量子力學是研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支。
1900年,普朗克提出輻射量子假說:電磁場和物質交換能量是以間斷的能量子實現的,能量的大小和輻射頻率成正比,比例常數為普朗克常數,正確的給出了黑體輻射能量分布。1905年,愛因斯坦引進光量子(光子)的概念,並給出了光子的能量、動量與輻射的頻率和波長的關係,成功的解釋了光電效應。1913年,玻爾在盧瑟福核原子模型的基礎上建立起原子的量子理論。
當人們認識到光具有波動和微粒二象性後,為了解釋一些經典理論無法解釋的現象,法國物理學家德布羅意於1923年提出了物質波的概念,這就是所謂的德布羅意波。1925年,海森堡和波恩一起建立了矩陣力學。1926年,薛丁格基於量子性是微觀體系波動性的反應這一認識,找到了微觀體系的運動方程,建立了波動力學,其後不久證明了波動力學和矩陣力學的數學等價性。1927年,海森堡提出了測不準原理。後來,又發展了量子電動力學和量子場論。
量子力學的顯得很神秘,在於它的抽象性,也在於沒有和人類的實踐技術緊密聯繫起來進行講解。人類利用電磁波,實現了電視的觀看節目,手機現在發展到智慧型手機,實現了通話和聯網的功能。
先來說我們一直糾結的量子的波粒二象性。在電子的雙縫實驗中,電子會與空氣分子的碰撞及電子存在運動輻射,就可以影響到對形成衍射非常關鍵的各個狀態之間的相位關係,這個現象叫量子脫散。也就是說,試驗系統和環境系統對雙縫實驗的結果都會有影響。可以假設一下:將許多二極小磁鐵球高速射向寬度為十倍磁球直徑的雙縫,雙縫之間還有一個弱磁場,在入射路線的空氣中還漂浮有比磁球更大的球形懸浮物,那麼。許多小磁球通過雙縫後,會形成類似幹涉波的結果,而不可能只有兩條豎帶。很微小的帶有電磁場的多粒子向某一方向運動通過一個縫隙時,由於一些隨機性和偶然性,加上對粒子不可忽視的實驗環境的影響(比如空氣分子比電子大得多),結果會形成物質波。
1939年,世界上第一臺投入商業化生產的黑白電視在美國誕生。1954年,推出了彩色電視機。電視機使用的顯像管,內部是必須抽掉空氣的。一旦進入空氣,顯像管工作時,內部會出現可見輝光,而顯示屏幕上不會再發亮,當然也不會再有任何畫面顯示。顯像管內部有一塊蔭罩網,上面有十幾萬個小圓孔或小長條形的孔,顯像管工作時有點類似於電子的雙縫實驗。但電子是精準打到相應的彩色螢光粉上,基本是不存在衍射現象的。
但直到1970年左右,人們才普遍意識到量子脫散現象。比如:在雙縫實驗中,電子和光子與空氣分子的碰撞或發射輻射,就可以影響到對形成衍射非常關鍵的各個狀態之間的相位關係。這種相互作用可以表達為每個系統狀態與環境狀態的糾纏。也就是說,量子系統的試驗結果,是和試驗系統及環境系統都有關係的。
量子脫散效應可以解釋相對論中時鐘變快變慢的原因;環境的不同(引力,速度,溫度),影響了原子鐘振蕩計時系統,因而出現了快慢的差異。
根據量子力學的測不準原理,泡利不相容原理,量子是不可能聚集成一個數學奇點的,但廣義相對論的場方程卻求解出奇點黑洞結果。這就是量子力學和廣義相對論不兼容之處。根據人類的實踐經驗,物質的體積是不能無限壓縮的。還有人類實踐中驗證過的質量守恆定律和能量守恆定律。在廣義相對論和量子力學不可調和的矛盾面前,顯然廣義相對論的場方程有點不靠譜,那麼黑洞學說和宇宙大爆炸學說也就喪失了物理方程的基礎。
為了解釋光譜線的精細結構與反常塞曼效應,泡利建議對於原子中的電子軌道態,除了已有的與經典力學量(能量、角動量及其分量)對應的三個量子數外應引進第四個量子數。這個量子數就是自旋,是表述基本粒子一種內在性質的物理量。量子力學中的量子場論,將相互作用的能量場也量子化了,帶來了計算的簡單,但將能量場數學化,抽象化了。
