量子论发展史

2011年5月刊

商品与质量

理论研究

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量子论发展史

□卢晓波潘岳李林洋

（山东大学物理学院山东济南250100）

摘要：相对论和量子力学的建立可以说是20世纪的两个划时代的里程碑。它们从根本上改变了人们传统的时空观和对物质运动形式和内在规律的认识。在这以前所建立的物理学定律例如经典力学、电动力学以及热力学统计力学仅仅适用于一定的宏观运动条件。当涉及到微观系统时，只有借助于现代意义的量子物理学才能阐述清楚。现代社会的许多高科技产业也都是以量子物理学为基础发展起来的。然而，量子物理学的建立者却远没有相对论的创立者那样家喻户晓，原因是量子物理学的建立并非一个人的功劳，而是很多人伟大智慧的结晶。关键词：量子论：发展：物理：争议1、量子物理学诞生的时代背景

在量子物理学建立以前，大多数的物理学家认为物理学的基本大厦已经建立，剩下的仅仅是一些修修补补的工作。人们认为在17世纪建立的经典力学体系以及19世纪建立的电动力学以及热力学统计物理学体系完全可以描述客观世界。然而，一些比较敏锐的科学家逐渐认识到了经典物理学中潜伏着的一些危机。物理学家开尔文勋爵在世纪之交的一次演讲中提到经典物理学的上空存在两朵令人不安的乌云。一朵是以太漂移实验的否定结果，另一朵是关于黑体辐射的紫外灾难。

2、量子论的诞生

经典物理学在描述客观世界是取得了可喜的成就，但是当它面对黑体辐射问题是却显得无能为力，因为严格按照经典物理学推导出的黑体辐射密度公式在高频区得到发散的结果。这说明经典物理学存在一定的问题。普朗克看到黑体辐射能量密度随波长的精密测量结果，他深信这里面蕴藏着一个极为深刻的科学原理。后来他发现，如果做出一些基本假定，那么黑体辐射的能量问题将会得到解决。普朗克假定对于一定频率的辐射，物体只能以能量子为最小单位吸收或者发射，即提出能量不连续的观点。后来人们将普朗克公开发表关于热辐射的量子假说的那一天认为是量子论的起始。尽管这种观点可以很好的解决黑体辐射问题，但是与经典物理存在着严重的分歧，普朗克的工作在很长时间没有引起别人的重视。但是当时年轻的爱因斯坦却注意到了这里面所蕴含的深邃的物理思想，并且借助于普朗克能量量子化的思想，认为辐射场的能量就是由光量子组成，并且成功解决了光电效应的难题。

3、量子论的发展如果说量子论第一个重大的突破时解决

了能量辐射问题和经典理论的矛盾，那么其第二个重大突破就是波尔模型的建立。卢瑟福的通过粒子散射实验提出著名的卢瑟福模型（即行星模型），该模型成功解决了粒子大角度散射的实验现象，但却遇到了两个致命的难题，其中一个就是原子的稳定性问题。在卢瑟福模型中电子围绕原子核做圆周运动，按照经典电动力学的理论，电子因为不断加速运动将不断辐射出能量，从而导致原子半径不断减小，最终导致原子的坍缩，这个过程大约千分之一纳秒。然而在现实世界中原子是非常稳定的。为了解决这个问题，对量子论痴迷的波尔将量子论的观点引入到原子模型中，成功解释了氢原子的光谱线。波尔引入了两个极为重要的基本假定，首先原子只能稳定的处在一些离散的能级上，在在这些能级上原子不辐射能量。第二，原子可以吸收或放射特定的作用量子在不同的能级上跃迁。这些都是波尔很伟大的创建。

受到普朗克-爱因斯坦的光量子论和波尔的原子模型的启发，德布罗意提出假设实物粒子和光一样也具有波动性，并推导出了实物粒子的德布罗意波的波长，其假说后来被科学家用电子的衍射实验所证实。既然实物粒子同样具有波动性，那么就需要相应的波动方程描述实物粒子的运动状态。海森堡、伯恩等人的矩阵量子力学和薛定谔的波动量子力学几乎在同时建立起来。由于当时矩阵的知识并不普及，当时人们更倾向于薛定谔的波动方程，但是薛定谔很快就发现矩阵力学和波动力学其实本质是一样的，只是用了不同的数学语言表述，后来人们接着发现矩阵量子力学和薛定谔的波动量子力学只是量子力学无数种量子力学中的两种表述方法而已。后来狄拉克以电磁场的量子化的工作对

