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量子论(现代物理学的两大基石之一)

量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论提供了新的关于自然界的观察、思考和表述方法。量子论揭示了微观物质世界的基本规律,为原子物理学、固体物理学、核物理学、粒子物理学以及现代信息技术奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射,粒子的无限可分和信息携带等。尤其它的开放性和不确定性,启发人类更多的发现和创造。

大家都熟悉光是有波粒二象性的,也都知道光双缝的干涉实验是证明了光存在波的属性的,实验结果是在光线通过双缝后在后面的荧幕上产生了干涉条纹。

改变一下实验条件:每一次只发射一个光粒子,结果将是如何?荧幕上是否会产生如同波干涉一样的条纹么(如果是粒子没有其他粒子影响,按经典理论该粒子应当重复之前路径)?结果是即便一次只发射一个光粒子,这个粒子依旧会产生干涉(显像位置按概率出现,无法使用经典理论解释)。

由此引出了量子论的关键观点:“微观世界里,上帝也在玩骰子”(不确定性原理)。

量子理论的创建过程是一部壮丽的史诗。

1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难,引入了能量子概念,为量子理论奠定了基石。

随后,爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾,提出了光量子假说,并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念,为量子理论的发展打开了局面。

1913年,玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念,提出玻尔的原子理论,对氢光谱作出了满意的解释,使量子论取得了初步胜利。随后,玻尔、索末菲和其他物理学家为发展量子理论花了很大力气,却遇到了严重困难,旧量子论陷入困境。

1923年,德布罗意提出了物质波假说,将波粒二象性运用于电子之类的粒子束,把量子论发展到一个新的高度。

1925年-1926年薛定谔率先沿着物质波概念成功地确立了电子的波动方程,为量子理论找到了一个基本公式,并由此创建了波动力学

几乎与薛定谔同时,海森伯写出了以“关于运动学和力学关系的量子论的重新解释”为题的论文,创立了解决量子波动理论的矩阵方法。

1925年9月,玻恩与另一位物理学家约丹合作,将海森伯的思想发展成为系统的矩阵力学理论。不久,狄拉克改进了矩阵力学数学形式,使其成为一个概念完整、逻辑自洽的理论体系。

1926年薛定谔发现波动力学矩阵力学从数学上是完全等价的,由此统称为量子力学,而薛定谔的波动方程由于比海森伯的矩阵更易理解,成为量子力学的基本方程

1928年狄拉克将相对论运用于量子力学,又经海森堡泡利等人的发展,形成了量子电动力学,量子电动力学研究的是电磁场与带电粒子的相互作用。

1947年,实验发现了兰姆移位

1948-1949年,里查德费因曼(Richard Phillips Feynman)、施温格(J.S.Schwinger)和朝永振一郎用重正化概念发展了量子电动力学,从而获得1965年诺贝尔物理学奖。

海森伯不确定原则是量子论中最重要的原则之一。最初的不确定性原理指出,不可能同时精确地测量出粒子动量和位置,因为在测量过程中仪器会对测量过程产生干扰,测量其动量就会改变其位置,反之亦然。量子理论跨越了牛顿力学中的死角,在解释事物的宏观行为时,只有量子理论能处理原子和分子现象中的细节。但是,这一新理论所产生的似是而非的矛盾说法比光的波粒二重性还要多。牛顿力学以确定性和决定性来回答问题,量子理论则用可能性和统计数据来回答。传统物理学精确地告诉我们火星在哪里,而量子理论让我们就原子中电子的位置进行一场赌博。海森伯不确定性使人类对微观世界的认识受到了绝对的限制,并告诉我们要想丝毫不影响结果,就无法进行测量。量子力学的奠基人之一薛定谔在1935年就意识到了量子力学中不确定性的问题,并假设了一个著名的猫思维实验:“一只猫关在一钢盒内,盒中有下述极残忍的装置(必须保证此装置不受猫的直接干扰):在盖革计数器中有一小块辐射物质,它非常小,或许在1小时中只有一个原子衰变。在相同的几率下或许没有一个原子衰变。如果发生衰变,计数管便放电并通过继电器释放一个锤,击碎一个小小的氰化物瓶。如果人们使这整个系统自在1个小时,那么人们会说,如果在此期间没有原子衰变,这猫就是活的。第一次原子衰变必定会毒杀了这只猫。”

