什么是量子论

量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。

1928年狄拉克将相对论运用于量子力学，又经海森伯、泡利等人的发展，形成了量子电动力学，量子电动力学研究的是电磁场与带电粒子的相互作用。

1947年，实验发现了兰姆移位。

1948-1949年，里查德·费因曼（Richard Phillips Feynman）、施温格（J.S.Schwinger）和朝永振一郎用重正化概念发展了量子电动力学，从而获得1965年诺贝尔物理学奖。

量子理论的创建过程是一部壮丽的史诗:

量子论的初期：

1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入了能量子概念，为量子理论奠下了基石。

随后，爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾，提出了光量子假说，并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，为量子理论的发展打开了局面。

1913年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念，提出玻尔的原子理论，对氢光谱作出了满意的解释，使量子论取得了初步胜利。随后，玻尔、索末菲和其他物理学家为发展量子理论花了很大力气，却遇到了严重困难。旧量子论陷入困境。

量子论的建立：

1923年，德布罗意提出了物质波假说，将波粒二象性运用于电子之类的粒子束，把量子论发展到一个新的高度。

1925年-1926年薛定谔率先沿着物质波概念成功地确立了电子的波动方程，为量子理论找到了一个基本公式，并由此创建了波动力学。

几乎与薛定谔同时，海森伯写出了以“关于运动学和力学关系的量子论的重新解释”为题的论文，创立了解决量子波动理论的矩阵方法。

1925年9月，玻恩与另一位物理学家约丹合作，将海森伯的思想发展成为系统的矩阵力学理论。不久，狄拉克改进了矩阵力学的数学形式，使其成为一个概念完整、逻辑自洽的理论体系。

1926年薛定谔发现波动力学和矩阵力学从数学上是完全等价的，由此统称为量子力学，而薛定谔的波动方程由于比海森伯的矩阵更易理解，成为量子力学的基本方程。

4、量子力学发展中的争论
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量子力学虽然建立了，但关于它的物理解释却总是很抽象，大家的说法也不一致。波动方程中的所谓波究竟是什么？

玻恩认为，量子力学中的波实际上是一种几率，波函数表示的是电子在某时某地出现的几率。1927年，海森伯提出了微观领域里的不确定关系，他认为任何一个粒子的位置和动量不可能同时准确测量，要准确测量其中的一个，另一个就将是不确定的。这就是所谓的“不确定原理”。它和玻恩的波函数几率解释一起，奠定了量子力学诠释的物理基础。玻尔敏锐地意识到不确定原理正表征了经典概念的局限性，因此在此基础上提出了“互补原理”。玻尔的互补原理被人们看成是正统的哥本哈根解释，但爱因斯坦不同意不确定原理，认为自然界各种事物都应有其确定的因果关系，而量子力学是统计性的，因此是不完备的，而互补原理更是一种权宜之计。于是在爱因斯坦与玻尔之间进行了长达三四十年的争论，直到他们去世也没有作出定论。

世纪发现之微观世界中的轮盘赌----量子论

　　如果说光在空间的传播是相对论的关键，那么光的发射和吸收则带来了量子论的革命。我们知道物体加热时会放出辐射，科学家们想知道这是为什么。为了研究的方便，他们假设了一种本身不发光、能吸收所有照射 其上的光线的完美辐射体，称为“黑体”。研究过程中，科学家发现按麦克斯韦电磁波理论计算出的黑体光谱紫外部分的能量是无限的，显然发生了谬误，这为“紫外线灾难。”提供了依据。1900年，德国物理学家普朗克提出了物质中振动原子的新模型。他从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念， 提出了辐射的量子论。关于量子论中的不连续性，我们可以这样理解：如温度的增加或降低，我们认为是连续的，从一度升到二度中间必须经过0.1.度0.1度之前必定有0.01度。但是量子论认为在某两个数值之间例如1度和3度之间可以没有2度，就像我们花钱买东西一样，一分钱是最小的量了，你不可能拿出0.1分钱，虽然你可以以厘为单位计算钱数。这个一分钱就是钱币的最小的量。而这个最小的量就是量子。他认为各种频率的电磁波，包括光只能以各自确定 分量的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光量子，简称光子。根据这个模型计算出的黑体光谱与实际观测到的相一致。这揭开了物理学上崭新的一页。量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律，而且以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问 题。量子论不仅给光学，也给整个物理学提供了新的概念，故通常把它的诞生视为近代物理学的起点。

