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量子学科学理论大讲堂教学视频相关介绍
　　量子学属于物理学科，对人类日常生活的影响深远，化学、生物、医学等学科全是以量子力学作为工具而形成的，这也因此将我们带入了计算机时代，科学革命就此展开，为这个世界带来了的福音。　　独特地位：量子理论是科学史上能最精确地被实验检验的理论，是科学史上最成功的理论。量子力学深深地困扰了它的创立者，然而，直到它本质上被表述成通用形式的今天，一些科学界的精英们尽管承认它强大的威力，却仍然对它的基础和基本阐释不满意。　　马克斯·普朗克(MaxPlanck)提出量子概念100多年了，在他关于热辐射的经典论文中，普朗克假定振动系统的总能量不能连续改变，而是以不连续的能量子形式从一个值跳到另一个值。能量子的概念太激进了，普朗克后来将它搁置下来。随后，爱因斯坦在1905年(这一年对他来说是非凡的一年)认识到光量子化的潜在意义。不过量子的观念太离奇了，后来几乎没有根本性的进展。现代量子理论的创立则是崭新的一代物理学家花了20多年时间建立的。　　量子物理实际上包含两个方面。一个是原子层次的物质理论：量子力学，正是它我们才能理解和操纵物质世界;另一个是量子场论，它在科学中起到一个完全不同的作用。　　旧量子论　　量子革命的导火线不是对物质的研究，而是辐射问题。具体的挑战是理解黑体(即某种热的物体)辐射的光谱。烤过火的人都很熟悉这样一种现象：热的物体发光，越热发出的光越明亮。光谱的范围很广，当温度升高时，光谱的峰值从红线向黄线移动，然后又向蓝线移动(这些不是我们能直接看见的)。结合热力学和电磁学的概念似乎可以对光谱的形状作出解释，不过所有的尝试均以失败告终。然而，普朗克假定振动电子辐射的光的能量是量子化的，从而得到一个表达式，与实验符合得相当完美。但是他也充分认识到，理论本身是很荒唐的，就像他后来所说的那样：“量子化只不过是一个走投无路的做法”。　　普朗克将他的量子假设应用到辐射体表面振子的能量上，如果没有新秀阿尔伯特·爱因斯坦(AlbertEinstein)，量子物理恐怕要至此结束。1905年，他毫不犹豫的断定：如果振子的能量是量子化的，那么产生光的电磁场的能量也应该是量子化的。尽管麦克斯韦理论以及一个多世纪的权威性实验都表明光具有波动性，爱因斯坦的理论还是蕴含了光的粒子性行为。随后十多年的光电效应实验显示仅当光的能量到达一些离散的量值时才能被吸收，这些能量就像是被一个个粒子携带着一样。光的波粒二象性取决于你观察问题的着眼点，这是始终贯穿于量子物理且令人头痛的实例之一，它成为接下来20年中理论上的难题。　　辐射难题促成了通往量子理论的第一步，物质悖论则促成了第二步。众所周知，原子包含正负两种电荷的粒子，异号电荷相互吸引。根据电磁理论，正负电荷彼此将螺旋式的靠近，辐射出光谱范围宽广的光，直到原子坍塌为止。　　接着，尼尔斯·玻尔(NielsBohr)迈出了决定性的一步。1913年，玻尔提出了一个激进的假设：原子中的电子只能处于包含基态在内的定态上，电子在两个定态之间跃迁而改变它的能量，同时辐射出一定波长的光，光的波长取决于定态之间的能量差。结合已知的定律和这一离奇的假设，玻尔扫清了原子稳定性的问题。玻尔的理论充满了矛盾，但是为氢原子光谱提供了定量的描述。他认识到他的模型的成功之处和缺陷。凭借惊人的预见力，他聚集了一批物理学家创立了新的物理学。一代年轻的物理学家花了12年时间终于实现了他的梦想。　　开始时，发展玻尔量子论(习惯上称为旧量子论)的尝试遭受了一次又一次的失败。接着一系列的进展完全改变了思想的进程。　　1923年路易·德布罗意(LouisdeBroglie)在他的博士论文中提出光的粒子行为与粒子的波动行为应该是对应存在的。他将粒子的波长和动量联系起来：动量越大，波长越短。这是一个引人入胜的想法，但没有人知道粒子的波动性意味着什么，也不知道它与原子结构有何联系。然而德布罗意的假设是一个重要的前奏，很多事情就要发生了。　　1924年夏天，出现了又一个前奏。萨地扬德拉·N·玻色(SatyendraN.Bose)提出了一种全新的方法来解释普朗克辐射定律。