量子的发展（量子发展的启示）

量子力学发展简史及其伟大成果

20世纪最伟大的物理学成果是相对论和量子力学，二者均深刻地影响了人类的科学发展和思想。

一、什么是量子

我的理解是：量子就是表征某种物理量一份一份最小的量度。换一种说法就是某种物理量存在最小单元，而不是我们以前理解的 “一尺之棰，日取其半， 万世不竭 ”。

二、什么是量子力学

简单说，量子力学就是研究原子、基本粒子等微观物质运动规律的科学理论。该理论彻底改变了人类对于物质组成的基本认识。

量子力学认为世界是不确定的，这就与我们习惯的因果论产生巨大的反差，意识是量子力学的基础，量子力学离不开意识。

三、量子力学最大的三大谜题

目前，人们对于量子力学最难以理解的有三大谜题：

1.态叠加与坍缩： 没有一定深度的数学知识理解不了，我也不能给出更直观的解释。

2.测量： 测量会影响物体状态，关于测量有一个最著名的思想实验“薛定谔的猫”。

3.量子纠缠： 系统中单个粒子的状态不能被确定，这种状态就是纠缠态。两个相互纠缠的量子，一个发生改变时，另外一个也会相应发生改变，而且与二者的距离没有关系。

这也是现在飞速发展的量子通讯的机理 。

四、量子力学是世界各国科学家集体智慧的结晶

普朗克 最先提出量子假说（量子力学之父），随后 爱因斯坦 提出光量子理论，特别是 玻尔 提出原子理论极大地推动了量子力学的发展。

1925年以 海森堡 为主建立了量子矩阵力学，1926年以 薛定谔 为主建立了量子波动力学，而且更不可思议的是从数学上证明了矩阵力学和波动力学是等效的。

随后， 狄拉克 给出量子力学简洁、完善的数学表达形式，让量子力学成为普遍接受的科学理论。

五、量子力学的实践应用

量子力学在激光、电子显微镜、原子钟、核磁共振、半导体、核武器的研究、发明当中发挥了巨大的作用，今后在量子通讯等众多领域必定会有更多实践应用出现。

量子力学已经对人类的发展产生了前所未有的巨大影响。

中国的量子技术的发展

我国量子通信方面的理论研究起步虽然相对滞后，但在实验上几乎是与国外同行同步进行:

早在1995年，中国科学物理所首次以BB84协议方案在国内完成了演示实验。

2000年中科院物理研究所和中科院研究生院合作完成了国内第一个850纳米波长全光纤1.1KM量子保密通信实验。

2003年，中国科学技术大学中科院量子通信重点实验室成功地在校园内铺设了总长为3.2KM的量子通信系统。

2005年，中国科学技术大学郭光灿院士领导的科研小组通过现有光缆线路在北京和天津之间实现在125KM量子通信原理性实验。

2006年，中国科学技术大学潘建伟教授领导的科研小姐，利用纠缠光子对实现了不受外界干扰的量子密码传输

2008年10月，潘建伟小组构建了基于商用光纤和诱变态相位编码的3节点量子通信网络，节点间距离20KM，实现了实时网络通话和3方对讲功能。这一成果的发布早于欧洲科学家发布的量子通信网络系统，使得潘建伟小组成为国际上报道的两个严格安全的实用化量子通信网络实验研究小组之一。

2016年，在我国大漠深处的酒泉卫星发射中心，中国首颗量子通讯卫星“墨子号”成功升空，其在天地之间的数据传输，实现了人类历史上首次量子通信，为今后构建量子通信网络先行试验。

2017年，全线贯通运行的京沪干线实现了与“墨子号”卫星的连接。这条不同凡响的高铁干线采用了量子密钥和量子网络等众多技术，是全球第一条采用量子通信的铁路。

事实上，中国的量子通信技术已经达到世界顶尖水平，领先欧美国家不止一个身位。世界上首个光量子计算机在我国面世，其计算能力远远超出天河系列超级计算机。

不仅如此，而且国内企业也正与研究机构在加强合作，共同推进量子产业化的进程。

量子的历史

在经典物理学中，根据能量均分定理：能量是连续变化的，可以取任意值。19世纪后期，科学家们发现很多物理现象无法用经典理论解释。当时德国物理界聚焦于黑体辐射问题的研究。量子物理是研究量子化的物理分支，在1900年根据热辐射理论延伸建立量子理论。由于M·普朗克试图解决黑体辐射问题，所以他大胆提出量子假设，并得出了普朗克辐射定律，沿用至今。普朗克提出：像原子作为一切物质的构成单位一样，“能量子”（量子）是能量的最小单位，原子吸收或发射能量是一份一份地进行的。普朗克在1900年12月14日的德国物理学学会会议中第一次发表能量量子化数值、一个分子摩尔（mol）的数值及基本电荷等。其数值比以前更准确，提出的理论也成功解决了黑体辐射的问题，标志着量子力学的诞生。量子假设的提出有力地冲击了经典物理学，促进物理学进入微观层面，奠基现代物理学。但直到现在，物理学家关于量子力学的一些假设仍然不能被充分地证明，仍有很多需要研究的地方。1905年，德国物理学家爱因斯坦把量子概念引进光的传播过程，提出“光量子”（光子）的概念，并提出光同时具有波动和粒子的性质，即光的“波粒二象性”。