以量子力學為基礎,人類又發展了固體物理學、化學、材料科學、核物理學等,雷射、電子顯微鏡、原子鐘、醫學中的核磁共振、核武器及電子產品的發明和應用,上述學科的理論起到了很大作用。
我們再來說說電視信號和無線廣播用的天線及光的偏振,能幫助我們理解量子力學。天線是一種變換器,它把傳輸線上傳播的導行波,變換成在空氣中傳播的電磁波。接受信號,則是進行相反的變換。一般天線都具有可逆性,即同一天線,可以作為發射天線,也可以作為接收天線。作為發射或接收天線的基本參數是相同的,這就是天線的互易定理。天線的放置方式,有水平,垂直等。天線的極化,是指天線輻射時形成的電場強度方向。天線垂直放置時,電場強度方向垂直於地面時,形成的電波就是垂直極化波。天線水平放置時,電場強度平行於地面,形成的電波就稱為水平極化波。隨著新技術的發展,又出現了雙極化天線,一般分為垂直和水平極化和正負45度極化兩種方式。當天線為圓形時,還會形成圓極化波。通訊衛星中星9的信號還利用到左旋極化波和右旋極化波,其實也就是衛星天線高頻頭內的極化針左旋和右旋造成的。在中星9的高頻頭內有時還裝有塑料的極化片。一般天線或極化針的長度=1/4信號的波長,這樣信號的發射或接受的強度才高。接受天線(或極化針)的放置方向(水平、垂直或45度),必須與發射天線的放置方向(水平、垂直或45度)相同,這樣才能保障接收到的信號強度最大。接收衛星中星6B或亞洲7號衛星的信號時,衛星接收鍋上的圓柱形高頻頭的安裝角度是有要求的,即保障高頻頭內的極化針是水平或垂直的,否則接收到的信號質量會很弱,甚至完全接收不到信號。
太陽光及燈光是自然光,在垂直於傳播方向的平面內,包括一切方向的橫振動,且平均來說任一方向上具有相同的振幅。當自然光經過一個偏振片(只允許某個方向振動的光通過)後,就變成了偏振光。若再遇到一個透振方向相同的偏振片,該偏振光完全可以通過。旋轉第二個偏振片,通過的光的強度會減少。當兩個偏振片的透振方向垂直時,光全部被阻擋。
現在再回到量子的話題。最近的研究證明,量子相干和量子糾纏對量子來說具有操作等效性:在一個系統中,任何數量非零的相干都可以轉化為該系統和另一個初始非相干系統之間的等量糾纏。即在實際意義上,它們是等效的,只是概念上有所區別
量子相干性,或者說態之間的關聯性,1935年,根據一個假想試驗做出的一個預言:在高能加速器中,由能量生成的一個電子和一個正電子向相反的方向飛行。由於二者是由能量無中生有形成的,根據量子理論中的守恆定量,電子和正電子之間的自旋狀態是相反和關聯的,稱為量子相干性。光子糾纏,是將兩個光子通過一個BBO的非線性晶體,便得到了處於糾纏態的兩個光子,此處還是利用了光的偏振現象。
退相干,通俗的稱謂是波函數坍縮效應,是量子力學中引入的一種數學函數。是指原本連續分布的波函數概率幅,在經歷觀測之後瞬間退變為離散分布於某一特定點的函數。量子力學的正統哥本哈根派則認為人們使用觀測儀器觀測粒子時,會影響到微觀量子的狀態,使得量子處於某一本徵態,破壞掉量子之間的相干性。
既然量子相干和糾纏具有等效性,如果觀測造成退相干,那麼觀測也可以造成退糾纏。加上1970年才普遍意識到的量子脫散效應,顯然所謂的相干或糾纏是在特定的試驗儀器和試驗環境中才存在的現象,處於無限遠的兩個量子之間可以保持糾纏態,是經不起推敲的。糾纏態或相干態是非常脆弱的,測量儀器和環境都會破壞掉量子之間的糾纏態。
在我們正在試驗和研究的量子計算機中,量子的脫散效應和退相干是計算機面臨的技術難題。量子密鑰分配,主要利用偏振光之間的相干性。但光強較弱,,易被破壞,可靠性較低。在物理前沿量子領域,人的主觀能動性具有很大的生存空間。於是就有皇帝的新裝的故事上演。