邮品讲述量子的故事

张庶元

时下，量子通讯、量子计算、量子测量、量子雷达等技术进展，在电视、网络等各种媒体中不断有相关信息报道和评述，並受到广泛关注和热议。今年，恰值量子论诞生125周年，用邮品来讲述量子论及其进展的故事，抑或是一件饶有兴味的事情。

1900年，德国物理学家普朗克（图1），

为解决黑体辐射问题，提出了“能量子”假说，认为物体在吸收和发射辐射时，能量是不连续的，而是以“能量子”的整数倍跳跃式变化（图2）。他用hv来描述“能量子”，並计算出h的数值，h被称为普朗克常数，是一个非常重要的物理学参量；v是微观粒子的运动频率。普朗克引入能量子概念后，成功地解决了困挠物理学界多年的黑体辐射问题。1900.12.14，普朗克向德国物理学会宣读了相关论文，标志着量子论的诞生。

能量是物质运动的一种量度，在经典物理学中，能量是可以连续变化的。普朗克的量子论，认为能量的最小单元是hv，与经典物理完全相违，揭示了物质微观结构的离散性。量子论的诞生，为打开微观世界的大门奠定了基石。基于这一重大贡献，他荣获了1918年诺贝尔物理学奖（图3）。

从20世纪20年代起，普朗克成为了德国科学界的代表人物，当选为威廉皇帝学会主席。1949年后，威廉皇帝学会改名为马克斯.普朗克学会。图4这枚邮资机戳，是马克斯.普朗克研究所的专用邮戳，上有马克斯.普朗克研究所的文字标识。

普朗克逝世后，在他的墓碑上，除其姓名外，还锈刻有一个醒目的字母“h〞及其数值（图5）。

普朗克的另一个重要贡献，是.“发现”了爱因斯坦（图6）。1905年，爱因斯坦在物理学杂志上发表了一篇论文：《论运动物体的电动力学》。这篇论文即是人们如今熟知的“狭义相对论”。普朗克敏鋭地覚察到这篇论文的重大意义，便及时向物理学界大力推介这个理论，使“狭义相对论〞很快得到德国、乃至世界科学界的承认。之后，他又领銜联名上书德国教育部，增选爱因斯坦为普鲁士科学院院士，并委任爱因斯坦为威廉皇帝物理研究所所长。

1905年，爱因斯坦为解释光电效应，提出了“光量子〞的概念（图7），指出光的能量也是量子化的，每个光量子的能量E=hv。普朗克的能量子只是振子能量的分离化，而光量子则是辐射场的存在形式，这便将量子的概念作了进一步拓展。

美国物理学家密立根（图8），对光电效应的实验研究证实了爱因斯坦的光电效应理论。

印度物理学家玻色（图9）根据光量子概念提出了普朗克公式的另一种推导方法。玻色的工作既是普朗克定律的又一论证，又是量子统计物理学的启始。爱因斯坦把玻色的方法推广到单原子气体，成为玻色-爱因斯坦统计法。

1911年，英国物理学家卢瑟福基于a粒子的散射实验，发现了原子核的存在，从而提出原子结构的行星模型（图10）。

行星模型的最大问题是不稳定。丹麦物理学家玻尔，以卢瑟福行星模型为基础，运用量子理论，提出了自己的原子结构模型（图11）。他指出，原子中的核外电子只能在一个特定的圆周轨道上运动，电子在这些不同轨道间跃迁时，吸收或发射光子。玻尔的理论不仅成功地解释了原子的稳定性问题，而且阐释了原子的光谱线和能级分裂等现象。同时，玻尔的工作也进一步证实了普朗克量子论的正确性。

图12是葡萄牙2000年发行的世纪回顾邮票中的一枚，普朗克、爱因斯坦和玻尔被选来代表20世纪的物理学。这无疑表明，量子论是20世纪物理学发展的主线。

1923年，法国物理学家德布罗意（图13），受光的波粒二象性启发，大胆猜想：所有实物粒子（如电子、质子）也具有波粒二象性，其波长为入=h/p，p为粒子动量。这一大胆猜想，如石破天惊，受到科学界的髙度关注。

德布罗意的实物波假说，于1927年被电子衍射实验所证实。如今，电子显微镜很容易获得各种晶体的电子衍射花样。图14是尼加拉瓜1971年发行的邮票，图案展示了电子显微镜和电子衍射花样，左上还显示了德布罗意的物质波波长的公式。

于是，从1920年代起，物理学家们放弃了对经典物理的修补，转而建立全新的数学理论，逐渐形成了量子力学的两大核心体系，即描述微观粒子运动基本规律的“矩阵力学”和“波动力学”。

1925年，德国物理学家海森堡，与他人合作，相继发表了三篇论文，利用“矩阵〞表示物理量，建立了“矩阵力学〞，展示了量子世界的基本特征。图15是德国为纪念海森堡100周年诞辰发行的一枚邮资片，邮资图和邮戳图案都展现了海森堡的形象。

