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，光的波動理論取得了完全的成功（見波動光學(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，舊的波動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，而且與普通實物粒子一樣具有質(zhì)量和動量（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射線的散射實驗（見康普頓散射）。與此同時，各種光譜儀的普遍使用促進了光譜學(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。對激光的產(chǎn)生機理，包括對自發(fā)輻射和受激輻射更詳細(xì)的研究，以及對激光的傳輸、檢測和統(tǒng)計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為研究外光電效應(yīng)現(xiàn)象并從理論上對其做出了正確的量子解釋而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎；這是量子光學(xué)發(fā)展史上的第一個重大轉(zhuǎn)折性歷史事件，同時也是量子光學(xué)發(fā)展史上的第一個諾貝爾物理學(xué)獎。盡管愛因斯坦終生對科學(xué)的貢獻(xiàn)是多方面的（例如，他曾建立了狹義相對論和廣義相對論等等），但他本人卻只獲得了這唯一的一次諾貝爾物理學(xué)獎]。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)象的實驗結(jié)果，促進了光電檢測理論、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；因此，從這個意義上講，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系統(tǒng)的黑體輻射問題時曾提出了受激輻射、受激吸收和自發(fā)輻射這三個概念，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)研究工作進入到了空前活躍的快速發(fā)展時期。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)展提供了重要的實驗技術(shù)保障；同時，激光器的發(fā)明者們也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。這是量子光學(xué)發(fā)展史上的第2個諾貝爾物理學(xué)獎。應(yīng)當(dāng)強調(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理想二能級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驗研究工作。

隨著研究工作的深入和深化，隨著研究對象、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，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，從而將量子光學(xué)領(lǐng)域的研究工作推向了第一個高潮（注：這是量子光學(xué)發(fā)展史上的第3個諾貝爾物理學(xué)獎）。

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)獎授予對實現(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新的高潮（注：這是量子光學(xué)發(fā)展史上的第4個諾貝爾物理學(xué)獎）。

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)獎授予對光學(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他一個人獲得了本年度諾貝爾物理學(xué)獎金的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)界對量子光學(xué)學(xué)科的重視程度；試想一下，在短短的8年時間內(nèi)，竟然給量子光學(xué)學(xué)科授了3次諾貝爾物理學(xué)獎！從而，將量子光學(xué)領(lǐng)域的研究工作推向了第三個新的高潮（注：這是量子光學(xué)發(fā)展史上的第5個諾貝爾物理學(xué)獎）。

因此，在這種情況下，有必要對量子光學(xué)領(lǐng)域已往的輝煌成就進行總結(jié)回顧，并對當(dāng)前量子光學(xué)領(lǐng)域的最新發(fā)展動態(tài)以及21世紀(jì)量子光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和發(fā)展方向進行分析與展望，以使人們在今后新的探索中能夠受到新的啟發(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)最初是從量子電動力學(xué)理論中發(fā)展、演變而來的。它既是量子電動力學(xué)理論的一個重要分支，又是激光全量子理論深入發(fā)展的結(jié)果。同時，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個方面：

第一，迄今為止，人們僅僅只對平面波場成功地進行了量子化的研究工作，而對于球面波場、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，僅僅只是非相對論性理論，而真正的相對論性量子光學(xué)理論目前尚未建立，這在深入研究微觀高速或超高速運動粒子的量子光學(xué)性質(zhì)時，就表現(xiàn)出了明顯的局限性；

第三，對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)展前夕的一個重要的十字路口，它曾經(jīng)取得過一系列重大進展和一些輝煌成就，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）：

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

波動量子＝量子的波動＝微粒子的平動+振動＝平動+振動＝矢量和

量子鬼波的DENG''S詮釋：微粒子（量子）平動與振動的矢量和

粒子波、量子波＝粒子的震蕩（平動粒子的震動）