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量子簡史(1672——2021),從一個光子說起

 老胡說科學 2021-10-11
在這篇文章中,我總結了迄今為止在量子歷史上發(fā)生的所有主要/次要事件,以及可能的,在不遠的將來會發(fā)生的一些事件。首先要記住的是,量子力學的歷史并不是一條筆直的道路,它有過轉折,也不是靜態(tài)的。它是一個動態(tài)的、不斷發(fā)展的研究領域,這就需要不時地更新這個歷程。

前量子時代(16世紀-20世紀初)

量子物理學的早期是以經(jīng)典力學、原子結構解釋和電磁學來解釋量子現(xiàn)象的。牛頓、惠更斯、楊、麥克斯韋等人做出了重要貢獻。
在很早的時期,該領域的發(fā)展以兩種光的理論為標志--牛頓的(微粒說)和惠更斯的(波浪理論)。
  • 1672年——牛頓提出了光的微粒理論,認為光是由粒子組成的。
  • 1678年——惠更斯提出他的光的波浪理論來挑戰(zhàn)牛頓。
  • 1801年——托馬斯-楊進行了雙縫實驗,確定了光作為一種波的存在,從而推翻了牛頓的粒子理論。
  • 1807年——艾蒂安-路易斯-馬盧斯發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象。
  • 1815年——大衛(wèi)-布魯斯特用數(shù)學方法描述了光的偏振。
  • 1819年——菲涅爾-阿拉戈(Fresnel-Arago )偏振干涉定律在菲涅爾的回憶錄中發(fā)表。
  • 1821年——菲涅爾提出了黑體的概念。
奧斯特( Oersted)對電磁學的發(fā)現(xiàn)開始了一連串的電動力學實驗,最終導致了麥克斯韋方程的發(fā)現(xiàn)。
  • 1821年——漢斯-克里斯蒂安-厄斯特德( Hans Christian ?rsted)發(fā)現(xiàn)了電磁的存在,證實了電和磁之間的直接關系。
  • 1823年——安培完善了奧斯特的發(fā)現(xiàn)并提出了安培定律。
  • 1860年——古斯塔夫-基爾喬夫(Gustav Kirchoff)提出了 "黑體輻射(black-body radiation) "這一術語。
  • 1865年——麥克斯韋提出了他的電動力學理論,從而將光確立為一種電磁波。他將光的傳播媒介描述為 "以太"。
  • 1887年--A.A. Michelson和Edward W. Morley在他們著名的Michels-Morley實驗中未能檢驗出發(fā)光的乙醚,從而確定了不存在任何光的傳播媒介。
  • 1892-1906年——亨德里克-洛倫茨發(fā)展了洛倫茨以太理論。
在19世紀末,物理學家們對原子的物理學感到驚嘆。全世界科學界的焦點轉移到發(fā)現(xiàn)原子內部的結構。在這一時期,亞原子粒子、原子結構和放射性的概念開始出現(xiàn)。
  • 1887年——海因里希-赫茲在研究無線電波時發(fā)現(xiàn)了光電效應。
  • 1895年——威廉-倫琴意外地發(fā)現(xiàn)了X射線。
  • 1896年——亨利-貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性。
  • 1896年——佩特-塞曼發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)在所謂的塞曼效應,即在磁場影響下光譜線的存在。
  • 1897年——J.J.湯姆森發(fā)現(xiàn)了電子;基于他的發(fā)現(xiàn),提出了他的 "梅花糕模型 "的原子。

量子力學的引入(20世紀初至20世紀中葉)

