量子力学的基本原理

龙源期刊网

量子力学的基本假定的解读

作者：梁丹迎

来源：《科技视界》2014年第30期

【摘 要】本文就量子力学的五个基本假定做以论述，并详细解读其中的基本思想，进而加深对量子力学理论及其假定学说的认知。

【关键词】量子力学；基本假定；解读

0 前言

量子力学是物理研究领域较为高深的理论内容，也是长久以来物理专家学者极力探索的科学研究项目。从整体来看，量子力学的理论框架是由五个基本假定所构成，其内涵较为丰富。

1 量子力学的五个基本假定概述

有关量子力学基本假定的内容，获得了世界范围内物理学专家和学者的普遍关注和认可，这一知识理论体系在诸多研究领域的应用较为频繁，因其是一项物理学领域当中的基本假定。但是，任何一个繁杂深奥的学问背后的原理都是可以通过通俗易懂的方式来进行解读地，从而让更多的普通人领悟到科学知识的妙趣所在。以下内容便是有关量子力学五个基本假定的主体内容：

1.1 量子力学基本假定之一

围观体系的运动状态由相应的归一化波函数描述，波函数是假定一中的关键点。

1.2 量子力学基本假定之二

围观体系的运动状态波函数随着实践的变化规律遵循薛定谔方程。

1.3 量子力学基本假定之三

力学量由相应的线性算符来表示（这部分内容与假定二联系起来理解）。

1.4 量子力学基本假定之四

力学量算符之间有相确定的对易关系，则称其为量子条件；坐标算符的三个直角坐标系分量与动量算符的三个直角坐标系分量之间的对易关系称为基本量子条件；力学量算符由其相应的量子条件来确定。 龙源期刊网

1.5 量子力学基本假定之五

全同的多粒子体系的波函数对于任意一对粒子交换而言具有对称性，即波色子系的波函数是对称的，费米子系的波函数是反对称的。这是五个基本假定理论中最为复杂的假定内容。

量⼦⼒学基本原理

量⼦⼒学是到现在为⽌⼈们能够给出的最好的理论，然⽽不应当认为它将永远的存在下去。假如我们要重新引⼊决定论的观点，那就应当以某种⽅式付出代价，这种⽅式是什么，现在还⽆法推测。——狄拉克

狄拉克23岁成为量⼦⼒学创始⼈之⼀

本⽂主要从量⼦论起源、能量⼦假设、光电效应、康普顿散射、玻尔量⼦论、德布罗意物质波、概率波函数、量⼦叠加态原理、不确定性原理、薛定谔⽅程等⼗⼤概念理解量⼦⼒学基本原理，见证⼆⼗世纪真正的神话。

量⼦⼒学其实描述的是物质的⾏为，特别是发⽣在原⼦尺度范围内的事件。在极⼩尺度下事物的⾏为与我们有着直接经验的任何事物都不相同。它们既不像波动，⼜不像粒⼦，也不像云雾，或悬挂在弹簧上的重物，总之不像我们曾经见过的任何东西。

费曼

1、量⼦论起源

量⼦论的起源来⾃⼀个⼤家熟悉的现象，这⼀现象并不属于原⼦物理学的核⼼部分。任何⼀块物质在被加热时都会发光，并在⾼温度下达到红热和⽩热，发光的亮度与材料的表⾯关系不⼤，⽽对于⿊体，只与温度有关。因此，⿊体在髙温下发出的辐射作为物理学研究的适当对象，被认为应该可以根据已知的辐射和热学定律找到⼀个简单的解释。但是物理学家瑞利和⾦斯在⼗九世纪末的努⼒却以失败告终，揭⽰了⿊体辐射问题的严重性。

瑞利和⾦斯

⼀切⼈类的直接经验和直觉都只适⽤于宏观物体。——费曼

2、能量⼦假设

难以置信的是这个公式已经触动了我们描述⾃然的基础，我感到，我可能已经完成了⼀个第⼀流的发现，或许只有⽜顿的发现才能和它相⽐。——普朗克

普朗克⼤胆舍弃了“能量均分定理”，代之以“量⼦假设”——能量只能以分⽴的能量⼦的形式发射或吸收，这在概念上是⼀次⾰命性的突破，以致它不再适合于物理学的传统框架。

频率为v的电磁波和原⼦、分⼦等物质发⽣能量转换时候，能量不能连续变化，只能⼀份⼀份的跳变，且每份“能量⼦”为：

ε=hv=ℏω，其中约化普朗克常数ℏ=h/(2π)

