百年量子光学（博士政治结课作业）
引 言
量子光学是光的量子本性以及光与物质相互作用的量子现象的学科。自从爱因斯坦1905年发现光的量子性以来，光的本性研究从传统的几何光学和波动光学逐渐过渡到了量子光学。光与物质相互作用的研究也从传统的反射、折射以及电磁波与介质的相互作用的宏观现象的研究逐渐发展到物质对光量子吸收和辐射量子现象的研究。
量子光学从研究领域诞生到今天已经有百年的历史。百年以来，量子光学的发展由一个接一个崭新科学思想连接而成，这些思想构成了一个学科的发展壮大，并逐渐发展成为改变世界的应用技术，推动着人类文明的进程。
本文将从20世纪初光量子理论的提出开始，逐步给出量子光学领域的科学思想轨迹变迁过程，探讨每一步重大思想变迁对该领域以及整个物理学的重要意义，从而揭示崭新的科学思想是一个学科的生命力和未来，也是人类科技发展以及人类文明进程最重要的思想推动力。
本文将20世纪量子光学的科学思想变迁轨迹划分成以下三个主要阶段。
1、光量子思想的提出和电磁场量子化思想的实现。
2、光的相干性的量子理论出现和激光的诞生。
3、从物质对光的控制到用光来控制物质的思想变迁——激光冷却技术。
每个主要阶段又可以细分为2个科学思想变迁过程，本文将对其中的每一个科学思想的出现过程做出简介，并将重点放在第二个和第三个主要阶段上，深入探讨不同时期涌现出的科学思想对量子光学学科以及整个物理学的意义。
第一章
光量子思想的提出和电磁场量子化过程
1、爱因斯坦的光量子思想
20世纪人类最伟大的物理学家爱因斯坦于1905年发表了一篇论文，该论文刊登在当时最有影响力的物理学期刊《物理学年鉴》上，距他那一篇跨时代的狭义相对论论文发表仅仅几个月。
这篇论文提出了一种全新的“光量子”思想，成功解释了当时困扰着物理学界的光电效应现象，爱因斯坦也因为这篇文章获得了1921年的诺贝尔物理学奖。
爱因斯坦能量量子化的思想来源于1900年普朗克关于黑体辐射能量量子化假说的的提出。他的核心思想是把普朗克关于吸收和辐射过程是量子化的概念加以推广，认为整个光场都是量子化的，即以光量子的形式存在。光量子的能量正比于它的频率，比例系数为普朗克常数。爱因斯坦光场量子化的思想代表着物理理论和现实世界统一的原则，因此他的推论虽然大胆却极其合理。
爱因斯坦的思想很快被物理学界所接受，并启发玻尔和德布罗意分别提出了原子定态能级跃迁以及微观粒子波粒二象性的假说，最终沿着这两条路，海森堡和薛定谔分别创立了矩阵力学和波动力学，量子力学得以诞生。这段历史成了物理学史上最辉煌的篇章。量子力学的诞生使人类意识到了微观世界的能量传播是量子化，而这些能量的载体“光”的本性是量子的，从而为电磁场的量子化，以及量子光学的诞生提供了途径。
2、狄拉克的电磁场量子化思想
量子力学创立以后，最需要解决也是最有希望解决的问题就是光（电磁场）与物质（电荷）相互作用的问题。在最开始建立这些问题的理论时，用的都是半经典方法。即原子系统采用薛定谔方程，电磁场仍然采用经典的麦克斯韦方程组。然而半经典方法在处理比较弱的电磁场的时候会无能为力，因为麦克斯韦方程组只适用于近似描述较强的光场，较弱的电磁场已经凸现量子性，因此急需对电磁场进行量子化。
1927年，英国物理学家狄拉克将电磁场进行了量子化，从理论上给出了爱因斯坦光量子假说的标准数学形式。对电磁场的量子化过程称为“二次量子化”，二次量子化给出了光场的粒子数表象，在此基础上后人成功建立了量子电动力学，成为量子场论的开端。狄拉克因为在量子力学上的贡献与薛定谔一起获得了1933年诺贝尔物理学奖。
电磁场量子化是物理学史上一个重要思想，它不但标志着量子光学的真正开端，而且通过粒子数表象将光子数不守恒推广到电子和其它粒子上，粒子数已经不再守恒，粒子之间会互相转化，粒子成为自身量子场的激发态，这些思想的出现对于人类认识微观世界是一次重要的进步。
从此光与物质相互作用有了更本质更精确的全量子理论，解决了半经典理论所不能解决的问题，量子光学开始走上物理学的历史舞台。
第二章
光的相干性量子理论出现和激光的诞生
1、光的相干性量子理论和利用光的量子本性解释宏观现象的思想
量子光学真正成为一门学科，很大程度上要归功于一位物理学家——约翰·格劳贝尔。
早在20世纪60年代初，格劳贝尔就认为量子化的电磁场并不能代表光的一切性质，大量光子的集体行为于普通光子有很大的区别，应该更好地发展量子理论来探索光的本质，从而开创了建立量子光学的里程碑式的研究工作。
