作者：王克迪 來(lái)源：學(xué)習(xí)時(shí)報(bào) 字?jǐn)?shù)：2479
1900年12月，德國(guó)物理學(xué)家馬克斯斯普朗克在試圖解釋經(jīng)典黑體輻射規(guī)律時(shí)，拼湊出一個(gè)數(shù)學(xué)公式，極好地與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。可是當(dāng)他試圖從物理理論推導(dǎo)出這個(gè)公式的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)無(wú)論如何也不可能從牛頓的力學(xué)理論或者麥克斯韋的電磁理論推導(dǎo)出來(lái)，唯一的可能是，假定黑體的輻射能量是一份一份不連續(xù)地輻射出來(lái)的。他的公式成功地解釋了黑體輻射現(xiàn)象，但留下巨大的困惑：自然界的相互作用，并不是連續(xù)進(jìn)行的，而是成顆粒狀一份一份地進(jìn)行的。他把這種情形稱作能量的“量子”作用。
據(jù)說(shuō)，當(dāng)天晚上普朗克在與兒子一同散步時(shí)，告訴兒子，你父親可能做出了有史以來(lái)最驚人最偉大的發(fā)現(xiàn)。
1905年，26歲的愛(ài)因斯坦讀到了普朗克的論文，當(dāng)時(shí)他試圖解釋困擾物理學(xué)界3年的一個(gè)新發(fā)現(xiàn)——金屬物質(zhì)的“光電效應(yīng)”：某些金屬物質(zhì)，受到光照的時(shí)候，會(huì)有電子從金屬表面跳出來(lái)，然而，跳出來(lái)的電子的能量，與照射光線的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只與光的頻率有關(guān)。經(jīng)典物理學(xué)不能理解這一現(xiàn)象。愛(ài)因斯坦認(rèn)為，普朗克的量子概念也許有用。他假定光對(duì)物體的作用是一份一份的，也就是說(shuō)，有一種“光量子”存在，它的能量大小由光的頻率而不是光的亮度決定。把這一假設(shè)帶進(jìn)描述光電效應(yīng)的公式，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的矛盾立即解除。后來(lái)，愛(ài)因斯坦在1921年因?yàn)檫@項(xiàng)精彩簡(jiǎn)練的工作獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而他那時(shí)早已因?yàn)橄鄬?duì)論理論享譽(yù)世界。
1908年，丹麥人尼爾斯?玻爾在劍橋大學(xué)著名的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室找題目做研究，科學(xué)巨擘盧瑟福讓他解決氫原子的光譜問(wèn)題。早在19世紀(jì)晚期，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，每一種元素物質(zhì)都有自己特有的“特征光譜”，其中氫原子的光譜最為簡(jiǎn)單，譜線之間似乎有一定的規(guī)律性。德國(guó)的一位中學(xué)教師巴爾默用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式很好地表達(dá)了氫原子的光譜，其中最引人注目的是，公式中出現(xiàn)一個(gè)不確定的字母符號(hào)n，它只能取自然正整數(shù)值，當(dāng) n等于1的時(shí)候，就得到第一條譜線的波長(zhǎng)，當(dāng)n等于2的時(shí)候，就得到第二條譜線波長(zhǎng)，依次類推。可是當(dāng)物理學(xué)家們?cè)噲D從經(jīng)典物理學(xué)來(lái)推導(dǎo)出巴爾默的公式的時(shí)候卻遇到巨大困難，實(shí)際上，無(wú)論是牛頓理論還是麥克斯韋理論，都不能推導(dǎo)出這一看上去并不復(fù)雜的公式。
玻爾研究了盧瑟福的原子有核模型和愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)，成功地把兩者結(jié)合在一起。氫原子核帶正電，核外帶負(fù)電的電子沿著不同的軌道圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電子獲得能量時(shí)，它從低軌道跳到距離原子核較遠(yuǎn)的軌道上；當(dāng)它放出能量時(shí)，又從較高的軌道跳到較低軌道上。其中電子處于較低軌道時(shí)的狀態(tài)后來(lái)被稱作“基態(tài)”，在核外電子處于基態(tài)時(shí)，原子系統(tǒng)保持穩(wěn)定；當(dāng)電子處于較高軌道狀態(tài)時(shí)，原子處于“激發(fā)態(tài)”，原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)。軌道之間是有間隔不連續(xù)的，因而電子吸收和放出的能量只可能是一份一份的，而電子吸收與放出的能量，是以不同頻率的光的形式表現(xiàn)的。核外電子軌道的能量間隔，決定了電子跳躍時(shí)吸收或放出光線只能以固定的頻率，這就是原子的特征光譜。至于電子為什么采取分離的軌道，玻爾解釋說(shuō)，那是自然規(guī)律，不是我們講得清楚的；我們需要做的是準(zhǔn)確地描述自然。
玻爾的理論很好地解釋了氫原子的光譜現(xiàn)象，更進(jìn)一步用原子的有核模型和分層電子軌道圖景揭示出量子現(xiàn)象的物理機(jī)制。玻爾的氫原子理論獲得巨大成功，他回到家鄉(xiāng)哥本哈根興辦尼爾斯?玻爾物理研究所，吸引世界各地大批青年才俊跟隨他研究原子世界和量子學(xué)說(shuō)。
