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  • 量子光學|光學發展簡史

    作者:郭光燦 來源:《量子光學》 時間:2022-11-10 10:19 閱讀:183 [投稿]
    量子光學所發展出來的物理概念和量子操控手段已經被廣泛應用于不同的學科分支中。量子光學的發展為探索各種奇妙的量子效應提供了極佳的理論基礎,同時也為提升人類量子操控的能力和開發各種新的量子技術提供了保障。

    從某種程度上說,人類文明的進展是不斷追尋光明事物的過程。在物理學中,作為光明事物的載體,光學也一直受到科學研究的普遍關注。人類在對光的探索中所發現的新特性,以及由此發展的新應用也一直深深地影響著現代人們的生活。然而,物理學上回答“什么是光”卻并不是一個簡單的問題。盡管經過了千百年來不斷的探索,自然界中的光和光學仍然向我們展現著它的神秘特性,有待人們進一步深入探索它的無窮魅力。

    近代光學的出現和發展可以追溯到牛頓(Isaac Newton ,1643~1727)甚至更早的時代。牛頓對光作了一系列的探索發現了太陽光的七色光譜,發明了反射望遠鏡,等等。在他光學著作中,牛頓提出了光的“微粒說”理論,用以解釋光的發明了反射反射和折射現象,并推斷光在稠密介質中傳播速度要比在稀疏介質中的速度快。

    與牛頓同時代的胡克( RobertHooke ,1635~1703),實際上在更早的時候就提出了光的“波動說”。胡克認為光線在一個以太介質中以波的形式傳播,并預測光在進入高密度介質時會減速。這一假說后來由荷蘭科學家惠更斯( ChristiaanHuygens ,1629~1695)作了進一步發展和完善,并提出了著名的惠更斯原理,成功地解釋了光的直線傳播、反射和折射現象。特別是1801年,托馬斯▪楊( ThomasYoung ,1773~1829)進行了著名的氏雙縫實驗,發現了光的干涉性質,從而有力地證明了光的波動特性。至此,光的“微粒說”解釋漸漸被人們拋棄,光的“波動說”普遍為人們所認可。

    1873年,麥克斯韋(JamesClerkMaxwell ,1831~1879)出版了他的科學名著《電磁理論》。在這里,麥克斯韋提出了著名的麥克斯韋方程組,統一了電、磁理論。麥克斯韋由此推導出電磁波的傳播速度等于光速,并推斷光是電磁波的一種形式,從而進一步揭示了光現象和電磁現象之間的聯系。

    20世紀物理學的重大進展均離不開對光的奇妙特性的認識和理解。1900年,普朗克( MaxPlanck ,1858~1947)基于黑體輻射現象,提出了光場能量量子化假說。這一概念后來又被愛因斯坦 AlbertEinstein ,1879~1955)進一步發展,并提出了光子的概念,用以解釋光電效應。至此光的“粒子”特性又被重新重視起來。由此人們認識到,光可以同時具有“粒子性”和“波動性”。受到光的波粒二象性的啟發,德布羅意( LouisdeBroglie ,1892~1987)提出了著名的物質波假說,從而給出了微觀世界中波粒二象性普遍存在的重要推斷,并很快被外驗所證實,大大促進了量子力學的建立和發展。另一方面,基于光的傳播諫庭不依賴于參照系的特性,1905年,愛因斯坦提出了著名的狹義相對論,并進步發展了廣義相對論,從而極大地促進了人類對時空本質的認識和理解。而相對論和量子力學的交叉又促進了量子電動力學的誕生,并進一步導致量子場論的建立。

    盡管光的量子特性已很早被認知,然而對光場量子特性的研究,實際上是在20世紀60年代激光技術出現以后才變得越來越普遍。激光由于其高度的相干特性使得光場的量子特性很容易展現出來,同時高功率的激光場與物質之間強烈的相互作用使得微觀世界中的量子效應更方便地在實驗上被觀測和調控。激光技術的發展對人類科學技術的影響是深刻的,從物理、化學到生物、醫學等等,幾乎滲透到各個學科領域,并持續影響著當代自然科學的發展和人們的日常生活。

    作為研究光場量子特性的重要學科分支,量子光學也是在激光技術誕生后才漸漸發展和成熟的。盡管量子電動力學中對單個光子和電子的量子特性及相互作用做了非常精確的描述,但是對于多光子間關聯特性的探討,在早期量子電動力學中很少涉及。1956年, RobertHanburyBrown (1916~2002)和 RichardQ . Twiss (1920~2005)首次觀測到了光場的強度關聯效應( HBT 干涉效應)。這是早期促進量子光學發展的重要實驗進展。激光的出現使得實驗觀測光場的量子特性變得方便,從而大大促進了對光場量子特性及光場的非經典關聯效應的研究。1963年, RoyGlauber (1925~2018)系統地發展了光場的量子相干理論。這一理論框架不僅可以用來解釋 HBT 實驗,同時還為接下來量子光學數十年的發展奠定了基礎。量子光學著重研究光子與原子及其他微觀量子系統之間的關聯和相互作用等各種量子效應。對這些簡單微觀量子客體的研究,可以讓我們避開一些復雜系統中不可控制的干擾因素,從而有利于對純粹的量子效應進行深入探討,實現理論和實驗結果的雙方面驗證。這些成果不僅加深了我們對量子理論本身的理解,同時也推動了人們操控微觀量子系統技術的提升,從而使得人類對微觀世界的操控變得越來越豐富和成熟。

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