普朗克

普朗克公式

普朗克根据能量的量⼦化，得出⾓频率为ω的电磁振动模式在温度T下的平均能量不再取“能量均分定理”给出的KT，⽽是：E(ω)=ℏω/(e^(ℏω/kT)-1)

量子力学的三大原理

量子力学是研究微观粒子行为的一门物理学科，它的发展已经超过了一个世纪。量子力学的三大原理是不确定性原理、波粒二象性原理和叠加原理。这三个原理是量子力学的基础，对于我们理解微观世界非常重要。

一、不确定性原理

不确定性原理是量子力学最重要的基本原理之一，也是最为广为人知的一个。它由德国物理学家海森堡在1927年提出。不确定性原理表明，对于微观粒子，我们无法同时准确地测量它们的位置和速度。

具体来说，如果我们想要测量一个粒子的位置，我们需要用一些工具来探测它，比如说光子或电子等。然而这些工具会影响到粒子本身的运动状态，从而使得我们无法同时准确地知道它的位置和速度。

不确定性原理可以用数学公式来表示：ΔxΔp≥h/4π。其中Δx代表位置误差，Δp代表动量误差，h代表普朗克常数。这个公式告诉我们，在任何情况下都存在着一种限制关系，即当我们尝试准确地测量粒子的位置时，就会失去对它的动量的精确测量，反之亦然。

二、波粒二象性原理

波粒二象性原理是量子力学中另一个重要的基本原理。它表明微观粒子既可以表现出波动性质，也可以表现出粒子性质。这个原理最早由法国物理学家路易·德布罗意在1924年提出。

具体来说，如果我们用电子束照射到一块双缝上，我们会发现电子在经过双缝后会形成干涉条纹。这个实验显示了电子既有波动性质又有粒子性质。如果我们用光线进行同样的实验，我们也会得到干涉条纹。

波粒二象性原理告诉我们，在微观世界中，所有物质都具有波动和粒子两种不同的本质属性。这种属性的选择取决于我们对它们进行什么样的实验或观察。

三、叠加原理

叠加原理是量子力学中第三个基本原理。它指出，在某些情况下，微观粒子可以同时处于多种不同状态之间，并以一定概率出现在这些状态中的任意一个。

具体来说，如果我们用电子束照射到一块双缝上，电子就会同时通过两个缝隙，并在屏幕上形成干涉条纹。这个实验表明，电子可以同时处于两种不同的状态之间，并以一定概率出现在它们中的任意一个。

量子力学的基本原理

量子力学是一门研究微观领域物质与能量相互作用的科学。它以能量的量子化和粒子的波粒二象性为基础，可以解释微观物质的性质和行为。本文将介绍量子力学的基本原理。

一、波粒二象性

量子力学的基本原理之一是波粒二象性。根据波粒二象性原理，微观物质既表现为粒子的特性，又具有波动的特性。例如，电子、光子等粒子既可以像粒子一样具有位置和动量，又可以像波动一样表现出干涉和衍射现象。这种奇特的性质在经典物理学中是无法解释的。

二、不确定性原理

不确定性原理是量子力学的另一个基本原理。根据不确定性原理，无法同时准确测量微观粒子的位置和动量。粒子的位置和动量具有互相制约的关系，越精确地测量其中一个量，就越无法确定另一个量。这种不确定性在宏观世界中是难以察觉的，但在微观领域中却是普遍存在的。

三、量子叠加态和测量 根据量子力学，物体在未被观测之前可以处于叠加态。叠加态指的是物体表现出多种状态的叠加，直到被测量或观察时才会坍缩到某个确定的状态。这种特性在实验室中已经得到验证，比如双缝实验中的干涉现象就是量子叠加态的典型示例。

四、量子纠缠和非局域性

量子纠缠是量子力学的一个重要概念。当两个或多个粒子发生纠缠后，它们之间的状态将变得相互关联，无论它们之间的距离有多远。即使远隔千里，一方的测量结果会立即影响到另一方的状态，这被称为非局域性。

五、量子隧道效应

量子隧道效应是量子力学中一个引人注目的现象。根据经典物理学的观点，粒子无法穿越能量高于其势能的势垒。但根据量子力学，微观粒子却有一定概率穿越势垒，出现在势垒的另一侧。这个现象在电子显微镜、扫描隧道显微镜等领域有着广泛的应用。

六、量子态和量子比特

在量子力学中，对一个物理系统的描述称为量子态。量子态可以用波函数表示，波函数可以描述一个粒子的全部性质。随着量子计算的发展，出现了量子比特（Qubit）的概念，它是量子计算中的基本单位，与经典计算中的比特（Bit）不同，它可以处于叠加态，从而具有更强大的计算能力。