量子力学的发展和应用

1、量子力学的发展和应用1第1页，共16页，2022年，5月20日，21点37分，星期三I）量子理论的诞生 量子论的生日1900年12月14日。 M. Planck： 在柏林物理学会上报告他的公式（普朗克公式）的量子说明辐射能量在吸收或发射时以整个量子进行，频率为 的辐射振子的能量为 。 这就宣告了量子论的诞生。 M. Planck, Ann.Physik, 4(1901)553.2第2页，共16页，2022年，5月20日，21点37分，星期三 II）量子力学是甚么？量子力学是什么？ 量子力学，更广泛地说量子理论，是研究微观世界物质运动和变化的基本规律的科学。 由于我们宏观物质全是由微观物质组成的

2、，宏观世界全部建立在微观世界上面。因此，量子力学便无处不在、普遍适用。3第3页，共16页，2022年，5月20日，21点37分，星期三III）自诞生起至今，它的势头（1） 自从量子理论诞生以来，它的发展和应用一直广泛深刻地影响、促进和触发人类物质文明的大飞跃。近80年的人类全部历史可以作证。 如果还不信，举例，可以把所有学科名称前面冠以“量子”二字，就会发现：已经形成或将要形成一门新的理论、一门新的学问。物理学内部就有很多这种情况。不必说物理学中以量子力学为主要理论支柱的学科；单是直接添加这两个字就形成新学问的就有：光学量子光学电子学量子电子学电动力学量子电动力学统计力学量子统计力学经典场论量

3、子场论在物理学之外也是大量的：化学量子化学生物学量子生物学宇宙学量子宇宙学网络量子网络信息论量子信息论计算机量子计算机就连投机家所罗斯的基金会也时髦的冠以“量子”二字：“量子基金会”4第4页，共16页，2022年，5月20日，21点37分，星期三自诞生起至今，它的势头（续2）百年（19012002）来总共颁发 Nobel Prize 96 次（其中1916,1931,1934,1940,1941,1942共6年未颁奖） 单就物理奖而言：直接由量子理论得奖 或与量子理论密切相关而得奖的次数有 57 次 （直接由量子理论得奖25次）5第5页，共16页，2022年，5月20日，21点37分，星期三自

4、诞生起至今，它的势头（续3）Nature杂志2000年总结100年来在它上面发表的文章。从登载的数千篇文章中精选出21篇具有里程碑性的文章。其中与量子力学有关的竟占14篇。量子理论自20世纪20年代创立以来，直到现在，已逐步成为核物理、粒子物理、凝聚态物理、超流和超导物理、半导体物理、激光物理等众多物理分支学科的共同理论基础。而且在量子理论的框架内建立了弱电统一的标准模型；量子理论进入了宇宙起源和黑洞理论。总之，量子理论诞生后这80年来的发展，使得： 量子理论成为整个近代物理学的共同理论基础。6第6页，共16页，2022年，5月20日，21点37分，星期三IV）自20世纪80年代以来，量子力学

5、又有很大发展（除BEC及其应用这一大块之外）量子信息论和量子计算机：位(bit)量子位(qubit)既是Yes又是No： |Yes+|No存贮器量子存贮器各个位不一定有确定的状态逻辑门量子逻辑门网络量子网络算法量子算法DeutschDFTShorGrover并行计算、超高速、超大容量通讯量子通讯超大容量、天然保密编码量子编码密码量子密码密钥量子密钥经典可克隆量子不可克隆经典克隆是硬件克隆；量子克隆是软硬件全部克隆，原理上不可能经典通讯的定域传播量子通讯的非定域传播7第7页，共16页，2022年，5月20日，21点37分，星期三 例如：Lov K. Grover“Quantum Mechanic

6、s Helps in Searchingfor a Needle in a Haystack”Physical Review Letters, Vol. 79, No. 2, 1997“量子力学帮助在干草堆里找一根针”物理评论快报，第79卷，第2期，1997年8第8页，共16页，2022年，5月20日，21点37分，星期三V）当前量子力学的重要应用量子生物学量子生命科学量子神经网络量子化学量子材料科学量子信息科学量子计算机科学BEC器件、原子器件目前，它正在向材料科学、化学、生物学、信息科学、计算机科学大规模渗透。预计不久的将来它将会成为整个近代科学共同的理论基础9第9页，共16页，2022年

7、，5月20日，21点37分，星期三VI）量子力学的基础和逻辑框架（1）量子力学的主要线索： 2两组基本实验：波性、粒子性实验 1一个基本图象：波粒二象性 3三大基本特征：或然、分立、不确定性 5五大基本公设：波函数、算符、测量、 动力学方程、全同性原理 另有： 3测量过程的3阶段：纠缠分解、波包塌缩、 初态演化 2两种因果律：决定论的、或然的 1一个中心任务：几率幅计算10第10页，共16页，2022年，5月20日，21点37分，星期三量子力学的基础和逻辑框架（续2）两类实验基础微观粒子具有波粒二象性光原是“波”现在发现它又具有粒子性电子原是“粒子”现在发现它又具有波动性实验给出微观粒子一个基

8、本图象波粒二象性（对波动的）Einstein 关系：（对粒子的）de Broglie 关系：量子力学的总结：（派生出的）三大基本特征：几率幅描述量子化现象不确定性关系11第11页，共16页，2022年，5月20日，21点37分，星期三量子力学的基础和逻辑框架（续3）（归纳成）逻辑结构 五大公设：第一公设波函数公设第二公设算符公设第三公设测量公设第四公设动力学演化公设: Schrdinger 方程公设第五公设微观粒子全同性原理公设量子测量的三个过程：纠缠分解波包塌缩（随机、不可逆、破坏相干性、非定域）初态演化两种因果律的交织第一类态变化：状态演化 运动方程初条件。决定论的、可逆的、保持相干性。第

9、二类态变化：状态测量 这是一次随机的、不可逆的、破坏相干性的、非定域的 “选择”。一个中心任务的改变：“ 非对易代数运动方程 算符方程求解 ” 到“ 几率幅约束条件 路 径积分计算 ”。12第12页，共16页，2022年，5月20日，21点37分，星期三假如一个人不为量子论感到困惑，那他就是没有明白量子论。 尼尔斯玻尔我想我可以放心地说，没有谁理解量子力学（I think I can savely say, nobody understands quantum mechanics ）。 R.P.费曼，1963测量过程包含着深邃的不可逆性原理。 L.朗道, 1956 13第13页，共16页，2022年，5月20日，21点37分，星期三 爱因斯坦： 自然界最不可理解的就是，它竟 然是可以理解的 ！ It is the strangest that existence shows a universal order ! 14第1