接上：
现实世界中的量子论

　　尽管人们对量子理论的含义还不太清楚，但它在实践中获得的成就却 是令人吃惊的。尤其在凝聚态物质--固态和液态的科学研究中更为明显。 用量子理论来解释原子如何键合成分子，以此来理解物质的这些状态是再 基本不过的。键合不仅是形成石墨和氮气等一般化合物的主要原因，而且 也是形成许多金属和宝石的对称性晶体结构的主要原因。用量子理论来研 究这些晶体，可以解释很多现象，例如为什么银是电和热的良导体却不透 光，金刚石不是电和热的良导体却透光？而实际中更为重要的是量子理论 很好地解释了处于导体和绝缘体之间的半导体的原理，为晶体管的出现奠 定了基础。1948年，美国科学家约翰·巴丁、威廉·肖克利和瓦尔特·布 拉顿根据量子理论发明了晶体管。它用很小的电流和功率就能有效地工 作，而且可以将尺寸做得很小，从而迅速取代了笨重、昂贵的真空管，开 创了全新的信息时代，这三位科学家也因此获得了1956年的诺贝尔物理学 奖。另外，量子理论在宏观上还应用于激光器的发明以及对超导电性的解 释。

　　而且量子论在工业领域的应用前景也十分美好。科学家认为，量子力 学理论将对电子工业产生重大影响，是物理学一个尚未开发而又具有广阔 前景的新领域。目前半导体的微型化已接近极限，如果再小下去，微电子 技术的理论就会显得无能为力，必须依靠量子结构理论。科学家们预言， 利用量子力学理论，到2010年左右，人们能够使蚀刻在半导体上的线条的 宽度小到十分之一微米（一微米等于千分之一毫米）以下。在这样窄小的 电路中穿行的电信号将只是少数几个电子，增加一个或减少一个电子都会 造成很大的差异。

　　美国威斯康星大学材料科学家马克斯·拉加利等人根据量子力学理论 已制造了一些可容纳单个电子的被称为“量子点”的微小结构。这种量子 点非常微小，一个针尖上可容纳几十亿个。研究人员用量子点制造可由单 个电子的运动来控制开和关状态的晶体管。他们还通过对量子点进行巧妙 的排列，使这种排列有可能用作微小而功率强大的计算机的心脏。此外， 美国得克萨斯仪器公司、国际商用机器公司、惠普公司和摩托罗拉公司等 都对这种由一个个分子组成的微小结构感兴趣，支持对这一领域的研究， 并认为这一领域所取得的进展“必定会获得极大的回报”。

　　科学家对量子结构的研究的主要目标是要控制非常小的电子群的运动 即通过“量子约束”以使其不与量子效应冲突。量子点就有可能实现这个 目标。量子点由直径小于20纳米的一团团物质构成，或者约相当于60个硅 原子排成一串的长度。利用这种量子约束的方法，人们有可能制造用于很 多光盘播放机中的小而高效的激光器。这种量子阱激光器由两层其他材料 夹着一层超薄的半导体材料制成。处在中间的电子被圈在一个量子平原 上，电子只能在两维空间中移动。这样向电子注入能量就变得容易些，结 果就是用较少的能量就能使电子产生较多的激光。

　　美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员正在对量子进行更深入的研 究。他们设法把量子平原减少一维，制造以量子线为基础的激光器，这种 激光器可以大大减少通信线路上所需要的中继器。

　　美国南卡罗来纳大学詹姆斯·图尔斯的化学实验室用单个有机分子已 制成量子结构。采用他们的方法可使人们将数以十亿计分子大小的装置挤 在一平方毫米的面积上。一平方毫米可容纳的晶体管数可能是目前的个人 计算机晶体管数的1万倍。纽约州立大学的物理学家康斯坦丁·利哈廖夫 已用量子存储点制成了一个存储芯片模型。从理论上讲，他的设计可把1 万亿比特的数据存储在大约与现今使用的芯片大小相当的芯片上，而容量 是目前芯片储量的1·5万倍。有很多研究小组已制出了利哈廖夫模型装置 所必需的单电子晶体管，有的还制成了在室温条件下工作的单电子晶体 管。科学家们认为，电子工业在应用量子力学理论方面还有很多问题有待 解决。因此大多数科学家正在努力研究全新的方法，而不是仿照目前的计 算机设计量子装置。

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