量子力学简史（公子醉了）

1. 最初的起源：光是波还是粒子？

关于光到底是波还是粒子，在爱因斯坦提出光的波粒二象性之前已经争论了几百年。

2. 朴素的粒子认知：

①　起初人们认为光是粒子流，这是一种生活经验，理所当然。

3. 光波动性的发现：

②　直到17世纪初格里马第发现，光不仅会沿直线传播、折射和反射，还能绕过障碍物传播（称为衍射）。由此提出光可能是一种类似水波的波动。光是波的理论得到了当时主流物理学家的认可。

4. 第一次波粒战争：

③　1665年，胡克在《显微术》一书中主张“光是一种振动”。他认为光是在稀薄的媒质中传播，是一种横向振动。
④　1690年惠更斯发表《论光》，用波动说来解释了光的反射、折射、双折射等现象。惠更斯认为光是一种纵波，并且指出，如果光是粒子，那么为什么两束光相遇不会发生碰撞。
⑤　牛顿用三棱镜发现了光色色散现象，认为光是各种不同的混合粒子组成。其在1704年发表了《光学》巨著，用粒子说解释了光的直线传播，折射、反射、色散、衍射现象。鉴于牛顿的权威，光的粒子学占据上风，第一次波粒战争结束，粒子说胜利，并统治了后面整个18世纪。

5. 第二次波粒战争：

⑥　1801年，托马斯.杨做了著名的杨氏双缝干涉实验，发现了光的干涉性质。证明光以波动形式存在，波粒争端再起风云。
⑦　1808年，马吕斯在试验中发现了光的偏振现象。在进一步研究光的简单折射中的偏振时，他发现光在折射时是部分偏振的。因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为了反对波动说的有力证据。
⑧　1819年菲涅尔提出光不是惠更斯认为的纵波，而是横波，类似于水波，振子上下震动。用横波解释了光的偏振现象。
⑨　1850年傅科测量了光在水中的传播速度，只有空气中的3/4。牛顿的微粒说崩塌。
⑩　1856年麦克斯韦统一了电和磁，并且指出光就是一种电磁波。第二次波粒战争以波动说胜出结束。

6. 波动说统治时代：

⑪　1882年施维尔德对光通过光栅后的衍射现象进行了解释。光的波动学说更加牢不可破。
⑫　1888年赫兹以实验证明了电磁波的存在，早没有人再怀疑光是不是波了。
⑬　1887年赫兹发现了光电效应。但并没有和粒子联系起来！
⑭　1897年，汤姆逊发现了电子。提出汤姆逊原子模型。指出光是电子振动发出的能量波。

7. 疑云再起，量子时代开启：

⑮　1900年，物理学家开尔文勋爵发表了著名的演讲，他说物理学大厦已经完成，但是天边还飘着2朵小乌云：即以太漂移实验和热辐射实验。其中迈克尔逊和莫雷的以太实验，发现光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的。他们作出了“以太漂移速度为零”的结论，由此否认了绝对静止参考坐标和以太的存在。另1个是黑体辐射，基尔霍夫和普朗克定律：温度在绝对零度以上的任何物体都会有热辐射，为此它需要从外界吸收辐射的能量。两个实验结果都与经典物理学中相关的理论和公式不符。正是这两朵乌云，分别引发了相对论和量子力学的诞生。
⑯　1900年同年，普朗克为了解释黑体辐射，提出量子假说，普朗克假定振动电子辐射的光的能量是量子化的。
⑰　1905年，爱因斯坦提出光量子假说，成功解释了光电效应。人们开始意识到光同时具有波和粒子的双重性质。这里提一下，波尔一直到1925年才开始接受光量子假说。同年发表狭义相对论，统一了时间和空间，物质和能量。
⑱　1908年卢瑟福提出新的原子模型，并解释了原子衰变现象。
⑲　1913年，玻尔提出了假设：原子中的电子只能处于包含基态在内的定态上，电子在两个定态之间跃迁而改变它的能量，同时辐射出一定波长的光，光的波长取决于定态之间的能量差。扫清了原子稳定性的问题。奠定了玻尔的原子模型。
⑳　1916年爱因斯坦发表广义相对论，描述了万有引力的本质。
21　1923年，康普顿完成了X射线散射实验，光的粒子性被实验证实。
22　1924年,德布罗意提出“物质波”假说, 认为和光一样,一切物质都具有波粒二象性。将粒子的波长和动量联系起来：动量越大，波长越短。
23　1924年玻色和爱因斯坦发表玻色-爱因斯坦分布。指出了量子间的相对不确定性。微观粒子的运动呈现波动形式。不符合麦克斯韦-波尔茨曼的微观粒子分布状态。物理研究开始真正深入到量子物理层次。爱因斯坦认可了波尔的原子模型，只是对电子量子跃迁过程的空间的不连续性认为是模型没有彻底完成而已。
24　1925年年初泡利提出了不相容原理。指出了核外电子排布原则。
25　1925同年，戴维逊和革末证实了电子本身也具有的波动性。