20世纪20年代，法国物理学家德布罗意提出“物质波”概念，即一切物质粒子均具备波粒二象性；德国物理学家海森伯等人建立了量子矩阵力学；奥地利物理学家薛定谔建立了量子波动力学。量子理论的发展进入了量子力学阶段。

1928年，英国物理学家狄拉克完成了矩阵力学和波动力学之间的数学等价证明，对量子力学理论进行了系统的总结，并将两大理论体系——相对论和量子力学成功地结合起来，揭开了量子场论的序幕。量子理论是现代物理学的两大基石之一，从微观层面理解宏观现象提供了理论基础。

量子物理是研究量子化的物理分支，在1900年根据热辐射理论延伸建立量子理论。由于马克斯·普朗克（M. Planck）试图解决黑体辐射问题，所以他大胆提出量子假设，并得出了普朗克辐射定律，沿用至今。

当时德国物理界聚焦于黑体辐射问题的研究。马克斯·普朗克在1900年12月14日的德国物理学学会会议中第一次发表能量量子化数值、Avogadro-Loschmidt数的数值、一个分子摩尔（mole）的数值及基本电荷。其数值比以前的更准确，提出的理论也成功解决了黑体辐射的问题，标志着量子力学的诞生。

量子假设的提出有力地冲击了经典物理学，促进物理学进入微观层面，奠基现代物理学。但直到现在，物理学家关于量子力学的一些假设仍然不能被充分地证明，仍有很多需要研究的地方。

量子力学的发展过程是怎样的？

曾经有一位著名的科学家在1893年宣告，他相信曾经能够做出伟大发现的时代已经离我们而去了，因为几乎一切都已被发现，将来的科学家除了更加精确地重复19世纪做过的实验，使原子量在小数位上有所添加以外，不可能有更多的作为。

但事实证明这位科学家错了。因为，即使拥有19世纪所取得的全部知识，也无法说明X射线和铀的放射性这两种现象。这是新生事物，它好像完全不合乎自然规律，背离了人类关于原子的认识。X射线和放射性像两个雪球，一旦滚动起来，必将如同雪崩一样引出一系列科学发现。

古人对物质元素的认识，是人类探究微观世界的起源。远古时代的人类在长期的生活实践中，发明了制陶，掌握了炼铜、炼铁等技艺，他们看到了物质可以重新组合并发生质的变化，于是就开始思考有关物质的构成与变化的原因。比如在我们这个神奇的大自然中，冬天水结成冰，夏天冰又化成水，而且在地热泉中，水又蒸发为气体。人们还看见万物在大地上生长，又消失在大地之中，对于天地万物和人类的本源，人们一直怀有强烈的好奇心，试图从本质上理解和认识事物本身。最原始的元素学说就这样萌生了，开始了人类最初的对微观世界的认识。

经过人类不断努力地探索研究，今天我们知道物质世界是由一些很小的粒子——原子组成的，各种原子按照本身的规律相互连接，形成了分子，各种各样的分子聚集在一起就是我们丰富多彩的世界。可是，原子是怎样相互连接的呢?这就不能不提及到原子内部的结构。原子是由一个位于中心的原子核和核外的电子组成的，原子核带正电，而电子带的是负电，这样整个原子对外就不显电性。电子在原子中并不是静止的，而是绕着原子核做高速的运动，电子的高速运动在原子的周围形成像云一样的外衣，也叫电子云。不同的原子内电子的数目不同，电子运动的模式也不同。举一个例子来说，就像一个班的同学，大家都穿上形状各异的外壳，由于外壳的形状不同，使得有些人靠在一起会比较舒服，而有些人很难靠到一起。当然实际情况还要复杂得多，上面只是一个简单化的比喻。我们如果真的想理解原子等一些基本粒子的行为，就必须引入量子力学。

1900年，德国物理学家普朗克发表了一篇论文，导致了量子理论的出现。普朝克提出“量子论”，吹响了20世纪物理学革命的进军号。在同一年，孟德尔遗传学说被确认，成为生物科学上划时代的一年。在同一年，德兰斯特纳发现了血型，拯救了无数人的生命。到2000年，人类在量子论、相对论、基因论、信息论等方面都取得了以前难以想象的飞跃发展。人类一直在研究我们生活的地球和宇宙。现在，人类的观察范围不仅已达150多亿光年之遥，而且可以深入到原子核中去观察“夸克”等基本粒子的特征。