常识告诉我们那只猫非死即活,两者必居其一。可是按照量子力学的规则,盒内整个系统处于两种态的叠加之中,一态中有活猫,另一态中有死猫。但是有谁在现实生活中见过一个又活又死的猫呢?猫应该知道自己是活还是死,然而量子理论告诉我们,这个不幸的动物处于一种悬而未决的死活状态中,直到某人窥视盒内看个究竟为止。此时,它要么变得生气勃勃,要么立刻死亡。如果把猫换成一个人,那么详谬变得更尖锐了,因为这样一来,监禁在盒内的那位朋友会自始至终地意识到他是健康与否。如果实验员打开盒子,发现他仍然是活的,那时他可以问他的朋友,在此观察前他感觉如何,显然这位朋友会回答在所有的时间中他绝对活着。可这跟量子力学是相矛盾的,因为量子理论认为在盒内的东西被观察之前那位朋友仍处在活-死叠加状态中。

玻尔敏锐地意识到它正表征了经典概念的局限性,因此以此为基础提出“互补原则”(并协原理),认为在量子领域总是存在互相排斥的两种经典特征,正是它们的互补构成了量子力学的基本特征。玻尔的互补原则被称为正统的哥本哈根解释,但爱因斯坦一直不同意。他始终认为统计性的量子力学是不完备的,而互补原理是一种绥靖哲学,因而一再提出假说和实验责难量子论,但玻尔总能给出自洽的回答,为量子论辩护。爱因斯坦与玻尔的论战持续了半个世纪,直到他们两人去世也没有完结。

薛定谔猫实验告诉我们,在原子领域中实在的佯谬性质与日常生活和经验是不相关的,量子幽灵以某种方式局限于原子的阴影似的微观世界之中。如果遵循量子理论的逻辑到达其最终结论,则大部分的物理宇宙似乎要消失于阴影似的幻想之中。爱因斯坦决不愿意接受这种逻辑结论。他反问:没有人注视时月亮是否实在?科学是一项不带个人色彩的客观的事业,将观察者作为物理实在的一个关键要素的思想看来与整个科学精神相矛盾。如果没有一个“外在的”具体世界供我们实验与测量,全部科学不就退化为追逐想象的一个游戏了吗?

量子理论革命性的特点,一开始就引起了关于它的正确性及其解释内容的激烈争论,在20世纪中这个争论一直进行着。自然法则从根本上将是否具有随机性?在我们的观察中是否存在实体?我们又是否受到了观察现象的影响?爱因斯坦率先从几个方面对量子理论提出质疑。他不承认自然法则是随机的。他不相信“上帝在和世界玩骰子”。在和玻尔的一系列著名的论战中,爱因斯坦又一次提出了批判,试图解释量子理论潜在的漏洞、错误和缺点。玻尔则巧妙地挫败了爱因斯坦的所有攻击。在1935年的一篇论文中,爱因斯坦提出了一个新证据:断言量子理论无法对自然界进行完全的描述。根据爱因斯坦的说法,一些无法被量子理论预见的物理现象应该能被观测到。这一挑战最终导致阿斯派特做了一系列著名的试验,准备用这些试验解决这一争论。阿斯派特的实验详尽地证明了量子理论的正确性。阿斯派特认为,量子理论能够预见但无法解释一些奇妙的现象,爱因斯坦断言这一点是不可能的。由此似乎信息传播比光速还快很明显地违背了相对论和因果律。阿斯派特的实验结论仍有争议,但它们已促成了关于量子论的更多的奇谈怪论。

由玻尔和海森伯发展起来的理论和哥本哈根派的观点,尽管仍有争论,却逐渐在大多数物理学家中得到认可。按照该学派的观点,自然规律既非客观的,也非确定的。观察者无法描述独立于他们之外的现实。就象不确定律和测不准定律告诉我们的一样,观察者只能受到观察结果的影响。按自然规律得出的实验性预见总是统计性的而非确定性的。没有定规可寻,它仅仅是一种可能性的分布。

