<p class="ql-block">時(shí)下，量子通訊、量子計(jì)算、量子測(cè)量、量子雷達(dá)等技術(shù)進(jìn)展，在電視、網(wǎng)絡(luò)等各種媒體中不斷有相關(guān)信息報(bào)道和評(píng)述，並受到廣泛關(guān)注和熱議。今年，恰值量子論誕生125周年，用郵品來(lái)講述量子論及其進(jìn)展的故事，抑或是一件饒有興味的事情。</p> <p class="ql-block">1900年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克（圖1），</p> <p class="ql-block">為解決黑體輻射問(wèn)題，提出了“能量子”假說(shuō)，認(rèn)為物體在吸收和發(fā)射輻射時(shí)，能量是不連續(xù)的，而是以“能量子”的整數(shù)倍跳躍式變化（圖2）。他用hv來(lái)描述“能量子”，並計(jì)算出h的數(shù)值，h被稱(chēng)為普朗克常數(shù)，是一個(gè)非常重要的物理學(xué)參量；v是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)頻率。普朗克引入能量子概念后，成功地解決了困撓物理學(xué)界多年的黑體輻射問(wèn)題。1900.12.14，普朗克向德國(guó)物理學(xué)會(huì)宣讀了相關(guān)論文，標(biāo)志著量子論的誕生。</p> <p class="ql-block">能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種量度，在經(jīng)典物理學(xué)中，能量是可以連續(xù)變化的。普朗克的量子論，認(rèn)為能量的最小單元是hv，與經(jīng)典物理完全相違，揭示了物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的離散性。量子論的誕生，為打開(kāi)微觀世界的大門(mén)奠定了基石?；谶@一重大貢獻(xiàn)，他榮獲了1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（圖3）。</p> <p class="ql-block">從20世紀(jì)20年代起，普朗克成為了德國(guó)科學(xué)界的代表人物，當(dāng)選為威廉皇帝學(xué)會(huì)主席。1949年后，威廉皇帝學(xué)會(huì)改名為馬克斯.普朗克學(xué)會(huì)。圖4這枚郵資機(jī)戳，是馬克斯.普朗克研究所的專(zhuān)用郵戳，上有馬克斯.普朗克研究所的文字標(biāo)識(shí)。</p> <p class="ql-block">普朗克逝世后，在他的墓碑上，除其姓名外，還銹刻有一個(gè)醒目的字母“h〞及其數(shù)值（圖5）。</p> <p class="ql-block">普朗克的另一個(gè)重要貢獻(xiàn)，是.“發(fā)現(xiàn)”了愛(ài)因斯坦（圖6）。1905年，愛(ài)因斯坦在物理學(xué)雜志上發(fā)表了一篇論文：《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》。這篇論文即是人們?nèi)缃袷熘摹蔼M義相對(duì)論”。普朗克敏鋭地覚察到這篇論文的重大意義，便及時(shí)向物理學(xué)界大力推介這個(gè)理論，使“狹義相對(duì)論〞很快得到德國(guó)、乃至世界科學(xué)界的承認(rèn)。之后，他又領(lǐng)銜聯(lián)名上書(shū)德國(guó)教育部，增選愛(ài)因斯坦為普魯士科學(xué)院院士，并委任愛(ài)因斯坦為威廉皇帝物理研究所所長(zhǎng)。</p> <p class="ql-block">1905年，愛(ài)因斯坦為解釋光電效應(yīng)，提出了“光量子〞的概念（圖7），指出光的能量也是量子化的，每個(gè)光量子的能量E=hv。普朗克的能量子只是振子能量的分離化，而光量子則是輻射場(chǎng)的存在形式，這便將量子的概念作了進(jìn)一步拓展。</p> <p class="ql-block">美國(guó)物理學(xué)家密立根（圖8），對(duì)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論。</p> <p class="ql-block">印度物理學(xué)家玻色（圖9）根據(jù)光量子概念提出了普朗克公式的另一種推導(dǎo)方法。玻色的工作既是普朗克定律的又一論證，又是量子統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的啟始。愛(ài)因斯坦把玻色的方法推廣到單原子氣體，成為玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)法。</p> <p class="ql-block">1911年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟?；赼粒子的散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了原子核的存在，從而提出原子結(jié)構(gòu)的行星模型（圖10）。</p> <p class="ql-block">行星模型的最大問(wèn)題是不穩(wěn)定。丹麥物理學(xué)家玻爾，以盧瑟福行星模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用量子理論，提出了自己的原子結(jié)構(gòu)模型（圖11）。他指出，原子中的核外電子只能在一個(gè)特定的圓周軌道上運(yùn)動(dòng)，電子在這些不同軌道間躍遷時(shí)，吸收或發(fā)射光子。玻爾的理論不僅成功地解釋了原子的穩(wěn)定性問(wèn)題，而且闡釋了原子的光譜線(xiàn)和能級(jí)分裂等現(xiàn)象。同時(shí)，玻爾的工作也進(jìn)一步證實(shí)了普朗克量子論的正確性。</p> <p class="ql-block">圖12是葡萄牙2000年發(fā)行的世紀(jì)回顧?quán)]票中的一枚，普朗克、愛(ài)因斯坦和玻爾被選來(lái)代表20世紀(jì)的物理學(xué)。