隨著19世紀的到來,一個名為量子力學的新物理學領域開始崛起。這一新理論解決了以前牛頓時代未解決的物理問題。所有這些都始于馬克斯-普朗克對黑體輻射的解釋,他稱之為 "量子理論 "的理論。今天,馬克斯-普朗克被銘記為 "量子力學之父"。這一時期出現(xiàn)了一些有史以來最著名的物理學家,包括阿爾伯特-愛因斯坦(盡管他因其概率行為而反對量子力學)、馬克斯-普朗克、尼爾斯-玻爾、埃爾溫-薛定諤、保羅-狄拉克、維爾納-海森堡等人。
  • 1900年——馬克斯-普朗克提出普朗克輻射定律來解釋黑體的輻射發(fā)射。他還提出了光子的量子化,即現(xiàn)在著名的方程式E=hν。因此,量子力學誕生了。
  • 1902年——亨德里克·洛倫茲通過洛倫特以太理論解釋了塞曼效應。
  • 1905年--阿爾伯特-愛因斯坦解釋了光電效應,他將光視為粒子,因此提倡牛頓的微粒理論。他還向世界介紹了狹義相對論。
  • 1909年——恩斯特-盧瑟福進行了α射線散射實驗(又稱金箔實驗),提出了原子核的概念。
  • 1909年——杰弗里-泰勒證明了單光子干涉模式的形成,從而重新引發(fā)了超過兩個世紀的牛頓-惠更斯辯論。
  • 1913年——約翰內斯-斯塔克發(fā)現(xiàn)了斯塔克效應,即類似于塞曼效應的電場現(xiàn)象。
  • 1913年——尼爾斯-玻爾介紹了他的原子模型并提出了原子半徑量化的理論。
  • 1915年——愛因斯坦提出了廣義相對論和愛因斯坦場方程(見量子場理論)。
  • 1916年——愛因斯坦在理論上指出普朗克的能量量子存在類似粒子的動量。
  • 1916年--阿諾德-薩默菲爾德(Arnold Sommerfeld)提出了原子亞殼層的概念,從而擴展了玻爾的原子理論。
  • 1918年——恩斯特-盧瑟福發(fā)現(xiàn)了原子中的質子(并創(chuàng)造了這個詞)。
  • 1921年——西奧多-卡盧扎發(fā)表卡盧扎理論( Kaluza Theory )(第一個與量子場論相關的理論)。
在之前的發(fā)現(xiàn)和以量子和相對論為首的科學發(fā)現(xiàn)的突然繁榮之后,一個新的物理學領域——量子力學的形式化變得清晰起來。玻爾,海森堡,薛定諤從20世紀20年代開始發(fā)展這種正式化,很快馬克斯·玻恩,保羅·狄拉克和約翰·馮·諾伊曼等人加入了這個行列。
  • 1922年——阿瑟-康普頓發(fā)現(xiàn)了康普頓效應。
  • 1922年——奧托-斯特恩和瓦爾特-格拉赫進行了斯特恩-格拉赫實驗,由此證明了自旋的量化。
  • 1923年——路易斯·德布羅意假設波粒二象性,假設德布羅意波長λ=h/mv。
  • 1924年——沃爾夫岡·泡利用電子的內部角動量的概念解釋了光譜線的精細結構。
  • 1925年——喬治·烏倫貝克和塞繆爾·古德斯密特提出了電子自旋的存在。
  • 1925年——海森堡、玻恩和帕斯卡爾-喬丹提出了量子物理學的矩陣力學表述。
  • 1925年——弗雷德里克-洪德在理論上提出了原子中最大多重性原理,現(xiàn)在被稱為洪德規(guī)則。
  • 1926年——埃爾溫-薛定諤提出薛定諤波方程,這是量子力學中最重要的方程。
  • 1926年——奧斯卡-克萊因通過整合海森堡和薛定諤創(chuàng)建的量子力學來解釋卡盧扎假說(關于量子引力的最早想法之一)。
  • 1927年——維爾納-海森堡發(fā)表文章介紹海森堡不確定性原理:Δp·Δx≥h/4π。
  • 1927年——索爾維會議,提出了量子力學的哥本哈根解釋。
  • 1928年——保羅-狄拉克建立了量子力學的狄拉克方程。
  • 1929年——奧斯卡-克萊因預測了克萊因悖論,即量子隧穿效應。
  • 1930年——保羅-狄拉克假設了正電子。
  • 1930年——保羅-狄拉克提出空穴理論( Hole Theory)(也叫狄拉克海模型)。
  • 1932年——約翰-馮-諾伊曼從厄米特算子和線性代數(shù)的角度描述了量子力學的數(shù)學基礎。

量子力學的興起(20世紀中期-20世紀后期)

