這也導致了非定域性的概念。然後是對能量進行量子化，這就像電子這樣的物體只能具有確定的能量的地方，這是量子力學中量子這個名稱的起源。而量子化是因為它們的波函數只能以某些特定的方式振動，這也意味著量子總是具有最小量的能量，稱為零點能量。這不僅適用於原子中的電子，甚至適用於真空的空間。現在，繼續看一下量子系統所具有的量子現象的特徵。量子力學中的粒子具有許多上面提到的特性。如位置和動力，還有許多其它特性。

自旋是一個非常重要的屬性。所有粒子分為兩類：具有整數自旋且都可以具有相同量子態的玻色子，和費米子具有一半整數自旋但不能具有相同的量子態。當粒子有可能處於許多不同狀態時，疊加是一種屬性，例如同時在兩個不同的地方。這表示其波動函數在兩個不同位置具有值。儘管當測量它時，它只會在一個位置出現一次。薛丁格的貓，就是對疊加的流行描述。這個貓最初旨在顯示量子力學看起來荒謬，因為貓不能同時又是生又是死。但這不是因為疊加不是真實的。像貓這樣的宏觀物體由於退相干而失去了量子行為。量子物體與環境相互作用，量子行為在該環境消失，會發生退相干，將我們從量子領域帶到所生活的環境。糾纏表示兩個或多個粒子的波函數相互作用並混合，使這些粒子成為了單個量子對象，這意味著不同粒子的性質相互關聯，即使它們相距很遠，這種描述粒子的波函數遠離粒子傳播的概念稱為非定域性。還有其它一些有趣的現象，它們僅在量子系統中發生。如量子隧穿，粒子具有穿越狹窄障礙的能力，這是因為它們的波動功能；超導電子在低溫下以零電阻運動的能力；超流體出色的流動性，使流體以零粘度流動；還有量子霍爾效應，它是二維材料中電導的量子化；卡西米爾效應是由於在兩塊板之間切出大的量子波，而引起的非常短距離的吸引力。在研究從一個集體行為到另一個集體行為時，相變系統的量子行為是一個重要的概念。這些類似於固體、液體和氣體不同相之間的過渡。但是在量子相變中，不僅溫度和壓力起著重要作用，還可能有外加的磁場。現在來看有關量子科技的應用。我們每天都會使用很多技術，利用了量子的驚人特性。

雷射使用一種稱為受激發射的過程來創建具有許多光子的光束，這些光子的頻率和相位都相同。原子鐘通過使用銫原子中非常特殊的超精細躍遷，產生的光的頻率來保持令人難以置信的準確時間，這是我們全球定位系統的基礎。固體能帶理論描述了許多不同固體材料中電子的能級，它是半導體產業的基礎，產生了許多不同的技術，例如世界上每臺計算機的構建基塊電晶體。電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡，使我們能夠看到光學顯微鏡看不到的東西，因為它們可以看到比可見光小的波長來分辨諸如病毒或原子之類的物體。磁共振成像技術被用於生物學和化學領域，例如查看我們的身體。使用巨型超導磁體來產生大磁場，製造如世界上最靈敏的磁傳感器的超導量子幹涉儀，其核心組件是超導線環，其中包含一個稱為約瑟夫森結的絕緣間隙。

量子信息是正在興起和改善中的新技術

量子密碼學利用量子糾纏進行通信。這種通信極為安全，並構成了量子網際網路的基礎。量子位是量子計算機的構建塊，使用量子疊加和糾纏來創建實際上在經典計算機上無法模擬的狀態。挑戰在於設計大批量子比特。這些量子比特可以保持足夠長的連貫性以執行其計算。這並非易事，但潛力巨大。因為它們的組合疊加意味著他們可以同時探索指數級的計算能力。這使它們與我們每天使用的傳統計算機處於不同的複雜度等級。量子計算機有許多令人興奮的應用。由於它的計算能力，量子模擬將有廣闊的前景。對於發現具有全新特性的新材料，或解決化學和生物學中計算量巨大的任務，例如蛋白質摺疊，將發揮巨大的作用。

