量子物理發(fā)展簡史課件

量子物理發(fā)展簡史量子物理發(fā)展簡史量子物理學發(fā)展的歷史回顧本講簡要回顧量子物理學產生、發(fā)展到完善過程中一些標志性事件和代表人物，試圖給出量子力學理論體系的發(fā)展脈絡。量子物理發(fā)展簡史量子物理學的發(fā)展階段舊量子論時期量子力學的創(chuàng)建與完善時期量子力學向縱深發(fā)展量子物理發(fā)展簡史舊量子論時期量子物理發(fā)展簡史——1900年4月27日倫敦“動力學理論斷言，熱和光都是運動的方式。但現在這一理論的優(yōu)美性和明晰性卻被兩朵烏云遮蔽，顯得黯然失色了……”（Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofmotion,isatpresentobscuredbytwoclouds.）《在熱和光動理論上空的19世紀烏云》LordKelvin(1824-1907)量子物理發(fā)展簡史邁克爾遜－莫雷實驗光速與參考系的運動無關量子物理發(fā)展簡史黑體輻射量子物理發(fā)展簡史普朗克的觀點：組成黑體的分子、原子視為一系列的電磁振子，振子的能量不連續(xù)分布，只能取某一最小能量值（稱為能量子）的整數倍；振子（黑體的分子、原子）輻射或吸收能量時，只能是能量子的整數倍，或者振子的能量是一份一份的輻射或吸收，即振子能量變化也是不連續(xù)的。量子物理發(fā)展簡史

經典物理學的信條之一就是一切過程和一切物理量都是連續(xù)的，連續(xù)性又是微積分的核心思想，而微積分是處理物理問題的基本數學工具。微積分的發(fā)明人萊布尼茲(1646年－1716年)曾明確指出：如果我們對連續(xù)性原理提出疑問，那么世界將會出現許多間隙，而這條間隙就會將這條具有充分理由的普遍原理推翻，結果迫使我們不得不乞求奇跡或純粹的機遇來解釋自然現象了。普朗克引入不連續(xù)的能量子突破了經典物理的連續(xù)性原理。正是這一點被認為是量子物理學誕生的標志！量子物理發(fā)展簡史

1905年，A.愛因斯坦提出光量子（光子）假說，成功的解釋了光電效應，在此基礎上，于1909年進一步提出光的波粒二象性理論。量子物理發(fā)展簡史光電效應的歷史

(1)H.R.Hertz,1886，在用萊頓瓶放電的實驗中，當紫外線照在火花隙的負極上，放電比較容易發(fā)生。W.Hallwach,1888，清潔而絕緣的鋅板在紫外線照射下獲得正電荷，而帶負電的板在光照射下失掉其負電荷。J.J.Thomson,1899，陰極射線由電子組成量子物理發(fā)展簡史光電效應的歷史(2)PhillippLenard,1902，金屬在紫外線照射下發(fā)射電子AlbertEinstein,1905，光量子假說

RobertAndrewsMillikan,1916，驗證愛因斯坦的光電效應量子公式，并精確測定了普朗克常量。量子物理發(fā)展簡史外光電效應真空管光照射某種物質，致使部分電子逃逸物質表面。這些電子被稱為光電子。光電倍增管(Photomultiplier)量子物理發(fā)展簡史經典麥克斯韋爾理論的推論相比與藍光，紅光具有更長的周期，因而紅光與電子的相互作用時間更長，這使得紅光比藍光更容易使電子逸出。若入射單色光的光強增強，則會有更多的電子逸出，且這些電子的能量也相應增大。由于弱光的能量相當小，因此在弱光的條件下，電子需要更多的時間才能逸出。入射波的能量將由上百萬個電子分享。量子物理發(fā)展簡史愛因斯坦光子假說光子仍保持頻率及波長的概念。電磁場和物質相互交換的能量不是連續(xù)分布的，而是集中在一些叫光子(或光量子)的粒子上。光子的能量E正比于其頻率

量子物理發(fā)展簡史愛因斯坦公式(1)脫出功電子動能金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功，另一部分變?yōu)楣怆娮拥膭幽?。量子物理發(fā)展簡史光電效應的解釋截止頻率ν0（紅限）-

只有當入射光頻率ν>ν0時，電子才能逸出金屬表面，產生光電效應遏止電壓-初動能及反向遏止電壓與ν成正比效應瞬時性-電子吸收光子時間很短，只要光子頻率大于截止頻率，電子就能立即逸出金屬表面，無需積累能量的時間，與光強無關量子物理發(fā)展簡史1913年，N.玻爾(1885-1962)提出定態(tài)躍遷假設，建立了原子中電子運動的量子理論，成功解釋了氫原子光譜結構。量子物理發(fā)展簡史氫原子光譜-棱鏡光譜儀SourceSlitPrismScreenBlueRed量子物理發(fā)展簡史氫原子光譜量子物理發(fā)展簡史里德伯公式里德伯公式

n=1,

=2,3,4,…紫外區(qū)，賴曼系

n=2,

=3,4,5,…可見區(qū)，巴耳末系

n=3,=4,5,6,…紅外區(qū)，帕邢系

量子物理發(fā)展簡史盧瑟福的原子模型盧瑟福的有核模型原子中的正電荷集中在占原子大小萬分之一的小范圍內.量子物理發(fā)展簡史玻爾的氫原子模型原子的穩(wěn)定狀態(tài)，即定態(tài)只可能是某些具有一定的分離值能量(E1,E2,E3,…)的狀態(tài)。

原子處于定態(tài)時是不輻射的。

由于某種原因，電子可以從一個能級En躍遷到另外一個較低(高)的能級Em

。此時，將發(fā)射(吸收)一個光子，光子的能量為發(fā)射過程量子物理發(fā)展簡史量子化條件和玻爾能級量子物理發(fā)展簡史玻爾能級理論值和里德伯常數一致量子物理發(fā)展簡史量子物理學的三大最基本的假設能量量子化微觀粒子具有波粒二象性微觀粒子狀態(tài)變化具有定態(tài)躍遷性質普朗克、愛因斯坦、玻爾也因此被公認為舊量子論之父。量子物理發(fā)展簡史追隨玻爾的定態(tài)躍遷理論和1916年玻爾提出的對應原理**，將其應用范圍由氫原子擴展到復雜原子體系，最終導致1925年海森堡矩陣力學形式的量子力學的建立；

二、高級階段--量子力學建立與完善期(1925-1930)沿著愛因斯坦光的波粒二象性理論發(fā)展，直接導致1924德布羅意的物質波理論以及1926年薛定諤波動力學（以薛定諤方程為代表）形式的量子力學的誕生；量子物理發(fā)展簡史對應原理對應原理是玻爾在研究氫原子問題時提出來的。在大量子數極限下，量子理論的結果應當趨近于經典物理學的結果，或者說“量子理論和經典理論有形式上的相似”。---對應原理

量子力學理論可以成功的描述微觀世界的物體（例如原子以及基本粒子），而宏觀的物體（例如彈簧、電阻等）則可以用經典力學和經典電動力學所描述。矛盾在于，同一個物理世界，僅僅因為物體大小的不同，就需要不同的兩個理論來描述，這顯然是荒謬的。這一矛盾就是玻爾闡述對應原理的初衷，即在系統(tǒng)“大”的情況下，經典物理學可以認為是量子物理學的一個近似。

