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量子力學(xué)在 20 世紀(jì)上半葉發(fā)展起來，其結(jié)果往往極其奇怪且違反直覺。然而，對它們的研究使物理學(xué)家對宇宙的本質(zhì)有了更深入的理解，并且有一天可能會(huì)改變我們?nèi)祟愄幚硇畔⒌姆绞健?/p>

一、誰發(fā)展了量子力學(xué)?

與大約在同一時(shí)期發(fā)展起來的阿爾伯特?愛因斯坦著名的相對論不同，量子力學(xué)的起源不能歸功于單一的科學(xué)家。相反，根據(jù)蘇格蘭圣安德魯斯大學(xué)的說法，在 19 世紀(jì)末至 20 世紀(jì) 30 年代期間，多位科學(xué)家為一個(gè)逐漸被接受并得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)做出了貢獻(xiàn)。

1900 年，德國物理學(xué)家馬克斯?普朗克試圖解釋為什么特定溫度下的物體，比如 1470 華氏度(800 攝氏度)的燈泡燈絲會(huì)發(fā)出特定的顏色 —— 在這種情況下是紅色，根據(jù)圓周理論物理研究所的說法。普朗克意識到物理學(xué)家路德維希?玻爾茲曼用于描述氣體行為的方程可以轉(zhuǎn)化為對溫度和顏色之間這種關(guān)系的解釋。問題是玻爾茲曼的工作基于任何給定的氣體都是由微小粒子組成的這一事實(shí)，這意味著光也是由離散的小塊組成的。

這個(gè)想法與當(dāng)時(shí)關(guān)于光的觀念背道而馳，當(dāng)時(shí)大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為光是連續(xù)的波而不是微小的粒子包。普朗克本人既不相信原子也不相信離散的光粒子，但在 1905 年，當(dāng)愛因斯坦發(fā)表了一篇論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》時(shí)，他的概念得到了推動(dòng)。

愛因斯坦設(shè)想光不是以波的形式傳播，而是以某種 “能量量子” 的形式傳播。愛因斯坦在他的論文中提出，這種能量包 “只能作為一個(gè)整體被吸收或產(chǎn)生”，特別是當(dāng)一個(gè)原子在量子化的振動(dòng)頻率之間 “跳躍” 時(shí)。這就是量子力學(xué)中 “量子” 一詞的由來。

有了這種構(gòu)想光的新方式，愛因斯坦在他的論文中對九種現(xiàn)象的行為提供了見解，包括普朗克所描述的從燈泡燈絲發(fā)出的特定顏色。它還解釋了為什么某些顏色的光可以從金屬表面擊出電子 —— 這種現(xiàn)象被稱為光電效應(yīng)。

二、什么是波粒二象性?

在量子力學(xué)中，粒子有時(shí)可以以波的形式存在，有時(shí)可以以粒子的形式存在。這在雙縫實(shí)驗(yàn)中最為著名，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，像電子這樣的粒子被射向一塊有兩個(gè)狹縫的板子，后面有一個(gè)屏幕，當(dāng)電子擊中屏幕時(shí)屏幕會(huì)亮起來。如果電子是粒子，它們在穿過其中一個(gè)狹縫后撞擊屏幕時(shí)會(huì)在屏幕上形成兩條亮線，根據(jù)《自然》雜志上的一篇熱門文章。

相反，當(dāng)進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，屏幕上會(huì)形成一個(gè)干涉圖樣。這種明暗帶的圖案只有在電子是波，具有波峰(高點(diǎn))和波谷(低點(diǎn))，并且可以相互干涉時(shí)才有意義。即使一次只向狹縫發(fā)射一個(gè)電子，干涉圖樣也會(huì)出現(xiàn) —— 這種效果就像一個(gè)電子在與自己干涉一樣。

1924 年，法國物理學(xué)家路易?德布羅意利用愛因斯坦狹義相對論的方程表明，粒子可以表現(xiàn)出波的特性，波也可以表現(xiàn)出粒子的特性 —— 幾年后他因這一發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

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