這無(wú)疑表明，量子論是20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的主線(xiàn)。</p> <p class="ql-block">1923年，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意（圖13），受光的波粒二象性啟發(fā)，大膽猜想：所有實(shí)物粒子（如電子、質(zhì)子）也具有波粒二象性，其波長(zhǎng)為入=h/p，p為粒子動(dòng)量。這一大膽猜想，如石破天驚，受到科學(xué)界的髙度關(guān)注。</p> <p class="ql-block">德布羅意的實(shí)物波假說(shuō)，于1927年被電子衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。如今，電子顯微鏡很容易獲得各種晶體的電子衍射花樣。圖14是尼加拉瓜1971年發(fā)行的郵票，圖案展示了電子顯微鏡和電子衍射花樣，左上還顯示了德布羅意的物質(zhì)波波長(zhǎng)的公式。</p> <p class="ql-block">于是，從1920年代起，物理學(xué)家們放棄了對(duì)經(jīng)典物理的修補(bǔ)，轉(zhuǎn)而建立全新的數(shù)學(xué)理論，逐漸形成了量子力學(xué)的兩大核心體系，即描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的“矩陣力學(xué)”和“波動(dòng)力學(xué)”。</p><p class="ql-block">1925年，德國(guó)物理學(xué)家海森堡，與他人合作，相繼發(fā)表了三篇論文，利用“矩陣〞表示物理量，建立了“矩陣力學(xué)〞，展示了量子世界的基本特征。圖15是德國(guó)為紀(jì)念海森堡100周年誕辰發(fā)行的一枚郵資片，郵資圖和郵戳圖案都展現(xiàn)了海森堡的形象。</p> <p class="ql-block">1925.9月，英國(guó)劍橋大學(xué)的研究生狄拉克（圖16），閱讀到海森堡的論文，引發(fā)起極大興趣並深入研究，創(chuàng)立了獨(dú)具風(fēng)格的矩陣力學(xué)表述形式。狄拉克的表述形式非常簡(jiǎn)潔優(yōu)美，比海森堡的形式更易于接受。1928年，狄拉克又成勸地把量子力學(xué)和狹義相對(duì)論統(tǒng)一起來(lái)，建立了狄拉克方程。海森林堡的“矩陣力學(xué)〞是量子力學(xué)的基本表述，用矩陣語(yǔ)言搭建了非相對(duì)論量子理論框架；狄拉克方程則是相對(duì)論量子力學(xué)的具體應(yīng)用，通過(guò)方程形式實(shí)現(xiàn)了量子力學(xué)與相對(duì)論的融合。前者是“通用語(yǔ)言〞，后者是“特定場(chǎng)景的方程”，二者共同推動(dòng)了量子理論從非相對(duì)論到相對(duì)論的跨越。</p> <p class="ql-block">1926年，奧地利物理學(xué)家薛定諤（圖17），另辟蹊徑，從物質(zhì)波的角度，提出了描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的波動(dòng)方程，也稱(chēng)為“薛定諤方程〞。</p> <p class="ql-block">圖18上紀(jì)念郵戳的圖案，清?地呈現(xiàn)了典雅優(yōu)美的“薛定諤方程〞。波動(dòng)力學(xué)可通過(guò)求解方程直接得到原子能級(jí)，更容易被物理學(xué)家理解（基于微積分而非矩陣）。之后，薛定諤進(jìn)一步證明：矩陣力學(xué)與诐動(dòng)力學(xué)殊途同歸，在數(shù)學(xué)上是等價(jià)的。</p> <p class="ql-block">圖19是瑞典1982年發(fā)行的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)小本票，完美地總結(jié)了量子力學(xué)發(fā)展的歷史。全套郵票共5枚，紀(jì)念5位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，從上到下的順序?yàn)椋翰?、薜定諤、德布羅意、狄拉克和海森堡。郵票圖案則盡力表現(xiàn)了他們各自對(duì)量子力學(xué)的貢獻(xiàn)。</p> <p class="ql-block">此后，經(jīng)眾多物理學(xué)家的研究努力，量子論和量子力學(xué)不斷深入發(fā)展和完善。圖20表現(xiàn)了我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的“量子反?；魻栃?yīng)”的圖示，這是一項(xiàng)具有諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的重大科研成果。更多有關(guān)量子論和量子力學(xué)的內(nèi)容，因過(guò)于專(zhuān)業(yè)，此處就不贅述了。</p> <p class="ql-block">量子論對(duì)現(xiàn)代科技和人們生活都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，它不僅是現(xiàn)代科技中許多關(guān)鍵技術(shù)的理論基礎(chǔ)，還在多個(gè)領(lǐng)域改變了人們的生活方式和質(zhì)量。這里選擇幾主要領(lǐng)域簡(jiǎn)約介紹。</p><p class="ql-block">一是半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。量子論是半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)。基于此發(fā)展出的集成電路和芯片（圖21），讓電腦芯片得以不斷縮小尺寸、提升了性能。