基本介紹
- 中文名：c數
- 外文名：c-number
- 領域：量子力學
簡介,量子力學,量子力學與其它物理理論的關係,經典物理,狹義相對論,粒子物理學,廣義相對論,標量,
簡介
量子力學
量子力學（quantum mechanics）是物理學的分支，主要描寫微觀的事物，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，都是以其為基礎。
19世紀末，人們發現舊有的經典理論無法解釋微觀系統，於是經由物理學家的努力，在20世紀初創立量子力學，解釋了這些現象。量子力學從根本上改變人類對物質結構及其相互作用的理解。除透過廣義相對論描寫的引力外，迄今所有基本相互作用均可以在量子力學的框架內描述（量子場論）。
愛因斯坦是在科學文獻中最先給出術語“量子力學”的物理學者。
量子力學與其它物理理論的關係
經典物理
量子力學的預測已被實驗核對至極高準確度，是在科學領域中，最為準確的理論之一。對應原理實現經典力學與量子力學之間的對應關係，根據對應原理，假若量子系統已達到某“經典極限”，則其物理行為可以很精確地用經典理論來描述；這經典極限可以是大量子數極限，也可以是普朗克常數趨零極限。實際而言，許多巨觀系統都是用經典理論（如經典力學和電磁學）來做精確描述。因此在非常“大”的系統中，量子力學的特性應該會逐漸與經典物理的特性相近似，兩者必須相互符合。
對應原理對於建立一個有效的量子力學模型是很重要的輔助工具。量子力學的數學基礎相當廣泛寬鬆，它僅只要求量子系統的態矢量屬於希爾伯特空間，其可觀察量是線性的厄米算符，它並沒有規定在實際情況下，應該選擇哪一種希爾伯特空間、哪些厄米算符。因此，在實際情況下，必須選擇相應的希爾伯特空間和算符來描寫一個特定的量子系統。而對應原理則是做出這個選擇的一個重要輔助工具。這個原理要求量子力學所做出的預言，在越來越大的系統中，逐漸近似經典理論的預言。這個大系統的極限，被稱為“經典極限”或者“對應極限”。因此可以使用啟發法的手段，來建立一個量子力學的模型，而這個模型的極限，就是相應的經典物理學的模型。
在經典系統與量子系統之間，量子相干是一種很明顯可以用來區分的性質，具有量子相干性的電子、光子等等微觀粒子可以處於量子疊加態，不具有量子相干性的棒球、老虎等等巨觀系統不可以處於量子疊加態。量子退相干可以用來解釋這些行為。一種套用這性質來區分的工具是貝爾不等式，遭到量子糾纏的系統不遵守貝爾不等式，而量子退相干能夠將量子糾纏性質變換為經典統計性質，系統的物理行為因此可以用隱變數理論解釋，不再不遵守貝爾不等式。簡略而言，量子干涉是將幾個量子態的量子幅總和在一起，而經典干涉則是將幾個經典波動的波強總和在一起。對於微觀物體，整個系統的延伸尺寸超小於相干長度，因此會產生長程量子糾纏與其它非定域現象，一些量子系統的特徵行為。通常，量子相干不會出現於巨觀系統。
狹義相對論
主條目：狹義相對論
早期，對於合併量子力學與狹義相對論的試圖，涉及到使用協變方程，例如，克萊因-戈爾登方程或狄拉克方程，來取代薛丁格方程。這些方程雖然能夠很成功地描述許多量子現象，但它們目有某些不滿意的問題，它們無法描述在相對論性狀況下，粒子的生成和湮滅。完整的相對論性量子理論需要量子場論的關鍵發展。量子場論能夠將場量子化（而不是一組固定數量的粒子）。第一個量子場論是量子電動力學，它可以精確地描寫電磁相互作用。量子電動力學其對於某些原子性質的理論預測，已被證實準確至10分之一。
對於描述電磁系統，時常不需要使用到量子場論的全部功能。比較簡單的方法，是將帶電粒子當作處於經典電磁場中的量子力學物體。這個手段從量子力學的初期，就已經被使用了。比如說，氫原子的電子狀態，可以近似地使用經典的{\displaystyle 1/r}庫侖勢來計算。這就是所謂的半經典方法。但是，在電磁場中的量子起伏起一個重要作用的情況下（比如帶電粒子發射一顆光子）這個近似方法就失效了。
粒子物理學
專門描述強相互作用、弱相互作用的量子場論已發展成功。強相互作用的量子場論稱為量子色動力學，這個理論描述亞原子粒子，例如夸克、膠子，它們彼此之間的相互作用。弱相互作用與電磁相互作用也被統一為單獨量子場論，稱為電弱相互作用。
廣義相對論
量子引力是對引力場進行量子化描述的理論，屬於萬有理論之一。物理學者發覺，建造引力的量子模型是一件非常艱難的研究。半經典近似是一種可行方法，推導出一些很有意思的預測，例如，霍金輻射等等。可是，由於廣義相對論（至今為止，最成功的引力理論）與量子力學的一些基礎假說相互矛盾，表述出一個完整的量子引力理論遭到了嚴峻阻礙。嘗試結合廣義相對論與量子力學是熱門研究方向，為當前的物理學尚未解決的問題。當前主流嘗試理論有：超弦理論、循環量子引力理論等等。