8. 新量子力学奠基：

沿着爱因斯坦和波尔的基础，量子力学新革命性展开了。焦点在于量子的不连续性问题。
26　1925同年海森堡创立了矩阵力学。
27　同年波恩，约尔，完善优化了海森堡的矩阵力学论文，发表《论量子力学》，三人共同奠定了新量子力学的根基。新的矩阵力学可以解释波尔原子模型中的多电子难题，对牛顿经典力学是一个冲击。
28　同年狄拉克发布与矩阵力学颇为类似的q-数理论。
29　1926年薛定谔建立了一般的含时间的波动方程，成为波动力学的创始人。后来各自验证和矩阵力学是等价的。表面看起来，矩阵力学是将电子当“粒子”看待，波动力学是将电子当“波动”看待，但是，薛定谔和狄拉克都证明了，两种表述在数学上是等效的。因此，实际上，量子力学的数学形式，已经包含了“波粒二象性”在内。矩阵力学外表描述粒子，将波动性隐藏其中；薛定谔方程则相反，波动性显示在外，而将粒子性隐藏起来。薛定谔的微分波动方程更容易理解和计算。虽然薛定谔写出了波动方程，但是并不能指出其方程中参数的具体物理含义。
30　1926年玻恩提出量子力学应该被理解为没有任何因果联系的概率，爱因斯坦写信表示不太能接受，薛定谔也不认可玻恩对其波动方程的物理意义解释。

9. 哥本哈根派三大核心原理确立:

31　1927年，海森堡并提出不确定性原理。你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度，粒子位置的不确定性，必然大于或等于普朗克常数（Planck constant）除于4π（ΔxΔp≥h/4π），这表明微观世界的粒子行为与宏观物质很不一样。也叫测不准原理。
32　1927年9月科莫会议，波尔第一次描述了波粒二象性，提出应该用互补原理对待原子尺度的微观事物。互补原理：观测者对被观测事物不可避免造成扰动，因而两者应该是一个不可分割的整体。被观测事物的展现出的形态很大程度上取决于观测者的观察方法。同一个对象的不同表现形态，都必须同时用于对这个对象的描述。解释了波粒二象性，认为粒子和波动都是微观世界的正确描述，形态不同只是观测对象在我们不同的观测方式下不同的表现。波尔的互补性原理其实是来源于爱因斯坦关于光可能是波粒二象性的启发。
33　同样在1927年9月科莫会议上，玻恩支持波尔，并用概率解释：量子世界的本质是随机的，只能以一种统计性概率来描述。并例举了波函数坍缩（薛定谔的波动方程，虽然阵营不同，但玻恩接受了薛定谔的理论）。

