量子力学的建立使人类对世界的认识从宏观深入到微观，是近400年现代科学发展史上一个革命性飞跃。20世纪50年代，人们在量子力学的基础上发明了晶体管，后来就有了电子计算机、互联网，以及今天的信息社会。进入21世纪，量子科技已经成为社会发展不可缺少的一部分，成为全面支撑国家经济社会发展的重要力量。

　　自从量子概念问世以来，量子科学已经先后孕育出原子弹、激光、磁共振等技术，成为20世纪最重要的科学发现之一，同时被后世称为第一次量子科技革命。进入21世纪，量子科技革命的第二次浪潮即将来临。2020年10月16日，习近平总书记主持中共中央政治局专门对量子科技研究和应用前景进行集体学习，要求充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，量子科技不再仅仅是一个学术热点，而是进入产业发展阶段，量子计算、量子通信和量子测量等一批新兴技术逐渐走进人们的视野。追根溯源，量子科技的发展与其背后的量子理论紧密相关，量子论的诞生是后续一系列量子技术发展的基础和核心。

　　旧量子论的诞生

　　●黑体辐射和量子论的诞生

　　旧量子论，开始于德国物理学家普朗克(Max Planck)对黑体辐射的研究。黑体是一个理想的物体，对从各方向射来的各种频率的辐射都能百分之百地吸收，它可由壁周围皆处于同一温度下的腔体内部来实现。黑体辐射是1900年经典物理(牛顿力学、麦克斯韦电动力学、热力学与统计物理)所无法解决的几个难题之一。

　　旧理论导出的黑体辐射谱会产生发散困难，与实验不符。普朗克的辐射公式在当时是根据对黑体辐射谱分析的精细实验数据凑出来的半经验定律，得不到合理的理论解释，唯一可以对这个公式作出合理解释的是普朗克的一个大胆假说：物体在发射辐射和吸收辐射时，能量是不连续变化的，而是以一定数量值的整数倍跳跃式变化。普朗克称能量变化的最小单元为“能量子”(E=hv，v为能量对应的频率，普朗克常数h=6.625×10-34J·S)。“能量子”概念认为黑体由大量振子组成，每个振子的能量是振子频率的整数倍，这样导出的黑体辐射谱与实验完全符合。1900年12月14日，普朗克向德国物理学会宣读了一篇题为《关于正常光谱的能量分布定律的理论》的论文，报告了他的这个大胆假说，标志着量子论的正式诞生。

　　●爱因斯坦的光量子论和光电效应

　　对黑体辐射这个简单体系的精确而深入的研究给物理学带来了根本变革。第一个把量子概念认真贯彻下去并努力加以发展，使整个物理界认识到它的重要性的是德国物理学家爱因斯坦(Albert Einstein)。1905年3月，爱因斯坦写的一篇题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文指出，关于光的产生和转化的瞬时现象，波动论的结论同经验不相符，为解释这一现象，他提出了“光量子”概念，同普朗克的能量子一样，每个光量子的能量也是E=hv，根据相对论的质能关系式，每个光子的动量为p=E/c=h/λ(c为光速，λ为光对应的波长)。根据光量子假说，爱因斯坦顺利地推出普朗克公式，还提出了一个光电效应公式Ek=hv-W0(h为普朗克常量，v为入射光频率，W0为逸出功)。公式指出，金属中的电子在飞出金属表面时要克服原子核对它的吸引而做功。某种金属中的不同电子脱离这种金属所需的功不一样，使电子脱离某种金属所做的功的最小值叫作这种金属的逸出功。

　　爱因斯坦对光电效应的光量子的解释不仅推广了普朗克的量子理论，还为丹麦物理学家玻尔(Niels Bohr)的原子理论和的法国物理学家德布罗意(Louis de Broglie)的物质波奠定了基础。光电效应实现了从光信号到电信号的转变以及光能向电能的转变，一直都是生产中很重要的原理。例如，手机的自动感光调整亮度、相机中的电荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)、太阳能电池等都基于这个原理。

