量子光學(xué)｜光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史
發(fā)布時(shí)間：2022-11-15 977人看過
從某種程度上說，人類文明的進(jìn)展是不斷追尋光明事物的過程。在物理學(xué)中，作為光明事物的載體，光學(xué)也一直受到科學(xué)研究的普遍關(guān)注。人類在對(duì)光的探索中所發(fā)現(xiàn)的新特性，以及由此發(fā)展的新應(yīng)用也一直深深地影響著現(xiàn)代人們的生活。然而，物理學(xué)上回答“什么是光”卻并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的問題。盡管經(jīng)過了千百年來不斷的探索，自然界中的光和光學(xué)仍然向我們展現(xiàn)著它的神秘特性，有待人們進(jìn)一步深入探索它的無窮魅力。
近代光學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展可以追溯到牛頓（Isaac Newton ,1643~1727）甚至更早的時(shí)代。牛頓對(duì)光作了一系列的探索發(fā)現(xiàn)了太陽光的七色光譜，發(fā)明了反射望遠(yuǎn)鏡，等等。在他光學(xué)著作中，牛頓提出了光的“微粒說”理論，用以解釋光的發(fā)明了反射反射和折射現(xiàn)象，并推斷光在稠密介質(zhì)中傳播速度要比在稀疏介質(zhì)中的速度快。
與牛頓同時(shí)代的胡克（ RobertHooke ,1635~1703)，實(shí)際上在更早的時(shí)候就提出了光的“波動(dòng)說”。胡克認(rèn)為光線在一個(gè)以太介質(zhì)中以波的形式傳播，并預(yù)測(cè)光在進(jìn)入高密度介質(zhì)時(shí)會(huì)減速。這一假說后來由荷蘭科學(xué)家惠更斯（ ChristiaanHuygens ,1629~1695）作了進(jìn)一步發(fā)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(xiàn)象。特別是1801年，托馬斯▪楊( ThomasYoung ,1773~1829)進(jìn)行了著名的氏雙縫實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了光的干涉性質(zhì)，從而有力地證明了光的波動(dòng)特性。至此，光的“微粒說”解釋漸漸被人們拋棄，光的“波動(dòng)說”普遍為人們所認(rèn)可。
1873年，麥克斯韋（JamesClerkMaxwell ,1831~1879)出版了他的科學(xué)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(tǒng)一了電、磁理論。麥克斯韋由此推導(dǎo)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(jìn)一步揭示了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系。
20世紀(jì)物理學(xué)的重大進(jìn)展均離不開對(duì)光的奇妙特性的認(rèn)識(shí)和理解。1900年，普朗克( MaxPlanck ,1858~1947)基于黑體輻射現(xiàn)象，提出了光場(chǎng)能量量子化假說。這一概念后來又被愛因斯坦 AlbertEinstein ,1879~1955）進(jìn)一步發(fā)展，并提出了光子的概念，用以解釋光電效應(yīng)。至此光的“粒子”特性又被重新重視起來。由此人們認(rèn)識(shí)到，光可以同時(shí)具有“粒子性”和“波動(dòng)性”。受到光的波粒二象性的啟發(fā)，德布羅意（ LouisdeBroglie ,1892~1987)提出了著名的物質(zhì)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(yàn)所證實(shí)，大大促進(jìn)了量子力學(xué)的建立和發(fā)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(duì)論，并進(jìn)步發(fā)展了廣義相對(duì)論，從而極大地促進(jìn)了人類對(duì)時(shí)空本質(zhì)的認(rèn)識(shí)和理解。而相對(duì)論和量子力學(xué)的交叉又促進(jìn)了量子電動(dòng)力學(xué)的誕生，并進(jìn)一步導(dǎo)致量子場(chǎng)論的建立。
