在最小的尺度上，宇宙的行为与我们周围观察到的日常世界有很大不同。量子力学是物理学的子场，描述了微观颗粒的这种奇怪行为 - 原子，电子，光子以及分子和分子域中的几乎所有其他物质。
在20世纪上半叶开发的量子力学的结果通常非常奇怪和违反直觉。但是，研究它们使物理学家能够对宇宙的性质有了更深入的了解，并且有一天可以改变我们作为人类处理信息的方式。
量子力学与古典物理学有何不同？
在原子和电子的规模上，许多方程古典力学，描述了日常大小和速度的事物的运动和互动，不再有用。
在经典力学中，对象存在于特定的特定位置时间。在量子力学中，对象存在于概率的阴霾中。他们有一定的机会进入A点，这是B点的另一个机会，依此类推。
谁开发了量子力学？
与众不同阿尔伯特·爱因斯坦著名的相对论大约在同一时间开发的，量子力学的起源不能归因于单个科学家。相反，多个科学家为基础贡献了一个基础，该基础逐渐获得了1800年代末至1930年之间的接受和实验验证。苏格兰圣安德鲁斯大学。
1900年，德国物理学家麦克斯·普朗克（Max Planck外围研究所。普朗克意识到，物理学家路德维格·鲍尔茨曼（Ludwig Boltzmann）用来描述气体行为的方程式可以转化为温度与颜色之间这种关系的解释。问题在于，鲍尔茨曼（Boltzmann）的工作依赖于以下事实：任何给定的气体都是由微小颗粒制成的，这意味着光也是由离散位制成的。
面对当时的光的想法，这个想法飞跃了，当时大多数物理学家认为光是一条连续的波浪，而不是一个很小的小包。普朗克本人都不相信原子或离散的光线，但是他的概念在1905年被提升，当时爱因斯坦发表了一篇论文，”关于启发式的观点，即光的发射和转化。“
爱因斯坦想象的不是作为波浪传播的光，而是作为“能量量子”的某种方式。爱因斯坦在他的论文中建议，这种能量可以“只有整体吸收或产生”，特别是当原子“跳跃”量化的振动速率之间。这是量子力学的“量子”部分的来源。
爱因斯坦以这种新的方式构想了光，在他的论文中提供了对九种现象的行为的见解，包括普朗克所描述的特定颜色是从灯泡灯丝中散发出来的。它还解释了某些颜色的光如何将电子从金属表面弹出 - 这种现象称为光电效应。
什么是波颗粒偶性？
在量子力学中，粒子有时可以作为波，有时作为粒子存在。这是在双缝实验中最著名的，其中诸如电子之类的粒子被切入其中两个缝隙，后面是屏幕，当电子撞击时亮起了屏幕。如果电子是颗粒，它们会在通过一个或另一个缝隙后产生两条明亮的线条，在其中影响屏幕自然界流行文章。
相反，当进行实验时，屏幕上形成了干扰模式。只有当电子为波浪，带有波峰（高点）和槽（低点）时，这种黑暗和明亮带的模式才有意义，这可能会彼此干扰。即使一次通过缝隙拍摄单个电子，干扰模式也会显示出来 - 类似于单个电子干扰自身的效果。
1924年，法国物理学家路易斯·德·布罗格利（Louis de Broglie）使用了爱因斯坦的方程式特殊相对论为了表明颗粒可以表现出波浪状特性，并且波可以表现出类似粒子的特征 - 这一发现几年后，他获得了诺贝尔奖。
量子力学如何描述原子？
在1910年代，丹麦物理学家Niels Bohr试图使用量子力学来描述原子的内部结构。至此，众所周知，一个原子是由一个沉重，密集，带正电荷的核制成的，该原子被一群微小的，轻，带负电的电子包围。 Bohr将电子放入细胞核周围的轨道上，行星在亚原子中太阳系，除非它们只能具有某些预定义的轨道距离。通过从一个轨道跳到另一个轨道，原子可以以特定能量接收或发射辐射，以反映其量子性质。
不久之后，两个科学家独立工作并使用单独的数学思维行，创造了原子的更完整的量子图片。美国体育社会。在德国，物理学家Werner Heisenberg通过开发“矩阵力学”来实现这一目标。奥地利 - 爱尔兰物理学家埃文·施罗丁（ErwinSchrödinger）开发了一种称为“波浪力学”的类似理论。 Schrödinger在1926年表明，这两种方法是等效的。
原子的Heisenberg-Schrödinger模型，其中每个电子在原子核周围充当波，取代了早期的BOHR模型。在原子的Heisenberg-Schrödinger模型中，电子遵守“波函数”和“占据轨道”，而不是轨道。根据Bohr模型的圆形轨道不同，原子轨道具有多种形状，从球到哑铃再到雏菊不等。化学家吉姆·克拉克（Jim Clark）的解释性网站。
