量子力學(xué)及其應(yīng)用現(xiàn)狀初探

姚閏晨

摘 要：量子力學(xué)作為現(xiàn)代物理學(xué)中的重要分支，其亦是用以描述微觀化粒子變化規(guī)律的一種學(xué)術(shù)理論。量子力學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展均對社會(huì)創(chuàng)新和科學(xué)進(jìn)步帶來不可忽視的影響。因此，本文從量子力學(xué)出發(fā)，分析了量子力學(xué)的發(fā)展過程與基本特征，并就其應(yīng)用現(xiàn)狀展開探討，以期為該理論的深入化研究創(chuàng)造有利條件。

關(guān)鍵詞：量子力學(xué) 粒子 發(fā)展 應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與世界經(jīng)濟(jì)水平的持續(xù)提升，社會(huì)對于物理學(xué)的探討愈加廣泛，作為現(xiàn)代物理學(xué)兩大支柱之一的量子力學(xué)亦日益受到重視。量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)中的重要分支，其以物質(zhì)世界中的微觀粒子為研究對象，主要分析了微觀粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，例如原子、分子以及原子核等。截至目前，量子力學(xué)已經(jīng)由傳統(tǒng)的個(gè)別假說逐步發(fā)展為具有一定成熟度的理論研究，并逐步應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界。事實(shí)證明，量子力學(xué)理論的不斷完善不僅有益于新一輪的科技革命，更對社會(huì)發(fā)展有著重要影響。[1]

一、量子力學(xué)的基本特征及其發(fā)展

1.量子力學(xué)的基本特征

量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的重要分支，其亦是在物理學(xué)不斷發(fā)展與創(chuàng)新的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。量子力學(xué)與相對論一起被認(rèn)為是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。具體來說，量子力學(xué)是分析并研究物質(zhì)世界中的微觀粒子及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種理論體系，許多物理學(xué)理論和科學(xué)都是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)所進(jìn)行的，如原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)以及粒子物理學(xué)等等。科學(xué)證明所有微觀粒子都具有明顯的波粒二象性特征，其這種狀態(tài)可整體被一種波函數(shù)所系統(tǒng)性地描述出來，此函數(shù)具有單值屬性、受限屬性及連續(xù)變化屬性，其客體的全部性質(zhì)都能由這一波函數(shù)中獲得展示。[2]

2.量子力學(xué)的發(fā)展歷程

量子力學(xué)的發(fā)展并不是一蹴而就的，而是在相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上一步步猜想、假設(shè)與證實(shí)的。一般來說，量子力學(xué)的產(chǎn)生可界定為20世紀(jì)初期，它的形成從根本上改變了社會(huì)對于現(xiàn)有物質(zhì)世界的認(rèn)識，尤其是對于物質(zhì)組成成分的認(rèn)識。量子理論認(rèn)為粒子的行為常常像波，用于描述粒子行為的“波函數(shù)”預(yù)測一個(gè)粒子可能的特性，諸如它的位置和速度。普朗克為了克服經(jīng)典理論解釋黑體輻射規(guī)律的困難，而引入了能量子的概念，隨后愛因斯坦提出了光量子假設(shè)，而以玻爾為代表的一系列科學(xué)家則為量子理論的逐步發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)，如電子自旋概念與矩陣力學(xué)的提出。隨著相關(guān)概念與理論的相繼形成，1925至1928年，完整的量子力學(xué)理論方得形成。[3]

二、量子力學(xué)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用與價(jià)值

1.量子力學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)

量子力學(xué)在一定程度上無疑推動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，量子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生更產(chǎn)生了諸多有益影響。自1646年第一臺電子計(jì)算機(jī)問世以來，其芯片發(fā)展速度日益加快。按照芯片的摩爾定律，其集成度在不久的將來有望達(dá)到原子分子量級，然而，在芯片發(fā)展到微觀集成的時(shí)候，量子效應(yīng)會(huì)影響甚至完全破壞芯片功能。量子力學(xué)的海森堡測不準(zhǔn)原理決定了粒子的位置和動(dòng)量是不能同時(shí)確定的。因此，為了克服量子力學(xué)對計(jì)算機(jī)發(fā)展的限制，計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向必然和量子力學(xué)相結(jié)合。量子計(jì)算機(jī)的制造理論首次提出于上世紀(jì)八十年代。量子計(jì)算機(jī)能夠使得計(jì)算機(jī)的存儲讀取方式量子化，一方面在于其存儲量大、速度高，另一方面則在于可以實(shí)現(xiàn)量子平