薛定谔的波动方程做了一定的补充，使得非相对论情况下的实物粒子和电磁场的相互作用的所有问题都可以解决。然后狄拉克提出相对论性波动方程使得量子力学延伸到相对论领域。

4、量子论的争议

虽然量子论在提出后的几十年取得了辉煌的成就，但其适用和诠释的范围却引发了激烈的争论。其核心问题是如何将彼此矛盾的波动和粒子两种矛盾的描述协调起来。以爱因斯坦为代表的科学家反对波函数的统计诠释，并在篇著名的文章中提吃EPR 佯谬和薛定谔猫佯谬，尖锐批评了波函数的统计诠释。其中薛定谔猫佯谬是通过一个巧妙的假想实验来体现的。假设在一个密闭的容器内存放一个毒气瓶和一只猫，而赌气则通过一连串的装置来通过铀原子是否衰变来控制毒气平的开关。那么猫的生死状态和原子是否衰变的状态紧密的联系在一起。由于铀原子在何时衰变是不确定的，那么铀原子处在衰变和不衰变的叠加态，这就说明猫处在死与活的叠加态。那就是"猫既是死的，又是活的"，我们只有打开箱子看看才知道猫的死活。这就得出一个矛盾，当我们打开箱子的一刹那，猫的死活已经被确定，这就导致了另一个状态的消失，我们称之为波函数的坍缩。假设我们打开箱子时，猫如果已经死了，但是我们不打开箱子，猫反而有可能活着。换句话说，我们有时候看一眼就能够致命。这与我们的日常经验严重不符。但是长期以来，物理学家们出于使用的考虑，接受了哥本哈根学派的统计诠释，但是他们付出的代价是违反了薛定谔方程，这当然是薛定谔本人不愿意看到的结果。在1957年格力宾在

《寻找道，并充分利用校园网络，拓展教育渠道高校心理健康教育部门是进行学校心理健康教育的主导力量。其主要任务是为需要帮助的学生提供个体心理咨询与团体辅导，开展心理健康宣传教育工作，建立学生心理健康档案并进行追踪辅导。但是仅仅依靠心理健康教育部门的力量是不够的。为此，还应该完善"心理中心、院系、班级及宿舍三级网络"；开通心理中心网站，通过电子邮件咨询、QQ 在线咨询、留言板等多种形式，有针对性的为新生提供经常、及时、有效的心理健康指导。

（四）营造校园文化氛围，构建和谐校园环境因素对大学生的心理健康有一定的影响作用。一个良好文化氛围的校园环境有利于学生身心健康发展，可以在一定程度上缓解学生学习生活的压力，促进学生心理健康发展。因此，学生工作者应该营造一个乐观、积极向上、宽容、友善的心理健康教育环

境，积极开展各种文体活动，丰富学生课余生活，培养健康的兴趣爱好，避免不良心理的产生。为同学增进交往、接触社会、锻炼能力提供更多的机会和舞台，以有利于他们的个性心理得到健康发展，探索多种形式的教育方法。除了开设相应的心理健康教育课程、不定期召开班级心理主题班会外，还可以利用"525大学生心理健康宣传月"、"10月10日世界精神卫生日"这样的日期举办心理健康大型活动；邀请专家学者、社会名人举办专题心理讲座，普及和增强学生的心理健康知识。另外，加强指导学生心理社团，给予大学生更多的自主权，努力发展学生的自我教育作用，开展一些既有意义又能使他们得到锻炼的活动。在活动中以正面引导为主，努力营造一种温馨的气氛，创造一种和谐的生活环境。校园的文化活动应该有益于大学生的心理健康，参加的人员应具有普遍性，尤其是对有一定心理问题的同学，老师应该鼓励他积极参

与活动，通过活动找回自我，增强自信，减少心理疾病的发生。

大学生活是美好的，是人生的重要转折期。大学新生如果具备良好的心理素质，树立自己的人生目标，并为之奋斗，最终实现自我价值，这对学生在整个大学期间的学习、生活以及高校大学生心理健康教育具有重要的现实意义。

参考文献：

[1]王登峰.大学生心理卫生与咨询［M ］.北京:北京大学出版社,1992.

[2]田晓红.大学生人际交往中的心理误区及调适对策[J ].中南民族学院学报，2007，(05).