量子物理發(fā)展簡史例如，當量子數很大時，原子中電子的相鄰軌道比較接近，它們的繞轉頻率幾乎相同，根據經典電動力學，這時發(fā)光頻率應當等于電子的繞轉頻率。這種量子數很大，且以普朗克常數h表征的分立效應不明顯而接近連續(xù)的極限時，應當適用經典物理學的描述。

對應原理一直是以玻爾為首的哥本哈根學派的一重要的個指導思想，至今也是量子力學中的一個指導性原則**，正是在對應原理的指引下，在1925年的夏天，海森堡創(chuàng)建了量子力學的第一種數學程式---矩陣力學。量子物理發(fā)展簡史海森堡矩陣力學的創(chuàng)立當物理學家試圖解決原則性難題時，必須考慮的是可觀察量——愛因斯坦《論運動學與力學關系的量子理論再解釋》量子物理發(fā)展簡史在這篇論文中，海森堡有兩個基本的觀點：①可觀察性原則這個原則要求,在理論上應該拋棄那些原則上不可觀測的量,而直接采用可以觀測量來建立理論。對于原子結構這個微觀系統(tǒng)海森堡認為“電子在原子中的軌道是觀察不到的（因而缺乏嚴格的物理基礎）,但是從原子發(fā)出來的光,….,則我們可以直接求出其頻率及振幅。知道了振動數(頻率)和振幅的全體,那就等于是在迄今的物理學中知道了電子的軌道?！绷孔游锢戆l(fā)展簡史海森堡甚至對玻爾的舊量子論提出了懷疑,他指出“…電子的周期性軌道可能根本就不存在。直接觀測到的,不過是分立的定態(tài)能量和譜線強度,也許還有相應的振幅與相位,但絕不是電子的軌道。唯一的出路是建立新型的力學,其中分立的定態(tài)概念是基本的,而電子軌道概念看來是應當拋棄的?！?/p>

因此，基于上述原則，海森堡在論文中只考慮了光譜線頻率和決定譜線強度的振幅等可觀察量。量子物理發(fā)展簡史②

對應原理把原子作為周期系統(tǒng)來分析電子動量p電子坐標x進一步,描寫電子運動的其他力學量，如動能、角動量等都可以寫成x和p的函數，而且力學量之間的乘法關系不可對易：（海森堡乘法規(guī)則）量子物理發(fā)展簡史

當海森堡發(fā)現這種奇怪的不對易的乘法關系之后深感不安，他坦率地承認："xy不等于yx這一事實，當時對我來說是很討厭的。我認為在整個方案中這是惟一的困難，否則我將非常快活。"玻恩開始也難以理解海森堡的乘法規(guī)則，經過幾天的冥思苦想，他想起這正是大學時學過的矩陣的乘法運算規(guī)則，從而認出海森堡的數集就是矩陣元。他認識到了海森堡論文的重要性，立即推薦到《物理雜志》予以發(fā)表。當時海森堡已到英國劍橋訪問去了，玻恩即刻著手運用矩陣方法為海森堡的理論建立嚴密的數學基礎。

量子物理發(fā)展簡史但是當時的物理學家?guī)缀醵疾皇煜ぞ仃囘\算，因此這方面的困難重重。幾天后，玻恩見到兩年前的助手泡利，表示希望他來同自己合作攻下這個難題，出乎意料的是，已經由于提出“不相容原理”等貢獻而變得出名的泡利反應冷淡。一次偶然的機會，玻恩遇見了年輕的數學家約丹，請求合作。約丹正是這方面的內行，欣然應允。1925年9月，玻恩和約丹聯(lián)名發(fā)表了《論量子力學》一文。在這篇文章中,他們不僅采用了海森堡的方式,把廣義坐標q和廣義動量p用矩陣表示,而且從量子化條件出發(fā),利用對應原理,得出q和p的對易關系（稱為“強量子條件”）為（I為單位矩陣）量子物理發(fā)展簡史

1925年底，玻恩、約丹和海森堡合作發(fā)表論文《關于量子力學Ⅱ》，把以前的結果推廣到多自由度和有簡并的情況，系統(tǒng)地論述了本征值問題、定態(tài)微擾和含時間的定態(tài)微擾，導出了動量和角動量守恒定律，以及強度公式和選擇定則，還討論了塞曼效應等問題，從而奠定了量子力學的基礎。文章全面闡述了矩陣力學的原理與方法，宣告新的量子力學—矩陣力學誕生了。量子物理發(fā)展簡史就好像把x變成2x一樣，我們經常需要把(x,y)變成(2x+y,x-3y)之類的東西，這就叫做線性變換。于是才想到定義矩陣乘法，用于表示一切線性變換。幾何上看，把平面上的每個點(x,y)都變到(2x+y,x-3y)的位置上去，效果就相當于對這個平面進行了一個“線性的拉扯”。量子物理發(fā)展簡史愛因斯坦引力場方程（廣義相對論）量子物理發(fā)展簡史量子物理發(fā)展簡史矩陣力學奠基之作論運動學與動力學關系的量子理論再解釋，海森堡，1925關于量子力學I，波恩和約當，1925關于量子力學II，波恩、海森堡和約當，1925史稱“一人文章”、“二人文章”、“三人文章”返回量子物理發(fā)展簡史測不準原理量子物理發(fā)展簡史德布羅意和物質波德布羅意

1892年出生于法國的貴族家庭，其家族為法國王朝效力了二百多年，其父曾任法國的財政部長，其兄莫萊斯.德布羅意是一位研究X射線的知名物理學家。德布羅意大學時學的是中世紀歷史，獲巴黎大學文學學士學位。出于對物理學濃厚的興趣，大學畢業(yè)后轉攻理論物理，師從物理學名家朗之萬，在后者的指導下攻讀博士學位。由于提出物質波理論榮獲1929年諾貝爾物理學獎。量子物理發(fā)展簡史1923年9、10月間，德布羅意連續(xù)在《法國科學院報告》上發(fā)表了3篇重要的論文,公布了他的相位波理論。相位波理論，也就是現在通稱的物質波理論，終于誕生了。

在其第一篇論文《波和量子》中，德布羅意將光原子的波粒二象性理論推廣到任意的實物粒子，尤其是電子?？紤]一個靜止質量為m0

、速度v=cβ的粒子的運動。按愛因斯坦的相對論及光量子學說，粒子的能量（1）量子物理發(fā)展簡史德布羅意將這個伴隨運動粒子的由位相定義的虛設波稱為位相波，現在稱為德布羅意波或物質波**。---德布羅意公式量子物理發(fā)展簡史

隨后,德布羅意將虛設波假設應用到原子中的電子上。德布羅意設想玻爾氫原子中穩(wěn)定軌道的周長，必須能容納整數個波長（即電子的位相波形成駐波）。也只有這樣的軌道，才是穩(wěn)定的軌道，從而成為現實的軌道。量子物理發(fā)展簡史按德布羅意公式則有—Bohr的量子化條件！按駐波思路，形成穩(wěn)定軌道的條件：量子物理發(fā)展簡史

