大學(xué)物理講義量子物理

1、的量子世界科學(xué)院理論物理研究所科學(xué)院理論物理研究所繼往開來、與時(shí)俱進(jìn)的1.量子物理的先驅(qū)的“保守”派“邊界”,宏觀量子世界與未來技術(shù):2.量子2.3.量子與未來與原子激光:5.量子力學(xué)與廣義相對論的統(tǒng)一科學(xué)院理論物理研究所現(xiàn)代物理:無處不在原子、分子凝聚態(tài)信息現(xiàn)代科學(xué)的兩大支柱：光、電磁場原子核能源量子場論量子引力?大統(tǒng)一天體、宇宙起源科學(xué)院理論物理研究所黑洞超(對稱)弦?規(guī)范場、標(biāo)準(zhǔn)模型相對論核能、放射性超導(dǎo)晶體管、集成電路量子力學(xué)激光、光纖量子物理的先驅(qū)的光量子理論和光電效應(yīng)科學(xué)院理論物理研究所“”的前奏量子19世紀(jì)“統(tǒng)一”的經(jīng)典“落地”“月亮環(huán)地球”“電”經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)“磁”“熱，功”“分

2、子”科學(xué)院理論物理研究所統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)經(jīng)典物理學(xué)牛頓定律萬有引力量子理論誕生的思想脈絡(luò)科學(xué)院理論物理研究所等人力學(xué)矩陣意： 質(zhì)波物：原子有核模型原子光譜于量子躍遷：光具有量子性：光電效應(yīng)從黑體輻射到光電效應(yīng)：光和原子一樣也具有粒子性，光就是以光速C著的粒子流，他把這種粒子叫光量子。同的能量子一樣，每個(gè)光量子的能量也是Eh，根據(jù)相對論的質(zhì)能式，每個(gè)光子的動(dòng)量為pE/ch/意：物質(zhì)波科學(xué)院理論物理研究所光電效應(yīng)的意義從電動(dòng)門到火星探測器的光量子假說發(fā)展了所開創(chuàng)的量子理論。的理論還是堅(jiān)持電磁波在本質(zhì)上是連續(xù)的，只是當(dāng)它們與器壁振子發(fā)生能量交換時(shí)電磁能量才顯示出量子因斯坦對舊理論不是采取改良的態(tài)度，光的本

3、質(zhì)。他放棄量子假說的不徹底性，把量子性從輻射的引伸到光的本身，認(rèn)為光本身也是不連續(xù)的。的光量子假說恢復(fù)了光的粒子性，使人們終于認(rèn)清了光的波粒雙重性格，而且在它的啟發(fā)下，發(fā)現(xiàn)了意物質(zhì)波，使人們認(rèn)清了微觀世界的波粒二象性，為后來量子力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。科學(xué)院理論物理研究所易物質(zhì)波 E/hh/ p科學(xué)院理論物理研究所波動(dòng)力學(xué)方程,t ) =H (i= d量子物理的一次“盲人摸象”x(x ,)tdt| (x, t) |2量子力學(xué)科學(xué)院理論物理研究所從-原子有核模型到量子力學(xué)科學(xué)院理論物理研究所與波動(dòng)力學(xué)等價(jià)的矩陣力學(xué)量子力學(xué)的形式 對具有波動(dòng)性的微觀粒子而言, 坐標(biāo)Q 和動(dòng)量 P不再是實(shí)驗(yàn)上可觀測物

4、理量, 經(jīng)典軌道的概念不再成立 可觀測的光譜現(xiàn)象必須和兩個(gè)“軌道”有關(guān), 必須用兩個(gè)指標(biāo)描述力學(xué)量éxx .ùQ, P ¹ 0® 矩陣ê xx .úP,Qêêë.ú. .úûmnmn科學(xué)院理論物理研究所承上啟下的第五次Solvay會(huì)議(1927)“Electrons and photons” Quantum Theory “Quantum Wave Mechanics” - takes flight科學(xué)院理論物理研究所量子力學(xué)的世界圖景科學(xué)院理論物理研究所:經(jīng)典 空氣:著的分

