PHYS1904面向具有深厚物理學背景并有興趣學習更高級主題的高成就學生。它與 PHYS1902 共享講座和輔導課程，包括流體、電和磁以及量子物理主題的模塊。實驗室部分的特點是與學院一個研究小組的研究人員一起執行一個研究項目。這門課程中量子物理學是一大難點，今天就把它單拎出來進行講解。

一、什么是量子理論?

量子理論是解釋亞原子現象的基礎理論。這一理論基本上解釋了物質和能量在原子層次上的性質和行為。

一般來說，經典物理學通常用于解釋宏觀層次上的物理現象。然而，量子理論進一步解釋了發生在亞原子層次上的現象。量子理論與廣義相對論一起，是物理學的廣泛而重要的領域，提供了一種新的看待世界的方式。

二、量子理論的發展

在20世紀初，一位名叫馬克斯·普朗克的德國物理學家提出了他的量子假設，他解釋了來自一個發光體的輻射在溫度升高時如何從紅色變成橙色再到藍色。這一現象也被稱為黑體輻射。

在他的實驗中，他發現能量存在于單一單位中，就像物質一樣，而不是連續的電磁波。基于這一假設，能量是可量化的。發現這些單位是量子假設的主要前提。

后來，普朗克制定了一個數學方程，包括一個數字來表示能量的個別單位。他稱之為量子。有了這個方程，他進一步鞏固了關于這一發現的假設。普朗克在1918年因他的假設獲得了諾貝爾物理學獎。然而，三十年的時間內，不同研究人員的進展都有助于對量子理論的現代理解。

1905年，阿爾伯特·愛因斯坦進一步發展了這一理論，他提出輻射，除了能量外，也以類似的方式進行量子化。他還使用這一假設來解釋光電效應。

1924年，法國物理學家路易·德布魯意提出，在亞原子層次上，物質和能量的行為沒有太大的區別。在這個層次上，它們都可以作為波動或粒子來表現。這一假設被稱為波粒二象性原理。

同樣，在1926年，奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤還提出了粒子波函數的偏微分方程。他的方程還描述了量子狀態的時間演化。

隨著年月的推移，1927年，維爾納·海森伯提出，粒子的兩個互相關的性質，如位置和力的精確同時測量是不可能的。這導致了海森伯不確定性原理的發展。

三、量子理論的影響和應用

在上個世紀的確立后，許多研究人員一直在努力發展量子理論的新版本。其中一些著名的包括尼爾·玻爾的哥本哈根解釋和多世界或多元宇宙理論。在三十多年的時間里，還有不同的理論解釋。

不管怎樣，如今，量子理論的原則被應用在許多領域。量子力學本身用于解釋宇宙的各種特征，以及揭示亞原子粒子(如質子、電子、中子、光子等)的個體行為。

除了物理學，量子力學還在化學中得到應用，其應用被稱為量子化學。量子力學為化學鍵合過程提供了定量的洞察，現代計算化學中的大多數計算都基于量子力學。

更重要的是，大多數現代技術都基于量子理論，其中量子效應具有重要作用。

量子理論的其他應用包括：

- 量子光學

- 量子計算

- 發光二極管

- 超導磁體

- 光放大器和激光器

- 晶體管

- 半導體

- 磁共振成像

- 電子顯微鏡

常見問題解答：量子理論

Q1 定義量子理論。

量子理論是一種物理學理論，基于將輻射能量分為有限的量子，用于解釋需要在原子或分子尺度上進行能量轉移或轉化的各種過程。

Q2 誰發展了量子理論?

量子理論的奠基人是馬克斯·普朗克。他因他的量子理論工作而獲得了諾貝爾物理學獎。阿爾伯特·愛因斯坦也被視為量子理論的先驅之一，因為他在他的光電效應理論中將光(光子)描述為能量量子，為此他于1921年獲得了諾貝爾獎。

Q3 解釋海森伯的不確定性原理。

海森伯的不確定性原理規定，不可能完全準確地知道粒子(如光子或電子)的位置和速度，越是確定粒子的位置，我們就越不了解其速度，反之亦然。這一原理是由德國物理學家維爾納·海森伯于1927年提出的。

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