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量子物理

量子物理
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别名	量子力学
知名于	与相对论一起构成现代物理学的理论基础
知名作品	《上帝掷盒子吗》

量子物理（量子力学 Quantum Physics），是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论它与相对论一起构成现代物理学的理论基础。量子力学不仅是现代物理学的基础理论之一，而且在化学等学科和许多近代技术中得到广泛应用 [1] 。

20世纪，量子力学给我们提供了一个物质和场的理论，它改变了我们的世界；展望21世纪，量子力学将继续为所有的科学提供基本的观念和重要的工具。

基本信息

中文名	量子物理	学   科	数理科学
外文名	Quantum Physics	领   域	物理
别名	量子力学	地   位	现代物理学的基础理论之一
提出时间	1900年	代表作品	《上帝掷盒子吗》

量子论

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旧量子论

量子革命的导火线不是对物质的研究，而是辐射问题。具体的挑战是理解黑体（即某种热的物体）辐射的光谱。烤过火的人都很熟悉这样一种现象：热的物体发光，越热发出的光越明亮。光谱的范围很广，当温度升高时，光谱的峰值从红线向黄线移动，然后又向蓝线移动（这些不是我们能直接看见的）。

结合热力学和电磁学的概念似乎可以对光谱的形状作出解释，不过所有的尝试均以失败告终。然而，普朗克假定振动电子辐射的光的能量是量子化的，从而得到一个表达式，与实验符合得相当完美。但是他也充分认识到，理论本身是很荒唐的，就像他后来所说的那样：“量子化只不过是一个走投无路的做法”。

普朗克将他的量子假设应用到辐射体表面振子的能量上，如果没有新秀阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein），量子物理恐怕要至此结束。1905年，他毫不犹豫的断定：如果振子的能量是量子化的，那么产生光的电磁场的能量也应该是量子化的。尽管麦克斯韦理论以及一个多世纪的权威性实验都表明光具有波动性，爱因斯坦的理论还是 蕴含了光的粒子性行为。随后十多年的光电效应实验显示仅当光的能量到达一些离散的量值时才能被吸收，这些能量就像是被一个个粒子携带着一样。

光的波粒二象性取决于你观察问题的着眼点，这是始终贯穿于量子物理且令人头痛的实例之一，它成为接下来20年中理论上的难题。辐射难题促成了通往量子理论的第一步，物质悖论则促成了第二步。接着，又是一个新秀尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）迈出了决定性的一步。

1913年，玻尔提出了一个激进的假设：原子中的电子只能处于包含基态在内的定态上，电子在两个定态之间跃迁而改变它的能量，同时辐射出一定波长的光，光的波长取决于定态之间的能量差。结合已知的定律和这一离奇的假设，玻尔扫清了原子稳定性的问题。玻尔的理论充满了矛盾，但是为氢原子光谱提供了定量的描述。他认识到他的模型的成功之处和缺陷。凭借惊人的预见力，他聚集了一批物理学家创立了新的物理学。一代年轻的物理学家花了12年时间终于实现了他的梦想。

开始时，发展玻尔量子论（习惯上称为旧量子论）的尝试遭受了 一次又一次的失败。接着一系列的进展完全改变了思想的进程。

新量子论

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1918年诺贝尔物理学奖得主马克斯·普朗克（Max Planck）在1900年提出了普朗克辐射定律，量子论由此诞生。在他关于热辐射的经典论文中，普朗克假定振动系统的总能量不能连续改变，而是以不连续的能量子形式从一个值跳到另一个值。能量子的概念太激进了，普朗克后来将它搁置下来。随后，爱因斯坦在1905年（这一年对他来说是非凡的一年）认识到光量子化的潜在意义。不过 量子的观念太离奇了，后来几乎没有根本性的进展。现代量子理论的创立则是崭新的一代物理学家花了20多年时间的结晶。

