量子力学是什么理论？

kgd520

量子力学是什么理论？

123456825

一个很有深度的科学问题“量子力学是什么理论？”
讲讲个人观点
引力虽然是人类认识到的第一个基本力，但人们却对其了解最少。物理学家可以精确地预测引力对恒星和行星的影响，但是没人知道力如何与微小粒子或量子相互作用。因此，人们寄希望于一个引力规则控制所有星系，夸克及其之间所有事物的简单期望推动了量子引力理论。从而，对于力如何作用于宇宙中最小的部分进行了近一个世纪的探索。

广义相对论的边缘


理论物理学中最棘手的问题是该领域的两次最大胜利之间的冲突。爱因斯坦的广义相对论用物体或能量弯曲空间和围绕它的时间描述代替了牛顿的物体之间的简单吸引概念，附近的物体遵循这些弯曲的路径，就像它们被彼此吸引一样。在爱因斯坦方程中，引力是空间本身的形状，他的理论保留了对光滑、经典宇宙的传统描述-一个你可以一直放大到更小空间的地方。但是大多数专家预计，爱因斯坦的理论会在某一天落空，因为宇宙最终看起来会颠簸而不是光滑。行星和恒星实际上是原子的集合，而原子又由电子和夸克束组成，这些粒子悬挂在一起或通过交换其他类型的粒子而破裂，从而产生吸引力和排斥力。

例如，电磁力是来自交换粒子的物体，这种粒子称为虚拟光子；例如，将磁铁粘在冰箱上的力可以描述为平滑的经典磁场，但是该磁场的精细细节取决于产生它的量子粒子。在宇宙的四个基本力（重力，电磁力以及强弱核力）中，只有重力缺少对“量子”的描述。结果，没人能确引力场是从哪里来的，或者各个粒子在其中的作用方式。
奇怪的引力


即使重力使我们固定在地面上并通常充当一种力量，但是广义相对论却表明它还有更多东西-空间本身的形状。其他量子理论将空间视为测量粒子飞行多远和多快的平坦背景，忽略粒子的空间曲率是可行的，因为重力远比其他力弱得多，以至于当放大像电子一样小的物体时，空间看起来是平坦的。重力和空间曲率的影响在行星和恒星等更缩小的级别上相对明显。但是，当物理学家试图计算电子周围空间的曲率时，尽管可能很小，但在数学上却不可能了。

在20世纪40年代后期，物理学家开发出了一种称为重正化的技术，用于应对量子力学的变幻莫测，该技术使电子能够以无穷多种方式为无聊的旅行增添趣味。例如，它可能会发射光子，该光子可以分裂成一个电子及其反物质孪生子，即正电子。然后，它们可以发射出更多的光子，这些光子可以分裂成更多的双胞胎，以此类推。计算出无数种电子路程是极为困难的，而重正化则让物理学家将其归为几个可测量的数字，例如电子的电荷和质量。尽管他们无法预测这些值，但是他们可以将其用于其他预测，例如电子的去向。

当理论上的引力粒子称为引力子进入场景时，重正化停止工作。引力子也有自己的能量，这会产生更多的空间扭曲，更多的引力子，以此循环，这通常会导致巨大的数学混乱。即使物理学家试图将这些无限式堆积在一起以进行实验测量，但最终也会淹没在无底洞中。实际上，在许多质量和能量如此紧密地扭曲空间的情况下，这种无法处理粒子周围曲率的方法会变得致命，这甚至使电子及其类似物引起了人们的注意，例如黑洞。但是，即使物理学家不了解，时空坑附近（甚至更糟）内部的任何粒子也依然知道相互作用的规则。
将重力带入褶皱