1963年格劳贝尔就通过自己工作成功地应用量子理论来解释了一些光学现象，他在《物理评论通信》上发表了研究论文，此后又在《物理评论》等杂志上发表了几篇相关论文，创造性的提出了“光子的相干性量子理论”。该理论成功的描述了光量子的运动规律，揭示了光量子的特性，以及大量光量子如何互相影响他们之间的运行方式，产生“干涉”现象等等。格劳伯的这些论文，奠定了量子光学学科的理论基础。
格劳贝尔科学思想的意义在于第一次创造性提出了用量子本性解释光宏观现象，这种思想不但给出了光的一切宏观现象的量子本质，并且对光的量子本性也是一个最好的证明。通过光的相干性量子理论，人类可以研究光子大量的非经典特性，从而开拓更多的研究领域以及应用领域。
格劳贝尔因为对量子光学领域的开创性工作而获得了2005年诺贝尔物理学奖，在他获奖的时候，量子光学已经成为了物理学一个非常重要的分支。
只有频率相近的光子才会发生显著的相干现象，即光子单色性越好，密度越高（光强越强）相干效果越好。但是在20世纪60年代以前，人类很难找到光强和单色性好都十分好的光源，格劳贝尔的思想以出现便有英雄用武之地，关键是人类在二十世纪60年代有一个可以称作科技里程碑的发明——激光。
一个科学思想的命运往往决定于它的时效。激光的出现给了格劳贝尔科学思想最好的一个舞台。激光与自然光相比，具有方向性、单色性和相干性好而亮度极强等特点。激光的这些特点正是有别于自然光之处，激光的相干性要远远强于自然光。科学家也正是利用这些激光的优点把激光广泛地应用于自然科学的各个领域，为人类造福。我们接下来要用大量文字通过探讨激光发展史，从而探讨激光的出现和应用如何导致了量子光学领域科学思想的进一步变迁。
2、激光的出现以及对量子光学领域科学思想的影响
在玻尔关于原子内能级跃迁理论诞生不久，爱因斯坦就给出了受激吸收和受激辐射以及自发辐射的速率方程的经典形式，这个方程的基本思想就是区分受激吸收和受激辐射和自发辐射三种现象，将受激吸收和受激辐射看成是对等地位，爱因斯坦的这个科学思想第一次让人认识到了原子内能级跃迁的动力学规律，预言了受激辐射的存在，因此被认为是激光理论的开端。
但是在此之后的40多年里，一直没有人在实验室证实受激辐射的存在。直到20世纪50年代由于无线电技术的迅速发展，肖洛和汤斯根据爱因斯但的理论，将电磁波的研究范围从短波扩大到微波波段，研究成功了当时被称为MASER的一种仪器，即微波激射器，又称微波量子放大器，这种设备可以使微波波束趋于集中。1958年，他们又将微波激射器原理从微波扩大到了光谱波段，提出了激光器理论。与此同时，还有几个科学集体在尝试实现微波的放大。在苏联的莫斯科，列别捷夫物理研究所普洛霍洛夫和巴索夫的小组一直在研究分子转动和振动光谱，探索利用微波波谱方法建立频率和时间的标准。他们认定，只要人为地改变能级的集居数就可以大大增加波谱仪的灵敏度，并且预言，利用受激辐射有可能实现这一目标。他们也用非均匀电场使不同能态的分子分离，不过他们的装置比汤斯小组的晚了几个月才运转。
1960年梅曼成功地应用人工合成的淡红色宝石晶体制造出世界上第一台激光器，为输出波长694.3纳米，脉冲能量为400兆焦耳的相干光，被称作“激光”。为了表明其威力，梅曼用毫米波的脉冲激光在一打剃须刀片上成功地进行了一次钻孔实验。之后的4年里，激光器家族又相继出现了许多种类型：1961年加瓦等研制成功了波长1150纳米的近红外线的氦氖激光器；同年，约翰逊发明了掺铷钇铝石榴石（Nd：YAG）激光器；1962年，贝恩特研制成功了波长为488纳米的氩离子激光器；1964年，佩特等又发明了二氧化碳激光器。随后多种固体、气体和半导体激光器相继问世，标志着一门新兴学科——激光技术的形成。
1964年，汤斯、普洛霍洛夫和巴索夫因为微波激射器发明和激光器的思想而获得诺贝尔物理学奖。1981年，肖洛和布洛姆伯根也同样因为激光的发现和激光光谱学的贡献获得了诺贝尔物理学奖。
激光技术可以说是20世纪人类最伟大的发明之一，重要性丝毫不亚于半导体技术，二者并称为20世纪人类第三次科技革命的代表。在激光器出现不久，激光技术就应用到了人类生产生活各个领域。从激光通信大激光材料加工，从激光全息照相到激光医疗，从光存储技术到激光武器，甚至到激光受控核聚变的研究，激光已经成为了人类社会必不可少的高新技术，推动着人类文明进程。
正因为有了激光，量子光学研究从理论预言进入了一个全新的时代：物理实现。量子光学学科的基本思想也从利用量子力学原理解释光的特性和揭示光与原子相互作用的量子现象，逐步过渡到了利用激光这样高亮度，高相干，高单色性和方向性的光源进行各种物理实验。利用激光可以在实验上观测量子光学预言的各种现象，并相应开发出各种基于激光器的技术来改变人类的生活。