[3]谷军.新环境下大一新生心理问题探析[J ].湖北经济学院学报,2009,V ol.6No.4

作者简介：左拉（1980.3-），男，陕西西安人，西安邮电学院大学生心理健康教育中心助教，心理学硕士。

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2011年5月刊

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量子加密技术发展研究

□李林洋卢晓波潘岳

（山东大学物理学院山东济南250100）

摘要：密码技术是一门古老而又前沿的技术，密码最先应用于军事战场，目的是为了信息的传输更加保密，有时密码技术可以左右一场战争的胜利，这在二战中的体现尤为突出。而随着时代的发展密码技术不仅应用于军事，在在商业信息传输领域也获得了极大的应用价值。同时计算机的发展应用也为密码技术发展起了突出的作用。在19世纪初量子力学的产生，为当今密码技术提供了很好的理论基础，促使一门新学科量子加密的产生与发展。关键词：经典加密技术；量子加密；量子加密的应用1、经典的加密技术

经典密码通信可分作两大类，一是非对称密码系统，另一个是对称密码系统。经典的加密技术对人类社会的发展起过重大作用。非对称密码系统又称公开密钥系统，接收消息者先选择一组只有他自己知道的专用密钥，根据此专用密钥计算出相应的公开密钥，并将之公开传给准备向他发送消息的所有人。消息发送者（简称A ）利用公开密钥将消息加密后发给接收者（简称B ），只知道公开密钥的人很难从密文反推原来消息，只有B 既知道公开密钥又知道专用密钥，才能将密文解码变成明文。主要特点是：公用密钥可以公开发放，无须安全的通道进行密钥交换，密钥少，管理容易。

对称密码系统又称专用密钥系统，A 与B 拥有相同的密钥。A 用该密码编码，B 用该密码解码，即使二者的密码不同，也能够由其中的一个很容易地推导出另一个。因此，在这种密码系统中，有加密能力就意味着有解密能力。对称密码算法的优点是计算开销小，加密速度快，可以达到高的保密强度，是

目前用于信息加密的主要算法。[1

]二战期间，传统的加密技术发挥了巨大的作用。英国人成功破译德军"恩尼格码"密码，只限丘吉尔和少数几个高级将领知悉这一"超级机密"，并采取隐蔽来源、封锁消息等措施。狂妄的德国人对此竟然一无所知，一直保持着无以名状的自信。德军的各种指挥文电、作战勤务等加密信息，随无线电波弥漫天际，当然也源源不断地"飘进"盟军指挥所。这场密码战的成败告诫我们：保密要"知己知彼"，才有效益可言。"知己"就要突出重点，积极防范，实时"反省"秘密安全状态，采取有效应对措施严防死守；"知彼"就要及时准确掌握敌人窃密能力和动向，调整策略，主动出击，敌变我变，先敌一步，高敌一筹。不管如何传统密码的确在一定程度影响了战争的进程，改变了历史的轨迹。但是传统的加密技术仍然有被破解可能性，随着时代的发展好似传统密码技术已经发展到极限，但物理科学的发展改变了这种说法。19世纪初发展起的量子力学本是为解释微观世界而确立的物理原理，但是量子力学却在各个方面发挥出不可估量的作用，其中对量子力学本质提出挑战的EPR 佯缪，成为了量子信息技术的发

展开始。量子加密技术就是在量子信息的基础之上。连爱因斯坦自己恐怕也不会想到，自己当时了挑战量子力学本质的一篇文章，其中却蕴藏着如此深厚的价值，以至于量子信息在今后掀起了巨大的研究兴趣，不仅是物理学家涉足这一领域，而且还有计算机学家，数学家等各个领域的大师。部分成果已近脱离实验室，进入了全面应用地步。人类即将进入真正的量子信息时代。

2、量子加密技术

量子加密采用的原理：根据"海森堡测不准定理"和"单量子不可复制定理"原理建立了量子密码术的概念。"海森堡测不准原理"是量子力学的基本原理，指在同一时刻以相同精度测定量子的位置与动量是不可能的，只能精确测定两者之一。"单量子不可复制定理"是"海森堡测不准原理"的推论，它指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状态，所以说量子加密是最安全的。