5、Atomic constituents科學(xué)院理論物理研究所聽到“波的”=科學(xué)院理論物理研究所看到“波的”Electromagnetic waves科學(xué)院理論物理研究所科學(xué)院理論物理研究所粒子的雙縫實(shí)驗(yàn)粒子束粒子探測器科學(xué)院理論物理研究所粒子束科學(xué)院理論物理研究所粒子束單粒子探測科學(xué)院理論物理研究所？粒子束科學(xué)院理論物理研究所實(shí)際粒子的雙縫實(shí)驗(yàn)原子HitachiCarnal, Mlynek 1991科學(xué)院理論物理研究所物質(zhì)波的量子相干疊加y = C+001C 1rn shows upeIntensity patt科學(xué)院理論物理研究所經(jīng)典理論粒子由坐標(biāo)和速度兩個(gè)物理量表征速度位置科學(xué)院理論物理研究

6、所量子理論:粒子也是一種波動(dòng)科學(xué)院理論物理研究所位置精確知道粒子在哪里,但不知速度為?位置不知道粒子在哪里, 卻能精確計(jì)算速度科學(xué)院理論物理研究所不確定:常量DX DP % =科學(xué)院理論物理研究所奇妙的波函數(shù):“光子球”一個(gè)光年科學(xué)院理論物理研究所為什么與狹義相對論沒有?對在A的粒子測量動(dòng)量，塌縮到平面波|K>上，只可以以一定的概率，在與A粒子.類空的B發(fā)現(xiàn)不通常意義下的超光速和因果破壞。目前對一些誤稱為“超光速”的現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)模糊均在于此.科學(xué)院理論物理研究所:量子的“保守”派:-關(guān)于量子力學(xué)基礎(chǔ)的爭論Vs.科學(xué)院理論物理研究所量子測量:解釋中子:一旦通過測量發(fā)現(xiàn)中子是沿著哪條路路徑到達(dá)

7、屏上，條紋將不復(fù)?？茖W(xué)院理論物理研究所量子力學(xué)的互補(bǔ)性原理complementarity物質(zhì)具有波粒二象性(光具有粒子性，粒子具有波動(dòng)性), 但在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中二者不能同時(shí)出現(xiàn)DP % = / DX不確定動(dòng)量不可導(dǎo)致DX 的擾動(dòng)科學(xué)院理論物理研究所-的爭論是發(fā)展量子力學(xué)的重要推動(dòng)力盡管量子力學(xué)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，在解釋一系列實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上取得了完全，但是從它誕生的時(shí)刻開始，對它的物理解釋和理解就不同的意見和爭論。一批為量子力學(xué)的發(fā)展作出過重要貢獻(xiàn)的家，如、薛定格等始終懷疑量子力學(xué)，認(rèn)為它不是最終的理論，而另一批家以、為首則持完全相反的意見?？茖W(xué)院理論物理研究所爭論的焦點(diǎn) 爭論的焦點(diǎn)在于波函數(shù)的解釋，它是

8、不是物理的實(shí)在？ 如理解Born提出的波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋？ 量子力學(xué)能否對物理完整的描述？ 量子力學(xué)是最終的現(xiàn)象性理論？的狀態(tài)和過論還是階段性的科學(xué)院理論物理研究所質(zhì)疑哥本解釋的理想實(shí)驗(yàn):現(xiàn)實(shí)的當(dāng)代實(shí)驗(yàn)Nature, 395,33(1998)不可控動(dòng)量擾動(dòng)不是退相干的唯一科學(xué)院理論物理研究所質(zhì)疑帶來 的“意外收獲”雖然迄今為止的實(shí)驗(yàn)證明了量子力學(xué)的正確，沒有達(dá)到的目的，但是沿著這個(gè)方向的研究取得了意料之外的新進(jìn)展，如玻色-凝聚.和科學(xué)相結(jié)合開辟了量子力學(xué)應(yīng)用的新領(lǐng)域，如量子量子計(jì)算等。、量子傳遞、科學(xué)院理論物理研究所EPR佯謬為了說明量子力學(xué)的備性，1935年AlbertEinstein,Pod

9、olsky,andNathanRosen提出EPR佯謬。在彼此糾纏而空間的兩個(gè)量子態(tài)之間，會(huì)出傳遞?現(xiàn)非局域的相互作用或超光速的科學(xué)院理論物理研究所雙粒子的相干性量子糾纏(quantum Entanglement)“超光速”通訊？時(shí)否否！科學(xué)院理論物理研究所量子離物傳態(tài)(Teleportation)½Bell ñ經(jīng)典通道PRL 70, 1895 (1993)Bob½? ñ½y ñ= a ½0 ñ+ b½1 ñ科學(xué)院理論物理研究所量子通訊演示：Teleportation科學(xué)院理論物理研究所什么是量