可以说，激光的出现使量子光学的基本思想从研究光量子的本性逐渐过渡到了利用光量子的特性来发展各种技术，为人类造福。量子光学从一门理论为主的学科逐渐成为了一门以实验为主的学科。量子光学研究也在人类科技进城中发挥越来越重要的作用。可以说激光技术彻底改变了量子光学这门学科的思想，使得量子光学科学思想从理论性彻底变为了实用性，意义深远。
第三章
从物质对光的控制到用光来控制物质的思想变迁。
1、激光冷却——用光控制物质思想的出现
长久以来，光与物质相互作用的研究主要的都是研究如何用物质如何对光施加作用。如各种透明介质对光的反射、折射；各种介质对光的吸收和辐射；以及光在各种介质中色散，瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等等。
在各类光学实验中，用各种不同性质的光学晶体可以有效控制光的相位，选择光的偏振态，甚至可以用电光晶体或声光晶体调节光的频率。通过各种透镜，反射镜和分光镜，甚至光纤的出现，人们可以按需要随意设计出各种光路来控制光的运动方向。总而言之，光与物质相互作用的研究和应用一直局限在物质对光的作用和控制上，人类用各种光学介质对光作用来控制光的状态和运动
做一个比喻，如果把光比喻成一条流淌的河流，那么人类长久以来的光与物质相互作用研究局限在物质对光的作用和控制上，如同只为这条河流疏沟通渠、改变航道，或者修坝筑栏、控制河水的流速和流向。而光对物质的作用就像涓涓细水冲击河岸一样，不痛不痒，仅仅在金属接收电磁波或者光电效应的时才能感受到那微弱的作用信号。
人类很难想象在那涓涓细水上能够泛水行舟，随波逐流。除非它是一条气势磅礴的大江大河，人类才能在上面百舸争流，利用滚滚江水输送大量物资。直到激光的出现，人类终于找到了这条气势磅礴的大河，用光来控制物质运动的思想也顺理成章得以实现。
用激光来控制物质运动，首先想到的自然是控制游离态的中性原子。于是量子光学研究中的一个重要成果“光场与二能级原子的相互作用”成为了激光操控原子的物理基础。这里用到了建立理论模型最常用的简化思想，即将原子系统简化为二能级原子，突出主要矛盾，从而建立激光俘获和冷却过程简明的理论模型
激光俘获中性原子的思想最早由莱托霍夫在1968年首先提出，他指出用非共振的激光驻波场可以限制低速中性原子的运动范围。激光俘获中性原子的思想由朱棣文在1986年首次在实验上得以实现。莱托霍夫同时提出了激光俘获并操纵微小颗粒运动的“光捏”技术，成为激光操纵宏观物质思想的典范。
激光冷却原子的思想最早由肖洛和汉施在1975年提出，这个思想也是激光控制物质中最重要的思想。他们二人虽然后来将主要研究方向转到激光精密光谱学上，并因为在那个领域的贡献分别获得了1981年和2005年诺贝尔物理学奖，但二人在激光冷却和俘获中性原子的开创性思想是极其重要的，随后美国和苏联陆续开展了激光对原子减速的实验，都获得了成功。
真正意义上将原子冷却到较低温度的思想是朱棣文提出的“光学凝胶”，即依靠原子运动方向上激光的多普勒频移，利用原子对运动方向更强的吸收来对原子进行三维冷却。他在1985年首次实现了光学凝胶冷却，随后菲利普斯和科恩塔努基实验中先后获得了低于原子多普勒冷却极限的温度。这个与现有理论相违背的结果，使三人了解到在这背后有另一种激光冷却规律。终于他们发现实验采用的线偏振光存在一种新的冷却机制，它会将原子冷却到更低的温度上。科恩塔努基最终给出了这种“偏振梯度”冷却的模型。三个人也因为激光冷却技术的开创性贡献获得了1997年诺贝尔物理学奖。
激光冷却技术是激光对原子操控思想的一个里程碑，在微观尺度上操纵原子分子，按人类的意愿改变原子分子间的排列组合，长久以来是人类的一个梦想。在凝聚态物理领域前沿的表面物理中，依靠扫描隧道显微镜技术可以移动和控制一些原子的位置，但无法脱离样品表面完成对原子分子的俘获。激光冷却技术恰恰弥补了这个缺陷。可以利用激光俘获我们需要的原子，再用激光将其输送到需要的地方，组合成新的分子或凝聚态物质。甚至可以利用激光俘获大生物分子如DNA等，取代上面某些原子，从而改善动物或人类的基因。毫无疑问激光操控物质的思想将引来人类科技史上的一次重大进步。
2、激光冷却技术对量子光学科学思想变化的作用
激光冷却技术的出现进一步拉近了原子分子物理和量子光学的关系，二者已经密不可分，合并成为物理学里仅次于凝聚态物理的第二大领域——原子分子与光物理。
