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量子简史(1672——2021),从一个光子说起

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在这篇文章中,我总结了迄今为止在量子历史上发生的所有主要/次要事件,以及可能的,在不远的将来会发生的一些事件。首先要记住的是,量子力学的历史并不是一条笔直的道路,它有过转折,也不是静态的。它是一个动态的、不断发展的研究领域,这就需要不时地更新这个历程。

前量子时代(16世纪-20世纪初)

量子物理学的早期是以经典力学、原子结构解释和电磁学来解释量子现象的。牛顿、惠更斯、杨、麦克斯韦等人做出了重要贡献。

在很早的时期,该领域的发展以两种光的理论为标志--牛顿的(微粒说)和惠更斯的(波浪理论)。

  • 1672年——牛顿提出了光的微粒理论,认为光是由粒子组成的。
  • 1678年——惠更斯提出他的光的波浪理论来挑战牛顿。
  • 1801年——托马斯-杨进行了双缝实验,确定了光作为一种波的存在,从而推翻了牛顿的粒子理论。
  • 1807年——艾蒂安-路易斯-马卢斯发现了光的偏振现象。
  • 1815年——大卫-布鲁斯特用数学方法描述了光的偏振。
  • 1819年——菲涅尔-阿拉戈(Fresnel-Arago )偏振干涉定律在菲涅尔的回忆录中发表。
  • 1821年——菲涅尔提出了黑体的概念。

奥斯特( Oersted)对电磁学的发现开始了一连串的电动力学实验,最终导致了麦克斯韦方程的发现。

  • 1821年——汉斯-克里斯蒂安-厄斯特德( Hans Christian Ørsted)发现了电磁的存在,证实了电和磁之间的直接关系。
  • 1823年——安培完善了奥斯特的发现并提出了安培定律。
  • 1860年——古斯塔夫-基尔乔夫(Gustav Kirchoff)提出了 "黑体辐射(black-body radiation) "这一术语。
  • 1865年——麦克斯韦提出了他的电动力学理论,从而将光确立为一种电磁波。他将光的传播媒介描述为 "以太"。
  • 1887年--A.A. Michelson和Edward W. Morley在他们著名的Michels-Morley实验中未能检验出发光的乙醚,从而确定了不存在任何光的传播媒介。
  • 1892-1906年——亨德里克-洛伦茨发展了洛伦茨以太理论。

在19世纪末,物理学家们对原子的物理学感到惊叹。全世界科学界的焦点转移到发现原子内部的结构。在这一时期,亚原子粒子、原子结构和放射性的概念开始出现。

  • 1887年——海因里希-赫兹在研究无线电波时发现了光电效应。
  • 1895年——威廉-伦琴意外地发现了X射线。
  • 1896年——亨利-贝克勒尔发现了铀的放射性。
  • 1896年——佩特-塞曼发现了现在所谓的塞曼效应,即在磁场影响下光谱线的存在。
  • 1897年——J.J.汤姆森发现了电子;基于他的发现,提出了他的 "梅花糕模型 "的原子。

量子力学的引入(20世纪初至20世纪中叶)

随着19世纪的到来,一个名为量子力学的新物理学领域开始崛起。这一新理论解决了以前牛顿时代未解决的物理问题。所有这些都始于马克斯-普朗克对黑体辐射的解释,他称之为 "量子理论 "的理论。今天,马克斯-普朗克被铭记为 "量子力学之父"。这一时期出现了一些有史以来最著名的物理学家,包括阿尔伯特-爱因斯坦(尽管他因其概率行为而反对量子力学)、马克斯-普朗克、尼尔斯-玻尔、埃尔温-薛定谔、保罗-狄拉克、维尔纳-海森堡等人。