量子技术在密码学上的应用分为两类：一是利用量子计算机对传统密码体制的分析;二是利用单光子的测不准原理在光纤一级实现密钥管理和信息加密，即量子密码学。根据in-ternet 的发展，全光网络将是今后网络连接的发展方向，利用量子技术可以实现传统的密码体制，在光纤一级完成密钥交换和信息加密，其安全性是建立在Heisenberg 的测不准原理上的，如果攻击者企图接收并检测信息发送方的信息(偏振)，则将造成量子状态的改变，这种改变对攻击者而言是不可恢复的，而对收发方则可很容易地检测出信息是否受到攻击。

经过30多年的研究与发展，逐渐形成了比较系统的量子密码理论体系。其主要涉及量子密钥分配、量子密码算法、量子密钥共享、量子密钥存储、量子密码安全协议、量子身份认证等方面。

3、量子加密的优势及缺陷

为什么量子加密比普通的电子邮件或无线电优越呢？因为这种方式从理论上不可被破坏或拦截。假如激光束里的量子被第三方观察到，粒子自身就会改变，这就是物理学上所谓的"海森堡不确定理论"，这种状态依赖粒子的改变来衡量。如果遭到拦截，发送者和接受者都能立刻觉察到有人在窥探。[2]

这种技术也存在着缺陷：目前量子加密技术仍然处于研究阶段，其量子密钥分配在光纤上的有效距离还达不到远距离光纤通信的要求。光的偏振特性在长距离的光纤传输中会逐渐退化，造成的误码率增加。现在解决的办法是基于量子纠缠和EPR 效应的。目前最主流的实验方案是用光子的相位特性进行编码。研究上进展最快的是英国、瑞士和美国。当然中国也世界上研究量子信息最好的几个国家之一。

4、当前的研究进展

当前量子信息的研究中心正是中科大，中科大潘建伟教授，郭光灿教授领导的科研团队，极大地领先与世界其他国家，在SCI-ENCE 等知名杂志上发表过重要文章，同时量子加密在中国军事上也获得极大应用。

2005年，中科院郭光灿院士领导的课题小组，实现了150公里的室内量子密钥分配，利用网通公司的实际通信光缆，实现了从北京经河北香河到天津的量子密钥分配，实际光缆长度为125公里，系统的长期误差率低于6%，这是国际上公开的最长距离的实用光纤量子密码系统。[3]

据美国《时代周刊》报道称，中国科学家在量子通信研究上再创世界纪录：由中国科学技术大学和清华大学组成的联合小组，成功实现了16公里的量子态隐形传输，这一距离是目前世界最远距离的20多倍。应用该项高科技，中国军方能瞬间传送军事信息而不被破坏或拦截。

参考文献：

[1]陈鲁生,沈世镒．现代密码学.北京：科学出版社,2002年

[2]黄凯瑄.浅析信息加密技术与发展.《甘肃水利水电技术》2004年第40卷第3期

[3]马瑞霖编著.《量子密码通信》.科学出版社,2006年出版

作者简介：李林洋（1988-），男，山东潍坊人，山东大学物理学院2008级本科生，物理学专业；卢晓波（1990-），男，山东临沂人，山东大学物理学院2008级本科生，物理学专业；潘岳（1989-），男，山东济宁人，山东大学物理学院2008级本科生，

物理学专业。薛定谔的猫》一书中提出多世界诠释，来试图代替哥本哈根的统计诠释。他认为在这个问题在猫的死活存在两个相反的版本，在一个世界中，原子衰变，猫同时死亡，在另一个世界中，原子没有衰变同时猫也活着。这两个世界平行的演变下去。这种解释是完全符合数学的推理的，也不会出现波函数坍缩，违反薛定谔方程的情况，但是假说过于离奇，难以

为大多数科学家接受。除了薛定谔猫悖论，EPR 悖论也成为困扰量子物理的一个难题。近代大量的关于EPR 佯谬的研究促进了量子纠缠态的研究，并由此孕育出一个新的学科--量子信息论。

参考文献：

[1]曾谨言量子力学教程[M ]科学出版社.2003

[2]野村邵一郎[日]、李彬等译量子力学

入门[M ]高等教育出版社.1985作者简介：卢晓波（1990-），男，山东临沂人，山东大学物理学院2008级本科生，物理学专业；潘岳（1989-），男，山东济宁人，山东大学物理学院2008级本科生，物理学专业；李林洋（1988-），男，山东潍坊人，山东大学物理学院2008级本科生，物理学专业。