什麽是量子物理學？簡而言之，是物理學解釋了壹切的工作原理：我們對構成物質的粒子的性質以及它們相互作用的力的最好描述。
量子物理學是原子如何工作的基礎，以及化學和生物學為何如此運作。您，我和門柱–至少在某種程度上，我們都在跳舞。如果要解釋電子如何在計算機芯片中移動，光子如何在太陽能電池板上轉換為電流或在激光中放大自身，甚至只是太陽如何持續燃燒，都需要使用量子物理學。
困難（對於物理學家來說就是樂趣）從這裏開始。首先，沒有單壹的量子理論。量子力學是支撐壹切的基本數學框架，它最初由Niels Bohr，Werner Heisenberg，ErwinSchr?dinger等人於1920年代開發。它描繪了簡單的事物，例如單個粒子或少數幾個粒子的位置或動量如何隨時間變化。
但是要了解事物在現實世界中的工作原理，必須將量子力學與物理學的其他要素結合在壹起-主要是阿爾伯特·愛因斯坦的相對論，它解釋了事物在快速移動時會發生什麽-從而創建了所謂的量子場論。
三種不同的量子場論涉及物質相互作用的四個基本力中的三個：電磁學，它解釋原子如何保持在壹起；強大的核力，這說明了原子核心核的穩定性；以及弱的核力，這解釋了為什麽某些原子會發生放射性衰變。
在過去的大約五十年中，這三個理論已經在壹個搖搖欲墜的聯盟中融合在壹起，被稱為粒子物理學的“標準模型”。盡管有種種感覺，即該模型是用膠帶輕輕地固定在壹起的，但它是有史以來設計最精確的物質基本工作測試圖。它的最高榮耀是在2012年發現希格斯玻色子時發現的。希格斯玻色子賦予所有其他基本粒子以質量，該粒子的存在可追溯到1964年。
傳統的量子場理論在描述高能粒子粉碎機（例如歐洲核子研究組織的大型強子對撞機）的實驗結果時效果很好，在該機中發現了希格斯，並以最小的尺度探測了物質。但是，如果您想了解事物在許多不那麽神秘的情況下是如何工作的（例如，電子如何通過或不通過固體材料移動，從而使該材料成為金屬，絕緣體或半導體），則情況會變得更加復雜。
在這些擁擠的環境中，數十億億次的交互需要開發“有效的現場理論”，以掩蓋壹些棘手的細節。構造此類理論的困難在於，為何仍未解決固態物理學中的許多重要問題-例如，為什麽在低溫下某些材料是允許電流通過而沒有電阻的超導體，以及為什麽我們不能在室溫下使用此技巧。
但是，在所有這些實際問題中都隱藏著巨大的量子奧秘。從基本的層面上講，量子物理學預言了關於物質如何運作的非常奇怪的事情，這與現實世界中事物的運作情況完全不壹致。量子粒子的行為類似於位於單個位置的粒子。或者它們可以像波浪壹樣行動，分布在整個空間或壹次分布在多個地方。它們的顯示方式似乎取決於我們選擇如何對其進行度量，並且在我們對其進行度量之前，它們似乎根本沒有確定的屬性，這使我們對基本現實的本質產生了根本的難題。
這種模糊性導致明顯的悖論，例如薛定諤的貓，在這種悖論中，由於不確定的量子過程，使得貓同時死了並且還活著。但這還不是全部。量子粒子似乎也能夠瞬間相互影響，即使它們彼此遠離。這種真正的竹節現象被稱為糾纏，或者用愛因斯坦（量子理論的偉大批評家）創造的壹句話，稱為“遠距離的詭異動作”。這樣的量子能力對我們來說是完全陌生的，但卻是諸如超安全量子密碼學和超強大量子計算之類的新興技術的基礎。
但至於壹切意味著什麽，沒人知道。有人認為我們必須接受量子物理學以無法發現與更大的“經典”世界中的經驗相稱的方式來解釋物質世界。其他人則認為必須有壹些尚待發現的更好，更直觀的理論。
在這壹切中，房間裏有幾只大象。首先，自然界的第四種基本力到目前為止，量子理論還無法解釋。重力仍然是愛因斯坦廣義相對論的領域，而廣義相對論是壹種甚至不涉及粒子的堅決非量子論。數十年來，人們為將重力置於量子保護傘之下，並在壹種“萬物理論”中解釋所有基本物理原理而付出了巨大努力。
同時，宇宙學的測量表明，宇宙中超過95％的物質是由暗物質和暗能量組成的，在標準模型中我們目前尚無關於它們的解釋，以及諸如量子物理學在宇宙的淩亂工作中的作用程度之類的難題。生活仍然無法解釋。世界在某種程度上是量子的-但是量子物理學是否是關於世界的硬道理仍是壹個懸而未決的問題。理查德·韋伯