普朗克开启“量子论”的传奇故事

量子论提供了新的关于自然界的观察、思考和表述方法。

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、粒子物理学以及现代信息技术奠定了理论基础。

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，粒子的无限可分和信息携带等。尤其它的开放性和不确定性，启发人类更多的发现和创造。

我们可以毫不夸张地说：量子论的创建过程是一部史诗级的壮丽篇章。

1900年12月14日，普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，首次引入了能量子概念，为量子理论奠定了基石。

普朗克，全名：马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克（德文：Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858年4月23日—1947年10月4日，享年89岁），出生于德国荷尔施泰因，德国著名物理学家、量子力学的重要创始人之一。

普朗克和爱因斯坦并称为二十世纪最重要的两大物理学家。他因发现能量量子化而对物理学的又一次飞跃做出了重要贡献，并在1918年荣获诺贝尔物理学奖。

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。

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。

1928年狄拉克将相对论运用于量子力学，又经海森堡、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、施温格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。

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量子假说与物理学界几百年来信奉的“自然界无跳跃”直接矛盾，因此量子理论出现后，许多物理学家不予接受。

普朗克本人也十分动摇，后悔当初的大胆举动，甚至放弃了量子论，继续用能量的连续变化来解决辐射的问题。

但是，历史已经将量子论推上了物理学新纪元的开路先锋的位置，量子论的发展已是锐不可当。

尽管人们对量子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。

就当前来看，关于量子最热乎的话题无非是量子通讯。

量子通讯技术示意图 | 来源：百度图片

量子通信是指运用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，是最近三十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。

量子通信由于其高效安全的信息传输已受到人们的广泛关注，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。

近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。

利用量子论实现光量子通信的过程如下：首先先构建一对相互纠缠的粒子，将这两个粒子分别放在通信的地点，然后将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量（一种操作），那么接收方的粒子瞬间将会发生坍塌（变化） ，坍塌（变化 为某种状态，但是这个状态与发送方的粒子坍塌（变化）后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换（相当于逆转变换），即可得到与发送方完全相同的未知量子态。

量子通信就是运用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，通俗而言，就是两个相距遥远的陌生人能不约而同地去想做同一件事，好像有一根无形的线牵着他们，这种神奇现象被人们称为“心灵感应”。

量子隐形传态不仅对物理学领域人们认识与揭示自然界的神秘规律有重要意义，而且用量子态作为信息载体，通过量子态的传送可以完成超快的大容量信息的传输。

由于量子通信对国家信息和国防安全有着战略性的重要性，世界主要发达国家如美国、欧盟、日本等都在大力发展，它有可能会使得未来信息产业发展的格局发生改变，尤其在军事应用方面量子通信有着无与伦比的广阔前景。

各种侦察预警系统、各类作战指挥控制体系和主要作战平台之间，以及量子微空间武器系统之中构建出量子隐形通信系统，建立量子信息化的通信网络。

量子通信将以其信道容量极大、通信速率超高等特性，在未来的信息化战争中有着至关重要的作用。

也正因为如此，美国国防部已将“量子信息与控制技术”列为未来重点关注的六大颠覆性研究领域之一。

中国在量子通信这场国际化竞争中属于后来者，但是起点高，进展快，在应用领域的多个方面已经达到世界先进水平，特别在城域量子通信关键技术方面，甚至达到了产业化要求。

总的来说，量子理论提供了精确一致地解决关于原子、激光、X射线、超导性以及其他无数事情的能力，几乎完全使古老的经典物理理论失去了光彩。

但我们仍旧在日常的地面运动甚至空间运动中运用牛顿力学，在这个古老而熟悉的观点和这个新的革命性的观点之间一直存在着冲突。

宏观世界的定律保持着顽固的可验证性，而微观世界的定律具有随机性。

我们对抛射物和彗星的动态描述具有明显的视觉特征，而对原子的描述不具有这种特征，桌子、凳子、房屋这样的世界似乎一直处于我们的观察之中，而电子和原子的实际的或物理性状态没有缓解这一矛盾。

如果说这些解释起了些作用的话，那就是他们加大了这两个世界之间的差距。

对大多数物理学家来说，这一矛盾解决与否并无大碍，他们仅仅关心他们自己的工作，过分忽视了哲学上的争议和存在的冲突。

毕竟，物理工作是精确地预测自然现象并使我们控制这些现象，哲学是不相关的东西。

广义相对论在大尺度空间、量子理论在微观世界中各自取得了辉煌的成功。

基本粒子遵循量子论的法则，而宇宙学遵循广义相对论的法则，很难想象它们之间会出现大的分歧。

很多科学家希望能将这两者结合起来，开创一门将从宏观到微观的所有物理学法则统一在一起的新理论。

但迄今为止所有谋求统一的努力都遭到失败，原因是这两门20世纪物理学的重大学科完全矛盾。

是否能找到一种比现有的这两种理论都好的新理论，使这两种理论都变得过时，正如它们流行之前的种种理论遇到的情况那样呢？

量子理论，未来可期 | 来源：百度图片

参考文献

百度百科——词条——量子论

吴华,王向斌,潘建伟. 量子通信现状与展望[J]. 中国科学:信息科学,2014,44(03):296-311