《量子信息处理技术及算法设计》:
量子力学是用波函数描写微观粒子的运动状态,以薛定谔方程确定波函数的变化规律,并用算符或矩阵方法对各物理量进行计算。因此量子力学在早期也称为波动力学或矩阵力学。量子力学的规律用于宏观物体或质量和能量相当大的粒子时,也能得出经典力学的结论。在解决原子核和基本粒子的某些问题时,量子力学必须与狭义相对论结合起来(相对论量子力学),并由此逐步建立了现代的量子场论。量子力学是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科,它主要研究原子、分子、凝聚态物质以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论,它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。
量子力学的基本原理包括量子态的概念、运动方程、理论概念和观测物理量之间的对应规则和物理原理。
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。状态随时间的变化遵循一个线性微分方程,该方程预言体系的行为,物理量由满足一定条件的、代表某种运算的算符表示;测量处于某一状态的物理体系的某一物理量的操作,对应于代表该量的算符对其波函数的作用;测量的可能取值由该算符的本征方程决定,测量的期待值由一个包含该算符的积分方程计算。
波函数的平方代表作为其变数的物理量出现的概率。根据这些基本原理并附以其他必要的假设,量子力学可以解释原子和亚原子的各种现象。
关于量子力学的解释涉及许多哲学问题,其核心是因果性和物理实在问题。按动力学意义上的因果律说,量子力学的运动方程也是因果律方程,当知道体系的某一时刻的状态时,可以根据运动方程预言它的未来和过去任意时刻的状态。
但量子力学的预言和经典物理学运动方程(质点运动方程和波动方程)的预言在性质上是不同的。在经典物理学理论中,对一个体系的测量不会改变它的状态,它只有一种变化,并按运动方程演进。因此,运动方程对决定体系状态的力学量可以作出确定的预言。
但在量子力学中,体系的状态有两种变化:一种是体系的状态按运动方程演进,这是可逆的变化;另一种是测量改变体系状态的不可逆变化。因此,量子力学对决定状态的物理量不能给出确定的预言,只能给出物理量取值的概率。在这个意义上,经典物理学因果律在微观领域失效了。
据此,一些物理学家和哲学家断言量子力学摒弃因果性,而另一些物理学家和哲学家则认为量子力学因果律反映的是一种新型的因果性——概率因果性。量子力学中代表量子态的波函数是在整个空间定义的,态的任何变化是同时在整个空间实现的。
20世纪70年代以来,关于远隔粒子关联的实验表明,类空分离的事件存在着量子力学预言的关联。这种关联是同狭义相对论关于客体之间只能以不大于光速的速度传递物理相互作用的观点相矛盾的。于是,有些物理学家和哲学家为了解释这种关联的存在,提出在量子世界存在一种全局因果性或整体因果性,这种不同于建立在狭义相对论基础上的局域因果性,可以从整体上同时决定相关体系的行为。
量子力学用量子态的概念表征微观体系状态,深化了对物理实在的理解。微观体系的性质总是在它们与其他体系,特别是与观察仪器的相互作用中表现出来。量子力学表明,微观物理的实在既不是波也不是粒子,真正的实在是量子态。真实状态分解为隐态和显态,是由于测量造成的,在这里只有显态才符合经典物理学实在的含义。微观体系的实在性还表现在它的不可分离性上。量子力学把研究对象及其所处的环境看做一个整体,它不允许把世界看成由彼此分离的、独立的部分组成。关于远隔粒子关联实验的结论,也定量地支持了量子态不可分离性的观点。本书将在第2章中介绍量子力学的数学基础。
……
展开