量子光學(xué)

量子光學(xué)的發(fā)展規(guī)律

到了19世紀(jì)，特別在光的電磁理論建立后，在解釋光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等與光的傳播有關(guān)的現(xiàn)象時(shí)，光的波動(dòng)理論取得了完全的成功（見波動(dòng)光學(xué)）。

19世紀(jì)末和20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)了黑體輻射規(guī)律和光電效應(yīng)等另一類光學(xué)現(xiàn)象，在解釋這些涉及光的產(chǎn)生及光與物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象時(shí)，舊的波動(dòng)理論遇到了無法克服的困難。

1900年，M.普朗克為解決黑體輻射規(guī)律問題提出了能量子假設(shè)，并得到了黑體輻射的普朗克公式，很好地解釋了黑體輻射規(guī)律（見普朗克假設(shè)）。

1905年，A.阿爾伯特·愛因斯坦提出了光子假設(shè)，成功地解釋了光電效應(yīng)。阿爾伯特·愛因斯坦認(rèn)為光子不僅具有能量，而且與普通實(shí)物粒子一樣具有質(zhì)量和動(dòng)量（見光的二象性）。

1923年，A.H.康普頓利用光子與自由電子的彈性碰撞過程解釋了X射線的散射實(shí)驗(yàn)（見康普頓散射）。與此同時(shí)，各種光譜儀的普遍使用促進(jìn)了光譜學(xué)的發(fā)展，通過原子光譜來探索原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及其發(fā)光機(jī)制導(dǎo)致了量子力學(xué)的建立。所有這一切為量子光學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)60年代激光的問世大大地推動(dòng)了量子光學(xué)的發(fā)展，在激光理論中建立了半經(jīng)典理論和全量子理論。半經(jīng)典理論把物質(zhì)看成是遵守量子力學(xué)規(guī)律的粒子集合體，而激光光場則遵守經(jīng)典的麥克斯韋電磁方程組。此理論能較好地解決有關(guān)激光與物質(zhì)相互作用的許多問題，但不能解釋與輻射場量子化有關(guān)的現(xiàn)象，例如激光的相干統(tǒng)計(jì)性和物質(zhì)的自發(fā)輻射行為等。在全量子理論中，把激光場看成是量子化了的光子群，這種理論體系能對(duì)輻射場的量子漲落現(xiàn)象以及涉及激光與物質(zhì)相互作用的各種現(xiàn)象給予嚴(yán)格而全面的描述。對(duì)激光的產(chǎn)生機(jī)理，包括對(duì)自發(fā)輻射和受激輻射更詳細(xì)的研究，以及對(duì)激光的傳輸、檢測和統(tǒng)計(jì)性等的研究是目前量子光學(xué)的主要研究課題。

量子光學(xué)發(fā)展史

眾所周知，光的量子學(xué)說最初是由A．Einstein于1905年在研究光電效應(yīng)現(xiàn)象時(shí)提出來的[注：光電效應(yīng)現(xiàn)象包括外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光電效應(yīng)的逆效應(yīng)等等，愛因斯坦本人則是因?yàn)檠芯客夤怆娦?yīng)現(xiàn)象并從理論上對(duì)其做出了正確的量子解釋而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；這是量子光學(xué)發(fā)展史上的第一個(gè)重大轉(zhuǎn)折性歷史事件，同時(shí)也是量子光學(xué)發(fā)展史上的第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。盡管愛因斯坦終生對(duì)科學(xué)的貢獻(xiàn)是多方面的（例如，他曾建立了狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論等等），但他本人卻只獲得了這唯一的一次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)]。必須指出的是，光量子學(xué)說的提出，成功的解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，促進(jìn)了光電檢測理論、光電檢測技術(shù)和光電檢測器件等學(xué)科領(lǐng)域的飛速發(fā)展；因此，從這個(gè)意義上講，愛因斯坦是光電檢測理論之父。不僅如此，光量子學(xué)說的提出最終導(dǎo)致了量子光學(xué)的建立，所以說它是量子光學(xué)發(fā)展的源頭和起點(diǎn)；因此，從這個(gè)意義上講，愛因斯坦是量子光學(xué)的先驅(qū)和創(chuàng)始人。尤為重要的是，愛因斯坦在其光量子學(xué)說中所提出的有關(guān)光量子這一概念，幾經(jīng)發(fā)展形成了當(dāng)今的光子這一概念，最終導(dǎo)致光子學(xué)理論的建立，并由此帶動(dòng)了光子技術(shù)、光子工程和光子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展；可見，光量子學(xué)說是光子學(xué)、光子技術(shù)、光子工程和光子產(chǎn)業(yè)的發(fā)端；因此，從這個(gè)意義上講，愛因斯坦是光子學(xué)、光子技術(shù)、光子工程和光子產(chǎn)業(yè)的先導(dǎo)。除此而外，愛因斯坦在研究二能級(jí)系統(tǒng)的黑體輻射問題時(shí)曾提出了受激輻射、受激吸收和自發(fā)輻射這三個(gè)概念，并形式的引入了愛因斯坦受激輻射系數(shù)、受激吸收系數(shù)和自發(fā)輻射系數(shù)這三個(gè)系數(shù)等等；特別是受激輻射這一概念的提出，最終導(dǎo)致了激光器的發(fā)明、激光的出現(xiàn)和激光理論的誕生，直至形成了當(dāng)今的激光技術(shù)、激光工程和激光產(chǎn)業(yè)；因此，從這個(gè)意義上講，愛因斯坦本人是當(dāng)之無愧的激光之父和激光理論的先驅(qū)。