在众多的伟大的革命性进展中，量子力学提供了一种定量的物质理论。我们原则上可以理解原子结构的每一个细节；周期表也能简单自然地加以解释；巨额的光谱排列也纳入了一个优雅的理论框架。量子力学为定量的理解分子，流体和固体，导体和半导体提供了便利。它能解释诸如超流体和超导体等怪异现象，能解释诸如中子星和玻色-爱因斯坦凝聚（在这种现象里气体中所有原子的行为象一个单一的超大原子）等奇异的物质聚集形式。量子力学为所有的科学分支和每一项高技术提供了关键的工具。

量子物理实际上包含两个方面。一个是原子层次的物质理论：量子力学；正是它我们才能理解和操纵物质世界。另一个是量子场论，它在科学中起到一个完全不同的作用，稍后我们再回到它上面来。

量子力学史

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1923年路易·德布罗意（Louis de Broglie）在他的博士论文中提出光的粒子行为与粒子的波动行为应该是对应存在的。他将粒子的波长和动量联系起来：动量越大，波长越短。这是一个引人入胜的想法，但没有人知道粒子的波动性意味着什么，也不知道它与原子结构有何联系。然而德布罗意的假设是一个重要的前奏，很多事情就要发生了。

1924年夏天，出现了又一个前凑。萨地扬德拉·N·玻色（Satyendra N. Bose）提出了一种全新的方法来解释普朗克辐射定律。他把光看作一种无（静）质量的粒子（现称为光子）组成的气体，这种气体不遵循经典的玻耳兹曼统计规律，而遵循一种建立在粒子不可区分的性质（即全同性）上的一种新的统计理论。

爱因斯坦立即将玻色的推理应用于实际的有质量的气体从而得到一种描述气体中粒子数关于能量的分布规律，即著名的玻色-爱因斯坦分布。然而，在通常情况下新老理论将预测到原子气体相同的行为。爱因斯坦在这方面再无兴趣，因此这些结果也被搁置了10多年。然而，它的关键思想——粒子的全同性，是极其重要的。突然，一系列事件纷至沓来，最后导致一场科学革命。从1925年元月到1928年元月：

沃尔夫刚·泡利（Wolfgang Pauli）提出了不相容原理，为周期表奠定了理论基础。

韦纳·海森堡（Werner Heisenberg）、马克斯·玻恩（Max Born）和帕斯库尔·约当（Pascual Jordan）提出了量子力学的第一个版本，矩阵力学。人们终于放弃了通过系统的方法整理可观察的光谱线来理解原子中电子的运动这一历史目标。

埃尔温·薛定谔（Erwin Schrodinger）提出了量子力学的第二种形式，波动力学。在波动力学中，体系的状态用薛定谔方程的解——波函数来描述。矩阵力学和波动力学貌似矛盾，实质上是等价的。

电子被证明遵循一种新的统计规律，费米-狄拉克统计。人们进一步认识到所有的粒子要么遵循费米-狄拉克统计，要么遵循玻色-爱因斯坦统计，这两类粒子的基本属性很不相同。 海森堡阐明测不准原理。

保尔·A·M·狄拉克（Paul A. M. Dirac）提出了相对论性的波动方程用来描述电子，解释了电子的自旋并且预测了反物质。狄拉克提出电磁场的量子描述，建立了量子场论的基础。玻尔提出互补原理（一个哲学原理），试图解释量子理论中一些明显的矛盾，特别是波粒二象性。

量子理论的创立人

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量子理论的主要创立者都是年轻人。1925年，泡利25岁，海森堡和恩里克·费米（Enrico Fermi）24岁，狄拉克和约当23岁。薛定谔是一个大器晚成者，36岁。玻恩和玻尔年龄稍大一些，值得一提的是他们的贡献大多是阐释性的。爱因斯坦的反应反衬出量子力学这一智力成果深刻而激进的属性：他拒绝自己发明的导致量子理论的许多关键的观念，他关于玻色-爱因斯坦统计的论文是他对理论物理的最后一项贡献，也是对物理学的最后一项重要贡献。

创立量子力学需要新一代物理学家并不令人惊讶，开尔文爵士在祝贺玻尔1913年关于氢原子的论文的一封书信中表述了其中的原因。他说，玻尔的论文中有很多真理是他所不能理解的。开尔文认为基本的新物理学必将出自无拘无束的头脑。1928年，革命结束，量子力学的基础本质上已经建立好了。