1924年，德布羅意開始撰寫博士論文《量子理論研究》，系統(tǒng)的闡述了他之前提出的位相波理論。雖然德布羅意的理論非常的新穎、大膽，當時并未受到物理學界的重視，德布羅意自己也說他的這些想法很可能被看成是“沒有科學特征的狂想曲”。即使是他的導師朗之萬也覺得德布羅意的想法大膽的近乎荒謬（誰會相信粒子是波??？），并開始擔憂他的博士答辯能否順利通過。為此，他把德布羅意論文的副本寄給了愛因斯坦，請他提出看法。量子物理發(fā)展簡史素來喜歡物理學上的對稱性的愛因斯坦，一下子就看出了德布羅意的理論正是揭示了光子和物質粒子之間的這種對稱性，立即意識到德布羅意思想的深遠意義，并且想到在他自己關于理想氣體的新的漲落公式中出現的波干涉項可能正是起源于德布羅意波。所以他熱情地復信給朗之萬，稱贊德布羅意“已揭開了巨大帷幕的一角”。隨后愛因斯坦在一篇關于單原子理想氣體的量子理論的文章中，大力推介德布羅意的理論。正是由于愛因斯坦的推薦，薛定諤才注意到德布羅意的理論，最終建立了波動力學。量子物理發(fā)展簡史由于愛因斯坦的大力保薦，德布羅意順利的通過了博士論文答辯。答辯時，當德布羅意講到電子的位相波時，答辯主席佩蘭(J.B.Perrin)立即追問：“這個波怎么用實驗來證實呢？”德布羅意回答道：“對電子的衍射實驗可以觀察到。”1927年,德布羅意的預言被戴維遜(C.J.Davisson)和革末(L.H.Germer)的電子衍射實驗所證實。由于論文提出的波粒二象性理論，德布羅意1929年榮登諾貝爾物理學獎的領獎臺，因一篇博士論文而獲獎，在歷史上這還是首次！量子物理發(fā)展簡史懸而未決的問題

德布羅意波究竟是什么樣的波？是真實的波？還是想象的波？其波粒二象性假設的背后隱藏著什么“奧秘”？這些問題，德布羅意未能做出回答。他在博士論文結尾處有這樣一段話：“我特意將這位相波和周期現象說的比較含糊，就像光量子定義一樣，可以說只是一種解釋。因此最好將這一理論看成是物理內容尚未說清楚的一種表達方式，而不是看成最后定論的學說?！绷孔游锢戆l(fā)展簡史

在薛定諤方程提出來之后，為了解釋波函數的物理意義（1926年），薛定諤將德布羅意的位相波理解為像電磁場E和B那樣的“物質波”，代表一種真實的物理波動。作直線運動的自由粒子的波包薛定諤認為波動就是一切，粒子不過是波的聚集，他稱之為“波群”，也就是后來所說的“波包”。量子物理發(fā)展簡史薛定諤“波包即粒子”的觀點存在如下困難：

物質波的波函數是粒子坐標的函數，即

(r1,r2,…rn)，對于像氦原子這樣的兩體（兩個電子）問題，電子的波函數是6維坐標空間的函數，它怎樣對應為一個真實的“物質波”呢？因為一個真實的物理波場（如電磁場E和B）都是分布在三維坐標空間。

波包一般隨時間擴散的，而一個微觀粒子，比如說電子，其穩(wěn)定性已經被無數實驗證實。量子物理發(fā)展簡史薛定諤波動力學的創(chuàng)立

量子力學的另一種形式—波動力學,是沿著一條和矩陣力學完全不同的思想路線建立起來的。它的奠基人是奧地利學者薛定諤。埃爾溫.薛定諤(E.Schr?dinger，1887-1961)畢業(yè)于奧地利維也納大學物理系，是玻耳茲曼的學生。他受玻爾茲曼的影響很深,早年從事分子運動論、統(tǒng)計力學及連續(xù)介質物理等方面的研究工作。量子物理發(fā)展簡史

1921年，34歲的薛定諤受瑞士蘇黎世大學之邀任數學物理教授。而當時頗有名氣的德拜則在同一城市的聯(lián)邦技術學院任教，并主持這兩所學校聯(lián)合組織的一個定期的物理學討論班。1925年11月，德拜在一次討論會上要求薛定諤做一個報告，介紹德布羅意的位相波理論。報告完畢后，德拜評論說，這種想法還不成熟，要是一種波的話，就應當有波動方程。幾個星期后的一次討論會上，薛定諤說：“我的同事德拜提出應當要有一道波動方程，好的，我已經找到了?！绷孔游锢戆l(fā)展簡史

其實，在此之前薛定諤一直在從事這方面的工作。薛定諤最初接觸德布羅意的位相波理論是由于愛因斯坦的緣故，后者1924年底曾在一篇關于單原子氣體的量子理論的文章中對德布羅意思想的大力推崇。受德布羅意思想的啟發(fā)，薛定諤希望能找到一個表示德布羅意波（薛定諤稱之為“物質波”）的波函數和一個表示物質波傳播的波動方程。

德布羅意波的波動方程的建立標志著薛定諤稱之為波動力學的量子力學的誕生！它完全不同于稍早時候海森堡等人建立的矩陣力學，是量子力學的另一種數學表現形式。量子物理發(fā)展簡史薛定諤建立波動方程的思想

1926年1～6月,薛定諤一連發(fā)表了四篇論文，題目都是《量子化就是本征值問題》，系統(tǒng)地闡明了他的波動力學理論，其理論的核心就是微觀粒子的波動方程（i.e.薛定諤方程）。薛定諤建立物質波波動方程的基本思想就是通過與經典物理學（波動理論）的類比。薛定諤建立波動方程的主要思路如下：量子物理發(fā)展簡史

同時，這種方程屬于第一原理，不可能從現有（經典）理論體系和原理邏輯地推導出來，因為現有理論的結論與量子特性的事實相背。

那么只能采用種種非邏輯的手段，靠物理直覺和提出合適的物理要求去探索、猜測。如果“猜”得正確，它應該給出與實際相符合的結果。

薛定諤首先把微粒的物質波表示成波函數

，然后尋找決定微觀粒子運動的力學方程（由于波粒二象性，這力學方程必是波動方程，故由此而建立起來的理論薛定諤稱之為波動力學），他希望通過這種方程的解自然地得到量子化結果，并能正確地預見一系列實驗結果。因此這個方程應該是量子理論的基本方程，就像宏觀粒子的牛頓力學方程一樣。量子物理發(fā)展簡史

英國當代著名哲學家波普爾受到愛因斯坦的影響和啟示指出：觀察與理論之間并沒有邏輯通道

薛定諤注意到，德布羅意是通過光與實物粒子的類比提出波粒二象性的。他就接著把與光和粒子相關的理論也作了個類比，也許通過這種類比能打開通往量子力學基本方程的通道。柏格森認為：理論產生于非理性因素或創(chuàng)造性直覺量子物理發(fā)展簡史波動光學幾何光學─經典波動理論─粒子性理論短波長極限關于德布羅意波的理論（猜測？）波動力學（？）─量子波動理論經典力學─粒子性理論短波長極限關于光的理論

由這個類比薛定諤猜測，量子基本方程應該是波動方程，而且這方程可以通過與經典波動理論類比得到！相似？相似量子物理發(fā)展簡史

但是這個波動方程又不可能與經典波動方程一樣。因為利用它，既要能夠描寫微觀粒子的干涉、衍射、偏振等波動性行為，又要能夠自然的給出量子化結果（能量量子化、角動量量子化等）。目標確立，要建立一個波動方程。怎樣才能做到這一點呢？

