量子到底是甚么

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量子
量子力学的诞生
量子力学和相对论是近代物理的两大支柱,两者都改变了人们对物质世界的根本认识,并对20世纪的科学技术、生产实践起了决定性的推动作用.相对论以相对时空观取代源于常识的绝对时空观,量子力学则以概率世界取代确定性世界.比起相对论来,量子力学对于变革传统观念也许具有更为深层次的意义.前者还保留了许多传统概念如力、轨道等概念,但后者却把这一切都抛弃了.
1900～1926年是量子力学的酝酿时期,此时的量子力学是半经典半量子的学说,称为旧量子论,开始于德国物理学家普朗克对黑体辐射的研究.黑体辐射是1900年经典物理（牛顿力学、麦克斯韦电动力学、热力学与统计物理）所无法解决的几个难题之一.旧理论导出的黑体辐射谱会产生发散困难,与实验不符.普朗克于是提出“能量子”概念,认为黑体由大量振子组成,每个振子的能量是振子频率的整数倍,这样导出的黑体辐射谱与实验完全符合.“能量子”是新的概念,它表明微观系统的能量有可能是间隔的、跳跃式的,这与经典物理完全不同,普朗克因此就这样吹响了新的物理征程的号角,这成为近代物理的开端之一.1905年,爱因斯坦把普朗克的“能量子”概念又向前推进了一步,认为辐射能量本来就是一份一份的,非独振子所致,每一份都有一个物质承担者——光量子,从而成功地解释了光电效应.爱因斯坦本人在几年后又比较成功地把量子论用到固体比热问题中去.1912年,丹麦青年玻尔根据普朗克的量子论、爱因斯坦的光子学说以及卢瑟福的原子行星式结构模型,成功地导出了氢原子光谱线位置所满足的公式,从这以后掀起了研究量子论的热潮.1924年,法国贵族青年德布洛意根据光的波粒二象性理论、相对论及玻尔理论,推断认为一般实物粒子也应具有波动性,提出了物质波的概念,经爱因斯坦褒扬及实验验证,直接导致了1926年奥地利学者薛定谔发明了量子力学的波动方程.与此同时,受玻尔对应原理和并协原理影响的德国青年海森堡提出了与薛定谔波动力学等价但形式不同的矩阵力学,也能成功地解释原子光谱问题.矩阵力学和波动力学统称量子力学,量子力学就这样正式诞生.量子力学与经典力学对物质的描述有根本区别.量子力学认为“粒子轨道”概念是没有意义的,因为我们不可能同时确定一个粒子的动量和位置,我们能知道的就是粒子在空间出现的几率.量子力学用波函数和算符化的力学量取代过去的轨道和速度等概念,将不可对易代数引进了物理.量子力学还第一次把复数引入了进来.
过去物理中引入复数只是一个为了方便的技巧,并无实质意义,但在量子力学中,虚数具有基本的物理意义,正如英国物理学家狄拉克在70年代所说的：“……这个复相位是极其重要的,因为它是所有涉现象的根源,而它的物理意义是隐含难解的……正是由于它隐藏得如此巧妙,人们才没有能更早地建立量子力学.”可见复数第一次在量子力学中产生了不可被替代的物理意义.这个狄拉克在20年代后半期把当时薛定谔的非相对论性波动方程推广到相对论情形,第一次实现了量子力学和相对论的联姻.狄拉克所建立的方程是描述电子等一大类自旋为半整数的粒子的相对论性波动方程.由于组成现实世界的物质是自旋都为 1/2 的电子、质子和中子,所以狄拉克方程显然特别重要.狄拉克方程能自然地预言电子的自旋为1/2 ,解释氢原子的精细结构,又预言存在正电子.不久,安德森就找到了正电子.狄拉克方程成为量子力学最有名的方程之一.这个狄拉克还将电磁场量子化,从理论上证实了1905年爱因斯坦的光子学说的最重要观点——光是由光子组成的.作为一个体系,量子力学的建立大致在20世纪20年代末完成,此后量子力学就被应用到实际问题中去了.