Abraham Pais以轶事的方式记录了这场以狂热的节奏发生的革命。

1925年，Samuel Goudsmit和George Uhlenbeck就提出了电子自旋的概念，玻尔对此深表怀疑。10月玻尔乘火车前往荷兰的莱顿参加亨德里克·A·洛伦兹（Hendrik A. Lorentz）的50岁生日庆典，泡利在德国的汉堡碰到玻尔并探询玻尔对电子自旋可能性的看法； 玻尔用他那著名的低调评价的语言回答说，自旋这一提议是“非常，非常有趣的”。

后来，爱因斯坦和Paul Ehrenfest在莱顿碰到了玻尔并讨论了自旋。玻尔说明了自己的反对意见，但是爱因斯坦展示了自旋的一种方式并使玻尔成为自旋的支持者。在玻尔的返程中，遇到了更多的讨论者。当火车经过德国的哥挺根时，海森堡和约当接站并询问他的意见，泡利也特意从汉堡格赶到柏接站。玻尔告诉他们自旋的发现是一重大进步。

量子力学要点

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波函数

系统的行为用薛定谔方程描述，方程的解称为波函数。系统的完整信息用它的波函数表述，通过波函数可以计算任意可观察量的可能值。在空间给定体积内找到一个电子的概率正比于波函数幅值的平方，因此，粒子的位置分布在波函数所在的体积内。粒子的动量依赖于波函数的斜率，波函数越陡，动量越大。斜率是变化的，因此动量也是分布的。这样，有必要放弃位移和速度能确定到任意精度的经典图象，而采纳一种模糊的概率图象，这也是量子力学的核心。

对于同样一些系统进行同样精心的测量不一定产生同一结果，相反，结果分散在波函数描述的范围内，因此，电子特定的位置和动量没有意义。这可由测不准原理表述如下：要使粒子位置测得精确，波函数必须是尖峰型的，然而，尖峰必有很陡的斜率，因此动量就分布在很大的范围内；相反，若动量有很小的分布，波函数的斜率必很小，因而波函数分布于大范围内，这样粒子的位置就更加不确定了。

波的干涉

波相加还是相减取决于它们的相位，振幅同相时相加，反相时相减。当波沿着几条路径从波源到达接收器，比如光的双缝干涉，一般会产生干涉图样。粒子遵循波动方程，必有类似的行为，如电子衍射。至此，类推似乎是合理的，除非要考察波的本性。波通常认为是媒质中的一种扰动，然而量子力学中没有媒质，从某中意义上说根本就没有波，波函数本质上只是我们对系统信息的一种陈述。

对称性和全同性

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氦原子由两个电子围绕一个核运动而构成。氦原子的波函数描述了每一个电子的位置，然而没有办法区分哪个电子究竟是哪个电子，因此，电子交换后看不出体系有何变化，也就是说在给定位置找到电子的概率不变。由于概率依赖于波函数的幅值的平方，因而粒子交换后体系的波函数与原始波函数的关系只可能是下面的一种：要么与原波函数相同，要么改变符号，即乘以-1。到底取谁呢？

量子力学令人惊诧的一个发现是电子的波函数对于电子交换变号。其结果是戏剧性的，两个电子处于相同的量子态，其波函数相反，因此总波函数为零，也就是说两个电子处于同一状态的概率为0，此即泡利不相容原理。所有半整数自旋的粒子（包括电子）都遵循这一原理，并称为费米子。自旋为整数的粒子（包括光子）的波函数对于交换不变号，称为玻色子。电子是费米子，因而在原子中分层排列；光由玻色子组成，所以激光光线呈现超强度的光束（本质上是一个量子态）。最近，气体原子被冷却到量子状态而形成玻色-爱因斯坦凝聚，这时体系可发射超强物质束，形成原子激光。

这一观念仅对全同粒子适用，因为不同粒子交换后波函数显然不同。因此仅当粒子体系是全同粒子时才显示出玻色子或费米子的行为。同样的粒子是绝对相同的，这是量子力学最神秘的侧面之一，量子场论的成就将对此作出解释。