</p> <p class="ql-block">如今，小巧便攜、算力強(qiáng)大的電腦和手機(jī)（圖22），己是人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦?，為工作效率提高、人們生活方便，作用難以估量。</p> <p class="ql-block">圖23是我國(guó)自行研制的“神威.</p><p class="ql-block">太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)郵票。它是世界上首臺(tái)算力每秒過(guò)10億億次的計(jì)算機(jī)，曾兩度榮獲全球超算之冠。末來(lái)，隨著量子計(jì)算機(jī)的成熟和廣泛應(yīng)用，將憑借量子疊加等特性，使計(jì)算能力呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，可快速處理各種復(fù)雜問(wèn)題，如密碼破解、氣象預(yù)測(cè)等等。在這一領(lǐng)域，我國(guó)與美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)激烈，各有優(yōu)勢(shì)。</p> <p class="ql-block">二是通信領(lǐng)域。量子通信利用量子糾纏和量子密鑰分發(fā)等特性，實(shí)現(xiàn)了信息的安全傳輸，從物理原理上杜絕了竊聽(tīng)的可能。在該領(lǐng)域，我國(guó)走在了世界前列，引領(lǐng)著這一技術(shù)的發(fā)展。北京至上海的量子通信干線(xiàn)，為金融、政務(wù)等提供了安全的通信保障。我國(guó)發(fā)射了世界上首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)〞（圖24），實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)星地量子密鑰的分發(fā)。</p> <p class="ql-block">三是能源領(lǐng)域。量子論為太陽(yáng)能電池的發(fā)展提供了理論支撐（光電效應(yīng)），使太陽(yáng)能發(fā)電成為可能。目前，<span style="font-size:18px;">我國(guó)在太陽(yáng)能光伏電池板領(lǐng)域的研究和應(yīng)用處于世界領(lǐng)先地位。在航天領(lǐng)域，空間實(shí)驗(yàn)室、航天站、以及各類(lèi)航天器，都必須借助太陽(yáng)能光伏電池板提供電源（圖</span>25）。</p> <p class="ql-block">此外，核能的開(kāi)發(fā)利用，也是基于量子世界中原子核相關(guān)特性的研究。原子核的裂變和聚變反應(yīng)原理，是量子論在能源領(lǐng)域的重要應(yīng)用。圖26是我國(guó)自主研發(fā)的“華龍一號(hào)〞核電機(jī)組（基于核裂變?cè)恚┼]票。該機(jī)組屬第三代百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電技術(shù)，滿(mǎn)足全球最高安全標(biāo)準(zhǔn)，己成為中國(guó)核電走向世界的“國(guó)家名片”。</p> <p class="ql-block">圖27上部圖案呈現(xiàn)了合肥科學(xué)島上的“人造小太陽(yáng)〞，這是我國(guó)獨(dú)立研制的世界首個(gè)全超導(dǎo)托克馬克裝置，其基本原理是核聚變。這一大科學(xué)裝置多次創(chuàng)造了在上億度下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的時(shí)長(zhǎng)世界紀(jì)錄。</p> <p class="ql-block">四是精密測(cè)量領(lǐng)域。量子論催生了原子鐘，原子鐘可用于時(shí)間的精確測(cè)量，并通過(guò)光速將其轉(zhuǎn)化為精確的距離測(cè)量，這是GPS和北斗導(dǎo)航的核心原理。圖28展現(xiàn)了我國(guó)研發(fā)組建的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，它為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)防建設(shè)和人民生活產(chǎn)生了難以估量的影響。</p> <p class="ql-block">量子陀螺也基于量子論，可極大提髙導(dǎo)航精度，在GPS或北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等失效的深海、地底也能精確定位。我國(guó)的一些高精度制導(dǎo)導(dǎo)彈，就安裝了量子陀螺（圖29）。量子雷達(dá)也是量子精確測(cè)量的一種體現(xiàn)，據(jù)相關(guān)報(bào)道，目前僅有我國(guó)研發(fā)出量子雷達(dá)并裝備了部隊(duì)，這讓敵對(duì)的戰(zhàn)機(jī)無(wú)處遁形。</p> <p class="ql-block">五是生活醫(yī)療領(lǐng)域。LED燈的發(fā)光原理是基于量子力學(xué)中的能帶理論。電子從髙能級(jí)躍遷至低能級(jí)時(shí)釋放光子而產(chǎn)生光。這種燈比傳統(tǒng)白熾燈更節(jié)能，更長(zhǎng)壽，己廣泛應(yīng)用于家庭、城市和道路的照明。圖30中的路燈和隧道中的照明系統(tǒng)，都大量使用了LED燈。</p> <p class="ql-block">醫(yī)院里的核磁共振成像儀（圖31），就是基于量子力學(xué)中的核磁共振現(xiàn)象，它能生成高分辨的人體內(nèi)部圖像，幫助醫(yī)生診斷多種疾病。</p> <p class="ql-block">廣而言之，人們家庭中的各種電器，包括電視、空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、電腦……等等都離不開(kāi)各類(lèi)型的半導(dǎo)體芯片。如是，量子與我們?nèi)祟?lèi)生活總是形影不離、息息相關(guān)的。</p>