使用广义相对论的近似值，物理学家已经提出了引力子的外观概念，但科学家对于见到它不抱任何希望，因为用一个像木星那么大的粒子对撞机进行100年的实验才能发现一个。因此，理论学家正在重新思考宇宙最基本元素的性质。比如，一种称为环量子引力的理论旨在通过将空间和时间分解成几小部分来解决粒子与时空之间的冲突。弦论是另一种流行的理论，它采用了不同的方法，将粒子替换为纤维状的弦，这种纤维在数学上比点状的弦表现更好。这个简单的变化会带来复杂的后果，但是一个不错效果是重力只是数学上的问题而已。即使爱因斯坦和他的同时代人从未发展出广义相对论，物理学家们后来也会通过弦理论偶然发现它。

理论学家在20世纪90年代后期发现，对包括重力在内的简单，盒状宇宙的描述在数学上等同于仅具有量子物理学（而无重力）的平坦宇宙。在这种来回跳转之间的描述表明，空间可能不是宇宙的基本成分，而是粒子相互作用产生的副作用。对于我们可能难以想象，空间与粒子之间的关系可能类似于室温与空气分子之间的关系。物理学家曾经认为热量是从温暖的房间流到凉爽的房间的流体，但是分子的发现揭示了我们所感觉到的温度是从空气分子的平均速度中“浮现”出来的。空间（以及等效地重力）可能同样揭示了某些小规模现象的大规模经验。在弦论中，有很多迹象表明，空间实际上已经出现了。

虽然弦论在一个盒子里的宇宙形状与我们看到的形状不同，这种差异并无大碍，因为量子引力可以对所有可能的宇宙形状以相同的方式起作用。即使来自盒式宇宙的经验确实适用于现实，但是其数学框架仍然是粗糙的。物理学家距离将理论联系到太空并在其中获得对量子引力的准确描述还有很长的路要走。迄今为止，还没有任何实验与广义相对论的预测有所不同。也许在将来，各种各样对引力波敏感的引力波探测器阵列可能会捕捉到引力子的细微耳语。
分析不足地方望补充。

cck123

20世纪初物理实验发现光子般大小的粒子运动，如中子，电子……牛顿力学无法解释。道理是简单的，要测量粒子的位置，传统的方法是观察撞击在粒子上光子反射到眼瞳的位置。
然而粒子与光子一般大小，眼睛看到反射光的时候，粒子的位置已经改变了！所以所测到的物理参数如位置，速度都是不确定的！该如何构建一个理论来解释这些近代物理或原子物理现象呢？
因为这先天的不确定性，粒子本身需要用函数来表示（state function）。所测的参数如位置，速度……于是就是函数的函数，叫泛函，这数学叫做泛函分析。
结合一些实验观察和经验公式，比如包里不确定原则（Pauli uncertainty principle）等，可建立薛定谔微分方程。解方程可解释物理现象。
对科学来说，只要能准确解释物理现象就是好理论，没有文学家那么思想复杂……
比如量子纠缠的概念，早期科学家就是用泛函分析考虑的，不列微分方程，而视之为满足一些特定性质的泛函向量空间，叫做希伯特空间（Hilbert Space）。

ryJpvCAB

19世纪末，经典力学和在描述微观系统时的不足越来越明显。量子力学是在20世纪初由、、、、、、、、、、等一大批物理学家共同创立的。量子力学的发展革命性地改变了人们对物质的结构以及其相互作用的认识。量子力学得以解释许多现象和预言新的、无法直接想象出来的现象，这些现象后来也被非常精确的实验证明。除通过描写的引力外，至今所有其它物理均可以在量子力学的框架内描写（量子场论）。
量子力学并没有支持自由意志，只是于微观世界物质具有等存在不确定性，不过其依然具有稳定的客观规律，不以人的意志为转移，否认。第一，这种微观尺度上的和通常意义下的宏观尺度之间仍然有着难以逾越的距离；第二，这种随机性是否不可约简难以证明，事物是由各自独立演化所组合的多样性整体，偶然性与必然性存在辩证关系。自然界是否真有随机性还是一个悬而未决的问题，对这个鸿沟起决定作用的就是，统计学中的许多随机事件的例子，严格说来实为决定性的。
在量子力学中，一个物理体系的状态由波函数表示，波函数的任意线性叠加仍然代表体系的一种可能状态。对应于代表该量的算符对其波函数的作用；波函数的模平方代表作为其变量的物理量出现的几率密度。
量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。
1900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式（能量子）实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出，正确地给出了黑体辐射能量分布。
1905年，爱因斯坦引进（光子）的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，成功地解释了光电效应。其后，他又提出固体的振动能量也是的，从而解释了低温下问题。