四个最酷知识点

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1.量子的概念

量子这个称呼好像让很多人完全糊涂了。在物理学中，它实际上指的就是某个事物可以分割的最小尺寸，即在这个尺寸以下不可再分割。比如我们熟知的光可以分成一份一份的光量子，光量子不可再分割。这有些违反人的直觉，光竟然不是连续的。这也解释了许多经典物理学无法解释的问题。

2.量子物理学的基本思想

量子力学中的所有物理属性都可以有许多固定值，但从不介于两者之间。比如原子的核外电子，在吸收或释放能量时，会从一个轨道瞬间跃迁到另外一个轨道，而从来不会出现在任何两个相邻轨道之间出现。此外，各位看官如果有兴趣还可以搜索「紫外灾难」，看看量子力学如何解决经典物理学引发的悖论。

3.双缝实验

将一个光源放在有两个狭缝的遮板前面，遮板后面再放一个白板。如果观察光通过的两个狭缝中的哪一个，它就会表现的像一个粒子，白板上只有两条狭缝的光斑；如果你不观察它穿过那条狭缝，它又会表现的像一个波浪，光子会同时穿过两个狭缝并在白板上留下一串干涉光斑；但是如果你等待它穿过狭缝然后再观察，将会迫使光子穿越回过去然后随机选择一个狭缝穿过来。观察可以影响实验结果，未来可以影响过去，这也是量子力学反直觉的例子之一。

4.量子纠缠

当电子和正电子相遇时会湮灭并产生两个光子，这两个光子会出现叫做量子纠缠的奇怪现象，两者总是相互影响。在观察它们之前，你永远不可能事先知道两个光子的旋转方向。在你观察之前，他们都是同时具有两个旋转方向。令人惊讶的是，如果你观察其中一个，另一个将立即选择相反的旋转方向，永远不会出错。而且，这个过程似乎不需要消耗时间。

第二次量子革命

量子计算机

电脑的性能取决于集成电路芯片的数量。英特尔的合伙创始人戈登·摩尔在1965年提出了摩尔定律，预测集成电路上可容纳的晶体管数目大约每18个月便会翻倍。

这种增长是指数级的，让人难以想象，因为我们的头脑更习惯于进行线性计算。为了更形象地说明这一点，我们只要知道，现在随便一个人口袋里手机的性能，都比美国国家航空航天局第一次发送人类登月时用的计算机的性能强好多就行了。

但是依据摩尔定律，这种增长有一个界限：当晶体管小到原子大小，就不再适用了。到那时，量子力学中那些最奇特的法则就会生效，比如电子会因为“隧穿”跑到电线之外，那短路就是必然的结果。这便是量子计算机投入使用的时刻了。

在传统计算机中，信息的最小单位是比特，也就是二进制，用“0”和“1”表示；在原子世界中，量子计算机运用的量子计算单位是量子位元，是“0”和“1”的量子叠加。

量子密码学

量子物理能够让我们利用它奇怪的特性，用安全的方式给信息编码。有很多关于量子密码的协议，我们现在只介绍两个原始的：BB84协议2和E91协议3。

BB84协议的名称来源于创造者查尔斯· 贝内特（Charles Bennett）与吉勒斯·布拉萨德（Gilles Brassard）的姓氏首字母。它大胆运用了波函数的叠加和塌缩原理，也就是之前提过的那个“观察和测量会改变量子状态”的奇怪现象。

量子隐形传送

对乾坤大挪移的想象早已存在，这在很大程度上来源于科幻故事或武侠小说。我们多么想忘掉汽车、飞机以及任何一种交通工具啊！很多人都会想到《星际迷航》中的那句经典台词：“斯科提，把我传送上去！”虽然人类的隐形传送还仅限于想象的世界，但量子的隐形传送已经实现了。

这个过程有很多值得推敲的细节。第一点是，我们传送的究竟是信息（或者说量子态），还是物体本身？我们需要鲍勃拿到的粒子拼盘和被传送物体的质量相同。

第二点是，我们说的是量子隐形传送，而不是量子复印机。这要求不对被传送物体进行任何复制，传送任务实现的时候，也是原始物体自毁的时候。针对这一问题，量子力学中有一个定理叫不可克隆定理，即禁止对一个物体进行完全复制。

