量子物理學是對物質和能量最基本層面的研究。它旨在發現自然界最基本組成部分的特性和行為。

雖然許多量子實驗研究的是非常小的物體，如電子和光子，但量子效應就在我們身邊，并在所有尺度上發揮作用。然而，我們可能不容易在較大的物體中探測到它們。這會給人一種量子效應很奇怪的錯覺。事實上，量子科學填補了我們物理學知識的空白，讓我們對日常生活有了更全面的了解。

量子發現已經融入我們對材料、化學、生物學和天文學的基本理解。這些發現是寶貴的創新源泉，催生了激光和晶體管等設備，并使量子計算機等一度被認為純屬猜測的技術取得了真正的進步。物理學家正在探索量子科學的潛力，以改變我們對重力及其與空間和時間關系的看法。量子科學甚至可能揭示宇宙(或多個宇宙)中的萬事萬物是如何通過我們的感官無法理解的更高維度與萬事萬物聯系在一起的。

一、物理學的起源

量子物理學興起于 19 世紀末 20 世紀初，源于對原子的一系列實驗觀察，這些觀察在經典物理學中沒有直觀的意義。在這些基本發現中，人們認識到物質和能量可以被視為離散的數據包或量子，它們都有一個最小值。例如，恒定頻率的光以稱為 "光子 "的量子形式提供能量。這個頻率下的每個光子都具有相同的能量，而且這種能量不能被分割成更小的單位。事實上，"量子 "一詞源于拉丁語，意思是 "多少"。

量子原理的知識改變了我們對原子的理解，原子由電子包圍的原子核組成。在早期的模型中，電子被描述為圍繞原子核運行的粒子，就像衛星圍繞地球運行一樣。現代量子物理學認為電子分布在軌道中，這種數學描述代表了電子在給定時間內處于給定范圍內多個位置的概率。電子在獲得或失去能量時可以從一個軌道跳到另一個軌道，但不能在軌道之間移動。

二、為量子物理學的發展奠定了基礎的關鍵概念

1.波粒二象性

這一原理可追溯到量子科學的早期。它描述的實驗結果表明，光和物質具有粒子或波的特性，這取決于如何測量它們。今天我們知道，這些不同形式的能量實際上既不是粒子也不是波。它們是獨立的量子物體，我們無法輕易感知。

2.疊加

這是一個術語，用來描述一個物體同時具有幾種可能狀態的組合。疊加對象類似于湖面上的波紋，它是兩個重疊波紋的組合。在數學意義上，重疊對象可以用一個方程來表示，這個方程有不止一個解或結果。

3.不確定性原理

這是一個數學概念，表示互補近似之間的權衡。在物理學中，這意味著一個物體的兩個屬性(如位置和速度)不可能同時完全已知。例如，如果我們仔細測量電子的位置，那么我們知道其速度的精確度就會受到限制。

4.糾纏

當兩個或兩個以上的物體以這樣一種方式連接在一起時，即使它們相距甚遠，也可以將它們視為一個單一的系統。如果沒有另一個物體的狀態信息，就無法完全描述該系統中一個物體的狀態。同樣，一個物體的信息會自動告訴另一個物體的信息，反之亦然。

三、觀測量子物體

觀測是量子物理學中一個頗具爭議的話題。在這一領域發展的早期，研究人員驚訝地發現，實驗結果可能會受到觀測本身的影響。例如，一個電子在未被觀測時表現得像波，但當它被觀測時，波坍縮了(或更準確地說 "衰減 "了)，電子表現得像粒子。科學家們現在已經意識到，"觀測 "一詞在這種情況下會產生誤導，因為它意味著意識的參與。取而代之的是，"測量 "一詞能更好地描述這種效應，即結果的變化是由于量子現象與外部環境(包括用于測量現象的儀器)之間的相互作用造成的。然而，即使是這種聯系也有注意事項，我們仍然需要全面了解測量與結果之間的聯系。

四、數學與量子對象的概率性質

由于量子物理學的許多概念很難甚至不可能形象化，因此數學對這一領域至關重要。方程被用來幫助描述或預測量子對象和現象，其準確性超過我們的想象力。

量子現象的概率性質也需要數學來表示。例如，電子的位置可能無法準確知道。相反，它可以被描述為處于許多可能的位置(如軌道內)，每個位置都與在該位置找到電子的概率相關聯。

鑒于其概率性質，量子對象通常用數學 "波函數 "來描述，它是薛定諤方程的解。水中的波可以用波通過一個確定點時水的高度變化來描述。同樣，聲波也可以用空氣分子在通過某點時壓縮或膨脹的變化來描述。波函數與物理特性的關系并非如此。波函數的解提供了觀察者在一組潛在選擇中遇到特定物體的概率。然而，正如池塘中的一圈漣漪或小號吹出的一個音符會擴散開來，并不局限于一個地方，量子物體可以同時出現在多個地方--而且可以呈現不同的狀態，就像疊加一樣。

五、雙縫實驗

量子物理學中最權威的實驗或許是雙縫實驗。這個實驗是讓光子或電子等粒子通過一個有兩個狹縫的屏障，最初是在 1801 年用來證明光是由波組成的。從那時起，這個實驗被反復用來證明物質也可以表現得像波一樣，以及證明疊加、糾纏和觀察者效應的原理。

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