薛定諤又注意到，從波粒二象性觀點看，能量量子化必然和頻率量子化有關（）。而德布羅意告訴人們，駐波方程是能夠自動地給出頻率量子化的。薛定諤由此把握到：量子基本方程應該具有駐波方程的結構量子物理發(fā)展簡史德布羅意波的波動方程給出粒子的波動行為給出能量量子化等結果給出頻率量子化駐波方程量子物理發(fā)展簡史接下來的工作就是與經典的駐波方程進行類比。經典的駐波必須滿足波動方程（動力學方程）：其中u

─波的相速度,--波函數對經典的電磁波，該方程同樣滿足。只要替換在邊界條件下求解方程即可得駐波解（駐波方程）。與微觀粒子相聯(lián)系的物質波（如電子波），其駐波解同樣滿足該波動方程，但要做替換：量子物理發(fā)展簡史設物質波的波函數有如下形式：(定態(tài)波函數)代人上式有E、p、V分別是微觀粒子的能量、動量和勢函數。定態(tài)薛定諤方程量子物理發(fā)展簡史又因為波動方程可以寫為對比之下,有動量p的算符形式而由假設有從而得到哈密頓量H（即能量E）的算符形式量子物理發(fā)展簡史而有含時的薛定愕方程：

薛定諤用這個方程去解氫原子問題,得到了與實驗相符的結果，從而說明了這個通過類比法“猜測”出來的方程是正確的。薛定諤波動方程描述了物質波函數

隨時間的變化規(guī)律,它的地位與經典力學中的牛頓方程相當，是描述微觀粒子運動的基本力學方程。量子物理發(fā)展簡史

薛定諤波動力學的優(yōu)點是十分明顯的。首先數學上采用的是大家十分熟悉的微積分,物理概念上則采用“粒子=波包”的模型,將電子物質波的一個個駐波諧振模式取代了玻爾理論中的一個個定態(tài),從一個諧振模式到另一個諧振模式的連續(xù)過渡取代了玻爾理論中的量子躍遷**,這又與人們的背景知識、傳統(tǒng)信念相協(xié)調。由于波動力學用偏微分方程的處理方式取代了迷惑不解的矩陣與q數的計算,使得人們有了一種“得救”了的感覺。正如索末菲所說:“盡管矩陣力學的真理性不容置疑,但它的處理手法極其復雜和驚人的抽象?，F在好了,薛定諤解救了我們?！绷孔游锢戆l(fā)展簡史矩陣力學和波動力學的等價性

薛定諤創(chuàng)造波動力學的論文發(fā)表之后，物理學界都為海森堡的矩陣力學和薛定諤的波動力學兩種形式懸殊的理論是否相通感到困惑。而當事雙方也都不能容忍對方的理論。海森堡對薛定諤論文的態(tài)度是,只承認它的數學簡明性和“難以置信”的有趣,卻拒不承認其物理意義上的任何優(yōu)越性;而薛定諤則聲稱:“我的理論是受德布羅意的鼓舞,但我一點也不認為與海森堡有什么繼承關系。我當然知道他的理論,但是它使我沮喪,如果不說反感的話,那種深奧晦澀的代數對我而言是太難了,我也太缺乏想象力了。”量子物理發(fā)展簡史

波動力學的出現也造成了物理學界的內訌，當時物理學家們分成了兩派:一派歡迎矩陣力學的舉世無雙的成功而不顧及它的抽象性,另一派則熱衷于波動力學的清晰流暢的推導,不再把矩陣力學作為物理學的希望而逐漸轉向波動力學。因此矩陣力學與波動力學之間的對抗形成了尋求量子力學形式體系的實質性解釋的基本背景。量子物理發(fā)展簡史

那么,量子力學形式體系的物理實質究竟是什么?其實,這一問題早在1926年5月薛定諤就已經證明:波動力學與矩陣力學這兩個表面上看來形式與內容都不相同的理論,事實上是等價的。比薛定諤證明等價性更進一步的是狄拉克在1926-1927年發(fā)表的兩篇關于“表象變換理論”的文章,終于將薛定諤、海森堡理論兩者統(tǒng)一在一起了。狄拉克量子物理發(fā)展簡史

由于狄拉克的工作，人們從此不用再稱呼海森堡的量子力學或者薛定諤的量子力學，而是統(tǒng)統(tǒng)稱作量子力學，海森堡的矩陣力學和薛定諤的波動力學只不過是量子力學諸多表現形式中的兩者不同的數學形式而已。

海森堡的矩陣力學和薛定諤的波動力學以及聯(lián)系兩者的狄拉克的表象變換理論已經成為現代量子力學教科書的基本內容。量子物理發(fā)展簡史狄拉克方程量子物理發(fā)展簡史量子物理發(fā)展簡史量子化是本征值問題（一組四篇論文），薛定諤，1926波動力學矩陣力學論運動學與動力學關系的量子理論再解釋，海森堡，1925關于量子力學I，波恩和約當，1925關于量子力學II，波恩、海森堡和約當，1925量子力學表象變換，狄拉克，1926等價量子物理發(fā)展簡史

到1930年，尤其是1925-1927年的兩年多時間里，量子力學迅速發(fā)展成為一個完整的理論，其主要內容可概括為：矩陣力學、波動力學、波函數的統(tǒng)計解釋、表象變換理論、測不準關系、互補原理。量子物理發(fā)展簡史互補（并協(xié)）原理（Complementarity）

不確定關系揭示了一個深層次問題，那就是：輻射場和微觀粒子具有波粒二象性，但我們在任何一項實驗中所涉及的都只能是波性或粒子性一個方面。而不可能在同一項實驗中即反映出波性又反映出粒子性。

在衍射實驗中涉及的是能量、動量的分布與傳播，它明顯表征出波性，要用波的語言（λ、ν）描述，用波的圖像理解。

在相互作用（碰撞）的實驗中，涉及的是能量和動量的交換，它又明顯表征出粒子性，要用粒子的語言描述，按粒子的圖像去理解。量子物理發(fā)展簡史

這就是說，在物質表現出它的粒子性時，它的波動性就必定被抑制；同樣，如果精確地測出了波動性，從而粒子性就將完全觀測不到。

在分析了微觀運動的這些性質后，玻爾于1927年提出互補原理。

他認為，在不同實驗情形下，有關原子系統(tǒng)所得的證據，不能從單一模型來理解，電子的波動模型與粒子模型是矛盾的又是互補的。

玻爾特別強調，微觀客體的行為有賴于觀測條件。他認為，一個物理量或客體的特征不是本身就存在的，它由我們觀測或擾動時才有意義。量子物理發(fā)展簡史

例如，在雙縫實驗中，你測量粒子通過了哪一個縫，等于強調了波粒二象性的粒子特性，你就得到“粒子”的圖像，與粒子性互補的波動性便被排斥了，干涉條紋也就不再存在了。

在微觀物理的實驗中，不是對一個現成的狀態(tài)進行測量。測量前并沒有這樣一個狀態(tài)，而是測量“制造”出了這個狀態(tài)。說白了，意思就是

在微觀物理現象里，一種物質確實能夠有多種不同的存在形式，不能認為現在觀察到的物質的一種形式，在觀察之前就必定已經存在了。例如某些放射性核能釋放出電子，當看到從原子核里放出電子時，你不能由此斷定剛才的核里必定有這個電子。量子物理發(fā)展簡史