他把光看作一种无(静)质量的粒子(现称为光子)组成的气体，这种气体不遵循经典的玻耳兹曼统计规律，而遵循一种建立在粒子不可区分的性质(即全同性)上的一种新的统计理论。爱因斯坦立即将玻色的推理应用于实际的有质量的气体从而得到一种描述气体中粒子数关于能量的分布规律，即著名的玻色-爱因斯坦分布。然而，在通常情况下新老理论将预测到原子气体相同的行为。爱因斯坦在这方面再无兴趣，因此这些结果也被搁置了10多年。然而，它的关键思想——粒子的全同性，是极其重要的。　　沃尔夫刚·泡利(WolfgangPauli)提出了不相容原理，为周期表奠定了理论基础。　　韦纳·海森堡(WernerHeisenberg)、马克斯·玻恩(MaxBorn)和帕斯库尔·约当(PascualJordan)提出了量子力学的第一个版本，矩阵力学。人们终于放弃了通过系统的方法整理可观察的光谱线来理解原子中电子的运动这一历史目标。　　埃尔温·薛定谔(ErwinSchrodinger)提出了量子力学的第二种形式，波动力学。在波动力学中，体系的状态用薛定谔方程的解——波函数来描述。矩阵力学和波动力学貌似矛盾，实质上是等价的。　　电子被证明遵循一种新的统计规律，费米-狄拉克统计。人们进一步认识到所有的粒子要么遵循费米-狄拉克统计，要么遵循玻色-爱因斯坦统计，这两类粒子的基本属性很不相同。　　海森堡阐明测不准原理。　　保尔·A·M·狄拉克(PaulA.M.Dirac)提出了相对论性的波动方程用来描述电子，解释了电子的自旋并且预测了反物质。　　狄拉克提出电磁场的量子描述，建立了量子场论的基础。　　玻尔提出互补原理(一个哲学原理)，试图解释量子理论中一些明显的矛盾，特别是波粒二象性。　　量子理论的主要创立者都是年轻人。1925年，泡利25岁，海森堡和恩里克·费米(EnricoFermi)24岁，狄拉克和约当23岁。薛定谔是一个大器晚成者，36岁。玻恩和玻尔年龄稍大一些，值得一提的是他们的贡献大多是阐释性的。爱因斯坦的反应反衬出量子力学这一智力成果深刻而激进的属性：他拒绝自己发明的导致量子理论的许多关键的观念，他关于玻色-爱因斯坦统计的论文是他对理论物理的最后一项贡献，也是对物理学的最后一项重要贡献。　　创立量子力学需要新一代物理学家并不令人惊讶，开尔文爵士在祝贺玻尔1913年关于氢原子的论文的一封书信中表述了其中的原因。他说，玻尔的论文中有很多真理是他所不能理解的。开尔文认为基本的新物理学必将出自无拘无束的头脑。　　1928年，革命结束，量子力学的基础本质上已经建立好了。后来，AbrahamPais以轶事的方式记录了这场以狂热的节奏发生的革命。其中有一段是这样的：1925年，SamuelGoudsmit和GeorgeUhlenbeck就提出了电子自旋的概念，玻尔对此深表怀疑。10月玻尔乘火车前往荷兰的莱顿参加亨德里克·A·洛伦兹(HendrikA.Lorentz)的50岁生日庆典，泡利在德国的汉堡碰到玻尔并探询玻尔对电子自旋可能性的看法;玻尔用他那著名的低调评价的语言回答说，自旋这一提议是“非常，非常有趣的”。后来，爱因斯坦和PaulEhrenfest在莱顿碰到了玻尔并讨论了自旋。玻尔说明了自己的反对意见，但是爱因斯坦展示了自旋的一种方式并使玻尔成为自旋的支持者。在玻尔的返程中，遇到了更多的讨论者。当火车经过德国的哥挺根时，海森堡和约当接站并询问他的意见，泡利也特意从汉堡格赶到柏林接站。玻尔告诉他们自旋的发现是一重大进步。(按：看到欧洲科学家之间坦诚而热烈的交流，我们会得到什么启示吗?)　　量子力学的创建触发了科学的淘金热。早期的成果有：1927年海森堡得到了氦原子薛定谔方程的近似解，建立了原子结构理论的基础;JohnSlater，DouglasRaynerHartree，和VladimirFock随后又提出了原子结构的一般计算技巧;FritzLondon和WalterHeitler解决了氢分子的结构，在此基础上，LinusPauling建立了理论化学;ArnoldSommerfeld和泡利建立了金属电子理论的基础，FelixBloch创立了能带结构理论;海森堡解释了铁磁性的起因。1928年GeorgeGamow解释了α放射性衰变的随机本性之谜，他表明α衰变是由量子力学的隧道效应引起的。随后几年中，HansBethe建立了核物理的基础并解释了恒星的能量来源。随着这些进展，原子物理、分子物理、固体物理和核物理进入了现代物理的时代。
