量子力學是物理學的一個分支，它描述了粒子的行為——原子、電子、光子以及幾乎所有分子和亞分子領(lǐng)域的東西。
量子力學發(fā)展于20世紀上半葉，其結(jié)果常常是極其奇怪和違反直覺的。
量子力學與經(jīng)典物理有何不同?
我們用經(jīng)典力學描述日常大小和速度下的物體運動和相互作用，這是非常有效的。然而在原子和電子的尺度上，經(jīng)典力學的方程就不再適用了。
在經(jīng)典力學中，物體在某一時刻處于確定的位置。而在量子力學中，物體的位置是不確定的，它在空間中所處的位置用概率描述，它們以一定的概率存在于A點，以另一概率存在于B點。
量子力學是什么時候發(fā)展起來的?
量子力學的發(fā)展經(jīng)歷了幾十年，最初物理學家在研究中發(fā)現(xiàn)了一些新的現(xiàn)象，而那時幾近完美的經(jīng)典力學無法解釋這些現(xiàn)象。量子力學始于20世紀初，大約在同一時間，阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表了他的相對論，這是物理學中描述物體高速運動的另一場革命。然而，與相對論不同的是，量子力學的起源不能歸于某一個科學家。相反，在19世紀末到1930年之間，多位科學家為一個逐漸被接受并得到實驗驗證的科學理論做出了貢獻。
1900年，德國物理學家馬克斯·普朗克(Max Planck)試圖解釋為什么在特定溫度下的物體，比如燈泡的燈絲會發(fā)出特定的顏色。普朗克意識到，物理學家路德維希·玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)用來描述氣體行為的方程，可以轉(zhuǎn)化為對溫度和顏色之間關(guān)系的解釋。問題在于玻爾茲曼的工作依賴于這樣一個事實:任何給定的氣體都是由微小的粒子組成的，這意味著光也是由離散的粒子組成的。
這一想法與當時有關(guān)光的觀點大相徑庭，當時大多數(shù)物理學家認為光是一種連續(xù)的波，而不是一個微小的包。普朗克本人既不相信原子，也不相信光的離散單元，但他的概念在1905年得到了推動，當時愛因斯坦發(fā)表了一篇論文，題為《關(guān)于光的發(fā)射和轉(zhuǎn)換的啟發(fā)式觀點》。
愛因斯坦認為光的傳播不是波，而是某種形式的“能量量子”。愛因斯坦在他的論文中提出，這個能量包“只能作為一個整體被吸收或產(chǎn)生”，特別是當一個原子在量子化振動速率之間“跳躍”時。這就是量子力學中“量子”部分的由來。
用這種新的方式來設(shè)想光，愛因斯坦在他的論文中提出了對九種現(xiàn)象行為的見解，包括普朗克描述的燈泡燈絲發(fā)出的特定顏色。它還解釋了某些顏色的光是如何將電子從金屬表面激發(fā)射出來的——這種現(xiàn)象被稱為光電效應。
什么是波粒二象性?
在量子力學中，粒子有時以波的形式存在，有時以粒子的形式存在。這在雙縫實驗中最為著名，在這個實驗中，像電子這樣的粒子被射向有兩條縫的板，板后面有一個屏幕，當電子擊中屏幕時，屏幕就會亮起來。根據(jù)《自然》雜志上一篇熱門文章的說法，如果電子是粒子，它們會在穿過一條或另一條狹縫后撞擊屏幕的地方產(chǎn)生兩條明亮的線。
相反，當實驗進行時，屏幕上會形成干涉圖樣。這種暗帶和亮帶的模式只有當電子是帶有波峰(最高點)和波谷(最低點)的波時才有意義，而波峰和波谷會相互干擾。甚至當一個電子一次被射入狹縫時，干涉圖樣也會顯現(xiàn)出來——這是一種類似于單個電子干涉自身的效應。
1924年，法國物理學家路易斯·德布羅意(Louis de Broglie)提出了粒子可以表現(xiàn)出波狀特征，而波也可以表現(xiàn)出粒子狀特征——這一觀點使他在幾年后獲得了諾貝爾獎。
量子力學如何描述原子?
在20世紀10年代，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾試圖用量子力學描述原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。到那時，人們已經(jīng)知道原子是由一個重、密、帶正電的原子核和一群微小、輕、帶負電的電子組成的。玻爾把電子放到圍繞原子核的軌道上，就像亞原子太陽系中的行星一樣，只不過它們只能有特定的預定軌道距離。通過從一個軌道跳到另一個軌道，原子可以接收或發(fā)射特定能量的輻射，這反映了它們的量子本質(zhì)。
不久之后，兩名科學家獨立工作，使用各自的數(shù)學思路，創(chuàng)造了一個更完整的量子力學框架。在德國，物理學家維爾納·海森堡(Werner Heisenberg)通過“矩陣力學”實現(xiàn)了這一點。奧地利-愛爾蘭裔物理學家Erwin Schrödinger提出了一個類似的理論，稱為“波動力學”。Schrödinger在1926年證明了這兩種方法是等價的。