  • 1900年——马克斯-普朗克提出普朗克辐射定律来解释黑体的辐射发射。他还提出了光子的量子化,即现在著名的方程式E=hν。因此,量子力学诞生了。
  • 1902年——亨德里克·洛伦兹通过洛伦特以太理论解释了塞曼效应。
  • 1905年--阿尔伯特-爱因斯坦解释了光电效应,他将光视为粒子,因此提倡牛顿的微粒理论。他还向世界介绍了狭义相对论。
  • 1909年——恩斯特-卢瑟福进行了α射线散射实验(又称金箔实验),提出了原子核的概念。
  • 1909年——杰弗里-泰勒证明了单光子干涉模式的形成,从而重新引发了超过两个世纪的牛顿-惠更斯辩论。
  • 1913年——约翰内斯-斯塔克发现了斯塔克效应,即类似于塞曼效应的电场现象。
  • 1913年——尼尔斯-玻尔介绍了他的原子模型并提出了原子半径量化的理论。
  • 1915年——爱因斯坦提出了广义相对论和爱因斯坦场方程(见量子场理论)。
  • 1916年——爱因斯坦在理论上指出普朗克的能量量子存在类似粒子的动量。
  • 1916年--阿诺德-萨默菲尔德(Arnold Sommerfeld)提出了原子亚壳层的概念,从而扩展了玻尔的原子理论。
  • 1918年——恩斯特-卢瑟福发现了原子中的质子(并创造了这个词)。
  • 1921年——西奥多-卡卢扎发表卡卢扎理论( Kaluza Theory )(第一个与量子场论相关的理论)。

在之前的发现和以量子和相对论为首的科学发现的突然繁荣之后,一个新的物理学领域——量子力学的形式化变得清晰起来。玻尔,海森堡,薛定谔从20世纪20年代开始发展这种正式化,很快马克斯·玻恩,保罗·狄拉克和约翰·冯·诺伊曼等人加入了这个行列。

  • 1922年——阿瑟-康普顿发现了康普顿效应。
  • 1922年——奥托-斯特恩和瓦尔特-格拉赫进行了斯特恩-格拉赫实验,由此证明了自旋的量化。
  • 1923年——路易斯·德布罗意假设波粒二象性,假设德布罗意波长λ=h/mv。
  • 1924年——沃尔夫冈·泡利用电子的内部角动量的概念解释了光谱线的精细结构。
  • 1925年——乔治·乌伦贝克和塞缪尔·古德斯密特提出了电子自旋的存在。
  • 1925年——海森堡、玻恩和帕斯卡尔-乔丹提出了量子物理学的矩阵力学表述。
  • 1925年——弗雷德里克-洪德在理论上提出了原子中最大多重性原理,现在被称为洪德规则。
  • 1926年——埃尔温-薛定谔提出薛定谔波方程,这是量子力学中最重要的方程。
  • 1926年——奥斯卡-克莱因通过整合海森堡和薛定谔创建的量子力学来解释卡卢扎假说(关于量子引力的最早想法之一)。
  • 1927年——维尔纳-海森堡发表文章介绍海森堡不确定性原理:Δp·Δx≥h/4π。
  • 1927年——索尔维会议,提出了量子力学的哥本哈根解释。
  • 1928年——保罗-狄拉克建立了量子力学的狄拉克方程。
  • 1929年——奥斯卡-克莱因预测了克莱因悖论,即量子隧穿效应。
  • 1930年——保罗-狄拉克假设了正电子。
  • 1930年——保罗-狄拉克提出空穴理论( Hole Theory)(也叫狄拉克海模型)。
  • 1932年——约翰-冯-诺伊曼从厄米特算子和线性代数的角度描述了量子力学的数学基础。

量子力学的兴起(20世纪中期-20世纪后期)

随着量子力学的基础工作和数学的建立,物理学家试图完成以前不完整的原子图,并在这个过程中发现了新的粒子。因此,开始了对粒子物理学的探索,而这一探索是由J.J.汤姆森开始的。关键的物理学家包括理查德-费曼。

  • 1932年——詹姆斯-查德威克发现了原子中的中子。
  • 1932年——卡尔-D-安德森发现了正电子。
  • 1935年——爱因斯坦、波多尔斯基和罗森发表了开创性的EPR悖论论文,他们在论文中挑战了量子力学的完整性,支持隐变量理论(见玻姆解释)。
  • 1935年——薛定谔提出了著名的薛定谔的猫思想实验,展示了量子叠加的意义。
  • 1936年——卡尔-安德森发现了μ介子(muon)。
  • 1939年——奥托-哈恩和弗里茨-斯特拉斯曼发现铀的核裂变。