10. 纷争再起，爱玻之争：

34　1927年10月第五次索维尔会议，历史上最群星闪耀的一次会议。会上发生了著名的爱因斯坦和波尔之争。主要论战发生在两派，一派是波尔，玻恩，海森堡，泡利为代表的哥本哈根学派。一派是爱因斯坦，薛定谔，普朗克，德布罗意为代表的经典学派。海森堡和玻恩公开宣称量子革命结束，量子理论已经完备。
爱因斯坦对此持怀疑态度，认为哥本哈根诠释是不完备的，无法接受不确定性原理。一个完备的物理理论应该具有确定性（因果论）、实在性、和定域性。海森堡的不确定原理违背了确定性和实在性。其中应该存在隐变量。
他提出要探讨下双缝干涉实验，注意此时的双缝干涉实验已经是第2次实验了。（第1次是1807年托马斯杨的杨氏双缝干涉实验，发现光的衍射现象。第2次是1909年杰佛理泰勒做的单光子双缝实验，即一个个发射光子，但是屏幕仍然出现了干涉条纹。第3次是1965年理查德曼在狭缝前增加探测仪用于观察光子经过了哪条缝。结果是打开探测仪，干涉条纹消失，关闭探测仪，干涉条纹出现。第4次是1979年约翰惠勒延迟选择实验，1984年做成。在电子通过双缝以后再观察究竟通过了哪条缝。后面很多科学家重复了很多次延迟选择实验，包括采用半透镜，不再累述）
哥本哈根派的解释让爱因斯坦无法接受。对电子束通过双缝产生干涉类现象，哥本哈根学派的解释为：波粒二象性使光子同时通过双缝，通过双缝时会同时受到二条缝的作用与自己发生干涉。穿过狭缝的光子可以出现在屏幕上不同的地方，按照概率诠释，则同一过程将会在屏幕上多个地点出现，这意味着超距作用，违背了相对论。
因而爱因斯坦戏称“上帝难道还掷骰子吗”。
而波尔回答是：“不要告诉上帝应该怎么做”。并用互补原理的观察者效应来解释。
期间爱因斯坦还提出了爱因斯坦狭缝问题，不过被波尔用爱因斯坦的自己的相对论理论化解。
35　1927年、狄拉克、海森伯提出了辐射量子理论
36　1929年泡利于也提出了辐射的量子理论，与狄拉克、海森伯一起奠定了量子电动力学的理论基础。
37　1930年狄拉克将两种量子力学体系完美统一。出版了著名的《量子力学》。薛定谔、狄拉克等人证明了海森堡的力学与薛定谔的波动力学完全等价，最后只剩下一个统一的名字了：量子力学。
38　1930年，在第六次索尔维会议，爱因斯坦发表了一个思想实验，称为“爱因斯坦光盒”，来挑战能量-时间不确定性原理。又被波尔化解。
39　1933年9月25日，埃仑费斯特因为对生活及量子力学研究的困惑而自杀。
40　1934年同年费密为了解释中子衰变现象提出弱相互作用，发现第四种基本力。
41　薛定谔写出了著名的波动方程，但是却很不认可波尔和玻恩对其波动方程的物理意义解释。1935年薛定谔为反驳哥本哈根派的叠加态和波函数坍缩，提出了著名的“薛定谔的猫”。用既死又活的猫这种叠加态，违反直觉的思想实验对哥本哈根派的波函数坍缩进行反击。哥本哈根派坚持宣传没有观察时就是叠加态。爱因斯坦由此反驳，“难道我们不看月亮时月亮就不存在吗”。戏剧性的是，尽管薛定谔对概率论和叠加态诠释不认可。但是他提出的思想实验对量子叠加态和波函数坍缩等量子理论的普及起到了很大作用。
42　1935年爱因斯坦、潘多尔斯基和罗森提出ERP佯谬，对量子纠缠“鬼魅般的超距作用”提出质疑。他们提出了一个原理。这个原理假设，任何空间上相互影响的速度都不应该超过光速，而量子纠缠这种超距作用违背了这一原理，说明量子力学是不完备的。这就是大名鼎鼎的EPR佯谬。爱因斯坦坚持认为世界是确定性的，量子纠缠对从刚分开时就是确定的。对其中一个量子的测量并不会影响另一个量子的状态。如果如哥本哈根派解释，都处于叠加态，一旦测量才能确定，那么距离遥远的两个纠缠量子对之间的信息传递就超过了光速。波尔和其支持者一直没有办法有效反驳，因为这个思想实验是无法验证的。直到爱因斯坦去世，波尔也没能说服爱因斯坦。而爱因斯坦后面投身于隐变量的研究和尝试统一量子力学和相对论，直到去世也没能解决。爱因斯坦、薛定谔虽然是量子力学的重要奠基人，但始终无法接受哥本哈根派的理论。
43　1954年，因玻恩对薛定谔的波函数波函数的物理意义作出了统计解释，获得诺贝尔奖。
44　1954年，杨振宁和米尔斯提出非阿贝尔规范场的理论结构。基于此理论统一了电磁力与弱核力。只剩下引力未能统一。
45　1955年爱因斯坦去世。
46　1956年，和李政道共同发表论文，推翻了物理学的中心信息之一——宇称守恒基本粒子和它们的镜像的表现是完全相同的。

