亚洲欧洲日韩中文字幕,久久99精品国产自在现线小黄鸭,女教师巨大乳孔中文字幕,亚洲日韩精品欧美一区二区一

引言

17世紀(jì)初至19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)蓬勃發(fā)展，人們建立起了在當(dāng)時(shí)看來已經(jīng)與實(shí)驗(yàn)符合得很好的完備的物理理論體系。然而，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界仍存在兩個(gè)用當(dāng)時(shí)的物理學(xué)難以解釋的問題，其中之一的黑體輻射問題，連同其他如光電效應(yīng)、原子的線狀光譜以及原子的穩(wěn)定性等問題引發(fā)了人們對新物理理論的探究。針對這些問題普朗克（Max Planck）和愛因斯坦（Albert Einstein）首先利用能量量子化的假設(shè)解決了黑體輻射和光電效應(yīng)的難題，隨后海森堡（Werner Heisenberg）、狄拉克（Paul Dirac）和薛定諤（Erwin Schr?dinger）等人在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了系統(tǒng)的描述微觀世界的量子理論。在此之后，施溫格（Julian Schwinger）與費(fèi)曼（Richard Feynman）等人發(fā)展了量子場論與量子電動(dòng)力學(xué)以便將量子力學(xué)與狹義相對論相結(jié)合。20世紀(jì)下半葉，量子理論被廣泛應(yīng)用于光學(xué)與原子物理學(xué)等多個(gè)物理領(lǐng)域，使得這些領(lǐng)域發(fā)展到新的階段，促進(jìn)了量子光學(xué)與冷原子物理等學(xué)科的誕生與發(fā)展。當(dāng)前，量子理論在量子信息、量子計(jì)算、量子模擬、量子精密測量等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

正文

物理學(xué)家建立量子理論的*一步是由普朗克邁出的。為了解釋黑體輻射，普朗克在1900年提出了一個(gè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好的公式。在詮釋公式蘊(yùn)含的物理意義時(shí)，他假設(shè)能量在發(fā)射和吸收時(shí)不是連續(xù)的，而是分立的，并且每份能量是最小單位的整數(shù)倍，稱為普朗克常量，這就是能量子的概念。愛因斯坦在1905年引入了光量子的概念，即光具有粒子性，光場是由多個(gè)光量子組成的，光量子能量 ，是約化普朗克常數(shù)，是光場的角頻率。光量子后被簡稱為光子，光子是光場能量的最小單位。愛因斯坦用這一假設(shè)解釋了光電效應(yīng)的現(xiàn)象。光量子的概念在1923年由康普頓（Arthur Compton）散射實(shí)驗(yàn)直接證實(shí)。由此，人們認(rèn)識(shí)到光不僅具有波的性質(zhì)，同時(shí)也具有粒子的性質(zhì)。

1913年，玻爾（Niels Bohr）提出了一種原子結(jié)構(gòu)理論——玻爾理論。他假設(shè)電子只能在特定能級(jí)上維持穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，且電子在能級(jí)間躍遷時(shí)會(huì)吸收或釋放能量。玻爾理論成功解釋了氫原子光譜，但依然存在著局限性。海森堡將玻爾模型進(jìn)行了推廣，他認(rèn)為物理理論應(yīng)該是建立在可觀測量上的，既然所有可觀測的物理力學(xué)量都與兩條玻爾軌道相關(guān)，那就可以把這些量寫成矩陣的形式。對于兩個(gè)任意的力學(xué)量的矩陣，它們并不一定是對易的，即。海森堡、玻恩（Max Born）與約當(dāng)（Pascual Jordan）等人在后來將此理論發(fā)展為矩陣力學(xué)。海森堡還在1927年提出了*名的不確定性原理，這一原理指出了對兩個(gè)力學(xué)量同時(shí)測量時(shí)測量精度上存在的限制。不確定性原理從根本上挑戰(zhàn)了經(jīng)典物理學(xué)的決定論。

