什麼是量子力學?它是物理學領域的名稱,描述宇宙在非常小的尺度和相對低的能量。「小尺度」指的是大約原子尺度或更小的尺度,而「低能量」指的是除了自然宇宙中正在發生膨脹以外的所有區域,比如恆星或高能粒子加速器。
你能用量子力學做什麼?不是所有的地方都是能用量子力學解答的,但你可以用它解釋微小的事物。如果你想弄清楚小分子或者原子的變化原理,那麼量子力學會告訴你發生了什麼。
或者我再舉幾個具體的例子來說明那些嚴重依賴量子力學的技術:雷射、電晶體、半導體、大多數現代電子學、像MRI這樣的醫學成像、像電子顯微鏡這樣的工業成像,等等。
下面是一個例子:
有一個很棒的實驗叫做"雙縫實驗"這是一般的設置:
你通過雙縫發射電子,然後觀察電子在屏幕上形成的圖案。歷史上這樣做的動機是研究某些現象是否與波或粒子有關。(在歷史上,這個實驗並不一定是用電子做的,而是用各種其他的東西,比如光。)但不管怎樣,這裡還是用電子來說吧。
從純理論的考慮,我們可以做兩種計算:首先,如果你通過雙縫發射的東西是波,那麼你會在屏幕上得到某種幹涉圖案。為什麼?因為波從源傳播到雙狹縫,擊中兩個狹縫,然後繼續傳播。但是來自每個狹縫的波相互幹擾,導致屏幕上出現變化的周期性強度帶。
另一方面,如果你通過雙縫發射的東西是一個粒子,那麼你會在屏幕上得到一個不同的圖案。粒子不會同時穿過兩條狹縫,也不會像波那樣相互幹擾。(你可能會遇到一些粒子和粒子之間碰撞,但如果你仔細設計你的實驗,你實際上可以消除這種情況,只要不要太快發射粒子就可以了。)
當你用光做這個實驗時,你會得到波的圖案。太好了,這一定意味著光是一種波,對吧?
但是當你用電子做實驗時——你知道的粒子——你也會得到波的圖案。
當物理學家與其他物理學家談論它時,他們會將電子擬人化。例如,有人可能會問「電子如何『知道』該通過哪一個狹縫?」「這種人格化很方便,但在某種程度上,我覺得有人把它當真了。當你這麼做的時候,你就得到了物理學家認為電子有意識的想法。
這個時候,量子力學就可以解釋這種現象,所以量子力學也應用於各種類似的實驗中。