电子在不同的两个实验中表现出的波动性粒子性这一表面上的矛盾是互补性原理的有关例子。量子理论能够正确地、连续地预测电子的波动性或粒子性,却不能同时对两者进行预测。按照玻尔的观点,这一矛盾是我们在对电子性质的不断探索中,在我们的大脑中产生的,它不是量子理论的一部分。而且,从自然界中只能得到量子理论提供的有限的、统计性的信息。量子理论是完备的:该理论未能告诉我们的东西或许是有趣的猜想或隐喻。但这些东西既不可观测,也不可测量,因而与科学无关。哥本哈根解释未能满足爱因斯坦关于一个完全客观的和决定性的物理定律应该是什么样的要求。几年后,他通过一系列思维推理实验向玻尔发起挑战。这些实验计划用来证明在量子理论中的预测中存在着不一致和错误。爱因斯坦用两难论或量子理论中的矛盾向玻尔发难。玻尔把问题稍微思考几天,然后就能提出解决办法。爱因斯坦难免过分地看重了一些东西或者忽略了某些效应。有一次,具有讽刺意味的是爱因斯坦忘记了考虑他自己提出的广义相对论。最终,爱因斯坦承认了量子理论的主观一致性,但他仍固执地坚持一个致命的批判:EPR思维实验

1935年,爱因斯坦和两个同事普多斯基和罗森合作写了一篇驳斥量子理论完备性的论文,在物理学家和科学思想家中间广为流传。该论文以三个人姓氏的第一个字母合称EPR论文。他们假设有两个电子:电子1和电子2发生碰撞。由于它们带有相同的电荷,这种碰撞是弹性的,符合能量守恒定律,碰撞后两电子的动量和运动方向是相关的。因而,如果测出了电子1的位置,就能推知电子2的位置。假设在碰撞发生后精确测量电子1的位置,然后测量其动量。由于每次只测量了一个量,测量的结果应该是准确的。由于电子1、2之间的相关性,虽然我们没有测量电子2,即没有干扰过它,但仍然可以精确推测电子2的位置和动量。换句话说,我们经过一次测量得知了电子的位置和动量,而量子理论说这是不可能的,关于这一点量子理论没有预见到,爱因斯坦及其同事由此证明:量子理论是不完备的。

玻尔经过一段时间的思考,反驳说EPR实验非但没有证否量子理论,而且还证明了量子理论的互补性原理。他指出,测量仪器、电子1和电子2共同组成了一个系统,这是一个不可分割的整体。在测量电子1的位置的过程中会影响电子2的动量。因此对电子1的测量不能说明电子2的位置和动量,一次测量不能代替两次测量。这两个结果是互补的和不兼容的,我们既不能说系统中一个部分受到另一个部分的影响,也不能试图把两个不同实验结果互相联系起来。EPR实验假定了客观性和因果关系的存在而得出结论认为量子理论是不完备的,事实上这种客观性和因果性只是一种推想和臆测。

尽管人们对量子理论的含义还不太清楚,但它在实践中获得的成就却是令人吃惊的。尤其在凝聚态物质固态和液态的科学研究中更为明显。用量子理论来解释原子如何键合成分子,以此来理解物质的这些状态是再基本不过的。键合不仅是形成石墨氮气等一般化合物的主要原因,而且也是形成许多金属和宝石的对称性晶体结构的主要原因。用量子理论来研究这些晶体,可以解释很多现象,例如为什么银是电和热的良导体却不透光,金刚石不是电和热的良导体却透光?而实际中更为重要的是量子理论很好地解释了处于导体和绝缘体之间的半导体的原理,为晶体管的出现奠定了基础。1948年,美国科学家约翰巴丁、威廉肖克利和瓦尔特布拉顿根据量子理论发明了晶体管。它用很小的电流和功率就能有效地工作,而且可以将尺寸做得很小,从而迅速取代了笨重、昂贵的真空管,开创了全新的信息时代,这三位科学家也因此获得了1956年的诺贝尔物理学奖。另外,量子理论在宏观上还应用于激光器的发明以及对超导电性的解释。

而且量子论在工业领域的应用前景也十分美好。科学家认为,量子力学理论将对电子工业产生重大影响,是物理学一个尚未开发而又具有广阔前景的新领域。时下半导体的微型化已接近极限,如果再小下去,微电子技术的理论就会显得无能为力,必须依靠量子结构理论。科学家们预言,利用量子力学理论,到2010年左右,人们能够使蚀刻在半导体上的线条的宽度小到十分之一微米(一微米等于千分之一毫米)以下。在这样窄小的电路中穿行的电信号将只是少数几个电子,增加一个或减少一个电子都会造成很大的差异。