10、子？量子以量子力學(xué)基本原理為基礎(chǔ)、充分利用量子相干性的獨(dú)特性質(zhì)（如量子并行、量子糾纏和量子不可克?。⑻饺碌姆绞竭M(jìn)行計(jì)算、編碼和傳輸?shù)目赡苄詫W(xué)量子力學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)論科學(xué)院理論物理研究所為什么需要量子？yMore定律:18CPU速度加倍量子計(jì)算：計(jì)算機(jī)歷史發(fā)展的必然科學(xué)院理論物理研究所什么是量子？經(jīng)典比特量子比特二能級系統(tǒng)01量子態(tài)0 or 1科學(xué)院理論物理研究所原子：一個(gè)基本的量子比特激發(fā)態(tài)p脈沖基態(tài)原子核State |0>State |1>State |0> + |1>科學(xué)院理論物理研究所奇妙的量子相干疊加及其量子糾纏:Entanglement量子并行:一個(gè) 2,00

11、0 量子計(jì)算機(jī) =一個(gè)宇宙的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)科學(xué)院理論物理研究所數(shù)據(jù)的量子態(tài)的表示任一個(gè)十進(jìn)制數(shù)唯一的二進(jìn)制表示:N = al-1al-2 . a1a0 , aj Î (0,1)=| al -1al -2 "a0ºal -1Ä al -1Ä"Ä a0| n5 =>=1 ´0+| Ä´1+´ 2­>21202| ­5>| ¯>|Ä科學(xué)院理論物理研究所量子計(jì)算：用Qubit對Qubit表示十進(jìn)制數(shù)正變換進(jìn)行基本操作測量Qubit讀出

12、結(jié)果類比:經(jīng)典計(jì)算中的邏輯門基本操作科學(xué)院理論物理研究所物理實(shí)現(xiàn):離子量子計(jì)算|0ñ40nm|1ñY=0科學(xué)院理論物理研究所量子計(jì)算的原理與n 比特輸入計(jì)算復(fù)雜性比較2,000 個(gè)比特量子計(jì)算機(jī) =宇宙的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)400位數(shù)字的 素因子分解:經(jīng)典計(jì)算機(jī)：十億年, 步數(shù)： s(n) = ekn量子計(jì)算機(jī)：一 步數(shù)s(n) = P(n)科學(xué)院理論物理研究所ClassicalQuantumFactoringOe ( nlog) n1/32/3O( n)Î O (leog )nElliptic Curve Discrete LogarithmseO ( )nO( n)&#

13、206; O (leog )n經(jīng)典物理和量子物理的(?)科學(xué)院理論物理研究所宏觀物體是否量子相干性？碳60大分子實(shí)驗(yàn)1.常規(guī)情況下不，宏觀物體的物質(zhì)波長小于物體的尺度或2.情況下，如果有辦法使組元個(gè)體協(xié)調(diào)一致科學(xué)院理論物理研究所貓佯謬ErwinSchroedinger也提出了Schroedinger貓的假想試驗(yàn)。將貓和放射源放入密室中，一旦放出射線，貓將死去。貓和放射源是一整體，放射源處于衰變和未衰的疊加，因而貓也處于與活著狀態(tài)的疊加。這和日常經(jīng)驗(yàn)相科學(xué)院理論物理研究所貓佯謬的可能解外部環(huán)境或內(nèi)部度導(dǎo)致相干性破壞科學(xué)院理論物理研究所玻色-凝聚(1924)S. Bose熱的物質(zhì)波波長d超流-d科

14、學(xué)院理論物理研究所玻色-凝聚的機(jī)制lD aHigh temperature (T>Tc):alDLow temperature (T<Tc):lDu a相干重疊形成整體:宏觀原子lDa科學(xué)院理論物理研究所超低溫世界溫度300+81廣州的冬天 200絕對溫度(Kelvin)100-99Record low (Antartica)Fahrenheit (degrees)-269 Air liquifies Triton Outer space (3K) 0-460Absolute zero all motion stops科學(xué)院理論物理研究所 溫度物質(zhì)波波長microns300 K300m/s1x10-5Rb300 mK30cm/s0.01300 nK1cm/s1E-coliRb激光冷卻Acceleration 100 000 gs!科學(xué)院理論物理研究所MagnetsLasers科學(xué)院理論物理研究所玻色-凝聚的實(shí)現(xiàn)(1995)科學(xué)院理論物理研究所激光原理,1917從CD到激光無所不在科學(xué)院理論物理研究所原子“激光”相干