量子力學與諾貝爾獎的百年糾纏史

2022年的諾貝爾物理學獎由三位科學家Alain Aspect、John Clauser、Anton Zeilinger分享，以表彰他們各自利用量子糾纏進行了開創性的實驗，證偽了貝爾不等式，研究結果也為量子信息技術的發展奠定了基礎。

量子力學登頂今年的諾貝爾物理學獎領獎臺，不禁讓人翻一翻量子力學史及諾貝爾獎史。1900年普朗克出提出了能量子概念，量子大門正式被推開。上世紀二三十年代，量子力學逐步建立起來。一百年來，量子力學已經成為現代物理學的堅實基礎，絕大多數諾貝爾物理學獎得主的工作都離不開量子力學這個基礎。即使是量子力學建立后，與量子理論相關的研究也屢屢拿下諾貝爾物理學獎以及諾貝爾化學獎。歷數有關量子理論的諾貝爾獎會發現，幾乎每個年代都有重大量子理論獲諾貝爾獎。

1918年普朗克因提出能量子的概念獲得了諾貝爾獎，其實在他之前維恩因發現熱輻射定律獲得了1911年的諾貝爾物理學獎。維恩熱輻射定律是普朗克提出能量子概念的前奏。

1905年愛因斯坦提出光量子概念，并解釋了光電效應。這使得愛因斯坦獲得了1921年諾貝爾物理學獎。

1922年玻爾因提出氫原子結構模型并成功解釋了氫原子光譜獲得了諾貝爾物理學獎。玻爾后來成為量子力學哥本哈根派的旗手。

1923年德布羅意提出實物粒子也有波動性，并給出實物粒子的波粒二象性數學表達式。這一設想被后來的實驗證實，德布羅意因此獲得了1929年的諾貝爾物理學獎。

上世紀二十年代，量子力學進入了快速發展時期。薛定諤在德布羅意的基礎上建立起量子力學的波動力學，海森堡在薛定諤前面提前一年用不同的數學方法建立量子力學的矩陣力學。海森堡獲得了932年的諾貝爾物理學獎，薛定諤獲得了1933年的諾貝爾物理學獎。

海森堡的導師波恩沒有和海森堡一起分享諾貝爾獎讓人感到意外，就連海森堡本人也大吃一驚。不過到了1954年波恩拿到了諾貝爾獎，因為提出波函數的統計解釋。

和薛定諤同年獲獎的還有狄拉克。海森堡和薛定諤的量子力學只能在低速和低能情況下適用，狄拉克將相對論效應考慮到量子力學中，將量子力學的方程進行了修改。狄拉克的方程包含了電子自旋的項，還預言了反粒子的存在。

泡利因提出泡利不相容原理獲得了1945年的諾貝爾物理學獎，泡利不相容原理指的是每個量子態只能有一個電子，該原理關聯著半整數自旋粒子的波函數對稱性。

1965年，朝永振一郎、施溫格、費曼因在量子電動力學中的基礎性貢獻獲得了諾貝爾物理學獎，量子電動力學是由量子力學發展而來，研究電磁相互作用的量子性質以及帶電粒子的產生、湮沒、散射等。量子電動力學是非常成熟和精確的理論。

電磁場具有規范對稱性，麥克斯韋方程組能夠在規范變換中保持形式不變。溫伯格、格拉肖、薩拉姆研究弱相互作用時認為弱相互作用也有這種規范不變性，他們提出的理論能夠描述弱相互作用及電磁相互作用。并且相關預言也在之后得到發現。因提出弱相互作用及電磁相互作用的統一理論，三人分享了1979年的諾貝爾物理學獎。

霍夫特及韋爾特曼因在非阿貝爾規范理論的重正化方面做出杰出貢獻獲得了1999年的諾貝爾物理學獎。他們闡明了弱相互作用的量子結構，使粒子物理學有了更加牢固的數學基礎。

2004年，格羅斯、普利策、韋爾切克因發現量子色動力學中的夸克漸進自由獲諾貝爾物理學獎。他們的工作描繪了強相互作用，對粒子物理學及統一場論的研究至關重要。

不止是諾貝爾物理學獎，諾貝爾化學獎中也有量子理論方面的工作。1998年諾貝爾化學獎的得主是美國物理學家科恩及英國數學家波普，他們的工作分別是發展了量子化學中的密度函數理論及量子化學的計算方法。在1981年，霍夫曼及福井謙一因分子軌道相互作用及對稱關系的理論獲得了諾貝爾化學獎。1954年鮑林因研究化學鍵的性質及復雜分子結構獲諾貝爾化學獎，1966年馬力肯因創立化學結構的分子軌道理論獲諾貝爾化學獎，這些都可以算是量子理論的發展與突破。

今年量子力學再次登上諾貝爾獎領獎臺，可見百年量子力學依然生機盎然。證偽了貝爾不等式意味著玻爾和愛因斯坦的數十年爭論可以終結，量子力學最終勝出。量子信息的應用必將在本世紀產生新的變革，量子力學將真正全面走進人類的日常生活。