美国威斯康星大学材料科学家马克斯拉加利等人根据量子力学理论已制造了一些可容纳单个电子的被称为“量子点”的微小结构。这种量子点非常微小,一个针尖上可容纳几十亿个。研究人员用量子点制造可由单个电子的运动来控制开和关状态的晶体管。他们还通过对量子点进行巧妙的排列,使这种排列有可能用作微小而功率强大的计算机的心脏。此外,美国得克萨斯仪器公司、国际商用机器公司、惠普公司和摩托罗拉公司等都对这种由一个个分子组成的微小结构感兴趣,支持对这一领域的研究,并认为这一领域所取得的进展“必定会获得极大的回报”。

科学家对量子结构的研究的主要目标是要控制非常小的电子群的运动即通过“量子约束”以使其不与量子效应冲突。量子点就有可能实现这个目标。量子点由直径小于20纳米的一团团物质构成,或者约相当于60个硅原子排成一串的长度。利用这种量子约束的方法,人们有可能制造用于很多光盘播放机中的小而高效的激光器。这种量子阱激光器由两层其他材料夹着一层超薄的半导体材料制成。处在中间的电子被圈在一个量子平原上,电子只能在两维空间中移动。这样向电子注入能量就变得容易些,结果就是用较少的能量就能使电子产生较多的激光。

美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员正在对量子进行更深入的研究。他们设法把量子平原减少一维,制造以量子线为基础的激光器,这种激光器可以大大减少通信线路上所需要的中继器。

美国南卡罗来纳大学詹姆斯图尔斯的化学实验室用单个有机分子已制成量子结构。采用他们的方法可使人们将数以十亿计分子大小的装置挤在一平方毫米的面积上。一平方毫米可容纳的晶体管数可能是时下的个人计算机晶体管数的1万倍。纽约州立大学的物理学家康斯坦丁利哈廖夫已用量子存储点制成了一个存储芯片模型。从理论上讲,他的设计可把1万亿比特的数据存储在大约与现今使用的芯片大小相当的芯片上,而容量是时下芯片储量的15万倍。有很多研究小组已制出了利哈廖夫模型装置所必需的单电子晶体管,有的还制成了在室温条件下工作的单电子晶体管。科学家们认为,电子工业在应用量子力学理论方面还有很多问题有待解决。因此大多数科学家正在努力研究全新的方法,而不是仿照时下的计算机设计量子装置。

量子理论提供了精确一致地解决关于原子、激光、X射线、超导性以及其他无数事情的能力,几乎完全使古老的经典物理理论失去了光彩。但我们仍旧在日常的地面运动甚至空间运动中运用牛顿力学,在这个古老而熟悉的观点和这个新的革命性的观点之间一直存在着冲突。

宏观世界的定律保持着顽固的可验证性,而微观世界的定律具有随机性。我们对抛射物和彗星的动态描述具有明显的视觉特征,而对原子的描述不具有这种特征,桌子、凳子、房屋这样的世界似乎一直处于我们的观察之中,而电子和原子的实际的或物理性状态没有缓解这一矛盾。如果说这些解释起了些作用的话,那就是他们加大了这两个世界之间的差距。

对大多数物理学家来说,这一矛盾解决与否并无大碍,他们仅仅关心他们自己的工作,过分忽视了哲学上的争议和存在的冲突。毕竟,物理工作是精确地预测自然现象并使我们控制这些现象,哲学是不相关的东西。

广义相对论在大尺度空间、量子理论在微观世界中各自取得了辉煌的成功。基本粒子遵循量子论的法则,而宇宙学遵循广义相对论的法则,很难想象它们之间会出现大的分歧。很多科学家希望能将这两者结合起来,开创一门将从宏观到微观的所有物理学法则统一在一起的新理论。但迄今为止所有谋求统一的努力都遭到失败,原因是这两门20世纪物理学的重大学科完全矛盾。是否能找到一种比现有的这两种理论都好的新理论,使这两种理论都变得过时,正如它们流行之前的种种理论遇到的情况那样呢?