到1920年代中后期，玻爾與麾下的一群年輕人完成了一次深刻的物理學(xué)革命，建立起量子物理學(xué)。量子概念從此成為理解現(xiàn)代物理學(xué)所必需的基本概念。量子力學(xué)建成伊始，就成功地解釋了經(jīng)典物理學(xué)一直束手無(wú)策的固體物理諸多現(xiàn)象和問(wèn)題，直接引發(fā)半導(dǎo)體物理學(xué)和現(xiàn)代電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)。它與相對(duì)論相結(jié)合，形成量子場(chǎng)論，之后逐漸發(fā)展成規(guī)范場(chǎng)理論，在20世紀(jì)后半葉先后取得弱電統(tǒng)一、弱電強(qiáng)統(tǒng)一以及大爆炸宇宙模型等一系列重要成就。然而，量子力學(xué)理論本身以及對(duì)這一理論的詮釋長(zhǎng)期以來(lái)眾說(shuō)紛紜，莫衷一是，爭(zhēng)論涉及基本的自然觀與科學(xué)觀，最典型的有愛(ài)因斯坦與玻爾之間關(guān)于量子力學(xué)理論的解釋的幾場(chǎng)論戰(zhàn)。
有趣的是，當(dāng)量子力學(xué)建成的時(shí)候，玻爾和他的同事以及學(xué)生們拋棄了玻爾早期的量子概念，特別是描述氫原子行為的分層電子軌道模型，轉(zhuǎn)用量子狀態(tài)來(lái)表述微觀粒子的狀態(tài)與行為。根據(jù)這樣的理論，吸收和放出能量導(dǎo)致原子的量子態(tài)發(fā)生變化，核外電子的位置和行為并不是確定的，它們可能在任何地方，我們無(wú)法精確知道。對(duì)微觀世界的任何測(cè)量都會(huì)改變它原先的物理狀態(tài)，而對(duì)它的描述只能用它的量子態(tài)來(lái)把握，這種把握并不是經(jīng)典物理學(xué)意義上的精確了解，只能是統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的把握。
量子態(tài)描述的微觀世界存在著一些令人迷惑的現(xiàn)象，其中最引人注目的就是“量子糾纏”。根據(jù)量子力學(xué)理論，本地的粒子的量子態(tài)變化，可以瞬時(shí)引發(fā)異地另一粒子的量子態(tài)變化，無(wú)論二者距離有多么的遠(yuǎn)。這一現(xiàn)象可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)量子通訊，現(xiàn)在正是在國(guó)際上如火如荼研究和競(jìng)爭(zhēng)的課題。這種量子效應(yīng)不能即時(shí)傳遞物質(zhì)，只能傳遞某種量子狀態(tài)，我們也可以說(shuō)傳遞某種信息。由于量子效應(yīng)極其微弱，同時(shí)，在收發(fā)兩端維持與識(shí)別相干量子態(tài)需要高度精密復(fù)雜的裝置和過(guò)高的成本，要實(shí)現(xiàn)量子通訊殊非易事。目前我國(guó)中國(guó)科技大學(xué)和清華大學(xué)已有16公里距離量子通訊的國(guó)際領(lǐng)先報(bào)道，但其穩(wěn)定性、可靠性還需要進(jìn)一步研究，目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能付諸實(shí)用。
原則上說(shuō)，量子態(tài)可以表征單個(gè)粒子的特定物理狀態(tài)，每個(gè)粒子可以有至少2個(gè)量子態(tài)。這一認(rèn)識(shí)使得人們意識(shí)到它可以用來(lái)制造量子計(jì)算機(jī)。一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，如果有N個(gè)粒子，它的量子態(tài)就可以多達(dá)2N個(gè)，通過(guò)改變每個(gè)粒子的量子態(tài)，就能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)計(jì)算和存儲(chǔ)，其計(jì)算速度與存儲(chǔ)能力遠(yuǎn)非當(dāng)今最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)可以比擬，因而引發(fā)人們巨大興趣和激烈國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。然而，量子計(jì)算機(jī)目前仍然停留在理論討論階段，雖然已有些商業(yè)機(jī)構(gòu)宣稱已經(jīng)研發(fā)成功量子計(jì)算機(jī)，但它究竟是否具備計(jì)算功能還未獲得國(guó)際計(jì)算領(lǐng)域認(rèn)同。實(shí)際上，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算功能的物理?xiàng)l件、計(jì)算結(jié)果的維持與讀出、量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算機(jī)之間的銜接等一系列重大問(wèn)題，目前都還沒(méi)有現(xiàn)成的技術(shù)條件具備。要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，人們還需要上下求索，路途漫漫。
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