盡管光的量子特性已很早被認(rèn)知，然而對(duì)光場(chǎng)量子特性的研究，實(shí)際上是在20世紀(jì)60年代激光技術(shù)出現(xiàn)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(chǎng)的量子特性很容易展現(xiàn)出來，同時(shí)高功率的激光場(chǎng)與物質(zhì)之間強(qiáng)烈的相互作用使得微觀世界中的量子效應(yīng)更方便地在實(shí)驗(yàn)上被觀測(cè)和調(diào)控。激光技術(shù)的發(fā)展對(duì)人類科學(xué)技術(shù)的影響是深刻的，從物理、化學(xué)到生物、醫(yī)學(xué)等等，幾乎滲透到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，并持續(xù)影響著當(dāng)代自然科學(xué)的發(fā)展和人們的日常生活。
作為研究光場(chǎng)量子特性的重要學(xué)科分支，量子光學(xué)也是在激光技術(shù)誕生后才漸漸發(fā)展和成熟的。盡管量子電動(dòng)力學(xué)中對(duì)單個(gè)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(duì)于多光子間關(guān)聯(lián)特性的探討，在早期量子電動(dòng)力學(xué)中很少涉及。1956， RobertHanburyBrown (1916~2002）和 RichardQ . Twiss (1920~2005）首次觀測(cè)到了光場(chǎng)的強(qiáng)度關(guān)聯(lián)效應(yīng)（ HBT 干涉效應(yīng)）。這是早期促進(jìn)量子光學(xué)發(fā)展的重要實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。激光的出現(xiàn)使得實(shí)驗(yàn)觀測(cè)光場(chǎng)的量子特性變得方便，從而大大促進(jìn)了對(duì)光場(chǎng)量子特性及光場(chǎng)的非經(jīng)典關(guān)聯(lián)效應(yīng)的研究。1963年， RoyGlauber (1925~2018）系統(tǒng)地發(fā)展了光場(chǎng)的量子相干理論。這一理論框架不僅可以用來解釋 HBT 實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還為接下來量子光學(xué)數(shù)十年的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。量子光學(xué)著重研究光子與原子及其他微觀量子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)和相互作用等各種量子效應(yīng)。對(duì)這些簡(jiǎn)單微觀量子客體的研究，可以讓我們避開一些復(fù)雜系統(tǒng)中不可控制的干擾因素，從而有利于對(duì)純粹的量子效應(yīng)進(jìn)行深入探討，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的雙方面驗(yàn)證。這些成果不僅加深了我們對(duì)量子理論本身的理解，同時(shí)也推動(dòng)了人們操控微觀量子系統(tǒng)技術(shù)的提升，從而使得人類對(duì)微觀世界的操控變得越來越豐富和成熟。
在20世紀(jì)最后的20年里乃至進(jìn)入到當(dāng)今的21世紀(jì)，量子信息和量子計(jì)算的發(fā)展為人們展現(xiàn)了微觀系統(tǒng)中量子操控所蘊(yùn)含的潛在巨大應(yīng)用前景。在幾乎所有實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的平臺(tái)中，利用光場(chǎng)進(jìn)行操控和探測(cè)是不可或缺的重要手段。在量子模擬中，由激光場(chǎng)構(gòu)建的人造光晶格系統(tǒng)為模擬各種等效物理模型提供了キ富的操控手段，并為不同學(xué)科的交叉融合研究提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)。在引力孜休測(cè)中，量子光學(xué)工具的引入對(duì)提升引力波探測(cè)的精度、簡(jiǎn)化測(cè)量過程均有著重要的推動(dòng)作用。
當(dāng)前，量子光學(xué)所發(fā)展出來的物理概念和量子操控手段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于不同的學(xué)科分支中。量子光學(xué)的發(fā)展為探索各種奇妙的量子效應(yīng)提供了極佳的理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為提升人類量子操控的能力和開發(fā)各種新的量子技術(shù)提供了保障。為了解量子光學(xué)中所討論的內(nèi)容，在本書中，我們將著重介紹量子光學(xué)中的一些重要基本概念，包括光場(chǎng)的量子化、光場(chǎng)的相干性、光與介質(zhì)的相互作用、熱庫系統(tǒng)和主方程、朗之萬方程、光學(xué)諧振腔、光力耦合系統(tǒng)等。除此之外，由于篇幅和能力的限制，量子光學(xué)中仍有其他相關(guān)的重要分支和進(jìn)展，這里未能涉及，感興趣的讀者可以參閱相關(guān)的文獻(xiàn)和書籍做更深入的了解。