玻爾認為：儀器本身只能提供經典的波態(tài)或粒子態(tài)的環(huán)境。換言之，儀器的作用是制造一個經典的波或粒子陷阱。

在微觀粒子進入儀器之前，它應該處于波粒二象態(tài)（或者說疊加態(tài)）。而當它進入儀器后就落入這個陷阱，要么呈現波態(tài)，要么呈現粒子態(tài)。儀器與微觀粒子的這種相互耦合被稱為量子退相干（Quantum

decoherence）作用。量子物理發(fā)展簡史1937年，玻爾懷著對中國人民十分友好的感情來我國訪問、講學。訪問后玻爾曾說，中國的治學傳統(tǒng)使他產生了靈感。1947年在玻爾親自設計他的家族的族徽，在這個族徽的中心部分，就采用了我國古代流傳的、具有陰陽圖案的太極圖。

他發(fā)現，他的偉大創(chuàng)造—互補原理，在中國的古代文明中早就有了先河。并認為，“陰陽”圖是互補原理的一個重要標志。

之后，他曾在很多場合用了這個標志。量子物理發(fā)展簡史

玻爾認為，中國古代哲學早就提醒我們：在“存在”的這出偉大戲劇中，我們既是演員又是觀眾。量子物理發(fā)展簡史

我們知道，量子力學必須建立在實驗觀測結果之上，而實驗觀測又依賴于測量儀器以及測量程序的安排，那么這樣的實驗結果就必定不是一個獨立不依的客觀世界不走樣的反映。

因此，量子力學所提供的世界圖景原則上無法排除觀察主體的作用，它所展示的是一幅主體和客體相互作用、相互交融的圖景。量子物理發(fā)展簡史海森堡就說過：

把世界分為主觀和客觀、內心和外在、肉體和靈魂，這種常用的分法已不再適用……自然科學不是簡單地描述和解釋自然，它乃是自然和我們人類之間相互作用的一個組成部分。量子物理發(fā)展簡史

玻爾的互補原理引起了極大爭議。

愛因斯坦在這個問題上與玻爾展開了激烈的論戰(zhàn)。有一次他同派斯散步的時候做了個意義深刻的宏觀比喻，愛因斯坦問派斯：“月亮在無人看它的時候存在嗎？”

玻爾則在他的爭辯中反復指出，現象不屬于微觀客體，而屬于客體與儀器組成的系統(tǒng)。它反映的不是客體的性質，而是客體與儀器的關系。要從現象中提取客體本身的信息，不能用排除儀器對現象影響的方法，而只能用互補的方法多角度透視。

后人指出，玻爾發(fā)現了“現象”(觀測結果)對于儀器的依賴性，正如愛因斯坦發(fā)現“現象”對于時空參照系的依賴性一樣。量子物理發(fā)展簡史1927年第五屆索爾維會議(布魯塞爾)愛因斯坦郎之萬洛侖茲居里夫人普朗克小布喇格埃倫法斯特康普頓薛定諤德布羅意玻爾泡利德拜狄拉克海森堡玻恩威爾遜量子物理發(fā)展簡史

閱讀材料2

索爾維會議被公認為”物理學界的首腦會議“，是一位比利時的實業(yè)家歐內斯特·索爾維創(chuàng)立的。1911年第一屆索爾維會議在布魯塞爾召開，以后每3年舉行一屆。

1927年，第五屆索爾維會議在比利時布魯塞爾召開了，本次會議愛因斯坦與玻爾兩人就波函數的統(tǒng)計解釋進行了大辯論，愛因斯坦以“上帝不是在擲骰子”的名言表達了對量子力學的不可知論的反感。這是他們關于量子力學大論戰(zhàn)的第一次交鋒。這次索爾維峰會被冠之以“最著名”的稱號除了是因為玻爾和愛因斯坦兩人的第一次論戰(zhàn)之外，還由于與會的眾多物理學界“明星”。該屆索爾維會議上有三大陣營。以玻爾為中心的便是哥本哈根學派，年輕、激情是他們的標簽，因而被稱為反叛的一群。其中有尼爾斯·玻爾、馬克斯·玻恩、海森伯、沃爾夫岡·泡利等。索爾維會議簡介反叛的哥本哈根學派量子物理發(fā)展簡史

尼爾斯·玻爾（NielsBohr，1885－1962，中排右一），在量子力學的發(fā)展上提出了具有突破性的“對應理論”，成為量子力學的奠基人之一，哥本哈根學派的掌門人。

馬克斯·玻恩（MaxBorn，1882－1970，中排右二）是德國理論物理學家，量子力學的奠基人之一。從1923年開始，他致力于發(fā)展量子理論。由于他從具體的碰撞問題的分析出發(fā)，提出了波函數的統(tǒng)計詮釋，于1954年獲得了諾貝爾物理學獎。

同為德國人的海森伯（WernerKarlHeisenberg，1907－1976，后排右三）是量子力學第一種有效形式（矩陣力學）的創(chuàng)建者，他更是為后人留下了一個神秘詭譎的“海森伯之謎”。“二戰(zhàn)”期間，納粹德國召集眾多科學家研制原子彈，海森伯是其中核心人物，但最后德國并沒有造出原子彈，有一說法正是海森堡沒有盡全力，但海森伯本人一直拒絕披露其中的真相。

美籍奧地利科學家沃爾夫岡·泡利（WolfgangPauli，1900－1958，后排右四）是上世紀主要的理論物理學家之一。不相容原理、核子自旋的假設、中微子的假設，以及粒子自旋和統(tǒng)計之間關系的闡述，都是他對物理學的發(fā)展作出的卓越的貢獻。量子物理發(fā)展簡史

盡管哥本哈根學派所提出的量子力學有無窮魅力，但愛因斯坦、薛定諤、德布羅意等人還是對此提出了質疑，這些質疑同樣促進了量子力學的發(fā)展。

阿爾伯特·愛因斯坦（AlbertEinstein，1879－1955，前排正中）的名字與相對論是截然不可分的，不過這位20世紀最有智慧的頭腦還提出過光量子，他和馬克斯·普朗克、尼爾斯·玻爾一樣為量子力學最初的發(fā)展做出了巨大貢獻。在這張照片中，他居于最突出的位置，可見他當時的地位。

埃爾溫·薛定諤（ErwinSchrodinger，1887－1961，后排右六）是奧地利理論物理學家。20世紀20年代，因為量子力學的發(fā)展，薛定諤的名字與愛因斯坦、玻爾、玻恩、海森堡等捆在了一起，而那只半死半活的“薛定諤的貓”更是科學史上著名的怪異形象之一。1933年，薛定諤因建立描述電子和其他亞原子粒子的運動的波動方程，獲得諾貝爾物理獎。在愛因斯坦和玻爾的論戰(zhàn)中，他是支持愛因斯坦最有力的科學家。

路易斯·德布羅意德布羅意（Louls－VictordeBroglie，1892－1987，中排右三）是法國著名理論物理學家，物質波理論的創(chuàng)立者。1924年11月，德布羅意在博士論文中闡述了著名的物質波理論，并指出電子的波動性。這一理論為建立波動力學奠定了堅實基礎。由于這一劃時代的研究成果，使他獲得1929年的諾貝爾物理學獎。哥本哈根學派的質疑者量子物理發(fā)展簡史