量子力学是20世纪人类在物理学领域的最伟大最重要的发明之一。量子力学和狭义相对论被认为是近代物理学的两大基础理论。量子力学主要研究微观粒子运动规律。20世纪初大量实验事实和量子论的发展，表明微观粒子同时具有粒子性和波动性，它们的运动不能用通常的宏观物体运动规律来描述。量子力学的建立大大促进了原子物理学、固体物理学和原子核物理学等学科的发展，并标志着人们对客观规律的认识从宏观世界已经开始向微观世界深入发展。

量子力学的奠基人玻尔曾经说过：“谁如果在量子面前不感到震惊，他就不懂得现代物理学；同样如果谁不为此理论感到困惑，他也不可能是一个好的物理学家。”的确，量子力学确实很难理解，原因之一就是在微观世界里的很多事情，同我们所能看到的宏观世界存在很大的差别，有些可能是我们难以想象的。就像隧道效应令人绞尽脑汁的例子一样。如下图所示，在经典力学控制下，狮子不可能越过障碍吃到你，可是在量子力学控制下，狮子却可以直接穿过那个堡垒，好像挖了一个隧道跑出来一样，看起来有些像“崂山道士”里面的穿墙术吧!在这里只是做了个比方，现实生活中你无需担心狮子会从笼子里直接钻出来。因为我们的宏观世界是不会发生这样的事情的。可是在微观世界里，电子等微观粒子却经常能够“穿墙而过”。

量子力学是如何产生发展起来的？

量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的.旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论.

1、1900年,普朗克提出辐射量子假说,假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的,能量子的大小同辐射频率成正比,比例常数称为普朗克常数,从而得出黑体辐射能量分布公式,成功地解释了黑体辐射现象.

2、1905年,爱因斯坦引进光量子(光子)的概念,并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系,成功地解释了光电效应.其后,他又提出固体的振动能量也是量子化的,从而解释了低温下固体比热问题.

3、1913年,玻尔在卢瑟福原有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论.按照这个理论,原子中的电子只能在分立的轨道上运动,在轨道上运动时候电子既不吸收能量,也不放出能量.原子具有确定的能量,它所处的这种状态叫“定态”,而且原子只有从一个定态到另一个定态,才能吸收或辐射能量.这个理论虽然有许多成功之处,但对于进一步解释实验现象还有许多困难.

4、在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后,为了解释一些经典理论无法解释的现象,法国物理学家德布罗意于1923年提出了物质波这一概念.认为一切微观粒子均伴随着一个波,这就是所谓的德布罗意波.

5、玻尔子力学与经典力学的差别首先表现在对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律上.在量子力学中,粒子的状态用波函数描述,它是坐标和时间的复函数.为了描写微观粒子状态随时间变化的规律,就需要找出波函数所满足的运动方程.这个方程是薛定谔在1926年首先找到的,被称为薛定谔方程.

由此量子力学基本内容就完成了.但是还有很多不完善的地方,需要我们去努力.

量子力学未来发展的前景如何，已经遇到了瓶颈期？

关于目前我们整个人类社会的一个发展来说这，一直都是在稳步的向前推进当中，在以前的电气化的时代当中，我们利用电来创造了或者点亮了整个人类星球，但现在我们利用互联网让整个星球联络起来才是一个时代的改变。那么关于我们其他的一个学科来说的话，特别是其中的物理也让很多人为之震撼，物理究竟是有多么难学？但是关于物理学当中的量子力学，却让很多人望洋兴叹。那么关于量子力学未来发展前景如何，已经遇到了瓶颈期吗？

一、量子力学现在一个发展情况来说，是较为的不容乐观。

首先第1点就是关于现在的量子力学的一个发展来说，是不容的乐观，在学生上面存在着很多的一个问题，就是关于学生觉得这样的一个物理学实在太难了。很多学生不愿意去学习这样的物理，选择这样的物理专业，因为很多学生认为学习了这样的物理学，以后要么去当老师，要么就去做科研，对于做科研来说这需要更多的一个经历和不断的升学和深造才能完成。那么不选择进行发展量子力学，只能去做物理学老师，所以现在有很多学生不愿意去选择学习物理，选择物理专业的原因也正在这里。

二、现在的一些科学家在这上面的突破越来越少。

还有就是关于现在有很多物理学家在这上面的突破能力越来越少，其主要原因是由于前辈们对于这样的物理学量子力学的一个楼房建筑实在太过于稳固，我们只能在上面添砖加瓦，所以发展是较为的缓慢的。

三、就考虑到目前来说量子力学的确进入到了瓶颈期。

最后量子力学现在的确进入了瓶颈期，因为量子力学我们需要更高端的科学技术来支持，但就目前而言，科学力量完成不了这样的一个投资和收入。

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