题目

量子力学的通俗概念是什么,在我们的生活中有实际的应用?

提问时间：2020-10-06

答案

量子力学(Quantum Mechanics)是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科,它主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论,它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础.量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一,而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用.量子力学表明,微观物理实在既不是波也不是粒子,真正的实在是量子态.它不允许把世界看成由彼此分离的、独立的部分组成的.关于远隔粒子关联实验的结论,也定量地支持了量子态不可分离 .不确定性指经济行为者在事先不能准确地知道自己的某种决策的结果.或者说,只要经济行为者的一种决策的可能结果不止一种,就会产生不确定性.
应用
在许多现代技术装备中量子物理学的效应起了重要的作用.从激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像显示装置全部依靠量子力学的原理和效应.对半导体的研究导致了二极管和三极管的发明,最后为现代的电子工业铺平了道路.在核武器的发明过程中量子力学的概念也起了一个关键的作用.
在上述这些发明创造中量子力学的概念和数学描述往往很少直接起了一个作用,而是固体物理学、化学、材料科学或者核物理学的概念和规则起了主要作用,但是在所有这些学科中量子力学均是其基础,这些学科的基本理论全部是建立在量子力学之上的.
以下仅能列举出一些最显著的量子力学的应用,而且这些列出的例子肯定也非常不完全,实际上在现代的技术中量子力学无处不在.
原子物理和化学
任何物质的化学特性均是由其原子和分子的电子结构所决定的.通过解包括了所有相关的原子核和电子的多粒子薛定谔方程可以计算出该原子或分子的电子结构.在实践中人们认识到要计算这样的方程实在太复杂,而且在许多情况下只要使用简化的模型和规则就足以确定物质的化学特性了.在建立这样的简化的模型中量子力学起了一个非常重要的作用.
一个在化学中非常常用的模型是原子轨道.在这个模型中分子中电子的多粒子状态通过将每个原子的电子单粒子状态加到一起形成.这个模型包含着许多不同的近似（比如忽略电子之间的排斥力、电子运动与原子核运动脱离等等）,但是它可以近似地、准确地描写原子的能量极.除比较简单的计算过程外这个模型还可以直觉地给出电子排布以及轨道的图像描述.
通过原子轨道人们可以使用非常简单的原则（洪德定则）来区分电子排布.化学稳定性的规则（八隅律、幻数）也很容易从这个量子力学模型中推导出来.
通过将数个原子轨道加在一起可以将这个模型扩展为分子轨道.由于分子一般不是球对称的,因此这个计算要比原子轨道要复杂得多.理论化学中的分支量子化学和计算机化学是专门使用近似的薛定谔方程计算复杂的分子的结构及其化学特性的学科.
核物理
核壳层模型
隧道效应
固体物理学
为什么金刚石硬、脆和透明,而同样由碳组成的石墨却软而不透明?为什么金属导热、导电,有金属光泽?发光二极管、二极管和三极管的工作原理是什么?铁为什么有铁磁性?超导的原理是什么?
以上这些例子可以使人想象出固体物理有多么多样性.事实上凝聚态物理学是物理学中最大的分支.
事实上所有凝聚态物理学中的现象从微观角度上都只有通过量子力学才能正确地被解释.使用经典物理顶多只能从表面上和现象上提出一定的解释.
以下列出了一些量子效应特别是强的现象：
晶格现象：音子、热传导
静电现象：铁电性、压电效应
电导：绝缘体、导体、半导体、电导、能带结构、带隙、p-n结、近藤效应、等离体子、量子霍尔效应、超导现象、约瑟夫逊效应、维格纳晶体
热电效应：热电性
磁性：铁磁性、磁量子、自旋玻璃态
低温态：玻色-爱因斯坦凝聚、超流体、超固体、费米子凝聚态
维效应：量子线、自旋密度波、量子点
量子信息学
目前研究的焦点在于一个可靠的、处理量子状态的方法.由于量子状态可以叠加的特性理论上量子计算机可以高度平行运算,它可以应用在密码学中.理论上量子密码术可以产生完全可靠的密码,但是实际上目前这个技术还非常不可靠.另一个当前的研究项目是将量子状态传送到远处的量子隐形传送.