Schrödinger的猫悖论是什么？
Schrödinger的猫是一个经常被忽视的思想实验，描述了一些量子力学的早期开发人员与其结果相关的质量。尽管Bohr和他的许多学生认为量子力学表明粒子在观察到之前没有明确的特性，但Schrödinger和Einstein无法相信这种可能性，因为这会导致对现实本质的荒谬结论。
1935年，Schrödinger提出了一个实验，其中猫的生与死将取决于量子粒子的随机翻转，量子粒子的状态将一直看不见，直到打开盒子。 Schrödinger希望通过一个现实世界的例子来展示Bohr的思想的荒谬性，该示例取决于量子粒子的概率性质，但产生了荒谬的结果。
根据Bohr对量子力学的解释，直到打开盒子为止，猫以同时生命和死亡的不可能的双重位置存在。 （从来没有实际的猫经过此实验。）Schrödinger和Einstein都认为这有助于表明这一点量子力学是一个不完整的理论并最终将被普通经验的一种取代。
即使在今天，物理学家仍在努力解释为什么在不同状态的叠加中似乎可以存在亚原子颗粒，但是大型结构（如宇宙本身）似乎不是。提议调整施罗德方程的调整可以帮助解决这种紧张关系，但到目前为止，没有人被科学界广泛接受。
什么是量子纠缠？
Schrödinger和Einstein帮助强调了量子力学的另一个奇怪结果，这两个量子都无法完全理解。 1935年，爱因斯坦（Einstein）与物理学家鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和内森·罗森（Nathan Rosen）一起，表明可以设置两个量子颗粒，以便根据其量子状态始终相互关联。斯坦福大学哲学百科全书。粒子本质上总是“知道”彼此的特性。这意味着测量一个粒子的状态将立即告诉您其双胞胎的状态，无论它们的相距多远，爱因斯坦称其为“远处有怪异的动作”，但Schrödinger很快被称为“schrödinger”。纠缠。”
纠缠已被证明是量子力学和一直在现实世界中发生。研究人员经常使用量子纠缠进行实验，而现象是新兴领域的基础的一部分量子计算。
什么是量子计算？
与使用二进制位处理数据的古典计算机不同，可以在两个状态之一（0或1）中使用量子计算机，使用量子计算机，使用电子或光子等粒子。这些量子位或量子位代表0和1的叠加 - 这意味着它们可以一次存在于多个状态。
该叠加使量子计算机能够通过同时处理量子的所有状态并同时执行计算。此外，无论粒子之间的距离如何，量子纠缠允许多个量子器共享信息并同时交互。
尽管量子叠加和纠缠使量子计算机的处理潜力远高于古典计算机，但该领域还有很长的路要走。当前，量子计算机太小，太难维护，并且容易出错，无法与最佳的古典计算机竞争。但是，许多专家期望随着现场进步，这将有一天会发生变化。
量子力学和一般相对论不兼容吗？
目前，物理学家对宇宙中所有观察到的粒子和力都缺乏完整的解释，这通常称为一切理论。爱因斯坦的相对论描述了大量大量的事物，而量子力学则描述了小而微不足道的事物。这两种理论并非完全不兼容，但是没人知道如何使它们结合在一起。
许多研究人员都寻求一种量子重力理论，该理论将重力引入量子力学，并解释从亚原子到超级阶层领域的一切。关于如何做到这一点，有很多建议，例如发明一个称为重力的假设量子粒子，但到目前为止，尚无单一理论能够符合我们宇宙中对象的所有观察结果。另一个流行的建议弦理论认为，最基本的实体是在许多维度上振动的小弦，因为很少有人发现证据，因此开始变得不那么广泛地被物理学家接受。其他研究人员还研究了涉及的理论循环量子重力，在这种情况下，时间和空间都有离散的小部分，但是到目前为止，还没有任何想法能够在物理界获得重要的掌握。
本文最初是由现场科学撰稿人罗伯特·库尔曼（Robert Coolman）撰写的，由亚当·曼恩（Adam Mann）于2022年3月2日更新。
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