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公共基础知识
“薛定谔的猫”是一个关于量子理论的实验，有人说“生活就像一只薛定谔的猫”。对于这句话理解正确的是_____。
A: 生活状态如猫的性格般温和B: 生活充满许多的不确定性C: 生活已有一定的归属D: 生活穿越了现有的状态
参考答案: B 本题解释:【答案】B。专家解析：“薛定谔的猫”是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的理想实验的名字，它描述了量子力学的真相：粒子的某些特性无法确定，直到测量外力迫使它们选择。生活充满许多的不确定性，犹如“薛定谔的猫”。故本题答案选B。
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量子物理学引发奇谈怪论：薛定谔的猫(组图)
在量子世界当中，会出现“量子纠缠”、“平行宇宙”等神奇的状态。它们对当代的文学、哲学产生了重要影响。新京报制图/郭宇
“量子纠缠”示意图。当转动一个粒子，则与它处于纠缠状态的那个，也会相应转动。
著名剧集《星际迷航》中的“时空穿梭”过程，可以用“平行宇宙”理论来解释。
漫画家笔下的“薛定谔的猫”，猫真的会处于“既是活的，又是死的”状态吗？
　　量子论被公认为是科学史上最成功的、被实验结果符合最好的理论，但另一方面，它却和人类日常生活的经验如此格格不入。
　　如今，很多实验物理学家还在验证这一理论在80年前所做的基本假设。物理学家们依然还在为这个理论头疼不已。著名物理学家费曼就曾说：“我敢肯定，现在没有一个人能够懂得量子力学。”尽管已经走过百年历史，它还有无数的谜尚待解开。
　　微观与宏观，水火不兼容
　　物理学家常常会说“传统物理学认为如何如何，量子物理学则认为如何如何”或者“客观现实中如何如何，但量子世界里却如何如何”这样的“鬼话”。量子物理学家告诉我们，物质在被测量之前是不确定的。“不确定性”是量子世界的基本法则。“观测”是在不确定的量子世界和确定的现实之间转化的关键。那么，神秘的量子世界和日常的现实世界到底能否兼容呢？在经典极限情况下，通过合理的近似，量子理论可以自动过渡到经典世界的物理理论。但如何描述这两个世界的交界面，成了量子论过不去的一个坎。直到现在，理论物理学家仍然未能将两者恰当地联系起来。
　　“哥本哈根学派”认为，物质在被观测之前，是处于一种不确定的叠加态的。为了反驳这种观点，证实量子力学在宏观层面是不完整的，德国物理学家薛定谔设计出物理学史上最著名的动物：薛定谔的猫。
　　这是一个思想实验：不透明的箱子里装着一只猫，箱子中另外还有一个原子衰变装置，原子会随机发生衰变，一旦衰变发生，就会激发一系列连锁反应，最终打破箱子里的毒气罐而毒死猫，反之猫则活。在打开箱子观测那一瞬间之前，原子的衰变和猫的死活都处于一种叠加态，只有当打开箱子的一刹那，猫的死活才确定下来。所以，在打开箱子之前，猫既是死的，又是活的。问题是，现实中的猫怎么可能是“既死又活”的呢？我们的常识中，猫要么是死的，要么是活的。量子论无法解释现实世界，这成了量子论无数个困惑之谜中最神秘的一点。
　　“薛定谔的猫”出现之后，物理和哲学界就客观世界和人的意识的决定因素产生了一场大讨论：如果人的观测能决定猫的生死，那是否人的意识也会决定客观世界的走向呢？
　　同一个世界，很多个宇宙？
　　“虽然我支持在无数个宇宙中存在着无数个Sheldon的‘平行宇宙理论’，我还是像你保证，没有任何一个宇宙中的我会和你跳舞。”《生活大爆炸》中，“宅男”Sheldon这么回复美女Penny的邀舞请求。
　　为了解决与现实世界兼容的问题，无数物理学家尝试了各种理论，最著名的恐怕就是上世纪50年代兴起的“平行宇宙”(多世界理论)。