從1906年到1959年的這50多年時(shí)間內(nèi)，有關(guān)光的量子理論的研究工作雖然也曾取得過許多重要成就，但就其總體發(fā)展而言，仍然是比較緩慢的。其最明顯特征就是光的量子理論尚未形成完整的理論體系。

自1960年國際上誕生第一臺(tái)紅寶石激光器以來，有關(guān)這一領(lǐng)域的科學(xué)研究工作進(jìn)入到了空前活躍的快速發(fā)展時(shí)期。由此，直接導(dǎo)致了量子光學(xué)的誕生與發(fā)展[注：這是量子光學(xué)發(fā)展史上的一次重大轉(zhuǎn)折，為量子光學(xué)的快速發(fā)展提供了重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)保障；同時(shí)，激光器的發(fā)明者們也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這是量子光學(xué)發(fā)展史上的第2個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出的是，激光器本身屬于量子器件，而絕不是經(jīng)典器件！激光器的行為并不完全遵守經(jīng)典物理學(xué)的理論規(guī)則。

真正將量子光學(xué)的理論研究工作引上正軌并推向深入的，是E．T．Jaynes和F．W．Cummings兩人。1963年，E.T.Jaynes和F.W.Cummings兩人提出了表征單模光場與單個(gè)理想二能級(jí)原子單光子相互作用的Jaynes—Cummings模型(以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)J-C模型)，這標(biāo)志著量子光學(xué)的正式誕生。此后，人們圍繞著標(biāo)準(zhǔn)J-C模型及其各種推廣形式做了大量的而且是富有成效的理論與實(shí)驗(yàn)研究工作。

隨著研究工作的深入和深化，隨著研究對(duì)象、研究內(nèi)容和研究范圍的拓展，以及隨著研究方法和研究手段的更新與改進(jìn)，今天的量子光學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了一系列全新的、重大突破性進(jìn)展。特別是在1997年，S.Chu,C.C.Tannoudji和W.D.Phillips等人因研究原子的激光冷卻與捕獲而分獲1997年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，從而將量子光學(xué)領(lǐng)域的研究工作推向了第一個(gè)高潮（注：這是量子光學(xué)發(fā)展史上的第3個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。

1997年以后，量子光學(xué)領(lǐng)域又出現(xiàn)了許多新的發(fā)展跡象。特別是，在2001年瑞典皇家科學(xué)院決定將2001年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予對(duì)實(shí)現(xiàn)玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)而做出杰出貢獻(xiàn)的3位科學(xué)家，從而將量子光學(xué)領(lǐng)域的研究工作推向了第二個(gè)新的高潮（注：這是量子光學(xué)發(fā)展史上的第4個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。