量子力学的基础和应用
对于许多人来说,也许量子力学比相对论更为有用.后者一般用于研究基本粒子的产生和相互转化以及大尺度的时空结构,但对于20世纪人类的生产生活,原子层次的世界显得更为重要.30年代,量子力学用于固体物理,建立了凝聚态物理学,又用于分子物理,建立了量子化学.在此之上,材料科学、激光技术、超导物理等学科蓬勃发展,为深刻影响20世纪人们生活方式的计算机技术、信息技术、能源技术的发展打下了基础.在20世纪上半期,量子力学深入到微观世界,发展了原子核结构与动力学理论,提出了关于原子核结构的壳层模型和集体模型,研究了原子核的主要反应如α、β、γ嬗变过程.在天体物理中,必须要用到量子力学.对于那些密度很大的天体,如白矮星、中子星,当核燃料耗尽时,恒星的引力将使它坍缩,高密度天体的的费米温度很高,比恒星实际温度高得多,白矮星的电子气兼并压和中子星的中子兼并压抗衡了引力,此时量子力学效应对于星体的形成起了决定性的作用.对于黑洞,其附近的狄拉克真空正负能级会发生交错,因此有些负能粒子将可能通过隧道效应穿透禁区成为正能粒子,飞向远方.黑洞的量子力学效应很有意义,值得研究.
尽管量子力学取得了巨大成功,但是由于相对于牛顿力学而言,量子力学与常识的决裂更为彻底,因此对于量子力学的基础仍旧存在着许多争论,正如玻尔所说：“谁不为量子力学震惊,谁就不懂量子力学.”爱因斯坦和玻尔在20世纪上半期关于量子力学是否自恰与完备展开了大讨论,引发了一系列关于量子力学基础的工作,如隐变量理论、贝尔定理、薛定谔猫态实验等,这些工作使得我们看到理解量子力学的艰难.
量子力学的应用,一方面让我们感觉到现实世界丰富多彩的离奇特性,另一方面反过来也促进我们对量子力学基础的理解.20世纪下半期,量子力学在基础和应用研究上又焕发出了青春.对超导本质、真空的卡西米尔效应、分数与整数量子霍尔效应、A-B效应和几何相因子、玻色－爱因斯坦凝聚和原子激光等的研究,极大地丰富了人们对物理世界的认识,而对这些效应和技术的研究,必将对21世纪的科学进步产生深远意义的影响.量子力学向纵深发展量子力学是单粒子的运动理论,在高能情形下,粒子会产生、湮灭,涉及到多粒子,因而需把量子力学发展成为量子场论,第一个用于研究相互作用的量子场论是量子电动力学.量子电动力学研究电子与光子的量子碰撞,它是在三四十年代从研究氢原子的超精细结构-兰姆移动及电子反常磁矩的基础上建立起来的.由费曼等人发展起来的路径积分量子化方法是研究相互作用场量子化的得力工具,运用它,散射矩阵和反应截面的计算成为可能.量子场论是个空框架,必须引入相互作用,才能描述相互作用粒子的产生和转化、研究其本质,这就是规范场论的任务.量子场论和规范场论是量子力学向纵深发展的结果.量子电动力学具有U(1)群（一种可交换的内部对称群）的定域规范对称性.把带电粒子波函数的定域相位变化一下,同时电磁势作相应的变换,发现为了保持理论具有这种变换的不变性,必须引入带电粒子与电磁场（一种规范场）的耦合项.当时在微观世界,除了电磁力外,还有控制核子聚在一起的强力和控制原子核衰变的弱力,这些相互作用满足怎样的动力学方程,需要有一个第一性原理来解决.
1954年,杨振宁和米尔斯把定域规范不变的理论推广到内部对称的不可交换群,引入非阿贝尔规范场.杨－米尔斯的理论决定了相互作用的基本形式,成为理论物理中继相对论罗伦兹变换之后的最重要的变换形式.洛伦兹变换是时空变换,规范变换是内部空间变换,它们分别从外部和内部决定物质运动和相互作用的形式.六七十年代的工作,包括1964年发现真空对称性自发破缺使规范场得到质量的黑格斯机制,1967年法捷耶夫和波波夫用路径积分量子化方法首次得到正确的规范场量子化方案,1971年特·胡夫特等人证明了规范场理论的可重整性,并提出了一种切实可计算的维数正规化方案,以上工作使得量子规范理论成为成熟的理论.
