量子,開啟微觀世界的鑰匙

量子力學,量子通訊等等這些前沿的物理名詞,我們多多少少都有聽說過。

那麼,問題來了,什麼是量子?它又是怎麼被定義的呢?

量子是現代物理的重要概念。一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個物理量是量子化的,並把最小單位稱為量子。量子英文名稱量子一詞來自拉丁語quantus,意為“有多少”,代表“相當數量的某物質”。

在物理學中常用到量子的概念,指一個不可分割的基本個體。例如,“光的量子”(光子)是一定頻率的光的基本能量單位。延伸出的量子力學、量子光學等成為不同的專業研究領域。其基本概念為所有的有形性質是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的數值是離散的,而不是連續地任意取值。例如,在原子中,電子的能量是可量子化的。這決定了原子的穩定性和發射光譜等一般問題。絕大多數物理學家將量子力學視為了解和描述自然的基本理論。

可以簡單的理解,量子是表現出物質或物理量特性的最小單元。

量子,開啟微觀世界的鑰匙

在經典物理學中,能量是連續變化的,可以取任意值。但是19世紀後期,科學家們發現很多物理現象無法用經典物理學理論來解釋。

1900年左右,M·普朗克試圖解決黑體輻射問題,他提出量子假設,並總結出了普朗克輻射定律。普朗克提出:像原子作為一切物質的構成單位一樣,“能量子”(量子)是能量的最小單位。物體吸收或發射電磁輻射,只能以能量量子的方式進行。普朗克在1900年12月14日的德國物理學學會會議中第一次發表能量量子化數值、一個分子摩爾(mol)的數值及基本電荷等。標誌著量子力學的誕生。

在1905年,愛因斯坦把量子的概念引進光的傳播過程中,提出“光量子”(光子)的概念,並且提出光同時具有波動和粒子的性質,即光的“波粒二象性”。

20世紀20年代,法國物理學家德布羅意提出“物質波”概念,即一切物質粒子均具備波粒二象性;德國物理學家海森伯等人建立了量子矩陣力學;奧地利物理學家薛定諤建立了量子波動力學。這些象徵著量子理論進入了量子力學階段。

1928年,英國物理學家狄拉克完成了矩陣力學和波動力學之間的數學等價證明,對量子力學理論進行了系統的總結,將相對論和量子力學成功結合,揭開了量子場論的序幕。量子理論是現代物理學的兩大基石之一,從微觀層面理解宏觀現象提供了理論基礎。

量子假設的提出有力地衝擊了經典物理學,促進物理學進入微觀層面,奠基了現代物理學。但現在,對於量子力學中的一些假設仍然沒有被充分地證明,仍有許多需要努力研究的地方。

量子,開啟微觀世界的鑰匙

量子物理學是研究微觀粒子運動規律的學科,是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的結構和性質的基本理論。

在經典力學看來,能量不連續概念是絕對不被允許的。但是在詮釋這個公式時,透過將物體中的原子看作微小的量子諧振子,不得不假設這些量子諧振子的總能量不是連續的,即總能量只能是離散的數值(經典物理學的觀點恰好相反)。普朗克進一步假設單獨量子諧振子吸收和放射的輻射能是量子化的,這一觀點衝擊了經典物理學。

首先注意到量子假設的是愛因斯坦。他用量子假設去說明光電效應中碰到的疑難,並且提出了光量子概念,認為輻射場就是由光量子組成。在採用光量子概念後,光電效應中的疑難迎刃而解。

量子,開啟微觀世界的鑰匙

至此普朗克提出的能量不連續的概念,逐漸引起了物理學家們的關注。物理學家普朗克掀起了20世紀初量子物理學的帷幕。

量子力學是在克服早期量子論的困難和侷限性中建立起來的。

量子力學是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的結構和性質的基本理論,是近代物理學的基礎理論之一。20世紀前的經典物理學只適用於描述宏觀條件下物質的運動。對於微觀世界和在一定條件下的一些宏觀現象則只有在量子力學的基礎上才能被說明。另一方面,物質的屬性及其微觀結構也只有在量子力學的基礎上才能得到解釋。

量子,開啟微觀世界的鑰匙

量子通訊的基本思想在20世紀80年代和90年代相繼提出。

其主要包括量子金鑰分發和量子態隱形傳輸。

量子金鑰分發可以建立安全的通訊密碼, 透過一次一密的加密方式可以實現點對點方式的安全經典通訊。這是經典通訊迄今為止做不到的,輔以光開關等技術,還可以實現量子金鑰分發網路。

量子態隱形傳輸是基於量子糾纏態的分發與量子聯合測量,實現量子態(量子資訊) 的空間轉移而又不移動量子態的物理載體,形象點來說,就是將密封信件裡的內容從這一個信封內轉移到另一個信封種,而切不移動任何資訊的載體。

量子,開啟微觀世界的鑰匙

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