量子光学领域的学者们也有大部分同时成为了原子物理和量子频标的专家，量子光学从一门专门研究光的量子性的学科，逐渐演变为融合冷原子物理，量子频标等多个研究领域的大学科。在某种意义上，量子光学甚至成为了原子分子物理与光物理交叉部分的代名词，成为了原子分子与光物理里面覆盖面最广，最有潜力的一个领域。
1995年，美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家凯特勒利用激光冷却技术使获得了超低温的玻色——爱因斯坦凝聚。他们也因为这一贡献获得了2001年诺贝尔物理学奖。玻色——爱因斯坦凝聚使人类第一次观测到了物质的宏观量子特性，量子光学的研究者们也布再拘泥于研究光子的波动性，他们可以根据玻色——爱因斯坦凝聚显示出来的原子物质波相干的方法来制造有着不一样特点的相干测量设备。
激光冷却技术使人类对单个原子的量子态操控成为了可能，因此冷原子成为了最有可能实现量子计算机的途径。量子计算的物理实现是量子信息技术面临的最大难题。物理学家曾尝试多种方案，但都无法有效克服系统退相干的问题。冷原子由于相干时间长，量子态更利于操控等优点，已经成为量子计算首要的候选者。量子计算机的出现将是人类科技的一次重要革命，将标志着人类全面步入信息时代，未来的量子芯片很可能是囚禁在某个光子晶体内的冷原子系统，这将是激光冷却思想研究对人类文明最辉煌的贡献。
总结
一百年以来，量子光学的学科发展轨迹由上述一个个全新的科学思想组成，他们决定了这门学科的命运。我们可以用下面的流程图表示这个发展过程：
光量子假说 → 原子定态能级跃迁思想 → 受激辐射思想
↓ ↓ ↓
电磁场量子化思想 激光冷却技术的思想 ← 激光的诞生
↓ ↓
光的相干性量子理论 → 21世纪量子光学
通过图示可以看出量子光学科学思想发展发展呈两条线索，一条是研究光的量子性，另一条是研究光与物质相互作用的量子性，两者构成了当今量子光学领域的主要内容。
任何学科的发展都有着它自己的一套科学思想变迁轨迹，而正是由于一个个思想的变迁过程，这门学科才会得以发展。量子光学历经了一百个春秋，已经发展成为物理学非常重要的一个研究领域。相信在未来的日子里，量子光学领域会有不断的科学思想出现，沿续着这一轨迹。量子光学也会凭借这样一个个创新的科学思想不断出现，不断地发展壮大，不断地扩展自己的研究领域，不断地转化为生产力，不断地为人类文明发展做出伟大的贡献。
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- 评论人：shisangua 2010-03-05
21:01:18
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你好，我是化学专业大三的学生，看到你的文章感觉很有收获，能不能推荐一两本理论物理方面的书哈~
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- 评论人：黄鹏辉 2007-10-26
09:53:23
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看了你的文章，感觉你很有才气。看了你提前回国的介绍，感觉你略显浮躁。不过物理学史上这种情况的一流物理学家好象是存在的，比如马赫、薛定谔、或者玻耳兹曼，他们都是奥地利人。我羡慕你能够专业从事物理工作，我原本也可以走你这条路的，然而我现在只能走爱因斯坦这条最艰苦的路了。如果你是一个真有水平的人，一个真正有奉献精神的人，一个数学根底不错的人，我设想你物理根底不错，请与我联系，我正在努力完成5个左右的重大研究课题，其中有3个已经接近完成，还有2个超难的，如果能够找到合作者，将对大家都有好处。我叫黄鹏辉，MSN为hph2008@hotmail.com，QQ号644537151，我已将你加入我的QQ中。希望有好结果。
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- 评论人：wb0330 2007-10-15
19:07:35
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物理学史还是很有意思的
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- 评论人：9 2007-05-17
05:34:35
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看穿瓷器?