11. 贝尔不等式横空出世，ERP思想实验变为可验证：

47　1964年，爱因斯坦的支持者，物理学家贝尔在爱因斯坦诞辰一百周年纪念日提出了隐变量验证方法。被称为贝尔不等式。如果隐藏变量不存在，那么纠缠状态下的粒子活动则不能用经典理论来解释。贝尔不等式是双缝干涉实验的进一步推广。构造两个各状态均相反的纠缠量子，让这两个量子分离得很遥远。然后用偏振来测量这两个量子的各状态的量子概率。两个量子的联合概率分布之和如果与用既定的数学概率计算的结果相符，则符合经典物理世界，隐变量可能存在。如果不符合，则说明量子只准守量子定律，不存在定域及隐变量。经典物理都遵循贝尔不等式。从此，EPR思想实验从哲学思辨变成可操作性的科学验证。贝尔的本意是要证明量子力学的非定域性是错的，爱因斯坦是对的。但后来的发展事与愿违。
48　1965年理查德曼在狭缝前增加探测仪用于观察光子经过了哪条缝。结果是打开探测仪，干涉条纹消失，关闭探测仪，干涉条纹出现。举世震惊。
49　1969年约翰克劳泽将贝尔不等式的验证转化为具体可操作性的实验。
50　1972年约翰克劳泽第一个用实验证明了两个相距很远的粒子可以纠缠在一起。
51　在1972年盖尔曼和弗里奇创立量子色动力学。它是一种强相互作用的规范理论，它描述组成强作用粒子（强子）的夸克和与色量子数相联系的规范场的相互作用，可以统一地描述强子的结构和它们之间的强相互作用，被认为是有希望的强作用基本理论。
52　1982年阿斯佩克特利用在钙离子级联辐射出的光子对之间的偏振态的纠缠，实验结果违反“贝尔不等式”。
53　1984年约翰惠勒延迟选择实验，在电子通过双缝以后再观察究竟通过了哪条缝。结果一样受到观察者效应影响。
54　1984年美国物理学家贝内特创立了量子密码学的核心——量子密钥的分发机制。从此打开了人类量子密码通信时代的大门。
55　1998年，塞林格等人在奥地利因斯布鲁克大学完成“贝尔不等式”实验，利用非线性晶体中参量下转换产生的纠缠光子对，部分地排除定域性漏洞，实验结果具有决定意义。但仍被质疑有漏洞，如局域性漏洞、测量漏洞。所以后面仍有不断的在做实验。
56　2005年，中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟教授和他的同事杨涛、彭承志等通过“自由空间纠缠光子的分发”实验，在国际上首次证明了纠缠光子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后，纠缠的特性仍然能够保持，并可应用于高效、安全的量子通信。
57　2012年，潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础。
这里提下量子隐态传输的原理：
(1）先把一对量子纠缠粒子A、B，分给发送者和接收者；
(2) 发送者对把要传输的信息X和A进行联合Bell基测量，A变化立即影响B也发生变化，X量子态信息大部分转移到了B；
(3) 发送者通过传统通讯通道把联合Bell基测量结果传给接收者，告知测量结果；
(4) 接收者将B和传统通讯通道传来的测量结果两者进行变换操作，从而接收者得到了完整的量子态保密信息X。
注意，整个过程中发送者是不知道信息X的状态的。接收者最终能还原出X的状态。
58　2015年罗纳德·汉森研究组金刚石色心系统中完成的验证贝尔不等式的实验。通过拉长距离和提高测量准确度，宣称无漏洞的验证贝尔不等式的实验在96%的置信度（2.1个标准差）上支持量子理论。证明了隐变量不存在。
59　2016年大贝尔实验展开10万名志愿者通过自由意志来控制世界各地研究团队的贝尔不等式检验实，认为堵住了人类意识选择漏洞。至此，量子纠缠“幽灵般的超距作用”被证实是存在的，并被一步步推向现实。
60　2016 年 8 月 16 日，世界第一颗量子通信卫星「墨子号」从酒泉发射。
61　2017年，墨子号实现1200公里的量子纠缠分发，实现三大科学成果：量子密钥分发、量子纠缠分发、量子隐形传态；
62　2022年10月4日，瑞典皇家科学院宣布，将2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格，以表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所做出的贡献。

12. 量子力学对现实世界观的影响：

量子力学中的测不准，叠加态（互补原理），概率波，测量坍缩等理论，深深冲击了人们对现实世界的认知。毫无疑问，用量子力学理论去解释都能自洽。因为测量坍缩和叠加态是霸王条款，很难去证伪。
不仅仅是爱因斯坦、薛定谔、普朗克，德布罗意等量子力学奠基大神无法接受，就是目前世界上仍有一定数量的学界质疑。这几个问题也是彻底搞清楚量子力学正确与否的关键。
1. 对于双缝干涉惠勒延迟选择实验，是否还有隐含的影响因素，存在其他解释。
2. 贝尔不等式的验证，是否存在其他影响因素，是否就能说明量子是非定域的。
3. 当前的量子通讯，是否真的用到了测量坍缩和瞬间状态转移？实际上并没有。事先分发一双不知道左右的鞋子也可以做到。因而始终存在疑点。
有兴趣的同学，可以好好研究下惠勒延迟实验，贝尔不等式验证及量子通讯本质。
量子力学的普及引发了人们对于现实世界的迷茫，出现了如虚拟世界、多维宇宙、弦论、超弦理论、外星说等一系列新理论。

13. 下一场物理学革命？

物理学新的革命又在酝酿当中，如下几个基本问题嗜待解决：
1） 双缝干涉惠勒延迟选择实验的非哥本哈根解释。
2） 量子纠缠态和测量坍缩的证实或证伪。
3）狭义相对论和量子力学的矛盾。
4）万有引力和其它三种基本力的统一。
其他如真空零点能的开发利用，室温超导，第六感等方向也大有可为。