荷蘭物理學家亨德瑞克·安圖恩·洛倫茲（HendrikAntoonLorentz，1853—1928，前排左四），在萊頓大學任教期間創(chuàng)立了電子論，并與塞曼因研究磁場對輻射現象的影響，發(fā)現塞曼效應，分享了1902年度諾貝爾物理學獎。1904年他提出著名的洛侖茲變換公式，并指出光速是物體相對于以太運動速度的極限。

洛倫茲不僅是物理學界的明星人物，由于其通曉人文地理，且掌握多門外語，是國際物理學界的各種集會很受歡迎的主持人，此次物理學家的峰會便是由其主持。物理學界的明星主持人

這些物理界的明星人物中，有一人還對中國物理學會的成立起過積極的作用，那便是保羅·朗之萬（PaulLangevin，1872—1946，前排右四）。朗之萬生于巴黎，1905年他看到愛因斯坦的論文后，對相對論表示了濃烈的興趣，并和愛因斯坦結下了深摯的友誼。他形象地闡述相對論并作了大量宣傳工作，因而有“朗之萬炮彈”的美稱。中國物理學會的“催化劑”量子物理發(fā)展簡史

1931年，正值“九一八事變”發(fā)生，朗之萬受國際聯(lián)盟委托來中國考察教育，對中國人民的抗日活動表示聲援。他甚至呼吁中國物理學界聯(lián)系起來，催化了當時醞釀已久的中國物理學會成立。朗之萬本人也成為中國物理學會第一位名譽會員。

索爾維會議（詳細過程）

——量子力學論戰(zhàn)

量子力學產生以來,正確性以被大量實驗驗證.然而,量子力學存在一個重大問題沒有解決:量子力學是否是完備的,波函數是否精確描寫了單個體系的狀態(tài).

哥本哈根學派認為:

1.波函數精確地描述了單個體系的狀態(tài).

2.波函數提供統(tǒng)計數據,測不準關系的存在是由于粒子與測量儀器之間的不可控制形.

3.在空間,時間中發(fā)生的微觀過程和經典因果律不相容.

愛因斯坦對此并認同,一個沒有嚴格因果律的物理世界是不可想象的.

他認為:量子力學可能出了問題.

一場世紀大辯論即將展開.

量子物理發(fā)展簡史

第一次論戰(zhàn)

派系

會議分為三派:

實驗派:布拉格康普頓

歌本哈根學派:波爾波恩海森伯愛因斯坦派:愛因斯坦德布羅意薛定諤

論戰(zhàn)展開

羅意德布羅意說:粒子是波場中的一個奇異點,波引導著粒子運動.泡利狠狠批評這個理論,舉出一系列實驗結果反駁德布羅意,德布羅意被迫放棄自己的觀點.

海森伯和波恩說:我們主張量子力學是完備的,它的基本物理假說和數學假設不能進一步修改.他們攻擊薛定諤的電子云.

薛定諤承認自己的計算不完美,但談論電子軌道是胡扯.愛因思坦終于說話了,他提出一個模型:一個電子通過一個小孔得到衍射圖像.愛因斯坦指出兩種觀點:

1.這里沒有一個電子,只有一團電子云

2.的確只有一個電子,波函數是“幾率分布”愛因斯坦反對觀點2,因為:這種隨機性表明同一過程產生不同結果.量子物理發(fā)展簡史

即感應屏的許多區(qū)域同時對電子觀測作出反應。而這似乎暗示一種超距作用,從而違背相對論。

海森伯的回憶

"討論很快就變成一場愛因斯坦和波爾之間的決斗."

"我們一般在旅館用早餐就見面,于是愛因斯坦就描繪一個思維實驗,他認為從中可以清楚地看出歌本哈根解釋的內部矛盾."

"一般來說玻爾在傍晚的時候就對這些理想實驗完全心中有數,他會在晚餐時把它們分析給愛因斯坦聽.愛因斯坦對這些分析提不出反駁,但在心里他是不服氣的."

愛因斯坦的失利

愛因斯坦如此虔誠地信仰因果律,以致決不能相信哥本哈根那種憤世嫉俗的概率解釋.

"上帝不擲骰子!"

但是第一次論戰(zhàn)他輸了.輸給玻爾的哥本哈根學派.

量子物理發(fā)展簡史

第二次論戰(zhàn)

三年后的秋天,第六屆索爾維會議在布魯塞爾召開.

愛因斯坦的算盤

愛因斯坦憑著和玻爾交手的經驗知道:

在細節(jié)問題上是爭不出個什么所以然

他必須得瞄準最關鍵的精髓所在:不確定性原理!

愛因斯坦提出光箱實驗

箱子里有若干光子.

打開時間Δt,只放出一個光子,Δt確定，于是箱子輕了Δm,可以用理想的秤測出，將Δm代入E=mc2,ΔE也確定，ΔE和Δt都確定,測不準原理ΔEΔt>h/2π不成立。

這個實驗的精髓所在是:

在精確測量Δt時,可以精確測量Δm，而Δm可以由質能方程轉化為精確的ΔE，ΔE、Δt都是精確的,測不準關系失效了。

玻爾對此毫無準備,他臉如死灰,呆若木雞

第二天,玻爾的勝利到來了

量子物理發(fā)展簡史

玻爾指出:一個光子跑了,箱子輕了Δm，用彈簧秤秤,設置零點,設位移Δq，根據廣義相對論的紅移效應,箱子在引力場移動Δq,Δt也相應改變ΔT?？梢杂嬎?ΔT>h/Δmc2，代入E=mc2，得ΔEΔT>h/2π

這次輪到愛因斯坦說不出話了，愛因斯坦的廣義相對論推翻了他自己。哥本哈根學派大獲全勝。玻爾又贏了，愛因斯坦并不甘心。

愛因斯坦不得不承認哥本哈根的解釋是沒有矛盾的,量子力學依靠概率論.但他認為這種統(tǒng)計描述并不是完整的"圖像".

用愛因斯坦自己的話說,量子力學理論是不完備的,波函數并不能精確描寫單個體系的狀態(tài).它所涉及的是許多體系,只是一個"系宗".

哥本哈根學派的統(tǒng)計描述只是一個中間階段,應當尋求更完備的理論.

與此類似,玻姆的理論認為:

目前量子力學之所以是一個統(tǒng)計理論(哥本哈根派的解釋),是因為存在還未發(fā)現的隱變量.個別體系的規(guī)律,正是由它們決定。如果能找出隱變量就可以準確地決定微觀現象每一次測量的結果,而不只是決定各種可能出現的結果的幾率.也就是說,如果發(fā)現隱變量,那么因果律還是存在的,"上帝不擲骰子".

量子物理發(fā)展簡史

尾聲愛因斯坦沒有出席第七屆索爾維會議,由于納粹德國的迫害而背井離鄉(xiāng).

而這次會議的主題已改成原子物理.

量子力學的索爾維會議已經結束了.

然而事情并沒有就此完結.

1935年,薛定諤發(fā)表論文《量子力學的現狀》,提出了惡夢般的貓實驗.