我能想到的只有波函数隧穿，不过这是纳米量级才能实现的，瓷器不可能那么薄。再说这也跟量子光学没啥关系，呵呵。 而且瓷器这种东西反光率特别高（一般都白色），而且不是什么规则的晶体，即使能透过的极少量光子，也因为不规则的散射光子方向都乱了，不可能在可见光波段透过瓷器成像 其他波段的诸如射线和伽马射线能否毫无阻碍的穿过我就不太清楚了，这要查一下和陶瓷结构相关的资料 | ||||
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- 评论人：门外汉 2007-05-06
00:06:52
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博士你好．我想知道量子光学可以看穿瓷器吗？请回复．谢谢！ | ||||
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- 评论人：门外汉 2007-05-05
23:56:27
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博士你好．我想知道量子光学可以看穿瓷器吗？
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- 评论人：pi 2007-03-27
02:15:50
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偶然来到博主的地盘，对博主是十二万分的佩服！我想知道博主对近二十年来光学领域十分引人注意的光子晶体如何看？谢谢！
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- 评论人：可笑 2007-03-20
19:17:49
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历史有存在的必要么？父母有存在的必要么？你（中微子）有存在的必要么？
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- 评论人：中微子 2007-01-14
23:57:35
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不知道搞物理学史的人是不是有存在的必要。
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- 评论人：killall 2007-01-11
16:04:08
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很喜欢博主的文章
新概念英语 http://www.the1.com.cn 英语翻译 http://www.the1.com.cn/course_trans.jsp 新概念英语第三册 http://www.the1.com.cn/course_nce3.jsp | ||||
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- 评论人：killall 2007-01-11
16:04:08
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很喜欢博主的文章
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- 评论人：9dspace 2006-12-30
17:07:14
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弟妹好
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- 评论人：路过的人 2006-11-30
12:05:09
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谢谢你拉美女
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- 评论人：Frank Tseng 2006-11-28
22:01:19
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专业就是王道
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