　　支持这个理论的科学家认为，“薛定谔的猫”实验中，箱子在被打开观测之前，与其说猫处于一种既死又活的状态，不如说这只猫同时处于不同的“宇宙”中。有的“宇宙”中猫是活的，有的“宇宙”中猫是死的。听起来是不是很奇怪？但这个理论的确成功避开了很多问题，将微观和宏观世界联系在了一起。
　　然而，即使到现在，这个理论依然如此前卫，令人无法理解。最近20年间，它才开始受到人们的关注，并成为量子力学的热门理论。霍金甚至将这一理论用到解释时空旅行中：因为平行宇宙的存在，时间线产生了分叉，出现了多重“历史”，人们因此可能可以进行时空旅行。这一解释也解决了此前人们在时空旅行中关于“杀死过去的我”的悖论。
　　现在，“多世界理论”演化出的“时空穿梭”已经成为很多科幻作品中的主题。但这个理论完全是严格遵循数学方程演化得来的结果，其前提认为所有“宇宙”都包容在同一个“时空”中，而这个“时空”是多维度的，霍金所提出的进行“时空旅行”的“虫洞”目前只存在于理论层面，还没有任何物理证据证明其真实存在。
　　量子纠缠，挑战光速
　　“量子纠缠”现象是说，一个粒子衰变成两个粒子，朝相反的两个方向飞去，同时会发生向左或向右的自旋。如果其中一个粒子发生“左旋”，则另一个必定发生“右旋”。两者保持总体守恒。也就是说，两个处于“纠缠态”的粒子，无论相隔多远，同时测量时都会“感知”对方的状态。那么，这两个粒子如何实现瞬间的沟通，这种感知是否是超光速的，这是否违背了相对论呢？
　　在量子力学中，微观物质很可能的确展现出和日常生活中的常识相悖的情况。“在物理世界中，某些定义的速度是可以超越真空光速的，但是到目前为止，还没有一个可以让人信服的实验结果支持‘物理信号可以超越真空光速’这一论断。”中科院量子信息重点实验室副主任周正威强调。
　　在现实世界中，不可能在人和石头之间建立某种感应，不经接触就令石头发生改变。但瞬间感应可能发生在量子世界中。爱因斯坦不满地将“量子纠缠”称为“遥远的鬼魅行为”。
　　20世纪下半叶至今的各类实验中，不断有人证实各种超光速现象的出现。1982年，巴黎大学的物理学家证实，亚原子粒子在向相反方向发射后，在运动时依然可以彼此互通信息。2008年，日内瓦大学的物理学家再次进行类似实验。这次，两个相互感应的粒子距离超过17千米。奥地利科学家蔡林格(Anton Zeilinger)甚至在两个相距144千米的岛屿之间观测到光子的量子纠缠现象。
　　尽管如此，依然没人能让物理信号超越光速。
　　量子论不是
　　“绝对真理”
　　量子论是20世纪出现的最成功的理论，它和相对论成为现代物理学的两大基石，但这两个基石之间却互不包容，又都不完整。相对论很好地解释了时空扭曲等问题，改变了人类的时空观；量子论的各种假设虽然不断被实验所证实，它或许也能帮助人类理解宇宙为何凭空而生，但却始终没法解释量子世界和宏观世界的交界面上所发生的一切。
　　为了将量子论和相对论结合起来，理论界出现了如“量子引力”、“超弦”等更加复杂难懂的理论。可以肯定，如果将来出现一个能替代量子论的理论，它必定能首先解释，为什么现有的各种实验能够如此符合量子理论。
　　费曼曾说，“我们要记住，或许有一天量子理论会被证明是失败的，因为它和我们日常的生活经验、哲学是如此地不同。”
　　而理论物理学家曾谨言也在《物理》杂志所发表的《量子物理学百年回顾》一文中表达了他的看法：“迄今所有实验都肯定了量子力学的正确性，但这只表明：它在人类迄今实践所及的领域是正确的。量子力学并非绝对真理。量子力学并没有，也不可能关闭人们进一步认识自然界的道路。量子力学与广义相对论之间的矛盾并未解决。”
　　新知专题采写/本报记者 金煜
　　本专题感谢：
　　曾谨言(北京大学理论物理学家、
　　《量子力学导论》作者)
　　周正威(中科院量子信息重点实验室副主任)
　　周善贵(中科院理论物理研究所研究员)
　　曹天元(科学作家)
　　清华大学理论计算机研究中心
　　本专题图片均为资料图片
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