在最小的尺度上，宇宙的行為與我們周圍觀察到的日常世界有很大不同。量子力學是物理學的子場，描述了微觀顆粒的這種奇怪行為 - 原子，電子，光子以及分子和分子域中的幾乎所有其他物質。
在20世紀上半葉開發的量子力學的結果通常非常奇怪和違反直覺。但是，研究它們使物理學家能夠對宇宙的性質有了更深入的了解，並且有一天可以改變我們作為人類處理信息的方式。
量子力學與古典物理學有何不同？
在原子和電子的規模上，許多方程古典力學，描述了日常大小和速度的事物的運動和互動，不再有用。
在經典力學中，對象存在於特定的特定位置時間。在量子力學中，對象存在於概率的陰霾中。他們有一定的機會進入A點，這是B點的另一個機會，依此類推。
誰開發了量子力學？
與眾不同阿爾伯特·愛因斯坦著名的相對論大約在同一時間開發的，量子力學的起源不能歸因於單個科學家。相反，多個科學家為基礎貢獻了一個基礎，該基礎逐漸獲得了1800年代末至1930年之間的接受和實驗驗證。蘇格蘭聖安德魯斯大學。
1900年，德國物理學家麥克斯·普朗克（Max Planck外圍研究所。普朗克意識到，物理學家路德維格·鮑爾茨曼（Ludwig Boltzmann）用來描述氣體行為的方程式可以轉化為溫度與顏色之間這種關係的解釋。問題在於，鮑爾茨曼（Boltzmann）的工作依賴於以下事實：任何給定的氣體都是由微小顆粒製成的，這意味著光也是由離散位製成的。
面對當時的光的想法，這個想法飛躍了，當時大多數物理學家認為光是一條連續的波浪，而不是一個很小的小包。普朗克本人都不相信原子或離散的光線，但是他的概念在1905年被提升，當時愛因斯坦發表了一篇論文，”關於啟發式的觀點，即光的發射和轉化。“
愛因斯坦想像的不是作為波浪傳播的光，而是作為“能量量子”的某種方式。愛因斯坦在他的論文中建議，這種能量可以“只有整體吸收或產生”，特別是當原子“跳躍”量化的振動速率之間。這是量子力學的“量子”部分的來源。
愛因斯坦以這種新的方式構想了光，在他的論文中提供了對九種現象的行為的見解，包括普朗克所描述的特定顏色是從燈泡燈絲中散發出來的。它還解釋了某些顏色的光如何將電子從金屬表面彈出 - 這種現象稱為光電效應。
什麼是波顆粒偶性？
在量子力學中，粒子有時可以作為波，有時作為粒子存在。這是在雙縫實驗中最著名的，其中諸如電子之類的粒子被切入其中兩個縫隙，後面是屏幕，當電子撞擊時亮起了屏幕。如果電子是顆粒，它們會在通過一個或另一個縫隙後產生兩條明亮的線條，在其中影響屏幕自然界流行文章。
相反，當進行實驗時，屏幕上形成了乾擾模式。只有當電子為波浪，帶有波峰（高點）和槽（低點）時，這種黑暗和明亮帶的模式才有意義，這可能會彼此干擾。即使一次通過縫隙拍攝單個電子，干擾模式也會顯示出來 - 類似於單個電子乾擾自身的效果。
1924年，法國物理學家路易斯·德·布羅格利（Louis de Broglie）使用了愛因斯坦的方程式特殊相對論為了表明顆粒可以表現出波浪狀特性，並且波可以表現出類似粒子的特徵 - 這一發現幾年後，他獲得了諾貝爾獎。
量子力學如何描述原子？
在1910年代，丹麥物理學家Niels Bohr試圖使用量子力學來描述原子的內部結構。至此，眾所周知，一個原子是由一個沉重，密集，帶正電荷的核製成的，該原子被一群微小的，輕，帶負電的電子包圍。 Bohr將電子放入細胞核周圍的軌道上，行星在亞原子中太陽系，除非它們只能具有某些預定義的軌道距離。通過從一個軌道跳到另一個軌道，原子可以以特定能量接收或發射輻射，以反映其量子性質。
不久之後，兩個科學家獨立工作並使用單獨的數學思維行，創造了原子的更完整的量子圖片。美國體育社會。在德國，物理學家Werner Heisenberg通過開發“矩陣力學”來實現這一目標。奧地利 - 愛爾蘭物理學家埃文·施羅丁（ErwinSchrödinger）開發了一種稱為“波浪力學”的類似理論。 Schrödinger在1926年表明，這兩種方法是等效的。
原子的Heisenberg-Schrödinger模型，其中每個電子在原子核周圍充當波，取代了早期的BOHR模型。在原子的Heisenberg-Schrödinger模型中，電子遵守“波函數”和“佔據軌道”，而不是軌道。根據Bohr模型的圓形軌道不同，原子軌道具有多種形狀，從球到啞鈴再到雛菊不等。化學家吉姆·克拉克（Jim Clark）的解釋性網站。