到了2005年，瑞典皇家科學(xué)院再次決定將2005年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予對(duì)光學(xué)相干態(tài)和光譜學(xué)研究做出杰出貢獻(xiàn)的3位科學(xué)家。其中，發(fā)現(xiàn)光學(xué)相干態(tài)(即Glouber相干態(tài))、并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立起光場相干性的全量子理論的美國科學(xué)家Glouber他一個(gè)人獲得了本年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金的50％，而另外的兩位科學(xué)家則共享本年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金的另外的50％。這足以說明量子光學(xué)研究的重要性、重要地位和重要作用以及國際科學(xué)界對(duì)量子光學(xué)學(xué)科的重視程度；試想一下，在短短的8年時(shí)間內(nèi)，竟然給量子光學(xué)學(xué)科授了3次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)！從而，將量子光學(xué)領(lǐng)域的研究工作推向了第三個(gè)新的高潮（注：這是量子光學(xué)發(fā)展史上的第5個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。

因此，在這種情況下，有必要對(duì)量子光學(xué)領(lǐng)域已往的輝煌成就進(jìn)行總結(jié)回顧，并對(duì)當(dāng)前量子光學(xué)領(lǐng)域的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)以及21世紀(jì)量子光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和發(fā)展方向進(jìn)行分析與展望，以使人們?cè)诮窈笮碌奶剿髦心軌蚴艿叫碌膯l(fā)，并力爭在21世紀(jì)初期取得更大的突破。

量子光學(xué)的性質(zhì)和任務(wù)

眾所周知，量子光學(xué)最初是從量子電動(dòng)力學(xué)理論中發(fā)展、演變而來的。它既是量子電動(dòng)力學(xué)理論的一個(gè)重要分支，又是激光全量子理論深入發(fā)展的結(jié)果。同時(shí)，量子光學(xué)還構(gòu)成一門新興的應(yīng)用基礎(chǔ)性學(xué)科—光子學(xué)的理論基礎(chǔ)。

量子光學(xué)的主要任務(wù)就在于：研究光場的各種經(jīng)典和非經(jīng)典現(xiàn)象的物理本質(zhì)、揭示光場的各種線性和非線性效應(yīng)的物理機(jī)制、揭示光場與物質(zhì)(原子、分子或者離子)相互作用的各種動(dòng)力學(xué)特性及其與物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系、揭示光子自身相互作用的基本特征、機(jī)理、規(guī)律以及光子的深層次結(jié)構(gòu)等。

盡管目前量子光學(xué)領(lǐng)域已取得了一系列重大進(jìn)展和輝煌成就，但就量子光學(xué)理論本身的結(jié)構(gòu)來看目前還很不完善。這主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

第一，迄今為止，人們僅僅只對(duì)平面波場成功地進(jìn)行了量子化的研究工作，而對(duì)于球面波場、柱面波場和高斯激光束等非平面波場的量子化問題卻一直無能為力；

第二，現(xiàn)今的量子光學(xué)理論，僅僅只是非相對(duì)論性理論，而真正的相對(duì)論性量子光學(xué)理論目前尚未建立，這在深入研究微觀高速或超高速運(yùn)動(dòng)粒子的量子光學(xué)性質(zhì)時(shí)，就表現(xiàn)出了明顯的局限性；

第三，對(duì)光子的自身相互作用及光子的結(jié)構(gòu)問題研究的還很不夠，至今未能產(chǎn)生并形成行之有效的研究方法和研究手段等。

人們認(rèn)為，量子光學(xué)目前正處在更大的輝煌發(fā)展前夕的一個(gè)重要的十字路口，它曾經(jīng)取得過一系列重大進(jìn)展和一些輝煌成就，但在21世紀(jì)，量子光學(xué)領(lǐng)域的成績和成就將會(huì)更加炫麗多彩，特別是有關(guān)光子結(jié)構(gòu)問題的研究將把量子光學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究工作推向頂峰。

量子力學(xué)詮釋：霍金膜上的四維量子論

類似10維或11維的“弦論”＝振動(dòng)的弦、震蕩中的象弦一樣的微小物體。

霍金膜上四維世界的量子理論的近代詮釋（鄧宇等，80年代）：

振動(dòng)的量子（波動(dòng)的量子＝量子鬼波）＝平動(dòng)微粒子的振動(dòng)；振動(dòng)的微粒子；震蕩中的象量子（粒子）一樣的微小物體。

波動(dòng)量子＝量子的波動(dòng)＝微粒子的平動(dòng)+振動(dòng)＝平動(dòng)+振動(dòng)＝矢量和

量子鬼波的DENG''S詮釋：微粒子（量子）平動(dòng)與振動(dòng)的矢量和

粒子波、量子波＝粒子的震蕩（平動(dòng)粒子的震動(dòng)）