虽然人类的隐形传送仍然停留在科幻小说中，但这项技术很快就会在信息加密中有所应用。

量子物理学典型实例

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薛定谔的猫

是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的有关猫生死叠加的著名思想实验，是把微观领域的量子行为扩展到宏观世界的推演。

这里必须要认识量子行为的一个现象：观测。微观物质有不同的存在形式，即粒子和波。通常，微观物质以波的叠加混沌态存在；一旦人的意识参与到观测行为中，它们立刻选择成为粒子（意识在实验中扮演着什么角色？意识的参与是怎么作用到实验中的量子的？是什么性质的作用？是一种力吗？是什么过程？不知道…）。

实验是这样的：在一个盒子里有一只猫，以及少量放射性物质。之后，有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫，同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。根据经典物理学，在盒子里必将发生这两个结果之一，而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。

在量子的世界里，当盒子处于关闭状态，整个系统则一直保持不确定性的波态，即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后，外部观测者观测时，物质以粒子形式表现后才能确定。这项实验旨在论证量子力学对微观粒子世界超乎常理的认识和理解，可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理，客观规律不以人的意志为转移，猫既活又死违背了逻辑思维。

薛定谔的猫本身是一个假设的概念，随着技术的发展，人们在光子、原子、分子中实现了薛定谔猫态，甚至已经开始尝试用病毒来制备薛定谔猫态，如刘慈欣《球状闪电》中变成量子态的人，人们已经越来越接近实现生命体的薛定谔猫。可是另外一方面，人们发现薛定谔猫态（量子叠加态）本身就在生命过程中存在着，且是生物生存不可缺少的 。

鸽子笼

据物理学家组织网报道，传统的鸽子理论描述为：如果你把三只鸽子放进两个鸽洞里，每次至少要有两只鸽子在一个洞里。这一法则反映了计算的本质。而研究小组提出，在量子世界里这一法则是错的。“你可以在两个鸽洞里放无数多只鸽子，而不会有两只鸽子在同一鸽洞里。”查普曼大学量子研究院主管杰夫·托勒克森说。

研究人员解释说，如果把三个粒子放在两个盒子里，观察者在制定检测顺序时，可能出现这种效应。首先，你对粒子位置做一个最初的“预先选择”检测；然后做中间检测，看看有没有两个粒子在同一个盒子里；最后，对粒子位置做一个“后选择”。你可以做出后选择和后选择检测，它们完全相互独立。在中间步骤，你可以做所谓的弱检测同时查看三个粒子。如果你这么做了，结果就是没有两个粒子会在同一个盒子里。

意识与量子理论

两位世界著名的科学家斯图尔特·哈默罗夫博士和罗杰·彭罗斯爵士强强联手提出了意识的量子理论，认为我们的灵魂是寄宿于脑细胞中的微管结构内。他们的理论源于大脑是生物计算机的概念，大脑具有1000亿个神经元及其轴突激发和作为信息网络的突触连接。

哈默罗夫博士是亚利桑那大学的麻醉学和心理学系荣誉教授、意识研究中心主任；而著名物理学家罗杰爵士自1996年以来一直在研究该理论。两位科学家认为，我们的意识经验是这些微管内的量子引力效应的结果，科学家把这个过程称为协调目标约化。在濒临死亡时，微管失去它们的量子状态，但是其中所含的信息不会被破坏。或者用外行人的话来说，灵魂不会死，而是回归宇宙之中。

哈默罗夫博士在美国科学频道播出的纪录片《穿越虫洞》中解释了这一理论，量子灵魂理论也引发了很多人的热议。哈默罗夫博士表示，当心脏停止跳动，血液停止流动，微管就会失去其量子态。微管内的量子信息不会被破坏，也无法被破坏，它只是消散到宇宙之中。如果此时这个濒临死亡的人又恢复过来，那这个量子信息可以回到微管之中。而如果当人死亡，这种量子信息（即灵魂）可能就永远地存在于身体之外。

哈默罗夫博士认为，关于量子效应的新发现还在生物过程中起作用，如嗅觉、鸟类导航和光合作用，这给该理论增加了说服力。

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