先了解一下古希腊有名的“芝诺悖论”“阿基里斯追不上乌龟”:

阿基里斯(《荷马史诗》中的善跑英雄)永远也无法超过在他前面慢慢爬行的乌龟。因为他必须首先到达乌龟的出发点,而当他到达那一点时,乌龟已向前爬到了一个新位置;当他到达乌龟的新位置时,乌龟又向前爬了……这样,乌龟总是跑在前头,阿基里斯只能离乌龟越来越近,却永远追不上乌龟。

按照直觉和常识,那怕阿基里斯跟乌龟离得再远,追上乌龟也不成问题,因为他比乌龟跑得快;但按照芝诺给我们设下的思维圈套,却又分明追不上。其实,这里面就隐含了量子论。其实,量子论的一些基本论点显得并不“玄乎”,如:空间不是连续的(事实上“量子”这个词也就是来源于“不连续”,普朗克将能量量子化,被认为是量子论的诞生,普郎克本人也就成为量子论的创始人),也就是说空间不可能无限地被分割。联系上述悖论,当阿基里斯跟乌龟的距离近到所允许的最小距离(即一个“量子”距离。这个值非常小,这里假定为s了)便无穷趋于0,。那么,基于无限分割空间的芝诺悖论也就站不住脚。其实,如果多想一下,问题就来了:假设这最小距离的两个端点是A和B,按照量子论,物体从A不经过A和B中的任何一个点而直接到达B,打个比方说,这个物体就象一个魔术演员,从舞台的左边上场,接着突然出现在舞台的右边。物体的运动轨迹不再是连续的一条线,而是一个个点。物体在A点突然消失,与此同时在B点出现了。你会问,这“期间”(其实没有这“期间”,而是同一时间)除了神话和社会上的种种“伪科学”、“特异功能”,你无法在现实的宏观世界上找到一个这样的例子。这样,我们已经可以领会到量子论的“神秘”和“怪诞”之处,并从中窥到量子论“反直觉”的特性。

哲学是社会科学的范畴,量子论是自然科学的范畴。以前无论教科书上怎么强调哲学与自然科学的关系,我都不甚以为然,甚至觉得它们风牛马不相及。随着对量子论了解的增多,发现量子论跟哲学居然那么紧密联系在一起。爱因斯坦创造奇迹就源于深刻的哲学思考。他本人就曾说过,与其说他是个物理学家,不如说他是个哲学家。相对论是革命的,但量子论显得更革命,它需要有更大的勇气,更超越的思维。量子论的发展,也必然引发对哲学的思考。量子论给传统的时空观、物质观等带来了革命性的冲击,一个旧的世界在它的冲击下分崩离析,一个新的世界在逐渐形成。它跟人们的直觉和常识那么地格格不入。如:电子不是粒子,而是波函数。根据目前较为流行的弦理论,(组成质子的)微观粒子实际上是震动的弦,弦的大小和方向的不同就形成了不同的“粒子”。粒子变得像音符一样。原来我还认为电子、质子就是粒子,就象我们看到的桌子、椅子那样客观存在,不容置疑,如今,电子、质子都失却了形体,成了什么波、什么弦!尤其是这个“波函数”弥漫整个空间,甚至整个宇宙,两个纠缠态既便相距千里,仍然可以以一种不可思议的方式进行超距合作!更有一个听起来胜似“天方夜潭”的宇宙创造论:整个宇宙是由一个奇点开始的,这个奇点瞬间爆炸,产生了巨大的能量,于是有了时间,有了空间,进而演变成宇宙。宇宙竟能无中生有!那个奇点没有质量也没有大小,跟数学上的点能有什么不同?而那些波、那些弦,也无法将它们看做具有实形的东西。“除了几何关系之外一无所有。空间不再是一个客体 ( 如粒子 ) 振动和相互碰撞的场所 , 而变成了一个永远在变换样式和过程的万花筒。”数学似乎成了宇宙唯一通用的语言。道教的“一生二,二生三,三生万物”,似乎在自然界也找到了诠释。所罗门在《传道书》中说,“虚空的虚空,虚空的虚空,凡事都是虚空”,他的本意当然不是指什么“宇宙的本质”,但按照上述的宇宙创造论,对于宇宙倒是“一语道的”了。既然量子论都这么说,那么哲学出现什么“形而上”,还有什么好奇怪的呢?宇宙可以从“无”中创造出来,甚至超出唯心主义和唯物主义的想象(要知道那可是一无所有的“空”,没有时间和空间,更没有物质和意识,什么都没有)!