行態(tài)。

2.量子力學(xué)與能量運(yùn)用

現(xiàn)代社會(huì)是資源社會(huì)，抑或是能量社會(huì)，伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與能源的不斷耗費(fèi)，能量浪費(fèi)問題日益受到社會(huì)各界的廣泛重視。能量浪費(fèi)問題可以說是隨時(shí)隨地發(fā)生，例如發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)燃燃料以產(chǎn)生推動(dòng)車身前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力同時(shí)，相當(dāng)一部分能量以熱量的形式散失，抑或說是直接浪費(fèi)?？茖W(xué)家們在經(jīng)過一系列研究，開始采用量子力學(xué)理論來解決能量浪費(fèi)的問題。量子干涉描述了同一個(gè)量子系統(tǒng)若干個(gè)不同態(tài)疊加成一個(gè)純態(tài)的情況，研究人員利用它研制了一種分子溫差電材料，能夠有效地將熱量轉(zhuǎn)化為電能，這種材料的厚度僅僅只有百萬分之一英尺，在其發(fā)揮功效時(shí)，不需要再額外安裝其他外部運(yùn)動(dòng)部件，也不會(huì)產(chǎn)生任何污染。

3.量子力學(xué)與人類思維

對于宇宙間的物質(zhì)波來說，依照波動(dòng)學(xué)說做出的解釋，世上各種物質(zhì)都是由波來構(gòu)成，而依從微粒學(xué)說做出的解釋，所有物質(zhì)都是由概率波挾持下的粒子組合所構(gòu)成，那么如此說物質(zhì)波是具備事物的基本屬性還是具備某種行為的特性，換言之，其自身即是屬于物理空間的終極本體，可能是原子式粒子是構(gòu)成物理空間的終極本體，而物質(zhì)波則只是此類本體的統(tǒng)計(jì)結(jié)果的展示.依照并協(xié)機(jī)理，波動(dòng)理論與微粒理論均能夠進(jìn)行運(yùn)用，證明不了哪一個(gè)是真實(shí)的。倘若說某類實(shí)驗(yàn)需要做波動(dòng)化解釋，而另一類實(shí)驗(yàn)需要做微粒化解答，那將是不科學(xué)的，應(yīng)當(dāng)是每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都可以并行化的應(yīng)用兩種說法來解釋.其實(shí)，按等價(jià)描述理論就好理解了，即中間現(xiàn)象隨著描述的不同而不同，而現(xiàn)象則是這個(gè)類中的不變體，物質(zhì)波就是中間現(xiàn)象。意識與量子一樣都是一種客體運(yùn)動(dòng)的過程，而不是一種客觀實(shí)體.人類的意識特征與量子力學(xué)特有的不可復(fù)制性、糾纏性、非定域性和非確定性的特點(diǎn)具有相似性，但實(shí)驗(yàn)表明，意識并不是一個(gè)真正的物理問題，它是一種合成性的認(rèn)識方式。[4]

結(jié)語

綜上所述，量子力學(xué)理論是用來描述微觀空間中的物質(zhì)粒子（包含組成物質(zhì)的分子、原子、原子核，以及其他形態(tài)的基本粒子等）之運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)術(shù)理論?？茖W(xué)證明所有微觀粒子都具有明顯的波粒二象性特征，量子力學(xué)理論體系不僅可用于解釋人類意識等問題，更在現(xiàn)實(shí)生活中展示出了至關(guān)重要的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]關(guān)于量子力學(xué)教學(xué)改革的一些探討[J].譚慶收，謝瓊濤.教育現(xiàn)代化.2018（46）.

[2]淺談物理學(xué)的主要發(fā)展方向——量子力學(xué)[J].史嘉琦.高考.2018（21）.

[3]從“弦理論”視角看量子力學(xué)[J].張夢瑤.高考.2019（03）.

[4]關(guān)于量子力學(xué)教學(xué)改革的一些探討[J].譚慶收，謝瓊濤.教育現(xiàn)代化.2018（46）.