buffona

非常感谢悟空邀请！在这里能为你解答这个问题，让我带领你们一起走进这个问题，现在让我们一起探讨一下。
自古以来，人类就不断地在问自己，万物是由什么构成的？它们又是如何结合在一起的？回答这个问题的理论是人类已知最精确的科学理论，然而它却有着一个非常平淡无奇的名字——标准模型。在上个世纪的诺贝尔物理学奖中，超过四分之一都与标准模型有关。

自建立以来，标准模型在过去的50年中经受住了重重严峻的考验，它描述了除引力之外的其它基本力以及组成所有物质的基本粒子。每一个试图超越它的尝试，都必须付出巨大的努力，而且从过去几十年尝试过的例子来看，很多都已经失败了。
【探索基本】
我们都知道，我们周围的世界是由分子组成的，而分子又是由原子组成的。门捷列夫在19世纪60年代就已经认识到这一点，并将所有原子排列到周期表中。但是，元素周期表中含有的不同化学元素种类多达118种
△ 元素周期表包含了118个元素，这些元素还可以进一步被分割。| 图片来源：ANTOINE2K/SHUTTERSTOCK
物理学家向来都喜欢简洁，他们想要看到事物的本质、并揭开它们最基本的成分。显然，100多个化学元素并不简洁。早在两千多年前的时候，古希腊的哲学家就把构成这个世界的基本单元分为四种元素：土、气、火和水。这比118个元素要简单得多，但却是错误的。
到了1932年，科学家了解到所有的这些原子都由三种粒子——中子、质子和电子——构成的。中子和质子紧密地结合在原子核内，而质量更轻的电子则绕着原子核极速运动。于是，物理学家普朗克、玻尔、薛定谔、海森堡等人发展了一种新的科学——量子力学，以解释这种运动。
粒子的数量一下子缩减到了3个，这似乎是个令人满意的止步之处。但它们是如何结合在一起的？带负电的电子和带正电的质子通过电磁力束缚在一起。但是所有的质子全挤在核中，它们所带的正电应该将它们有力地分开才对。而中性的中子并不能起到什么作用。
3那么将质子和中子结合在一起的是什么？或许有人会认为“这是神的旨意”。但是，这种情形即使对神来说也是极大的挑战，因为祂需要密切关注宇宙中的10个质子和中子，并按照祂的意志将它们结合在一起。
【粒子动物园】
而与此同时，大自然并不满足于它的粒子动物园只有这3种粒子。算上构成光的粒子——光子的话，其实是4种。而当安德森探测到从外太空击中地球的正电子（带正电的电子）时，4又变成了5。安德森所探测到的正电子正是狄拉克曾经预言过的反物质粒子。后来，5个又变成了6个，这是因为汤川秀树预言可以将原子核束缚在一起的π介子被发现了。

