量子力学的发展和应用.ppt

1量子力学的发展和应用2I）量子理论的诞生量子论的生日—1900年12月14日。M.Planck：在柏林物理学会上报告他的公式（普朗克公式）的量子说明——辐射能量在吸收或发射时以整个量子进行，频率为的辐射振子的能量为。这就宣告了量子论的诞生。M.Planck,Ann.Physik,4(1901)553.h3II）量子力学是甚么？量子力学是什么？量子力学，更广泛地说——量子理论，是研究微观世界物质运动和变化的基本规律的科学。由于我们宏观物质全是由微观物质组成的，宏观世界全部建立在微观世界上面。因此，量子力学便无处不在、普遍适用。4III）自诞生起至今，它的势头（1）自从量子理论诞生以来，它的发展和应用一直广泛深刻地影响、促进和触发人类物质文明的大飞跃。近80年的人类全部历史可以作证。如果还不信，举例，可以把所有学科名称前面冠以“量子”二字，就会发现：已经形成或将要形成一门新的理论、一门新的学问。物理学内部就有很多这种情况。不必说物理学中以量子力学为主要理论支柱的学科；单是直接添加这两个字就形成新学问的就有：光学—量子光学电子学—量子电子学电动力学—量子电动力学统计力学—量子统计力学经典场论—量子场论在物理学之外也是大量的：化学—量子化学生物学—量子生物学宇宙学—量子宇宙学网络—量子网络信息论—量子信息论计算机—量子计算机就连投机家所罗斯的基金会也时髦的冠以“量子”二字：“量子基金会”5自诞生起至今，它的势头（续2）百年（1901—2002）来总共颁发NobelPrize96次（其中1916,1931,1934,1940,1941,1942共6年未颁奖）单就物理奖而言：直接由量子理论得奖或与量子理论密切相关而得奖的次数有57次（直接由量子理论得奖25次）6自诞生起至今，它的势头（续3）Nature杂志2000年总结100年来在它上面发表的文章。从登载的数千篇文章中精选出21篇具有里程碑性的文章。其中与量子力学有关的竟占14篇。量子理论自20世纪20年代创立以来，直到现在，已逐步成为核物理、粒子物理、凝聚态物理、超流和超导物理、半导体物理、激光物理等众多物理分支学科的共同理论基础。而且在量子理论的框架内建立了弱电统一的标准模型；量子理论进入了宇宙起源和黑洞理论。总之，量子理论诞生后这80年来的发展，使得：量子理论成为整个近代物理学的共同理论基础。7IV）自20世纪80年代以来，量子力学又有很大发展（除BEC及其应用这一大块之外）量子信息论和量子计算机：位(bit)—量子位(qubit){既是Yes又是No：|Yes+|No}存贮器—量子存贮器{各个位不一定有确定的状态}逻辑门—量子逻辑门网络—量子网络算法—量子算法{Deutsch\DFT\Shor\Grover}{并行计算、超高速、超大容量}通讯—量子通讯{超大容量、天然保密}编码—量子编码密码—量子密码密钥—量子密钥经典可克隆—量子不可克隆{经典克隆是硬件克隆；量子克隆是软硬件全部克隆，原理上不可能}经典通讯的定域传播—量子通讯的非定域传播8例如：LovK.Grover“QuantumMechanicsHelpsinSearchingforaNeedleinaHaystack”PhysicalReviewLetters,Vol.79,No.2,1997“量子力学帮助在干草堆里找一根针”物理评论快报，第79卷，第2期，1997年9V）当前量子力学的重要应用量子生物学量子生命科学量子神经网络量子化学量子材料科学量子信息科学量子计算机科学BEC器件、原子器件目前，它正在向材料科学、化学、生物学、信息科学、计算机科学大规模渗透。预计不久的将来它将会成为整个近代科学共同的理论基础10VI）量子力学的基础和逻辑框架（1）量子力学的主要线索：2——两组基本实验：波性、粒子性实验1——一个基本图象：波粒二象性3——三大基本特征：或然、分立、不确定性5——五大基本公设：波函数、算符、测量、动力学方程、全同性原理另有：3——测量过程的3阶段：纠缠分解、波包塌缩、初态演化2——两种因果律：决定论的、或然的1——一个中心任务：几率幅计算11量子力学的基础和逻辑框架（续2）两类实验基础——微观粒子具有波粒二象性光原是“波”——现在发现它又具有粒子性电子原是“粒子”——现在发现它又具有波动性实验给出微观粒子一个基本图象——波粒二象性（对波动的）Einstein关系：（对粒子的）deBroglie关系：量子力学的总结：（派生出的）三大基本特征：几率幅描述量子化现象不确定性关系kephEh,pkE,kpE,,tx,,,321EEEE2px12量子力学的基础和逻辑框架（续3）（归纳成）逻辑结构——五大公设：第一公设—波函数公设第二公设—算符公设第三公设—测量公设第四公设—动力学演化公设:Schrödinger方程公设第五公设—微观粒子全同性原理公设量子测量的三个过程：纠缠分解波包塌缩（随机、不可逆、破坏相干性、非定域）初态演化两种因果律的交织第一类态变化：状态演化—运动方程＋初条件。决定论的、可逆的、保持相干性。第二类态变化：状态测量—这是一次随机的、不可逆的、破坏相干性的、非定域的“选择”。一个中心任务的改变：“非对易代数＋运动方程→算符方程求解”到“几率幅＋约束条件→路径积分计算”。13假如一个人不为量子论感到困惑，那他就是没有明白量子论。尼尔斯﹒玻尔我想我可以放心地说，没有谁理解量子力学（IthinkIcansavelysay,nobodyunderstandsquantummechanics）。R.P.费曼，1963测量过程包含着深邃的不可逆性原理。L.朗道,195614爱因斯坦：自然界最不可理解的就是，它竟然是可以理解的！Itisthestrangestthatexistenceshowsauniversalorder!15道可道，非常道；名可名，非常名。老子《道德经》路曼曼其修远兮，吾将上下而求索。屈原《离骚》16