提到这个,至少我本人有一些误解,把一些量子论的东西当成了相对论(毕竟我对广义相对论也几乎是一无所知)。目前,尽管量子论已经得到了巨大的应用,但相对于赫赫声名的相对论,量子论似乎还是显得“默默无闻”。量子论是凭着它神奇的力量和越来越多、越来越神奇的应用赢得人们的“青睐”的。尽管如此,我们还是对量子论知之甚少。而相对论就不同了,什么时空扭曲,时间变慢,质量和能量可以相互转换,火车速度加快会变短,诸如此类,虽说到不了妇儒皆知的地步,恐怕稍有科普知识的人均有所了解吧,也常常是我们津津乐道的话题。其实,我们把量子论的一些“功劳”加到了相对论上,甚至把量子论的一些东西当成了相对论的东西。针对量子论中的“不确性原理”,爱因斯坦设计了一个被称为EPR的佯谬,并有句广为人知的名言:“上帝不会掷骰子”。最近几天才知道(真是惭愧),“上帝会不会掷骰子”这个问题早在在1997年的试验中就已经棺成定论。实验结果与量子论的预言相符,爱因斯坦输了!赫赫有名的霍金在谈到“黑洞”吞噬一切的特性时,还拿这句话开涮:“上帝不仅掷骰子,还会把骰子投到人看不到的地方。”相对论带给我们奇异的结论确实不少,但相比量子论却还是显得逊色多了(当然,并不是指相对论比量子论逊色),量子传输,一台量子计算机甚至可以相当于多少万台普通计算机并行运算……这样的例子会越来越多。相对论与量子论看起来“水火不相容”,但物理学家们正试图将这两种理论统一起来,形成一个“大统一”,据说已取得较大进展。

量子论如今已经经过了百年的风风雨雨,但它的发展还远没有终结,路途如此坎坷,甚至让人觉得到了一种“山重水复疑无路”的地步。量子论的发展也不象牛顿力学、相对论那样,很快就得到了认可,并成为一个相对完善的理论。而量子论,在发展的道路上虽然奇景不断,但从它曲折的发展历史上看,量子论的每一个分支总是越走越艰难。至今,新的流派和分支还在不断地出现。也许“上帝”为人类设置了最后一道不可逾越的机关,这是人类认识的极限,是认识中的“量子”,最终人类无法超越它,人类也就最终不能穷尽大自然的奥秘,永远无法看到“上帝”他老人家的真实面孔。

量子力学虽然建立了,但关于它的物理解释却总是很抽象,大家的说法也不一致。波动方程中的所谓波究竟是什么?

玻恩认为,量子力学中的波实际上是一种几率,波函数表示的是电子在某时某地出现的几率。1927年,海森伯提出了微观领域里的不确定性关系,他认为任何一个粒子的位置和动量不可能同时准确测量,要准确测量其中的一个,另一个就将是不确定的,这就是所谓的“不确定性原理”。它和玻恩的波函数几率解释一起,奠定了量子力学诠释的物理基础。玻尔敏锐地意识到不确定性原理正表征了经典概念的局限性,因此在此基础上提出了“互补原理”(并协原理)。玻尔的互补原理被人们看成是正统的哥本哈根解释,但爱因斯坦不同意不确定性原理,认为自然界各种事物都应有其确定的因果关系,而量子力学是统计性的,因此是不完备的,而互补原理更是一种权宜之计。于是在爱因斯坦与玻尔之间进行了长达三四十年的争论,直到他们去世也没有作出定论。

