量子力学与相对论这两门学科主宰了20世纪自然科学的研究方向,被称为自然科学理论的第二次革命(牛顿经典力学体系的建立,被人们称为自然科学的第一次革命)。

今天,科学家按照广义相对论和量子力学的部分理论来描述宇宙。它们是20世纪上半叶人类大的智慧成就。

量子力学所研究的对象是微观粒子(如电子、原子、分子等)的运动变化规律。

20世纪以来,人们发现了大量新的实验事实。例如,过去人们认为光是电磁波,具有波动性。但后来发现在光电效应等现象中,光却显示出粒子性;后来又发现,原来认为只有粒子性的实物粒子,如电子等,也能发生衍射现象,这表明实物粒子也具有波动性。以上事实说明,微观粒子不仅具有粒子性,同时还具有波动性,所以人们称这种性质为“波粒二象性”。

回顾历史,波和粒子这两个概念,在经典物理学中是截然不同的。说到粒子,首先是指它具有不被分割的整体性,或者说粒子具有完全的定域性,原则上可以无限精确地确定它的质量、动量和电荷。并且在一定条件下,总可以把粒子视为“质点”,只要知道它的初始位置和速度,原则上就可以用牛顿力学完全描述它未来的位置和速度。说到波,总是意味着某种实际的物理量在空间分布做周期性的变化,即波具有空间的不定域性。对于理想的波,原则上可以精确地测定它的频率和波长,它在空间上就必须是无限扩展的。波动性在物理测量上的实际表现,在于呈现干涉和衍射现象。

经典的波和粒子这两个概念是永远无法同时使用的,我们不能同时用波和粒子这两个概念去描述同一现象,在逻辑上是不可能的。但实际上,历史的发展却表现出光既具有波动性,又具有粒子性,这种双重性称为光的波粒二象性。(www.daowen.com)

波粒二象性是微观粒子的基本属性之一,量子力学就是关于微观粒子的波粒二象性的理论,它以波粒二象性为出发点,建立了一套新的理论体系。海森伯的不确定性原理则是波粒二象性的数学表述(人们也称它为“测不准原理”)。事实上,不确定性原理揭示的是一条重要的物理规律：粒子在客观上不能同时具有确定的坐标位置及相应的动量。因而,“不能同时精确地测量它们”只是这一客观规律的必然的结果。其重要性在于指明了经典力学概念在微观世界中的适用程度。

在量子力学中,用以描述微观粒子运动状态的基本规律,是物理学家薛定谔(1887—1961年)所建立的薛定谔方程。它在量子力学中的地位大致相当于牛顿运动定律在经典力学中的地位。量子力学有两种形式：一种就是上述的物理学家薛定谔,在法国物理学家德布罗意提出的物质波理论的基础上建立的波动力学;另一种形式是由海森伯(1901—1976年)、玻尔(1885—1962年)等人建立的矩阵力学。进一步的研究表明,波动力学和矩阵力学两者是等价的。后来人们统称其为量子力学。

量子力学在低速、微观的物理现象范围内起着普遍作用,经典力学是量子力学的极限情况。量子力学的建立大大促进了原子物理、固体物理、原子核物理等学科的发展,标志着人类认识自然实现了由宏观世界向微观世界的飞跃。

经典力学是用位置和动量来描述运动的。知道粒子在某一时刻的位置和动量,就可以求解运动方程,得出任何时刻的位置和动量。这称为经典物理中的“决定性观点”,或者说它满足“严格的因果律”。它在宏观世界,例如对天体物理,对人造卫星的运动规律的描述,都获得了巨大的成功。但对于微观粒子,由于波粒二象性,我们不能同时确定它的位置和动量,不能比海森伯不确定性原理所允许的范围更准确。结果人们只能预言这些粒子的可能行为。