在规范场论和粒子物理实验、基本粒子结构（三代轻子和三代夸克）研究的基础上,六七十年代还提出了特殊的规范场论——弱电统一理论和量子色动力学.由于在1979年找到了传递色（强）力作用的胶子存在的证据,在1984年发现了存在传递弱相互作用的中间玻色子W±和Z0 ,所以我们深信：描述弱相互作用和电磁相互作用的统一理论是SU(2)×U(1) 规范场模型, 描述强相互作用的理论是SU(3) 规范场模型.这两个模型统称标准模型.物理学家已在1995年找到了它们所预言的最重的夸克（顶夸克）的存在证据,所预言的最后一个基本粒子（τ 子型中微子）也已在2000年找到.特·胡夫特等的工作也被授予1999年诺贝尔物理学奖.标准模型取得的一再成功使得它成为目前公认最好的关于物质结构、物质运动和相互作用的理论.
量子力学和量子场论使得人类对真空的性质也有了更为本质的看法.过去真空被认为是空无一物的,自从狄拉克提出真空是“负能粒子的海洋”之后,真空就被看作是粒子之源了.真空具有许多效应,如反映真空具有零点能量的卡西米尔效应、真空极化导致氢光谱兰姆移动（氢原子的超精细结构）、激态原子与零点真空作用导致原子自发辐射等.真空作为量子场的基态,具有普适的对称性.60年代,南部和歌德斯通发现量子场论真空会发生自发对称破缺,70年代玻利亚可夫等发现真空的拓扑结构.目前已能对真空可以进行局域性的操作,真空上升到研究相互作用主体的地位.
量子应用：
量子态是指原子、中子、质子等粒子的状态,它可表征粒子的能量、旋转、运动、磁场以及其他的物理特性.“量子态隐形传输”通俗地来说,就是将粒子从一个地方瞬间转移到了另一个距离遥远的地方,好像穿越了“时空隧道”.由中国科学技术大学教授潘建伟及同事杨涛、张强等完成的这项研究成果,被《自然》杂志称赞为“在大尺度量子通信研究中取得的长足进展”.不久的将来,这项成果还会在保密通信、量子计算机等方面有大量的应用,改变我们的生活.

【量子通信可使手机无法泄密】
潘建伟教授表示,他们目前进行的实验是为了实现自由空间中“全球化量子通信”,即通过卫星转发量子信号,传至上万公里甚至更远的接收点,最终在全球范围内进行完全保密通话.量子态不能被精确克隆,量子通信方式不可窃听、无法破解,因为依据量子力学的测量原理,任何窃听者在信息传输过程中截取或测量,都会改变它们的状态,从而被实时发现.如果通信过程中输出码和最终码的误码率为零,就能证明该次通信是完全保密的.
手机泄密问题已经困扰着世界各国,通过量子传输的手段实现完全保密的通信,是现代科技人员努力实现的目标和梦想.鉴于这一研究的科学意义,《自然》网站为论文的发表发布了消息,并在《自然》杂志《研究亮点》栏目对该研究进行报道.

【超高速量子计算机可放入口袋】

量子态隐形传输技术,还将有助于量子计算机的研制.量子计算机是遵循量子力学规律进行高速运算、存储及处理量子信息的装置.相对于传统计算机,它不仅运算速度快,存储量大、功耗低,而且体积大大缩小.一个超高速的量子计算机可以放在口袋里.装备量子计算机的人造卫星,直径可以从数米减小到数十厘米.目前,量子计算机正在开发研制阶段,日本富士通公司开发一种量子元件超高密度存储器,在1平方厘米面积的芯片上,可存储10万亿比特的信息,相当于可存储6000亿个汉字.科学家们认为,随着毫微技术的进步和量子隐形传输技术的发展,量子计算机的心脏——微处理器将在5年内研制成功,世界上第一台量子计算机有望在10年内诞生.
总 结
具有整整一百年历史的量子力学对于20世纪的科学技术具有革命性的影响.正是因为其影响深远,所以在这世纪之交,其带给我们的悬而未决的谜也就更多更难.李政道认为20世纪末期存在如下的物理之谜：夸克幽禁、暗物质、对称破缺、真空性质等.此外,解决诸如质量起源、电荷本质、量子引力、基本粒子世代重复之谜等也必将引发新的物理学进展.为了探索物质世界的深刻本质,大统一理论、超对称、超引力、超弦理论等也在发展之中.它们或许就是新的革命的前奏.尽管不知道能否再发生象量子力学诞生那样的革命,但是未来的100年绝对是让物理学家忙碌的100年,而这些新概念、新理论、新技术对未来人类的观念和生活的巨大影响,恐还不能处于目前我们的掌控之中.