如果说光在空间的传播是相对论的关键,那么光的发射和吸收则带来了量子论的革命。我们知道物体加热时会放出辐射,科学家们想知道这是为什么。为了研究的方便,他们假设了一种本身不发光、能吸收所有照射其上的光线的完美辐射体,称为“黑体”。研究过程中,科学家发现按麦克斯韦电磁波理论计算出的黑体光谱紫外部分的能量是无限的,显然发生了谬误,这为“紫外线灾难”提供了依据。1900年,德国物理学家普朗克提出了物质中振动原子的新模型。他从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念,提出了辐射的量子论。关于量子论中的不连续性,可以这样理解:如温度的增加或降低是连续的,从一度升到二度中间必须经过0.1度,0.1度之前必定有0.01度。但是量子论认为在某两个数值之间例如1度和3度之间可以没有2度。他认为各种频率的电磁波,包括光只能以各自确定分量的能量从振子射出,这种能量微粒(能量基本单位)称为量子,光的量子称为光量子,简称光子。根据这个模型计算出的黑体光谱与实际观测到的相一致。这揭开了物理学上崭新的一页。量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律,而且以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。量子论不仅给光学,也给整个物理学提供了新的概念,故通常把它的诞生视为近代物理学的起点。

维恩(Wilhelm Wien)瑞利(Lord Rayleigh)

普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)

狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)

尼尔斯玻尔(Niels Bohr)

路易德布罗意(Prince Louis-victor de Broglie)

薛定谔(Erwin Schrödinger)

海森伯(Werner Karl Heisenberg)

沃尔夫冈泡利(Wolfgang Ernst Pauli)

玻恩(Max Born)

理查德费曼(Richard Phillips Feynman)

海因里希赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)

密立根(Robert Andrews Millikan)

阿尔伯特爱因斯坦(Albert Einstein)

量子假说与物理学界几百年来信奉的“自然界无跳跃”直接矛盾,因此量子理论出现后,许多物理学家不予接受。普朗克本人也十分动摇,后悔当初的大胆举动,甚至放弃了量子论,继续用能量的连续变化来解决辐射的问题。但是,历史已经将量子论推上了物理学新纪元的开路先锋的位置,量子论的发展已是锐不可当。

第一个意识到量子概念的普遍意义并将其运用到其它问题上的是爱因斯坦。他建立了光量子理论解释光电效应中出现的新现象。光量子论的提出使光的性质的历史争论进入了一个新的阶段。自牛顿以来,光的微粒说波动说此起彼伏,爱因斯坦的理论重新肯定了微粒说和波动说对于描述光的行为的意义,它们均反映了光的本质的一个侧面:光有时表现出波动性,有时表现出粒子性,但它既非经典的粒子也非经典的波,这就是光的波粒二象性。主要由于爱因斯坦的工作,使量子论在提出之后的最初十年里得以进一步发展。

在1911年,卢瑟福提出了原子的行星模型,即电子围绕一个位于原子中心的微小但质量很大的核,即原子核的周围运动。在此后的20年中,物理学的大量研究集中在原子的外围电子结构上。这项工作创立了微观世界的新理论量子物理,并为量子理论应用于宏观物体奠定了基础。但是原子中心微小的原子核仍然是个谜。

原子核是微观世界中的重要层次,量子力学是研究微观粒子运动规律的理论,是现代物理学的理论基础之一,是探索原子核奥秘所不可缺少的工具。在原子量子理论被提出后不久,物理学家开始探讨原子中微小的质量核原子核。在原子中,正电原子核在静态条件下吸引负电子。但是什么使原子核本身能聚合在一起呢?原子核包含带正电质子和不带电的中子,两者之间存在巨大的排斥力,而且质子彼此排斥(不带电的中子没有这种排斥力)。使原子核聚合在一起,并且克服质子间排斥力的是一种新的强大的力,它只在原子核内部起作用。原子弹的巨大能量就来自这种强大的核力。原子核和核力性质的研究对20世纪产生了巨大的影响,放射现象、同位素核反应、裂变、聚变原子能、核武器和核药物都是核物理学的副产品。

丹麦物理学家玻尔首次将量子假设应用到原子中,并对原子光谱不连续性作出了解释。他认为,电子只在一些特定的圆轨道上绕核运行。在这些轨道上运行时并不发射能量,只当它从一个较高能量的轨道向一个较低轨道跃迁时才发射辐射,反之吸收辐射。这个理论不仅在卢瑟福模型的基础上解决了原子的稳定性问题,而且用于氢原子时与光谱分析所得的实验结果完全符合,因此引起了物理学界的震动。玻尔指导了20世纪20年代的物理学家理解量子理论听起来自相矛盾的基本结构,他实际上既是这种理论的“助产师”又是护士。