1924年，德布羅意（Louis de Broglie）將原來關(guān)于光的波粒二象性的理論進(jìn)行了推廣，提出了物質(zhì)波的假說，即粒子同時(shí)也具有波動(dòng)性。這個(gè)假說在后來的電子衍射實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)。薛定諤受到德布羅意關(guān)于波粒二象性的理論啟發(fā)，他首先考慮了自由粒子并結(jié)合德布羅意給出的物質(zhì)波的頻率與波長的表達(dá)式，最終給出了非相對論的物質(zhì)波的波動(dòng)方程

這就是*名的薛定諤方程，為波函數(shù)，是粒子質(zhì)量，表示勢場。利用薛定諤方程可以解出氫原子的能級(jí)公式，其結(jié)果與玻爾理論給出的結(jié)果一致。1927年，玻恩提出了量子力學(xué)的概率解釋，他認(rèn)為電子波函數(shù)的模平方實(shí)際上代表了在時(shí)刻，在以為中心的一個(gè)小區(qū)域內(nèi)找到該電子的的幾率密度，這就是玻恩的波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)詮釋。矩陣力學(xué)與波動(dòng)力學(xué)兩種量子理論的等價(jià)性在后來由泡利（Wolfgang Pauli）給出證明。狄拉克統(tǒng)合了矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)，發(fā)展出了量子力學(xué)的基本數(shù)學(xué)架構(gòu)。1927年的索爾維會(huì)議（圖1），以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派提出了量子力學(xué)的哥本哈根解釋，即測量會(huì)造成波函數(shù)坍縮，原本的量子態(tài)概率地坍縮成一個(gè)測量所允許的特定的量子態(tài)，這是最為廣泛接受的觀點(diǎn)。

圖1 1927年第五屆索爾維會(huì)議合影 圖源：維基百科

在量子力學(xué)的基本框架被建立起來之后，人們開始探索一個(gè)將量子力學(xué)和相對論相結(jié)合的統(tǒng)一的理論框架。1926年，狄拉克將狹義相對論和量子力學(xué)的原理結(jié)合起來，提出了描述電子行為的狄拉克方程，為量子場論的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也預(yù)言了反粒子的存在。海森堡與泡利等人指出物質(zhì)粒子可以理解為不同場的量子，每種基本粒子都有其對應(yīng)的一個(gè)場，這一觀念后來形成了量子場論的中心思想。奧本海默（Robert Oppenheimer）在1930年試圖計(jì)算電子與量子電磁場相互作用對原子中電子能量的影響時(shí)遇到了量子場論預(yù)測的能級(jí)差為無限大的問題。1943年，朝永振一郎（Sinitiro Tomonaga）、施溫格以及費(fèi)曼分別發(fā)展了重整化的理論，解決了無窮大問題，并成功解釋了蘭姆（Wills Lamb）和庫施(Polykarp Kusch)等人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的蘭姆移位和電子的反常磁矩的現(xiàn)象。1948年，戴森（Freeman Dyson）證明了三種理論的等價(jià)性，并大大簡化了施溫格的重整化方法，至此一個(gè)**相對論性的量子電動(dòng)力學(xué)理論誕生了。1965年，朝永、施溫格和費(fèi)曼三人因?yàn)樵诹孔与妱?dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)性工作中的貢獻(xiàn)分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。量子電動(dòng)力學(xué)是有史以來***的物理學(xué)理論之一，它闡釋了電磁相互作用的量子性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了電磁力和弱力之間的統(tǒng)一。

