量子_过去与现在

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1、量子物理与量子物理无疑是20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一,它不仅代表了人类对量子技术微观世界最基本认识的革命性进步,而且带来了许多划时代的技术创新。本刊编委孙昌璞研究员主持的“量子物理与量子技术”专栏,不仅会为您讲解量子物理的基本概念,还将介绍量子理论基本问题的最新研究进展,以及量子理论在量子信息领域中的应用。量子:过去与现在孙昌璞量子概念代表了人类认识微观世界的核心观能克服表面的逸出功,脱离金属表面。爱因斯坦进念,不仅说明了微观实物粒子存在的基本形式,而且一步应用能量的不连续性,成功地解

2、释了固体比热描述了波与场所具有的粒子性特征。以量子力学为在T=0度时的行为。核心的现代量子理论,完整地描述了微观世界的量光波能量不连续的量子观念,进一步启发了玻子行为。时至今日,虽然在量子力学基础方面,量子尔对于卢瑟福原子有核模型的深入研究。1909年,力学的含义还没有定论,但量子力学已成为现代科卢瑟福的学生盖革和马斯顿用粒子轰击原子时发学的重要基石,导致了激光、半导体和核能技术的产现,有1/8000的粒子被完全反射回来,产生所谓的生,并深刻影响了当代人类社会的生产力。“大角散射”。基于大角反弹

3、这个当时不可思议的实近20年来,量子物理与信息科学、计算机科学验事实,卢瑟福通过严密的经典散射理论分析后,于交叉形成了新的科学领域———量子信息。量子信息1911年提出了“原子有核结构模型”:正电荷集中在主要包括量子计算、量子通讯和量子密码学。其目仅占原子大小万分之一的中心范围,而电子则像行标是利用量子观念及其衍生的量子特性进行信息存星围绕太阳运动一样,被束缚在这个中心周围。然储、处理、计算和传送,完成经典信息系统难以胜任而在观念上“,原子有核结构模型”与当时业已“大厦的高速计算、大容量信息传输

4、通讯和完全安全、保密建成”的经典物理有着极为深刻的矛盾:根据经典力的信息处理任务。量子信息的研究,有可能为突破学和电磁学,绕原子核运动,电子在速度改变时要发传统计算机芯片的尺度极限提供新的启示和革命性生辐射,引起能量损失,最后将会塌缩到原子核上。的解决方案,从而导致未来计算机构架体系根本性因而,理论上卢瑟福原子是不稳定的。的变革。针对这个问题,玻尔提出了一种基于卢瑟福“有为了使读者能够清楚地理解量子观念、正确地核模型”的原子理论,其基本内容是:一、定态条件:了解量子物理的现代发展,我们将从最基本

5、的概念氢原子中的电子绕原子做运动,形成经典轨道,但有谈起。一个“强性规定”,即它只能在分立轨道上运动,且不一、光量子和玻尔原子产生辐射。二、频率条件或量子跃迁:仅当电子从一量子的观念主要起源于光量子假说。光量子是条轨道“跃迁”到另一条轨道时辐射才会产生,辐射指光波客观上具有的基本能量(动量)单元。它代表频率是两个轨道频率之差。第三,角动量量子化:要的量子观念来自20世纪初黑体辐射的研究。普朗求微观范畴的量子理论外推到宏观领域必须得到与克发现,为了解释实验中发现的黑体辐射能量的频经典理论一样的结果

6、。依据这个所谓的对应原理,率分布,必须假设电磁场辐射只能以“量子”方式进可以推导出电子运动的角动量量子化———角动量只行,即发射和吸收的能量只能是每个“量子”能量的能是某个小量的整数倍。这个观点克服了经典理论整数倍。这是与经典力学中能量连续性不一样的革对原子有核模型预言与现实原子基本稳定的矛盾,命性观念。由此,爱因斯坦进一步明确提出光量子成功解释了实验中总结出来的氢原子光谱里德伯-(或光子)的概念,认为辐射场是由光量子组成的。里兹(Rydberg2Ritz)组合公式。形式上看,基于以上光子与电子

7、碰撞,其行为很像一个有特定能量和动三个观念的玻尔理论,只是通过定态条件假定回避量的实物粒子。由此可以很好地解释光电效应:光了卢瑟福模型的困难,但这里形成的根本性观念却照射到金属表面,只有当光的频率足够大时,电子才是现代物理学、乃至当代科学的发端。19卷1期(总109期)·3·二、物质波和宏观量子现象的量子性质。原子气体的玻色-爱因斯坦凝聚、超量子理论的另一个重要方面是德布罗意物质波流性、超导电性和约瑟夫森效应等都是宏观量子效概念的引入。德布罗意把光的波粒二象性观点加以应的具体表现。宏观量子效应有

8、着广泛应用,如利推广,认为一切微观粒子都具有波动性。一个动量用物质波的干涉现象,可以制作各种干涉仪。干涉为p、能量为E的自由粒子,相当于一个波长为λ=仪是测量精度和灵敏度都非常高的精密仪器,干涉h/p、频率为ω=E/h、沿粒子运动方向传播的平面仪测量时使用的波长越短,测量精度和灵敏度就越波。许多实物粒子物质波的波长很短,例如能量为高。一旦用物质波替代光波做成干涉仪(例如用在100电子伏的电子,其物质波波长仅为0112纳米。宇宙飞船导航的陀螺仪上),其灵敏度将比现在的激室温下氢原子的物质波波长更短