對次,哥本哈根學派只能吞下苦水,承認那只貓是處于"死活混合"的幽靈態(tài).他們對此的解釋甚至涉及了"意識".

索爾維會議如一個歷史舞臺,見證著量子力學的發(fā)展與存在.

愛因斯坦似乎成了"反派",扮演著與當年那些妄圖推翻相對論的人相似的角色.而玻爾經受住這些考驗,哥本哈根學派的思想廣泛流傳.

量子物理發(fā)展簡史

三、量子力學理論向縱深發(fā)展階段應用量子力學開創(chuàng)了許多新的應用領域：量子物理發(fā)展簡史量子物理發(fā)展簡史量子點193nm納米碳管1650nmps自組裝3000nm量子物理發(fā)展簡史觀測尺度和觀測工具宇觀

(＞107m)宏觀

(m)介觀

(﹥10-9m)微觀(＜10-9m

1026-1027m~10-15m觀測工具量子物理發(fā)展簡史迄今，量子論和量子力學對社會進步、哲學、工程技術和國民經濟產生了巨大的影響！據估計，基于量子力學發(fā)展起來的高科技產業(yè)，如激光器、半導體芯片和計算機、電視、電子通訊、電子顯微鏡、核磁共振成像、核電等，其產值在發(fā)達國家國民生產總值中已占到30%以上。沒有量子論就不可能有半導體、集成電路、激光和信息科學。（周光召）量子論和相對論的誕生堪稱本世紀最偉大的科學革命。（路甬祥）量子物理發(fā)展簡史

應用于凝聚態(tài)物質—固體和液體方面量子理論在信息產業(yè)的應用

1948年，美國科學家約翰·巴丁、威廉·肖克利和瓦爾特·布拉頓根據量子理論發(fā)明了晶體管。它用很小的電流和功率就能有效地工作，而且可以將尺寸做得很小，從而迅速取代了笨重、昂貴的真空管，開創(chuàng)了全新的信息時代，這三位科學家也因此獲得了1956年的諾貝爾物理學獎。量子物理發(fā)展簡史晶體管取代電子管，這只是一種器件代替另一種器件，對于大型電子設備，有時要用到上百萬個接點，這些接點就成為出現故障的淵源。同時，生產和軍事部門還希望電子設備進一步微小型化，這又強烈地推動人們去開辟發(fā)展電子技術的新途徑世界上第一個晶體管量子物理發(fā)展簡史1960年1月18號，美國加利福尼亞西奧多.梅曼研制出了世界第一臺紅寶石激光器。西奧多.梅曼第一臺激光器的原理圖量子物理發(fā)展簡史量子阱激光器

量子阱是窄帶隙超薄層（起載流子陷進作用）被夾在兩個寬帶隙勢壘薄層之間。由一個勢阱構成的量子阱結構為單量子阱，簡稱為SQW（SingleQuantumWell）；由多個勢阱構成的量子阱結構為多量子阱，簡稱為MQW（MultipleQuantumWell），如圖所示。

窄帶隙材(量子阱

)量子阱激光器能帶結構示意圖量子物理發(fā)展簡史雙異質結半導體中，有源層厚度通常為100-200nm，其電性質和光學性質與體材料相同。但是隨著有源層厚度的減小，例如達到5-10nm時（僅約7-15倍原子直徑），載流子在垂直于有源層方向上的運動受到束縛，即從三維變成二維，使材料的電性質和光學性質產生劇烈的變化。結果，垂直于有源層方向上運動的載流子動能可量子化成分立的能級，這類似于一維勢阱的量子力學問題，因而這類激光器叫做量子阱激光器。量子物理發(fā)展簡史（1）在量子阱中，態(tài)密度呈階梯狀分布，量子阱中首先是E1c和E1v之間電子和空穴參與的復合，所產生的光子能量hv＝E1c－E1v＞Eg，即光子能量大于材料的禁帶寬度。相應地，其發(fā)射波長減小了，即出現了波長藍移。同常規(guī)的激光器相比，量子阱激光器具有以下特點：（2）在量子阱激光器中，輻射復合主要發(fā)生在E1c和E1v之間。這是兩個能級之間的電子和空穴參與的復合，不同于導帶底附近的電子和價帶頂附近的空穴參與的輻射復合，因而量子阱激光器光譜的線寬明顯地變窄了。量子物理發(fā)展簡史（3）在量子阱激光器中，由于勢阱寬度Lx通常小于電子和空穴的擴散長度Le和Ln，電子和空穴還未來得及擴散就被勢壘限制在勢阱之中，產生很高的注入效率，易于實現粒子數反轉，其增益大大提高，甚至可高達兩個數量級。（4）量子阱使激光器的溫度穩(wěn)定條件大為改善，AlGaInAs量子阱激光器的特征溫度可達150K，甚至更高。因而，這在光纖通信等應用中至關重要。量子物理發(fā)展簡史

電子工業(yè)領域的應用

目前半導體的微型化已接近極限，如果再小下去，微電子技術的理論就會顯得無能為力，必須依靠量子結構理論?？茖W家們預言，利用量子力學理論，到2010年左右，人們能夠使蝕刻在半導體上的線條的寬度小到十分之一微米以下。在這樣窄小的電路中穿行的電信號將只是少數幾個電子，增加一個或減少一個電子都會造成很大的差異。量子物理發(fā)展簡史

美國威斯康星大學材料科學家馬克斯·拉加利等人根據量子力學理論已制造了一些可容納單個電子的被稱為“量子點”的微小結構。這種量子點非常微小，一個針尖上可容納幾十億個。研究人員用量子點制造可由單個電子的運動來控制開和關狀態(tài)的晶體管（單電子晶體管）。他們還通過對量子點進行巧妙的排列，使這種排列有可能用作微小而功率強大的計算機的心臟。量子物理發(fā)展簡史

美國南卡羅來納大學詹姆斯·圖爾斯的化學實驗室用單個有機分子已制成量子結構。采用他們的方法可將數以十億計分子大小的裝置擠在一平方毫米的面積上。一平方毫米可容納的晶體管數可能是目前的個人計算機晶體管數的1萬倍。

紐約州立大學的物理學家康斯坦丁·利哈廖夫已用量子存儲點制成了一個存儲芯片模型。從理論上講，他的設計芯片與現今使用的芯片大小相當，而容量是目前芯片儲量的1·5萬倍。有很多研究小組已制出了利哈廖夫模型裝置所必需的單電子晶體管，有的還制成了在室溫條件下工作的單電子晶體管。

量子物理發(fā)展簡史量子計算機量子計算機是利用量子力學的原理進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。

隨著計算機芯片的集成度越來越高，元件越做越小，集成電路技術現在正逼近其極限，傳統(tǒng)的計算機結構必將有終結的一天。當計算機元件的尺寸變得非常之小時，我們不得不面對一個嚴峻的事實：必須用量子力學來對它們進行描述。量子物理發(fā)展簡史