量子光學(xué)是在量子理論基礎(chǔ)上建立起來的研究光的量子性質(zhì)及光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科。在20世紀(jì)下半葉，隨著激光的產(chǎn)生與廣泛應(yīng)用，量子光學(xué)得以在實(shí)驗(yàn)和理論兩方面共同推進(jìn)。1963年，被譽(yù)為量子光學(xué)之父的格勞伯（Roy Glauber）提出了光的量子相干性理論，將量子理論與光學(xué)相結(jié)合，利用量子特性解釋光的宏觀現(xiàn)象[1]。他成功地描述了光子的運(yùn)行原理，展示了光粒子的非經(jīng)典特性在一定條件下如何影響它的運(yùn)行方式，解釋了光與物質(zhì)相互作用的基本問題，如激光的輻射等，開創(chuàng)了一門新的物理學(xué)學(xué)科——量子光學(xué)。格勞伯因“對光學(xué)相干的量子理論"的貢獻(xiàn)與霍爾（John Hall）及亨施（Theodor H?nsch）分享了2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。20世紀(jì)60至90年代，J-C模型、光學(xué)瞬態(tài)、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)、反群聚效用以及壓縮態(tài)等理論相繼被提出。杰恩斯（Edwin Jaynes）與卡明斯（Fred Cummings）提出應(yīng)用于量子單模光場與二能級(jí)原子的相互作用的全量子化的J-C模型，預(yù)言了原子布局?jǐn)?shù)反轉(zhuǎn)隨時(shí)間演化崩塌復(fù)蘇現(xiàn)象。1996年，阿羅什（Serge Haroche）利用相干光場，在*禁單個(gè)原子的微腔中，觀測到清晰的衰減振蕩形式的自發(fā)輻射和崩塌復(fù)蘇的現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了J-C模型的正確性[2]。維因蘭德（David Wineland）發(fā)展了*禁離子的激光多普勒冷卻與邊帶冷卻的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，制備了多種量子態(tài)[3]，并利用被*禁的離子實(shí)現(xiàn)了高精度的光學(xué)原子鐘。2012年，阿羅什與維因蘭德因他們發(fā)明的能夠量度和操控個(gè)體量子系統(tǒng)的突破性實(shí)驗(yàn)方法而被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。量子光學(xué)現(xiàn)如今在量子信息科學(xué)與冷原子物理等領(lǐng)域中起著重要作用。

圖2 玻色-愛因斯坦凝聚 圖源：JILA

隨著激光冷卻與*禁技術(shù)以及蒸發(fā)冷卻的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)上可以獲得低溫高相空間密度的中性冷原子氣體[2]。1997年，朱棣文（Steven Chu）、塔諾季（Cohen Tannoudji）與菲利普斯（William Phillips）因發(fā)展了用激光冷卻和捕獲原子的方法而被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。對于冷原子系統(tǒng)，當(dāng)原子氣體的熱德布羅意波長接近或小于原子距離時(shí)，系統(tǒng)是簡并的，需要通過量子理論來描述。費(fèi)米子和玻色子服從**不同的統(tǒng)計(jì)分布，玻色子會(huì)占據(jù)同一個(gè)能級(jí)，但是費(fèi)米子由于泡利不相容原理，則會(huì)由低到高占據(jù)所有可能的能級(jí)。1925年，愛因斯坦預(yù)言了玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC）的存在，1995年人們*一次實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（圖2），制造出了“第五物態(tài)"。凝聚體可以通過平均場的Gross-Pitaevskii方程描述，與薛定諤方程類似，它給出了原子在*禁勢阱和由于其它粒子產(chǎn)生的平均場作用下的演化。2001年，康奈爾（Eric Cornell）、威曼（Carl Wieman）與克特勒（Wolfgang Ketterle）因在堿性原子稀薄氣體的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)方面取得的成就以及凝聚態(tài)物質(zhì)屬性的早期基礎(chǔ)性研究而被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1999年，金秀蘭（Deborah S. Jin）小組采用使用雙組分費(fèi)米氣體的蒸發(fā)冷卻實(shí)現(xiàn)了費(fèi)米簡并。1957年，巴?。↗ohn Bardeen）、庫珀（Leon Cooper）和施里弗(John Schrieffer)建立起解釋常規(guī)超導(dǎo)體的BCS理論，其中費(fèi)米子構(gòu)成庫珀對。20世紀(jì)80年代萊格特（Anthony Leggett）提出BCS-BEC渡越的理論（圖3），他指出BCS波函數(shù)不僅適用于弱相互作用極限，只要化學(xué)勢隨著相互作用的增加被自洽地找到，BCS就可以從庫珀配對轉(zhuǎn)變到由兩個(gè)費(fèi)米子組成的復(fù)合玻色子的BEC。根據(jù)理論，零溫條件下，兩組分的費(fèi)米子體系的基態(tài)形式取決于粒子間相互作用強(qiáng)度，若其散射長度a<0 a="">0 且a 較大，則原子間為排斥相互作用，則兩個(gè)自旋相反的費(fèi)米子結(jié)合成一個(gè)弱束縛態(tài)的分子，而該分子行為類似于玻色子，將形成BEC。2003年，金秀蘭小組實(shí)現(xiàn)了⁴⁰K₂分子的BEC，他們通過改變原子的散射長度使得⁴⁰K₂費(fèi)米氣體在散射長度為負(fù)的情況下形成分子，從而形成玻色分子凝聚體。2004年，該小組通過Feshbach共振來調(diào)節(jié)原子間的相互作用，兩個(gè)費(fèi)米子構(gòu)成BCS形式的的復(fù)合子，實(shí)現(xiàn)了⁴⁰K原子對的費(fèi)米凝聚態(tài)，制造出了物質(zhì)的“第六物態(tài)"[5]。2005年，克特勒小組在整個(gè)BCS-BEC渡越區(qū)觀察到費(fèi)米氣體的渦旋，明確演示了超流體性[6]。冷原子系統(tǒng)具有純凈、高度可控的特點(diǎn)，為量子模擬、量子信息和精密測量等研究提供了**的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖3 BEC-BCS渡越 圖源：M. Inguscio et al. Ultra-cold Fermi gases. IOS press, 2008

