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普朗克提出量子概念,爱因斯坦发现光量子,德布罗意受启发

更新时间:2024-08-07 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

1900年,普朗克为了解决困扰物理学界的“紫外灾变”难题,首次提出量子概念。mba物理好资源网(原物理ok网)

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普朗克mba物理好资源网(原物理ok网)

普朗克假设,光辐射与物质相互作用时,其能量并不是连续的,而是一片片的,每一片“能量”就是所谓的量子。从此,“量子论”诞生了。mba物理好资源网(原物理ok网)

但当时的物理学界,包括普朗克本人在内,都对“量子”这个怪物恨之入骨,想尽一切办法在古典物理学的世界里消化它,但都失败了。只有爱因斯坦眼光独到,他认为光辐射不仅是与物质相互作用时的能量,光辐射的能量本身就是“量子化的”,一个能量就是光能的最小单位,后来人们把它叫做“光量子”,简称“光子”。mba物理好资源网(原物理ok网)

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德布罗意mba物理好资源网(原物理ok网)

受爱因斯坦“光子”概念的启发,法国年轻博士生德布罗意提出,既然看起来像波的光辐射具有“粒子”属性,那么看起来像“粒子”的物质,比如电子,也应该具有波动性。这就是“德布罗意物质波”的概念,引发了后续大量理论和实验研究,证明了一切微观粒子都具有波粒二象性。这些具有奇异属性的微观粒子构成了“量子世界”物理学家描述水,遵守量子力学的运动规律。mba物理好资源网(原物理ok网)

随着科技的发展,人们逐渐认识到“量子世界”并不局限于微观单粒子,一些宏观尺度的多粒子系统也遵守量子力学规律。例如在玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)中物理学家描述水,当原子聚集温度足够低时,所有不同状态的原子会突然聚集到尽可能低的同一能态,其行为就像一个“放大”的玻色子,遵守量子力学规律。mba物理好资源网(原物理ok网)

根据物理运动规律的不同,我们把遵循经典运动规律(牛顿力学、电磁场理论)的物质组成的世界称为“经典世界”,遵循量子力学规律的物质组成的世界称为“量子世界”。“量子”是量子世界中物质对象的统称,可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子网校头条,也可以是贝叶斯电子云、超导体、“薛定谔的猫”等宏观尺度的量子系统,它们的共同特点是都要遵循量子力学规律。mba物理好资源网(原物理ok网)

我们举个例子来说明“量子”与“经典”的本质区别。经典世界的特点是物体的物理量和状态在某一时刻是完全确定的:一个晶体管要么开,要么关,完全确定。也就是说,经典信息要么是0,要么是1,没有任何歧义。但在量子世界里,物体的物理量是不确定的、概率性的,这种不确定性与实验技术无关,是量子世界的本质特征,无法消除。这一特点体现在量子力学中量子态叠加的重要原理上。mba物理好资源网(原物理ok网)

量子态记为|ψ⟩,是科学家引入量子力学来描述量子系统状态的,其运动定律为薛定谔方程。mba物理好资源网(原物理ok网)

量子态又称为波函数或概率幅,它没有经典对应物。尽管人们并不喜欢这种对量子世界的描述,因为它与我们熟悉的经典世界完全不同,但过去一百年的所有实验都证实了量子力学的所有预测,人们不得不承认这种描述是正确的。mba物理好资源网(原物理ok网)

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费曼mba物理好资源网(原物理ok网)

著名物理学家费曼说过:“量子力学的奥秘,就在于引入概率幅ψ”。mba物理好资源网(原物理ok网)

假设一个量子物体具有0或1两种可能的状态,通常写成|0⟩和|1⟩,由于量子态(写成|ψ⟩)具有不确定性,所以它一般不会处于|0⟩或|1⟩这种确定状态,而只能处于这两个确定状态按照一定的权重叠加的状态。这就是量子世界中特有的量子态叠加原理,数学上表示为|ψ⟩=α|0⟩+β|1⟩。其中,α和β为复数,且满足|α|2+|β|2=1。mba物理好资源网(原物理ok网)

量子信息以 |ψ⟩ 作为信息单位,称为量子比特。这与经典信息以 |0⟩ 或 |1⟩ 作为信息单位,通常称为比特,有着根本的区别。mba物理好资源网(原物理ok网)

正是量子态|ψ⟩的种种独特性质,使得量子信息技术的发挥突破了经典物理学的限制,为人类开辟了新一代信息技术。mba物理好资源网(原物理ok网)

事实上,量子力学的一切奇异性质,都源自于这个概率幅,当然,百年来关于量子力学无休止的争论,也是围绕着这个概率幅(量子态)展开的。mba物理好资源网(原物理ok网)

目前,网络上流传着“量子肥料”“量子水”等误导性词汇,未来还可能出现“量子炸弹”“量子导弹”……这些误导性名词,将本该光荣纯洁的学术界炒作得真假难辨、以假乱真。mba物理好资源网(原物理ok网)

其实,只要人们了解了“量子比特”的本质,就能揭穿“假量子”的骗局,简单的判断标准就是看是否应用到“量子比特”,也就是|0⟩和|1⟩的叠加态。mba物理好资源网(原物理ok网)

例如在激光测距实验中,从目标反射回来的光束强度会随着距离的增加而衰减,当探测器探测不到光线时,就是最长的测量距离,当然如果采用单光子探测器,测量距离必然会增加。mba物理好资源网(原物理ok网)

这里测量的是单个光子,能叫“量子测距”吗?mba物理好资源网(原物理ok网)

答案是否定的,因为它没有利用光子的量子态,只是将激光测距的灵敏度提高到极限,仍然属于经典的范畴。密立根在实验中测量的是单个电子的电荷,虽然用的是单个电子,但这仍然是一个经典物理实验,因为在实验中,“单个电子”只是电荷的最小单位,不涉及任何量子特性。mba物理好资源网(原物理ok网)

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