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如何用最简单的语言解释一下量子力学的核心概念?

 昵称tfKn5 2018-03-26

首先我们来选一下量子力学中的核心概念有哪些?

如果要我选,我选择以下三个:量子,波粒二象性和不确定性。

1. 量子

关于什么是量子这个问题已经有很多答案可以找到。我这里用一句话来概括一下,所谓量子就是一份一份的,不连续的。这个概念其实本身是不难理解的,因为我们可以想象到,我们生活的物质世界是有原子组成的,原子是有原子核和核外电子组成的。这就体现了微观物质世界的分立性,或者说不连续性,这可以称之为就是量子。

但量子力学中的量子概念范围要广泛地多,不仅仅原子分身是不连续的,分立的,它们的属性也是不连续的,比如电子的能量是不连续的,分立的电子能量形成了能级;电子的角动量也是不连续的;电子的自旋也不连续而是只有两个本征值。

所以量子就是不连续,是分立,它是一个概括性的概念,具体的量子概念有能级,角动量,自旋等等。

2. 波粒二象性

关于光的本质的争论由来已久:光到底是波还是粒子。牛顿认为光是一种粒子,于是提出了光的微粒说;而惠更斯等人认为光是一种波,原因就是光具有干涉和衍射现象。在电磁理论发展之后,人们更倾向于将光理解为是一种波,但是进入20世纪之后,一些实验的解释,比如光电效应又将光假设成了一种粒子。量子力学的充分发展解决了这个问题,提出了光的波粒二象性的概念,并且提出了物质波的概念。

波粒二象性就是说光有时候表现而波的特性,有时候表现为粒子的特性,电子也是这样。但是它们都可以由量子力学中的波动方程来描述。

3. 不确定性

不确定性也是量子力学中一个比较难以理解的概念。它主要是依据海森堡提出的量子力学不确定性原理,即我们不能同时精确地测量到微观粒子的位置和动量。如果我们测量的位置越精确,则动量的不确定度越大;而如果动量越精确,则位置的不确定度便会越大。

图1. 第五届索尔维会议上的参会物理学家,他们都或多或少地对量子力学作出了贡献

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