1935年，愛因斯坦、波多爾斯基（Boris Podolsky）和羅森（Nathan Rosen）共同發(fā)表了一篇論文質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性[7]。該文章采用理想實(shí)驗(yàn)對量子理論進(jìn)行邏輯上的論證，認(rèn)為量子力學(xué)對于微觀世界的描述并不完備。從定域?qū)嵲谡摰挠^點(diǎn)來看，某區(qū)域發(fā)生的事件不能以超過光速的傳遞方式影響其它區(qū)域，對兩個(gè)相距足夠遠(yuǎn)（類空間隔）粒子的可觀測量進(jìn)行測量，測量結(jié)果應(yīng)該互不干涉，且測量值是確定的，若量子力學(xué)是完備的，對其中一個(gè)粒子的測量不會(huì)對另一個(gè)粒子造成影響。對于處于自旋疊加態(tài)的兩粒子

假設(shè)用{|↑?,|↓?}這組基對A粒子進(jìn)行測量，即使A，B兩粒子相距足夠遠(yuǎn)，B粒子仍會(huì)根據(jù)A粒子的測量結(jié)果相應(yīng)地坍縮到|↑?態(tài)或|↓?態(tài)上，也就是說A粒子的測量值會(huì)影響B(tài)粒子的測量結(jié)果。量子力學(xué)與定域?qū)嵲谡撝g的這種矛盾，后來被稱之為EPR佯謬。玻姆（David Bohm）認(rèn)為量子力學(xué)之外可能還存在局域隱變量。1964，貝爾（John Bell）結(jié)合定域?qū)嵲谡摵碗[變量模型，給出了貝爾不等式[8]。基于隱變量理論的結(jié)果將滿足不等式，量子力學(xué)的結(jié)果則會(huì)違背不等式。量子力學(xué)*特的非定域關(guān)聯(lián)，被形象地描述為鬼魅般的超距作用，稱之為量子糾纏。一系列的實(shí)驗(yàn)表明貝爾不等式可以被違背，驗(yàn)證了量子力學(xué)非定域性的存在。2017年，中科大等利用墨子號(hào)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的星地雙向量子糾纏分發(fā)[9]，并在此基礎(chǔ)上驗(yàn)證了貝爾不等式，實(shí)現(xiàn)了空間尺度下嚴(yán)格滿足“愛因斯坦定域性條件"的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)（圖4）。2022年，阿斯佩（Alain Aspect）、克勞澤（John Clauser）與塞林格（Anton Zeilinger）因他們在糾纏光子實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證違反貝爾不等式和開創(chuàng)量子信息科學(xué)方面所做出的貢獻(xiàn)而被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[10–12]。量子糾纏作為一種至關(guān)重要的物理資源，可以用于保障量子通信的安全性、實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算和量子模擬等，另外，量子糾纏可以用于量子精密測量提高測量精度。目前量子糾纏已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種量子信息和精密測量。