現在來看量子物理學的有關學科領域（從左至右）：

量子生物學研究量子力學在生物系統中的作用，關於能量的傳輸、光合作用的效率、和生物學中有許多過程。離開量子力學理論這些很難解釋，例如鳥類的磁感受導航、我們的嗅覺和視覺如何工作、以及酶如何加速化學反應。冷原子物理學是從凝聚態物理學演化而來，研究了在磁阱或光阱中控制，並通過雷射冷卻將其冷卻至超低溫的氣體，研究許多異質相，如玻色-愛因斯坦凝聚物和萊德伯格物質，觀察其行為，例如量子相變量子自旋系統。還有更多的冷原子實驗也可以用作量子模擬器，還有量子傳感器，例如引力傳感器。量子力學描述了原子中電子的行為，所以它也描述了化學的基本規則。薛丁格方程用來描述原子的電子結構，以及分子如何結合和移動，稱為分子動力學。解決分子的量子力學是一項計算量很大的任務。計算技術對量子化學非常重要，一種流行的方法是稱為量子蒙特卡洛的方法。核物理學是對原子核以及核聚變或核聚變方式的研究，還描述了這些核反應中涉及的粒子和能量。核物理的應用如包括核電、核武器、核醫學、核磁共振技術、離子注入和放射性碳測年等技術。粒子物理學是從核物理學演變而來的，認知宇宙的基本粒子是什麼以及它們如何相互作用。粒子物理學中的實驗在大型粒子加速器中進行，高能粒子被粉碎，從而從碰撞能中產生出新的粒子，因此被稱為高能物理學。

粒子物理學的標準模型描述我們所知道的所有基本粒子，這些粒子歷經數十年被發現，其中最後一個是希格斯玻色子。標準模型的理論包括描述電磁力的量子電動力學、電弱相互作用，包括弱力，和量子色動力學，也描述了強力。在標準模型中，這些都是量子場論，粒子被理解為是量子場的激發，這也決定了粒子之間如何相互作用。可能還有其他尚未發現的粒子。暗物質有可能由稱為弱相互作用的大顆粒的粒子組成，而弱力與引力之間的巨大差異被稱為層次問題，可以通過稱為超對稱粒子的其他粒子來解決。粒子物理學的前沿是嘗試探索新的方法，來探索高能潛在粒子的態勢。最後進入量子理論部分，之所以把它放在中心部位，是因為它實際上涵蓋了整張圖中的每個角落。下裡是一些重要的量子理論方面。量子理論的核心是設定基本的量子力學假設。

路徑積分通過對粒子可能採取的所有可能路徑，進行積分巧妙地計算粒子的運動。希爾伯特空間是描述量子系統所有可能狀態的多維空間。量子力學的對稱性是理論的重要組成部分，。它告訴我們守恆規則，基本上是粒子相互作用的規則。結果是，我們達到了當前理論認知的極限，。有兩個主要的理論領域：一個是量子力學詮釋是試圖解決波函數的反直覺含義，一個是量子引力旨在調和量子場論和廣義相對論，以構建能解釋一切的宏偉理論。量子力學詮釋的核心是測量問題。當對量子對象進行測量檢測到粒子時，波函數突然改變。量子力學定律不包含對波函數實際發生作用的任何解釋。在測量的瞬間，我們也不知道波函數是否真的存在。量子力學中的這些概念性問題，多年來試圖予以解釋。默認的解釋理論是哥本哈根詮釋，其它有如導航波理論、多世界解釋和量子貝葉斯等，還有其它許多不同的解釋。之所以稱為詮釋或解釋，是因為我們還沒有任何實驗來說明哪些是真實的、哪些不是。所以實際上只是一種想法的集合，而不是恰當的物理理論。量子場論是對物理現實的最全面描述，結合了量子力學和狹義相對論。但是我們知道這不是完整的描述，因為它不包括廣義相對論和引力。嘗試將量子力學和廣義相對論合併為一個統一的萬物理論。

主要有弦論和圈量子引力論，M-理論將各種相容形式的超弦理論結合在一起。測試量子引力理論非常困難，因為需要非常高的能量，目前對量子引力探測的最大希望來自觀察宇宙中的高能過程，大爆炸或黑洞的探測可能會給我們一些線索。這是一個活躍的研究領域。

以上，就是量子物理學的大概的主要內容。如果還需要具體地了解有關方面，可根據需要進一步的深入學習。這張簡單扼要的量子物理圖，希望能使你對量子力學有一個全面的了解。

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