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量子物理的发展简史

量子物理是一系列现代物理理论的综合的学科,有100多年的历史。量子这个词解释了经典物理和量子力学的不同之处:在量子理论中,能级和其他现在仍在研究中的各种粒子它们都没有连续可能性的值。相反,量子的数值从一个彼此分散的能级直接跳到另一个。(经典物理里)举例来说,如果你以10英里的时速开车,你不可能连续跳到20英里的时速。你可以以中间的时速行驶,譬如11,11.0001英里。原子层面的粒子可就不是这样的了。物理学家花费了很长的时间来试图回答为什么会是这样。

在19世纪时期,科学家不断地发现一些在经典物理中不能解释的结果。法拉第,基尔霍夫,玻尔兹曼和赫兹发现在化学和辐射的领域都显示能态是分散,非连续的。20世纪,普朗克创建了他著名的公式,显示出辐射频率与其能量成正比,这巩固了辐射以波的形式出现的观点。

普朗克公式

阿尔伯特 爱因斯坦

爱因斯坦和他最著名的质能方程E=mc²

阿尔伯特 爱因斯坦以解释大尺度宇宙层面的相对论而闻名。但实际上爱因斯坦在1905年并不是以相对论获得的诺贝尔奖,而是以量子理论解释了光电效应而获奖的。光电效应是光与电之间一系列相互作用的关系使得太阳能面板工作和LED灯发光。

薛定谔的波动方程

埃尔文薛定谔

薛定谔波动方程

时至今日,埃尔文薛定谔提出的波动方程可能是量子物理里最重要的一个方程。这个方程描述了量子系统里的“概率幅”。(概率幅,在量子力学里又称为量子幅,是一个描述粒子的量子行为的复函数)。波函数存在多种解释,以至于今天仍旧有人争论它到底是啥。一个一个的粒子是如何在表现出自身是一种波的同时,又同样是个粒子?一些物理学家甚至相信波函数对于了多重宇宙的存在。也是众多科幻迷们的对多世界假设的福音吧。

光即是粒子也是波,即波粒二象性

光即是粒子也是波,即波粒二象性

海森堡不确定性原理

海森堡不确定性原理

量子物理的另一个基石就是这一体系中存在着基本的不确定性。当你尝试越精确地测量一个量子系统,你就会越干扰它,从而改变了你想要测量的值。起初我们以为这意味着我们需要更加精确细致的方法来测量这些值。但我们倾向于这确实是现实本质上的一系列结果所导致,而不仅仅是我们自身科学的不成熟。1927年维纳海森堡首先发现不确定性原理,当时引起了广泛地争议,爱因斯坦不喜欢这个原理,但他找不出证据来反驳。

量子理论未来的发展

量子理论将会继续发展量子力学基本规则之外的理论。量子色动力学(Quantum Chromodynamics,简称QCD)研究的是组成所有可见物质的基本的夸克和胶子。弱电统一理论(Electroweak Theory,简称EWT)研究的是包括弱核力、对称性破缺和放射性衰变等方面。量子场论(Quantum Field Theory,简称QFT)结合了几乎所有已知的物理学理论与量子力学,包括狭义相对论和经典力学,但是没有人能够解决怎样才能把引力和广义相对论统一进量子场论。至今“量子引力”仍旧是一座物理学上的圣杯。一些后来的挑战的理论,如弦理论,变成了今天的热门研究领域

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