圖4 “墨子"號(hào)量子衛(wèi)星 圖源：NSSC

結(jié)論

量子理論從20世紀(jì)初發(fā)展至今取得了巨大的成就，它已經(jīng)成為當(dāng)今物理學(xué)*可*缺的重要支柱之一。量子理論的發(fā)展對人類文明有著重大的意義，對人類社會(huì)的**有著巨大的推動(dòng)作用。量子理論同時(shí)也挑戰(zhàn)了我們對現(xiàn)實(shí)世界的陳舊的觀念，并從根本改變了我們對微觀世界的理解，讓我們更深刻地認(rèn)識(shí)到了自然界的本質(zhì)。在量子理論蓬勃發(fā)展的同時(shí)，基于量子理論的量子技術(shù)也在迅速發(fā)展。目前新興的如量子計(jì)算、量子模擬、量子通信與量子精密測量等量子技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景與重要意義，量子技術(shù)已經(jīng)成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿領(lǐng)域。隨著量子理論研究的不斷展開，我們可以期待更多理論及應(yīng)用上的突破。

作者簡介

*一作者：夏衍、孫常越

通訊作者：徐信業(yè) 教授

作者單位：華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

引用文獻(xiàn)

[1]Glauber R J. Nobel lecture: One hundred years of light quanta[J]. Reviews of Modern Physics, 2006, 78(4): 1267–1278.

[2]Haroche S. Nobel lecture: Controlling photons in a box and exploring the quantum to classical boundary[J]. Reviews of Modern Physics, 2013, 85(3): 1083–1102.

[3]Wineland D J. Nobel lecture: Superposition, entanglement, and raising Schr?dinger’s cat[J]. Reviews of Modern Physics, 2013, 85(3): 1103–1114.

[4]Cohen-Tannoudji C, Guéry-Odelin D. Advances in atomic physics[M]. World Scientific, 2011.

[5]Regal C A, Greiner M, Jin D S. Observation of resonance condensation of fermionic atom pairs[J]. Physical Review Letters, 2004, 92(4): 040403.

[6]Zwierlein M W, Abo-Shaeer J R, Schirotzek A, et al. Vortices and superfluidity in a strongly interacting Fermi gas[J]. Nature, 2005, 435(7045): 1047–1051.

[7]Einstein A, Podolsky B, Rosen N. Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?[J]. Physical Review, 1935, 47(10): 777–780.

[8]Bell J S. On the Einstein Podolsky Rosen paradox[J]. Physics Physique Fizika, 1964, 1(3): 195–200.

[9]Yin J, Cao Y, Li Y-H, et al. Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers[J]. Science, 2017, 356(6343): 1140–1144.

[10]Clauser J F, Horne M A, Shimony A, et al. Proposed experiment to test local hidden-variable theories[J]. Physical Review Letters, 1969, 23(15): 880–884.

[11]Aspect A, Grangier P, Roger G. Experimental tests of realistic local theories via Bell’s theorem[J]. Physical Review Letters, 1981, 47(7): 460–463.

[12]Weihs G, Jennewein T, Simon C, et al. Violation of bell’s inequality under strict einstein locality conditions[J]. Physical Review Letters, 1998, 81(23): 5039–5043.

免責(zé)說明

北京卓立漢光儀器有限公司公眾號(hào)所發(fā)布內(nèi)容（含圖片）來源于原作者提供或原文授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章版權(quán)、數(shù)據(jù)及所述觀點(diǎn)歸原作者原出處所有，北京卓立漢光儀器有限公司發(fā)布及轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享。

如果您認(rèn)為本文存在侵權(quán)之處，請與我們聯(lián)系，會(huì)*一間及時(shí)處理。我們力求數(shù)據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)準(zhǔn)確，如有任何疑問，敬請讀者不吝賜教。我們也熱忱歡迎您投稿并發(fā)表您的觀點(diǎn)和見解。