再后来，拉比发现了比电子重200倍的μ子，它的性质跟电子完全相同。这时候，这一数字已经上升到7了，似乎已经谈不上简洁了。然而，事情却远远没有结束。
到了20世纪60年代，已经出现了数百个“基本”粒子了。排列整齐的元素周期表，被长长的重子（如质子和中子）、介子（如π介子）和轻子（如电子和中微子）列表代替——杂乱且无指导原则可言。
在这一片混乱上蹒跚前进的是标准模型。这不是昙花一现的光辉，也没有像阿基米德从浴缸中跳出来高喊“尤里卡”（eureka：我发现了）那样灵光闪现的时刻。相反，它的出现源自于20世纪60年代中期，几位关键性的人物发表的一系列重要见解，才将这一泥潭转变为一个简单的理论。随之而来的，是五十年的实验验证和理论阐述。
现在我们知道，夸克有6种“味”，就像对应于冰淇淋中的香草、巧克力等不同味一样，夸克有上、下、奇、粲、底和顶。 1964年，盖尔曼和茨威格为我们揭示了“食谱”：混合搭配任意三个夸克可以构成重子。例如，原本我们以为是基本粒子的质子事实上是由更小的两个上夸克和一个下夸克结合而成的；中子则是由两个下夸克和一个上夸克组成的。一个夸克和一个反夸克则可结合成一个介子。一个π介子是一个上夸克或下夸克、与一个反上夸克或反下夸克的结合。
△ 标准模型中的基本粒子：夸克、轻子（比如电子和中微子）和载力粒子（比如光子）。| 图片来源：Fermi National Accelerator Laboratory
有趣的是，这些夸克彼此之间总是紧密相连，你永远不会看到一个单独的夸克或反夸克。负责传递夸克之间的力的粒子被称为胶子（就好比是光子之于电磁力），而描述夸克和胶子之间相互作用的理论被称为量子色动力学。这是标准模型中至关重要的一部分，但其背后的数学却是极其困难的，以至于相关问题被列为千禧年七大数学难题之一。物理学家一直在尽全力用它来进行计算，但仍处于学习如何使用的过程中。
标准模型的另一个核心是“轻子模型”。1967年11月20日，温伯格在《物理评论快报》上发表的这篇标志性的论文：《轻子模型》，为高能粒子物理学在20世纪后半叶的发展指明了方向。在只有两页半纸的论文中（算上参考文献和致谢在内），温伯格优雅而简洁地书写了宇宙中最深层的秘密。他将我们熟悉的电磁力和会导致特定放射性衰变的“弱核力”统一在一起，并将它们描述为同一种力的不同方面。它结合了赋予基本粒子质量的希格斯机制
△ 温伯格发表的论文：《轻子模型》。他的成果在当时无疑是革命性的，但却被忽略了许多年，如今，这篇论文每周至少会被引用三次。
自那以后，标准模型预测了一次又一次的实验结果，包括发现几种夸克、以及传递弱核力的W和Z玻色子。虽然在20世纪60年代，人们曾忽略了中微子具有质量的可能性。但到20世纪90年代，中微子也被纳入了标准模型，只比其他的粒子晚了几十年加入这场粒子盛宴。
2012年，标准模型走上巅峰，迎来了一次伟大的胜利。科学家苦苦追寻的希格斯粒子终于在粒子加速器中被找到了！这是标准模型的最后一块拼图。然而，这并不意味着结束，而是一个新的开始。
物理学家一直在担心标准模型没有充分体现他们对简洁性的期望，担心其数学的自洽性，还有期待将引力也引入标准模型中的最终必要性。因此为了超越标准模型，物理学家已提出了很多的理论。它们都有着十分酷炫的名字，比如大统一理论、超对称和弦论等等。

但可惜的是，这些所谓的超越标准模型的理论还没能成功地预测到任何新的实验现象。在50年后的今天，标准模型似乎还未到升级更新的时刻，这对标准模型来说是件值得庆祝的事，它仍然是迄今描述（几乎）万物最完美的理论。
在以上的分享关于这个问题的解答都是个人的意见与建议，我希望我分享的这个问题的解答能够帮助到大家。
在这里同时也希望大家能够喜欢我的分享，大家如果有更好的关于这个问题的解答，还望分享评论出来共同讨论这话题。
我最后在这里，祝大家每天开开心心工作快快乐乐生活，健康生活每一天，家和万事兴，年年发大财，生意兴隆，谢谢！