1925.9月，英国剑桥大学的研究生狄拉克（图16），阅读到海森堡的论文，引发起极大兴趣並深入研究，创立了独具风格的矩阵力学表述形式。狄拉克的表述形式非常简洁优美，比海森堡的形式更易于接受。1928年，狄拉克又成劝地把量子力学和狭义相对论统一起来，建立了狄拉克方程。海森林堡的“矩阵力学〞是量子力学的基本表述，用矩阵语言搭建了非相对论量子理论框架；狄拉克方程则是相对论量子力学的具体应用，通过方程形式实现了量子力学与相对论的融合。前者是“通用语言〞，后者是“特定场景的方程”，二者共同推动了量子理论从非相对论到相对论的跨越。

1926年，奥地利物理学家薛定谔（图17），另辟蹊径，从物质波的角度，提出了描述微观粒子运动规律的波动方程，也称为“薛定谔方程〞。

图18上纪念邮戳的图案，清䀿地呈现了典雅优美的“薛定谔方程〞。波动力学可通过求解方程直接得到原子能级，更容易被物理学家理解（基于微积分而非矩阵）。之后，薛定谔进一步证明：矩阵力学与诐动力学殊途同归，在数学上是等价的。

图19是瑞典1982年发行的诺贝尔物理学奖小本票，完美地总结了量子力学发展的历史。全套邮票共5枚，纪念5位诺贝尔物理学奖得主，从上到下的顺序为：玻尔、薜定谔、德布罗意、狄拉克和海森堡。邮票图案则尽力表现了他们各自对量子力学的贡献。

此后，经众多物理学家的研究努力，量子论和量子力学不断深入发展和完善。图20表现了我国科学家发现的“量子反常霍尔效应”的图示，这是一项具有诺贝尔奖级的重大科研成果。更多有关量子论和量子力学的内容，因过于专业，此处就不赘述了。

量子论对现代科技和人们生活都产生了深远的影响，它不仅是现代科技中许多关键技术的理论基础，还在多个领域改变了人们的生活方式和质量。这里选择几主要领域简约介绍。

一是半导体和计算机领域。量子论是半导体物理的基础。基于此发展出的集成电路和芯片（图21），让电脑芯片得以不断缩小尺寸、提升了性能。

如今，小巧便携、算力强大的电脑和手机（图22），己是人们日常生活的必需，为工作效率提高、人们生活方便，作用难以估量。

图23是我国自行研制的“神威.

太湖之光”超级计算机邮票。它是世界上首台算力每秒过10亿亿次的计算机，曾两度荣获全球超算之冠。末来，随着量子计算机的成熟和广泛应用，将凭借量子叠加等特性，使计算能力呈指数级增长，可快速处理各种复杂问题，如密码破解、气象预测等等。在这一领域，我国与美国竞争激烈，各有优势。

二是通信领域。量子通信利用量子纠缠和量子密钥分发等特性，实现了信息的安全传输，从物理原理上杜绝了窃听的可能。在该领域，我国走在了世界前列，引领着这一技术的发展。北京至上海的量子通信干线，为金融、政务等提供了安全的通信保障。我国发射了世界上首颗量子通信卫星“墨子号〞（图24），实现了千公里级星地量子密钥的分发。

三是能源领域。量子论为太阳能电池的发展提供了理论支撑（光电效应），使太阳能发电成为可能。目前，我国在太阳能光伏电池板领域的研究和应用处于世界领先地位。在航天领域，空间实验室、航天站、以及各类航天器，都必须借助太阳能光伏电池板提供电源（图25）。

此外，核能的开发利用，也是基于量子世界中原子核相关特性的研究。原子核的裂变和聚变反应原理，是量子论在能源领域的重要应用。图26是我国自主研发的“华龙一号〞核电机组（基于核裂变原理）邮票。该机组属第三代百万千瓦级压水堆核电技术，满足全球最高安全标准，己成为中国核电走向世界的“国家名片”。

图27上部图案呈现了合肥科学岛上的“人造小太阳〞，这是我国独立研制的世界首个全超导托克马克装置，其基本原理是核聚变。这一大科学装置多次创造了在上亿度下稳态运行的时长世界纪录。

四是精密测量领域。量子论催生了原子钟，原子钟可用于时间的精确测量，并通过光速将其转化为精确的距离测量，这是GPS和北斗导航的核心原理。图28展现了我国研发组建的北斗导航系统，它为我国经济发展、国防建设和人民生活产生了难以估量的影响。

量子陀螺也基于量子论，可极大提髙导航精度，在GPS或北斗导航系统等失效的深海、地底也能精确定位。我国的一些高精度制导导弹，就安装了量子陀螺（图29）。量子雷达也是量子精确测量的一种体现，据相关报道，目前仅有我国研发出量子雷达并装备了部队，这让敌对的战机无处遁形。

五是生活医疗领域。LED灯的发光原理是基于量子力学中的能带理论。电子从髙能级跃迁至低能级时释放光子而产生光。这种灯比传统白炽灯更节能，更长寿，己广泛应用于家庭、城市和道路的照明。图30中的路灯和隧道中的照明系统，都大量使用了LED灯。

医院里的核磁共振成像仪（图31），就是基于量子力学中的核磁共振现象，它能生成高分辨的人体内部图像，帮助医生诊断多种疾病。

广而言之，人们家庭中的各种电器，包括电视、空调、冰箱、洗衣机、电脑……等等都离不开各类型的半导体芯片。如是，量子与我们人类生活总是形影不离、息息相关的。