　　●玻尔的原子结构理论和波粒二象性

　　原子论的概念在古希腊时期就曾经被提出，它使得纷繁复杂的自然现象能够得到统一的解释，能够将宏观的东西归结为微观的东西，也就是原子概念的提出。1897年，英国物理学家汤姆逊(Joseph J. Thomson)在研究阴极射线的时候发现原子中还有电子的存在，打破了“原子不可分”的理念。他当时勾勒出的原子的图样为：原子呈球状，带正电荷，电子带有负电荷镶嵌在原子核上。直到1910年，英国物理学家卢瑟福(Ernest Rutherford)和他的学生们进行了一个名垂青史的试验，最终确立了原子模型，也就是用α粒子来轰击一张很薄的金箔，试验结果显示有少数α粒子散射角度非常大，超过了90°。卢瑟福判断α粒子被反弹超过90°肯定是与原子内部的原子核发生了碰撞，而只有一小部分α粒子散射角度大于90°，说明核所占据的地方应该很小，也就有了新原子图样：一个带正电的原子核位于原子的中心，在这个原子核的四周，带负电的电子沿特定的轨道绕着核运行，类似于天体中的星系统模型。这个新系统模型看起来完美，但对当时经典电磁理论来说完全不符合。当时公认的经典电磁理论(麦克斯韦理论)提到：加速运动的电荷(电子)必然会不可避免地辐射出能量，导致电子会不断地失去能量而无法保持在原轨道上运动，从而导致原子体系的崩塌。

　　在这个历史背景下，1912年7月玻尔登上了历史的舞台，完成了他在原子结构模型方面的第一篇论文。1913年，他又发表了3篇量子理论发展史上划时代的论文《单原子核体系》《多原子核体系》《论原子和分子的构造》，旧量子理论时期从此来临。玻尔指出，原子中的核外电子只能在一些特定的圆周轨道上运动。电子在这些轨道上运行时既不会吸收能量也不会发射能量，而是处于一种稳定的状态，玻尔称之为“定态”。电子可以从一个高能量的轨道跃迁到一个低能量的轨道，这时电子就会以光子的形式发射能量;反之，如果电子从一个低能量的轨道跃迁到一个高能量的轨道，它就必须吸收光子。总之，电子只能在特定的轨道上运动，或在不同轨道间跃迁，而不能处在轨道外的任何地方。玻尔的理论成功解释了电子围绕原子核运动却又不至于坍塌到原子核上面，原子的光谱线和能级分裂也得到了合理的解释。

　　波粒二象性指的是所有的粒子都既具有粒子性，又具有波动性。光的粒子说在牛顿时代就得以确立，牛顿认为光由光子组成，但是杨氏双缝干涉实验中观测到了明确的干涉图样表明，经典的光的粒子理论无法合理解释这个干涉图案。自此，大多数科学家开始接受了光的波动观。1887年，德国物理学家赫兹(Heinrich Hertz)实验证明了麦克斯韦方程组所预言的电磁波的存在，经典电磁理论就此建立起来了。麦克斯韦方程组作为经典电磁理论的核心横跨了从无线电波到γ射线的整个电磁波频段。可见光只是其中的一个频段，光的波动理论也因此彻底确立。

　　量子力学的建立

　　●薛定谔方程

　　光的波动理论确立后，德布罗意提出了德布罗意物质波的概念，它的提出在当时是很大胆的，爱因斯坦对这个提出给予了很高的评价，并且引用在自己的论文中。奥地利物理学家薛定谔(Erwin Schrödinger)就是通过爱因斯坦发表的论文初次了解到物质波的概念并且产生浓厚兴趣。薛定谔认为，既然是波就一定会有一个相对应的波动方程，于是他在1926年发表了一个计算德布罗意物质波传导的方程式，也就是后世所称赞的薛定谔方程：

　　薛定谔当时利用这个方程计算出了氢原子中的电子能量，其结果与玻尔通过量子化条件得到的结果一致。薛定谔方程后来被广泛地用于原子物理、核物理和固体物理。薛定谔方程是量子力学的基本方程，是一个非相对论的波动方程，是描述微观世界运动法则的基本理论。它反映了描述微观粒子的状态随时间变化的规律，在量子力学中的地位相当于牛顿定律对于经典力学一样，是量子力学的基本假设之一。