玻尔的量子化原子结构明显违背古典理论,同样招致了许多科学家的不满。但它在解释光谱分布的经验规律方面意外地成功,使它获得了很高的声誉。不过玻尔的理论只能用于解决氢原子这样比较简单的情形,对于多电子的原子光谱便无法解释。旧量子论面临着危机,但不久就被突破。在这方面首先取得突破的是法国物理学家德布罗意,他与兄长一起研究X射线的波动性和粒子性的问题。经过长期思考,德布罗意突然意识到爱因斯坦的光量子理论应该推广到一切物质粒子,特别是电子。1923年9月到10月,他连续发表了三篇论文,提出了电子也是一种波的理论,并引入了“驻波”的概念描述电子在原子中呈非辐射的静止状态。驻波与在湖面上或线上移动的行波相对,吉它琴弦上的振动就是一种驻波。这样就可以用波函数的形式描绘出电子的位置。不过它给出的不是我们熟悉的确定的量,而是统计上的“分布概率”,它很好地反映了电子在空间的分布和运行状况。德布罗意还预言电子束在穿过小孔时也会发生衍射现象。1924年,他写出博士论文“关于量子理论的研究”,更系统地阐述了物质波理论,爱因斯坦对此十分赞赏。不出几年,实验物理学家真的观测到了电子的衍射现象,证实了德布罗意的物质波的存在。

沿着物质波概念继续前进并创立了波动力学的是奥地利物理学家薛定谔。他从爱因斯坦的一篇论文中得知了德布罗意的物质波概念后立刻接受了这个观点。他提出,粒子不过是波动辐射上的泡沫。1925年,他推出了一个相对论的波动方程,但与实验结果不完全吻合。1926年,他改而处理非相对论的电子问题,得出的波动方程在实验中得到了证实。

1925年,德国青年物理学家海森伯写出了一篇名为《关于运动学和力学关系的量子论重新解释》的论文,创立了解决量子波动理论的矩阵方法。玻尔理论中的电子轨道、运行周期这样古典的然而是不可测量的概念被辐射频率和强度所代替。经过海森伯和英国一位年轻的科学家狄喇克的共同努力,矩阵力学逐渐成为一个概念完整、逻辑自洽的理论体系。

波动力学矩阵力学各自的支持者们一度争论不休,指责对方的理论有缺陷。到了1926年,薛定谔发现这两种理论在数学上是等价的,双方才消除了敌意。从此这两大理论合称量子力学,而薛定谔的波动方程由于更易于掌握而成为量子力学的基本方程。

量子通信是指运用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式,是最近三十年发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信由于其高效安全的信息传输已受到人们的广泛关注,并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。近来这门学科已逐步从理论走向实验,并向实用化发展。

利用量子论实现光量子通信的过程如下: 首先先构建一对相互纠缠的粒子,将这两个粒子分别放在通信的地点,然后将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量(一种操作),那么接收方的粒子瞬间将会发生坍塌(变化) ,坍塌(变化 为某种状态,但是这个状态与发送方的粒子坍塌(变化)后的状态是对称的,然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方,接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换(相当于逆转变换),即可得到与发送方完全相同的未知量子态。量子通信就是运用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式,通俗而言,就是两个相距遥远的陌生人能不约而同地去想做同一件事,好像有一根无形的线牵着他们,这种神奇现象被人们称为“心灵感应”。量子隐形传态不仅对物理学领域人们认识与揭示自然界的神秘规律有重要意义,而且用量子态作为信息载体,通过量子态的传送可以完成超快的大容量信息的传输。

由于量子通信对国家信息和国防安全有着战略性的重要性,世界主要发达国家如美国、欧盟、日本等都在大力发展,它有可能会使得未来信息产业发展的格局发生改变,尤其在军事应用方面量子通信有着无与伦比的广阔前景。各种侦察预警系统、各类作战指挥控制体系和主要作战平台之间,以及量子微空间武器系统之中构建出量子隐形通信系统,建立量子信息化的通信网络。量子通信将以其信道容量极大、通信速率超高等特性,在未来的信息化战争中有着至关重要的作用。也正因为如此,美国国防部已将“量子信息与控制技术”列为未来重点关注的六大颠覆性研究领域之一。中国在量子通信这场国际化竞争中属于后来者,但是起点高,进展快,在应用领域的多个方面已经达到世界先进水平,特别在城域量子通信关键技术方面,甚至达到了产业化要求。

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