隨著量子力學的基礎工作和數(shù)學的建立,物理學家試圖完成以前不完整的原子圖,并在這個過程中發(fā)現(xiàn)了新的粒子。因此,開始了對粒子物理學的探索,而這一探索是由J.J.湯姆森開始的。關鍵的物理學家包括理查德-費曼。
  • 1932年——詹姆斯-查德威克發(fā)現(xiàn)了原子中的中子。
  • 1932年——卡爾-D-安德森發(fā)現(xiàn)了正電子。
  • 1935年——愛因斯坦、波多爾斯基和羅森發(fā)表了開創(chuàng)性的EPR悖論論文,他們在論文中挑戰(zhàn)了量子力學的完整性,支持隱變量理論(見玻姆解釋)。
  • 1935年——薛定諤提出了著名的薛定諤的貓思想實驗,展示了量子疊加的意義。
  • 1936年——卡爾-安德森發(fā)現(xiàn)了μ介子(muon)。
  • 1939年——奧托-哈恩和弗里茨-斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)鈾的核裂變。
在二戰(zhàn)的陰影下,羅伯特-奧本海默等人領導了曼哈頓計劃。世界的焦點從科學轉向武器,這一時期發(fā)明了原子彈、氫彈和其他熱核武器。同時,對量子力學的許多不同解釋開始發(fā)展,新興的粒子物理學領域引起了物理學家的注意。與此同時,量子場理論領域的工作也在繼續(xù),量子計算機的概念也首次被理論化。
  • 1942-1945年——奧本海默發(fā)現(xiàn)了量子隧穿。
  • 1945年——惠勒和理查德-費曼提出惠勒-費曼理論。
  • 1948年——朝永振一郎和施溫格在量子場論的方法中提出了重正化理論。
  • 1948年——理查德-費曼介紹了量子力學的路徑積分表述,并提出了費曼圖的概念。
  • 1949年——弗里曼-戴森發(fā)明了戴森級數(shù)。
  • 1952年——大衛(wèi)-玻姆提出了量子力學的玻姆解釋(也稱為隱變量理論和試驗波理論)。
  • 1952年--沃爾夫岡-保羅(不要與沃爾夫岡·泡利混淆)發(fā)明了離子阱(后來用于離子阱量子計算)。
  • 1956年——吳健雄進行了吳氏實驗,證明弱相互作用中的宇稱不守恒(parity violation )。
  • 1957年——休-埃弗雷特提出了量子力學的多世界解釋。
  • 1961年——Clauss J?nsson進行了電子的雙縫實驗,確立了波粒二象性是量子力學的基本屬性。
  • 1963年——尤金-維格納為量子力學中對稱性的發(fā)展奠定了基礎。
  • 1964年——約翰-斯圖爾特-貝爾提出貝爾不等式(又稱貝爾定理),以推翻量子力學中的隱變量理論,解決了EPR "悖論"。
  • 1971年——馬丁努斯-J-G-維特曼和杰拉杜斯-特霍夫特預測膠子的存在。
  • 1982年——理查德-費曼在他的論文《用計算機模擬物理學》中介紹了量子計算機的概念。

量子應用(20世紀末-現(xiàn)在)

隨著費曼提出在量子硬件上模擬量子現(xiàn)象的想法,建立量子應用的競賽變得更激烈。這一時期,伴隨著新的量子協(xié)議硬件實現(xiàn),以及量子算法的發(fā)明。同時,在理論物理學領域出現(xiàn)了名為超弦理論和M理論的新理論。
  • 1994年——彼得-肖爾發(fā)明了肖爾算法,該算法有可能打破現(xiàn)代的RSA密碼學。
  • 1995年——愛德華-威滕提出了M理論,重新審視了一個被拋棄的理論,弦理論。
  • 1997年——兩個研究小組通過實驗實現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)。
  • 1998年——艾薩克-莊、尼爾-格申菲爾德和馬克-庫比內克創(chuàng)造了第一臺量子計算機,可以接受一個輸入并輸出一個解。
建造量子計算機的競賽開始了,由谷歌和IBM這樣的科技巨頭帶頭。人們更加重視量子現(xiàn)象的應用。同時,新的物理學路線發(fā)展起來,尋求將量子力學與引力合并為量子引力,尋求量子力學和弦理論的不同方法。
  • 2000年--大衛(wèi)-P-迪文森佐概述了創(chuàng)造量子比特的迪文森佐標準。
  • 2012年——歐洲核子研究中心的大型強子對撞機在實驗中證明了希格斯玻色子(俗稱 "上帝粒子")的存在。
  • 2014年——科學家們通過量子隱形傳態(tài)在10英尺的距離內傳輸數(shù)據(jù),錯誤率為零。
  • 2016年--IBM推出基于云的平臺IBM量子體驗。
  • 2019年——谷歌憑借其Sycamore量子處理器宣稱量子霸權。
  • 2020年——谷歌人工智能在超導量子計算機上模擬了哈特里-??朔匠?,說明了量子在化學問題上的優(yōu)勢。
  • 2021年--費米實驗室在實驗中觀測到muon介子的反常磁矩。
至此,我們完成了量子發(fā)展的時間表(尚未完成)。但是,正如我們所說的,這是一個動態(tài)的列表,隨著更多的發(fā)展出現(xiàn)和我們對宇宙最小尺度的認識的擴大,這個列表會不斷地被更新。


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