量子力學

量子力學是描述微觀物質的理論，與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱，許多物理學理論和科學如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關的學科都是以量子力學為基礎所進行的。

量子力學是描寫原子和亞原子尺度的物理學理論 ^[1] 。該理論形成於20世紀初期，徹底改變了人們對物質組成成分的認識。微觀世界裏，粒子不是枱球，而是嗡嗡跳躍的概率雲，它們不只存在一個位置，也不會從點A通過一條單一路徑到達點B ^[1] 。根據量子理論，粒子的行為常常像波，用於描述粒子行為的“波函數”預測一個粒子可能的特性，諸如它的位置和速度，而非確定的特性 ^[1] 。物理學中有些怪異的概念，諸如糾纏和不確定性原理，就源於量子力學 ^[1] 。

電子雲

19世紀末，經典力學和經典電動力學在描述微觀系統時的不足越來越明顯。量子力學是在20世紀初由馬克斯·普朗克、尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡、埃爾温·薛定諤、沃爾夫岡·泡利、路易·德布羅意、馬克斯·玻恩、恩里科·費米、保羅·狄拉克、阿爾伯特·愛因斯坦、康普頓等一大批物理學家共同創立的。

量子力學的發展革命性地改變了人們對物質的結構以及其相互作用的認識。量子力學得以解釋許多現象和預言新的、無法直接想象出來的現象，這些現象後來也被非常精確的實驗證明。除通過廣義相對論描寫的引力外，至今所有其它物理基本相互作用均可以在量子力學的框架內描寫（量子場論）。

量子力學並沒有支持自由意志，只是於微觀世界物質具有概率波等存在不確定性，不過其依然具有穩定的客觀規律，不以人的意志為轉移，否認宿命論。第一，這種微觀尺度上的隨機性和通常意義下的宏觀尺度之間仍然有着難以逾越的距離；第二，這種隨機性是否不可約簡難以證明，事物是由各自獨立演化所組合的多樣性整體，偶然性與必然性存在辯證關係。自然界是否真有隨機性還是一個懸而未決的問題，對這個鴻溝起決定作用的就是普朗克常數，統計學中的許多隨機事件的例子，嚴格説來實為決定性的。

在量子力學中，一個物理體系的狀態由波函數表示，波函數的任意線性疊加仍然代表體系的一種可能狀態。對應於代表該量的算符對其波函數的作用；波函數的模平方代表作為其變量的物理量出現的概率密度。

量子力學是在舊量子論的基礎上發展起來的。舊量子論包括普朗克的量子假説、愛因斯坦的光量子理論和玻爾的原子理論。

1900年，普朗克提出輻射量子假説，假定電磁場和物質交換能量是以間斷的形式（能量子）實現的，能量子的大小同輻射頻率成正比，比例常數稱為普朗克常數，從而得出普朗克公式，正確地給出了黑體輻射能量分佈。

1905年，愛因斯坦引進光量子（光子）的概念，並給出了光子的能量、動量與輻射的頻率和波長的關係，成功地解釋了光電效應。其後，他又提出固體的振動能量也是量子化的，從而解釋了低温下固體比熱問題。

普朗克

1913年，玻爾在盧瑟福原有核原子模型的基礎上建立起原子的量子理論。按照這個理論，原子中的電子只能在分立的軌道上運動，在軌道上運動時候電子既不吸收能量，也不放出能量。原子具有確定的能量，它所處的這種狀態叫“定態”，而且原子只有從一個定態到另一個定態，才能吸收或輻射能量。這個理論雖然有許多成功之處，對於進一步解釋實驗現象還有許多困難。

在人們認識到光具有波動和微粒的二象性之後，為了解釋一些經典理論無法解釋的現象，法國物理學家德布羅意於1923年提出了物質波這一概念。認為一切微觀粒子均伴隨着一個波，這就是所謂的德布羅意波。

德布羅意的物質波方程：

，

，其中

，可以由

得到

。

由於微觀粒子具有波粒二象性，微觀粒子所遵循的運動規律就不同於宏觀物體的運動規律，描述微觀粒子運動規律的量子力學也就不同於描述宏觀物體運動規律的經典力學。當粒子的大小由微觀過渡到宏觀時，它所遵循的規律也由量子力學過渡到經典力學。

波粒二象性

1925年，海森堡基於物理理論只處理可觀察量的認識，拋棄了不可觀察的軌道概念，並從可觀察的輻射頻率及其強度出發，和玻恩、約爾當一起建立起矩陣力學；1926年，薛定諤基於量子性是微觀體系波動性的反映這一認識，找到了微觀體系的運動方程，從而建立起波動力學，其後不久還證明了波動力學和矩陣力學的數學等價性；狄拉克和約爾丹各自獨立地發展了一種普遍的變換理論，給出量子力學簡潔、完善的數學表達形式。

當微觀粒子處於某一狀態時，它的力學量（如座標、動量、角動量、能量等）一般都不具有確定的數值，而具有一系列可能值，每個可能值以一定的概率出現。當粒子所處的狀態確定時，力學量具有某一可能值的概率也就完全確定。這就是1927年，海森伯得出的測不準關係，同時玻爾提出了並協原理，對量子力學給出了進一步的闡釋。

量子力學和狹義相對論的結合產生了相對論量子力學。經狄拉克、海森伯（又稱海森堡，下同）和泡利等人的工作發展了量子電動力學。20世紀30年代以後形成了描述各種粒子場的量子化理論——量子場論，它構成了描述基本粒子現象的理論基礎。

海森堡還提出了測不準原理，原理的公式表達如下：

。