在二战的阴影下,罗伯特-奥本海默等人领导了曼哈顿计划。世界的焦点从科学转向武器,这一时期发明了原子弹、氢弹和其他热核武器。同时,对量子力学的许多不同解释开始发展,新兴的粒子物理学领域引起了物理学家的注意。与此同时,量子场理论领域的工作也在继续,量子计算机的概念也首次被理论化。

  • 1942-1945年——奥本海默发现了量子隧穿。
  • 1945年——惠勒和理查德-费曼提出惠勒-费曼理论。
  • 1948年——朝永振一郎和施温格在量子场论的方法中提出了重正化理论。
  • 1948年——理查德-费曼介绍了量子力学的路径积分表述,并提出了费曼图的概念。
  • 1949年——弗里曼-戴森发明了戴森级数。
  • 1952年——大卫-玻姆提出了量子力学的玻姆解释(也称为隐变量理论和试验波理论)。
  • 1952年--沃尔夫冈-保罗(不要与沃尔夫冈·泡利混淆)发明了离子阱(后来用于离子阱量子计算)。
  • 1956年——吴健雄进行了吴氏实验,证明弱相互作用中的宇称不守恒(parity violation )。
  • 1957年——休-埃弗雷特提出了量子力学的多世界解释。
  • 1961年——Clauss Jönsson进行了电子的双缝实验,确立了波粒二象性是量子力学的基本属性。
  • 1963年——尤金-维格纳为量子力学中对称性的发展奠定了基础。
  • 1964年——约翰-斯图尔特-贝尔提出贝尔不等式(又称贝尔定理),以推翻量子力学中的隐变量理论,解决了EPR "悖论"。
  • 1971年——马丁努斯-J-G-维特曼和杰拉杜斯-特霍夫特预测胶子的存在。
  • 1982年——理查德-费曼在他的论文《用计算机模拟物理学》中介绍了量子计算机的概念。

量子应用(20世纪末-现在)

随着费曼提出在量子硬件上模拟量子现象的想法,建立量子应用的竞赛变得更激烈。这一时期,伴随着新的量子协议硬件实现,以及量子算法的发明。同时,在理论物理学领域出现了名为超弦理论和M理论的新理论。

  • 1994年——彼得-肖尔发明了肖尔算法,该算法有可能打破现代的RSA密码学。
  • 1995年——爱德华-威滕提出了M理论,重新审视了一个被抛弃的理论,弦理论。
  • 1997年——两个研究小组通过实验实现了量子隐形传态。
  • 1998年——艾萨克-庄、尼尔-格申菲尔德和马克-库比内克创造了第一台量子计算机,可以接受一个输入并输出一个解。

建造量子计算机的竞赛开始了,由谷歌和IBM这样的科技巨头带头。人们更加重视量子现象的应用。同时,新的物理学路线发展起来,寻求将量子力学与引力合并为量子引力,寻求量子力学和弦理论的不同方法。

  • 2000年--大卫-P-迪文森佐概述了创造量子比特的迪文森佐标准。
  • 2012年——欧洲核子研究中心的大型强子对撞机在实验中证明了希格斯玻色子(俗称 "上帝粒子")的存在。
  • 2014年——科学家们通过量子隐形传态在10英尺的距离内传输数据,错误率为零。
  • 2016年--IBM推出基于云的平台IBM量子体验。
  • 2019年——谷歌凭借其Sycamore量子处理器宣称量子霸权。
  • 2020年——谷歌人工智能在超导量子计算机上模拟了哈特里-福克方程,说明了量子在化学问题上的优势。
  • 2021年--费米实验室在实验中观测到muon介子的反常磁矩。

至此,我们完成了量子发展的时间表(尚未完成)。但是,正如我们所说的,这是一个动态的列表,随着更多的发展出现和我们对宇宙最小尺度的认识的扩大,这个列表会不断地被更新。

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