80年代初期，一些物理學家證明一臺計算機原則上可以以純粹的量子力學的方式運行，之后很長一段時間，這一研究領域漸趨冷清，因為還找不到實際的系統(tǒng)可供量子計算機的實驗，而且還不清楚量子計算機解決數學問題是否會比常規(guī)計算機快。20世紀90年代，實驗技術和理論模型的進步為量子計算機的實現提供了可能。值得一提的是1994年美國貝爾實驗室的PeterW.Shor證明運用量子計算機能有效地進行大數的因式分解。按照Shor量子物理發(fā)展簡史算法，對一個1000位的數進行因式分解只需幾分之一秒，同樣的事情由目前最快的計算機來做，則需1025年！這意味著以大數因式分解算法為依據的電子銀行、網絡等領域的RSA公開密鑰密碼體系在量子計算機面前不堪一擊。幾年后Grover提出“量子搜尋算法”，該算法稱為“從稻草堆中找出一根針”！可以輕松破譯DES密碼體系。于是各國政府紛紛投入大量的資金和科研力量進行量子計算機的研究，如今這一領域已經形成一門新型學科——量子信息學。量子物理發(fā)展簡史世界上最小的單電子晶體管閱讀材料3

眾所周知，根據半導體業(yè)著名的摩爾定律，芯片的集成度每18個月至2年提高一倍，即加工線寬縮小一半。人們普遍認為，這一定律還能延續(xù)10年。提出該定律的摩爾本人也曾公開表示，10年之后，摩爾定律將很難繼續(xù)有效，比如目前所面臨的一個問題是，當普遍采用的硅材料尺寸小于１０納米時，用它制造出的晶體管穩(wěn)定性變差。１０納米成為硅材料技術無法再發(fā)揮作用的小型化極限。

量子物理發(fā)展簡史

然而，在2008年4月，《科學》雜志發(fā)布，英國曼切斯特大學的安德烈·K·海姆教授和科斯佳·諾沃謝洛夫研究員領導的科研小組開發(fā)出了世界最小的，僅1個原子厚10個原子寬的單電子晶體管。

采用的材料是由單原子層構成的石墨烯。石墨烯作為新型半導體材料，近年來獲得科學界的廣泛關注。英國科學家采用標準的晶體管工藝，首先在單層石墨膜上用電子束刻出溝道。然后在所余下的被稱為"島"的中心部分封入電子，形成量子點。石墨烯晶體管柵極部分的結構為10多納米的量子點夾著幾納米的絕緣介質。這種量子點往往被稱為"電荷島"。由于施加電壓后會改變該量子點的導電性，這樣一來量子點如同于標準的場效應晶體管一樣，可記憶晶體管的邏輯狀態(tài)。量子物理發(fā)展簡史

科學家指出，這種石墨烯晶體管或許能將摩爾定律延續(xù)下去，同時也有望為研制新型超高速計算機芯片帶來突破。目前，硅器件的工作速度已達到千兆赫茲的范圍。而石墨烯器件制成的計算機的運行速度可達到太赫茲，即1千兆赫茲的1000倍。

量子物理發(fā)展簡史愛因斯坦—玻爾論戰(zhàn)

玻爾在20世紀的10年代建立了完整的量子論，從他的理論出發(fā)能夠完美地解釋氫原子的光譜現象。隨后在他的感召之下，以玻恩，薛定諤，海森堡，泡立等為代表的一群年輕人建立了具有顛覆性魅力的量子力學理論，他們（不包括薛定諤）把自己對于量子力學的物理認識稱為“哥本哈根詮釋”，奉玻爾為量子力學的精神領袖。而量子力學的這種對于物理世界的理解方式是愛因斯坦一直不能接受的。閱讀材料4量子物理發(fā)展簡史[附]哥本哈根解釋概要

①量子力學考察單個客體。

②概率是基本的。

③被測客體與測量儀器之間的邊界由觀察者選擇。

④觀察方式必須用經典物理來說明。

⑤觀察是不可逆的，它產生一個記錄。

⑥測量時所發(fā)生的量子躍遷是由可能到實際的轉變。

⑦互補性質不能被同時觀測。

⑧只有測量結果可以被認為是真實的。

⑨純量子態(tài)是客觀的但不是真實的量子物理發(fā)展簡史

所謂量子力學的“哥本哈根詮釋”的基本出發(fā)點，是認為我們人類對于微觀世界的物理過程，只能進行概率描述，如果說對于一塊小石頭，我們可以說出來它在某時某刻處于某個位置上，那么對于一個象電子這樣的微觀物體，我們就只能說它在某時某刻處于某個位置上的概率是多少。在這個意義上，我們永遠無法對于一個量子對象給出具有確切時間空間描述的軌跡。對于這樣的理論，愛因斯坦至死都不能夠接受。量子物理發(fā)展簡史

愛因斯坦對于量子力學的不滿，其實在他的相對論里面就可以找到端倪。因為在愛因斯坦對于物理世界的一般圖景中，這個世界是嚴格滿足因果律的。在狹義相對論的世界里面，宇宙的一切都循著自己的世界線前進，在世界線上面，前后的事件之間具有嚴格的因果關系，不存在任何的需要使用概率描述的東西；在廣義相對論的世界里，時空因為引力質量而彎曲，宇宙的一切同樣遵循自己的既有軌道，同樣看不到概率的影子。在愛因斯坦的世界觀里面，因果律是一條不可動搖的律令，猶如康德的星空，猶如斯賓諾莎的上帝。量子物理發(fā)展簡史

因此，對于無法確定電子運動軌跡的量子力學，愛因斯坦極其不滿，他認為一個電子的精確實在的運動軌跡并不是不存在，我們之所以不能精確地描述出來，那是因為量子力學還不完善，只能給出運動概率的量子力學是一種最終的、完善的量子力學的暫時形式。所以他也并非是忘記了自己曾經成功地運用量子概念解釋了光電效應，而是把量子這種離散圖像看做是一個權宜之計。量子物理發(fā)展簡史

對于玻爾來說，他所關注的不是形式上的因果規(guī)律，而是人類在認識論上的地位。他認為：人本身作為一個宏觀物體，在認識論的意義上，是不可能獲得微觀世界的細節(jié)知識的，因為我們關于微觀世界的物理知識，都是來自物理測量，而物理測量要能夠給出為我們人類所接受的數值，一切測量結果最終都必須是一種宏觀現象，這就意味著我們對于微觀世界的認識，只能止步于我們所能夠測量的物理量上面，而這些可測量的物理量在本性上都屬于一些不可測量的物理量的概率平均值。

因此，愛因斯坦和玻爾對于自然的理解有著深層的內在對立。量子物理發(fā)展簡史玻爾和愛因斯坦的經典論戰(zhàn)量子物理發(fā)展簡史愛因斯坦和玻爾兩人爭論后正陷入沉思之中量子物理發(fā)展簡史

只要有機會，他們就為自己而辯護，向對方進行駁難。一個最有名的情節(jié)，就是連續(xù)多日，愛因斯坦施展他善于設計理想實驗的才能，不斷在黑板上畫出他要求玻爾“進行”的理想實驗，試圖導出悖論，以揭示量子力學的錯誤；然而經玻爾的一番冥思苦想，總是能夠最終讓悖論無法成立，如此反復多日，愛因斯坦也沒有達到目的，兩人各自的信念依舊！量子物理發(fā)展簡史畫著著名的“愛因斯坦盒子”理想實驗的黑板量子物理發(fā)展簡史

愛因斯坦一直到了他的晚年，還沒有罷休。他與人合作提出了一個EPR實驗，在當時也可以說是理想實驗，可喜的是在現代條件下，EPR這種類型的實驗可以實現了，然而不幸的是，迄今所有的類似實驗都表明