量子论的创立和发展
罗一鸣
摘要：随着量子科学在量子计算、量子通信、量子网络、量子仿真等领域不断实现新突破，量子技术革命受到越来越多的关注。近年来，量子技术方兴未艾，量子技术催生的技术变革和装备发展不断改变世界面貌，逐步成为经济社会跨越发展的基石和动力，本研究对量子论的创立和发展进行了回溯讨论。
关键词：量子;量子力学;发展
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：（2021）-21-
引言
大千世界由物质组成，而物质由基本粒子构成，电子、原子、质子和中子等粒子是构成宏观世界的最基本粒子。在量子科学的视域下，量子力学、量子通信和量子纠缠等概念和研究领域都与“量子”相互关联。那么，“量子”是一个什么概念？它与构成物质的其他基本粒子是什么关系？
一、量子的概念和范畴
量子是现代物理的重要概念。19世纪后期，一些物理学家聚焦于黑体辐射问题的研究，发现很多物理现象无法用经典理论解释，如微观粒子的运动不能用传统宏观物体的运动规律解释。为了解释传统物理无法解释的物理现象，量子概念应运而生。
量子是一个物理概念，并不是具体的实在粒子。19世纪后期，马克斯·普朗克（Max Planck）最先发现黑体辐射的不连续性不能通过经典力学来解释，并在黑体辐射研究中引入能量量子，于1900年12月14日在德国物理学会的例会上作了《论正常光谱中的能量分布》的报告。他在报告中提出，辐射（或吸收）的能量不是连续地，而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍，并将辐射频率为v的能量的最小数值E=by称为量子。可见，量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。普朗克提出的理论成功解决了黑体辐射的问题，标志着一个新的物理学科—量子力学的诞生。
从数理学的角度看，量子也是一个数学概念，是能量、动量等物理量中最小的、不可分割的基本单位，是“相当数量的某物质”。量子这个数学概念的意思，就是“离散变化的最小单元”。什么是“离散变化”？我们统计人数时，可以有一个人、两个人，但不可能有半个人、1/3个人;我们上台阶时，只能上一个台阶、两个台阶，而不能上半个台阶、1/3个台阶。对于统计人数来说，一个人就是一个量子;对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化，我们就说它是“量子化”的。
与“离散变化”相对的叫做“连续变化”。例如你在一段平路上，你可以走到1米的位置、1.1米的位置、1.11米的位置，即可以走到中间任何一个距离，这就是“连续变化”。显然，离散变化和连续变化在日常生活中广泛存在，这两个概念本身都很容易理解。有的人可能会把量子和分子、原子和电子之类的物质混在一起，认为量子是比电子更小的物质，其实这是不正确的。
量子和构成物质的基本粒子是不同范畴的概念。从物质的构成来说，分子、原子、夸克等是构成物质的粒子;而从能量传播来说，量子是能量传播过程中能量发射和吸收的最小单元，它不是连续的，而是一份一份的，在实验中量子可以表现为原子、光子、分子等多种形态。这种“量子化”物理量的数值是离散的而不是连续地任意取值。量子跟原子、电子无法進行大小比较，因为量子的本意是一个数学概念。正如“5”是一个数字，”3个苹果”是具体的实物，你问“5”和“3个苹果”哪个大，如何回答？正确的回答只能是：它们不是同一范畴的概念，两者没有可比较性。
通过上述分析可知，物理学中的原子、电子、质子、中子等物质本身就是粒子，而量子却对应着不同的粒子。例如，光是由许多光子组成的，所以光子其实就是光的量子;阴极射线是由一系列电子组成的，因此电子就是阴极射线的量子。在物理学中，量子是指一个最小的不可分割的基本单位，是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。
二、量子力学的发展
现代物理学由两大理论构成，即相对论和量子论。量子论是研究基本粒子物理学范畴的遵循法则，相对论是研究宏观宇宙理论物理学范畴的遵循法则。作为现代物理学的两大基石之一，量子论为人们研究自然界微观物质世界提供了新的观察、思考和表述方法。尤其是量子论的开放性和不确定性，给人类社会的发现和创造以启迪，给整个物理学提供了新的概念。因此，量子论的诞生被视为近代物理学的新起点。
德国物理学家普朗克为创立量子论作出了突出贡献。量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学、粒子物理学以及现代信息技术奠定了理论基础，较好地诊释了原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射、粒子的无限可分和信息携带等问题。伴随着黑体辐射能量密度随频率分布规律的发现，量子论得以创立。1900年10月，普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困境，引入了“能量子”概念，为量子理论奠定了基石。普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。他从理论上导出的黑体辐射公式表明，物体吸收或发射电磁辐射，只能以量子的方式进行，每个量子的能量为E=hv，称为作用量子，即对于频率v的辐射能量，物体只能以by为能量单位吸收或发射，这里的h为普朗克常数。能量子假说的提出具有划时代意义，标志了物理学的新纪元。量子理论现已成为现代理论和实验不可缺少的基本理论。
爱因斯坦是第一个意识到量子概念具有普遍意义的科学家。针对光电效应实验与经典理论的矛盾，爱因斯坦提出了光量子假说，在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，并用光量子理论解释了光电效应中出现的新现象，从而为量子理论的发展打开了局面，同时进一步证明了普朗克提出的能量不连续概念。1913年，玻尔运用量子化概念提出“玻尔的原子理论”，对氢光谱作出了有效的解释，使量子论取得了初步验证。1923年，法国物理学家德布罗意提出了物质波假说，之后薛定愕沿着物质波概念确立了电子波动方程。与此同时，海森堡创立了解决量子波动理论的矩阵方法。1925年9月，玻恩与物理学家、数学家约丹合作，将海森堡的矩阵方法发展成系统的矩阵力学理论，从而把量子论发展推向了一个新的高度。
量子理论跨越了牛顿力学中的死角，在解释事物的宏观行为时，只有量子理论能处理原子和分子现象中的细节。历经百年，尽管否定量子论或对其存疑的科学家也不少，相关争论也一直没有消除，但这一理论正逐渐为多数物理学家所认可，同时其在实践中获得的成就令整个物理界为之称奇。