　　●测不准原理

　　尽管玻尔认识到电子的运动轨道是量子化的，即电子远离或者靠近原子核时的真实情况应该是呈梯度变化的，而不是连续变化的，但他并没有完全摆脱经典物理学概念的束缚，把电子与宏观世界中的物体等同看待，以为它们在运动中有完全确定的轨道，而这与实际情况并不相符。当时最让人们困惑的一个问题是，尽管玻尔的理论可以预言氢原子的光谱频率，并且与观察结果相一致，但是这些频率与玻尔所假设的电子环绕原子核运动的轨道频率以及它们的倍频都不相同。针对这些令人困惑的量子问题，德国物理学家海森堡(Werner K. Heisenberg)认为，既然电子没有轨道，那么通常的位置和速度描述将不再有意义，必须利用新的描述量来建立理论。于是，测不准原理就诞生了。

　　测不准原理也就是不确定性原理，也称为测不准关系或者不确定关系。1927年3月底，海森堡发表了一篇题为《关于量子论的运动学和力学的直觉内容》的论文，分析了粒子的位置、速度、轨道、能量等基本概念，提出了“测不准关系”，可描述为：对于一个粒子的位置(x)所测量得的数值的不确定性(即误差△x)，同对它的动量(p)所测量得的数值的不确定性(即△p)的乘积和普朗克常数(h)是同一数量级，即△x •△p ≈ h

　　它的意义可解释为电子位置的不确定度和动量的不确定度的乘积必须大于一个常数。测不准原理不能称为定理，因为如果一个物理规律是不可被推导或被数学证明的，通常我们称之为原理。但是，在历史上，测不准关系多次被推导出来，所以实际上它是自然界的一个基本数学准则，是自然界的本质特征之一，它确定了数学方程中成对出现的所谓正则共轭变量必然要受到的限制，即鱼和熊掌不可兼得。

　　量子科技的发展

　　近年来，以量子理论为基础，量子科技发展突飞猛进。第一次量子技术革命是从认识量子世界、发现量子效应到发展量子技术应用。信息时代的关键核心技术，如原子弹、半导体晶体管、激光器、硬盘、全球定位系统(GPS)等都是第一代量子技术的具体应用。

　　●原子弹

　　1905年，爱因斯坦首次提出狭义相对论的概念，并从洛伦兹变换中推导出了质能方程，揭示了质量和能量之间的转换关系。1939年，德国科学家哈恩(Otto Hahn)和施特拉斯曼(Fritz Strassmann)在用慢中子轰击铀核时，首次发现原子核的裂变现象，验证了爱因斯坦的狭义相对论的概念。原子弹正是利用了这个原理创造出来的，成为当时的新型武器。1945年，第一颗原子弹在美国试爆成功，开创了人类利用原子能的新时代。

　　●晶体管

　　量子力学的能带理论很好地解释了处于导体和绝缘体之间的半导体的性能原理，是晶体管运行的物理基础，晶体管是各种各样芯片的基本单元。1947年，美国贝尔实验室的肖克利(William Shockley)、巴丁(John Bardeen)和布拉顿(Walter Brattain)依据量子理论知识制作出了第一个实用的半导体设备——晶体管，它可以使通过它的电压变化成比例地影响输出电流的变化，从而具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能，而且晶体管的尺寸可以做到很小，从而渐渐取代了尺寸大、响应时间较慢的真空管。它开启了整个集成电路领域，也就是现在的微电子领域。

　　●激光器

　　激光理论最早可以追溯到1917年爱因斯坦对光电效应的进一步研究，他提出了光与物质的相互作用有受激吸收、受激辐射和自发辐射等3个过程。1953年，美国物理学家汤斯(Charles H. Townes)和他的学生美国物理学家阿瑟•肖洛(Arthur L. Schawlow)根据这个原理制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958年，汤斯和肖洛把微波激射器的原理扩大到光谱段，提出了激光的概念和激光器的第一个理论方案。1960年，美国物理学家梅曼(Theodore H. Maiman)发明了第一台光的受激辐射放大装置，即激光器。激光器发出的光质量纯净、光谱稳定，可以在很多方面被应用，如各类信息扫描、光纤通信、激光测距、激光雷达、激光唱片、激光指示器、超市收款等，新的应用还在不断被开发和普及。激光凭借其他光源不可比拟的单色性和准直性，成为目前最主要的光源之一。

　　如今，我们已经进入第二次量子技术革命时代，是通过主动人工设计和操控量子态发展量子技术和应用，并由量子理论成功衍生出量子计算机、量子密码、量子通信、量子精密测量等一系列尖端科技。量子科技发展具有重大科学意义和战略价值。量子科技可以看作是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术的创新。它有可能是新一轮科技革命乃至产业变革的前奏。

本文来自《张江科技评论》