Schrödinger的貓悖論是什麼？
Schrödinger的貓是一個經常被忽視的思想實驗，描述了一些量子力學的早期開發人員與其結果相關的質量。儘管Bohr和他的許多學生認為量子力學表明粒子在觀察到之前沒有明確的特性，但Schrödinger和Einstein無法相信這種可能性，因為這會導致對現實本質的荒謬結論。
1935年，Schrödinger提出了一個實驗，其中貓的生與死將取決於量子粒子的隨機翻轉，量子粒子的狀態將一直看不見，直到打開盒子。 Schrödinger希望通過一個現實世界的例子來展示Bohr的思想的荒謬性，該示例取決於量子粒子的概率性質，但產生了荒謬的結果。
根據Bohr對量子力學的解釋，直到打開盒子為止，貓以同時生命和死亡的不可能的雙重位置存在。 （從來沒有實際的貓經過此實驗。）Schrödinger和Einstein都認為這有助於表明這一點量子力學是一個不完整的理論並最終將被普通經驗的一種取代。
即使在今天，物理學家仍在努力解釋為什麼在不同狀態的疊加中似乎可以存在亞原子顆粒，但是大型結構（如宇宙本身）似乎不是。提議調整施羅德方程的調整可以幫助解決這種緊張關係，但到目前為止，沒有人被科學界廣泛接受。
什麼是量子糾纏？
Schrödinger和Einstein幫助強調了量子力學的另一個奇怪結果，這兩個量子都無法完全理解。 1935年，愛因斯坦（Einstein）與物理學家鮑里斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和內森·羅森（Nathan Rosen）一起，表明可以設置兩個量子顆粒，以便根據其量子狀態始終相互關聯。斯坦福大學哲學百科全書。粒子本質上總是“知道”彼此的特性。這意味著測量一個粒子的狀態將立即告訴您其雙胞胎的狀態，無論它們的相距多遠，愛因斯坦稱其為“遠處有怪異的動作”，但Schrödinger很快被稱為“schrödinger”。糾纏。 ”
糾纏已被證明是量子力學和一直在現實世界中發生。研究人員經常使用量子糾纏進行實驗，而現像是新興領域的基礎的一部分量子計算。
什麼是量子計算？
與使用二進制位處理數據的古典計算機不同，可以在兩個狀態之一（0或1）中使用量子計算機，使用量子計算機，使用電子或光子等粒子。這些量子位或量子位代表0和1的疊加 - 這意味著它們可以一次存在於多個狀態。
該疊加使量子計算機能夠通過同時處理量子的所有狀態並同時執行計算。此外，無論粒子之間的距離如何，量子糾纏允許多個量子器共享信息並同時交互。
儘管量子疊加和糾纏使量子計算機的處理潛力遠高於古典計算機，但該領域還有很長的路要走。當前，量子計算機太小，太難維護，並且容易出錯，無法與最佳的古典計算機競爭。但是，許多專家期望隨著現場進步，這將有一天會發生變化。
量子力學和一般相對論不兼容嗎？
目前，物理學家對宇宙中所有觀察到的粒子和力都缺乏完整的解釋，這通常稱為一切理論。愛因斯坦的相對論描述了大量大量的事物，而量子力學則描述了小而微不足道的事物。這兩種理論並非完全不兼容，但是沒人知道如何使它們結合在一起。
許多研究人員都尋求一種量子重力理論，該理論將重力引入量子力學，並解釋從亞原子到超級階層領域的一切。關於如何做到這一點，有很多建議，例如發明一個稱為重力的假設量子粒子，但到目前為止，尚無單一理論能夠符合我們宇宙中對象的所有觀察結果。另一個流行的建議弦理論認為，最基本的實體是在許多維度上振動的小弦，因為很少有人發現證據，因此開始變得不那麼廣泛地被物理學家接受。其他研究人員還研究了涉及的理論循環量子重力，在這種情況下，時間和空間都有離散的小部分，但是到目前為止，還沒有任何想法能夠在物理界獲得重要的掌握。
本文最初是由現場科學撰稿人羅伯特·庫爾曼（Robert Coolman）撰寫的，由亞當·曼恩（Adam Mann）於2022年3月2日更新。
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