量子光学｜光学发展简史

从某种程度上说，人类文明的进展是不断追寻光明事物的过程。在物理学中，作为光明事物的载体，光学也一直受到科学研究的普遍关注。人类在对光的探索中所发现的新特性，以及由此发展的新应用也一直深深地影响着现代人们的生活。然而，物理学上回答“什么是光”却并不是一个简单的问题。尽管经过了千百年来不断的探索，自然界中的光和光学仍然向我们展现着它的神秘特性，有待人们进一步深入探索它的无穷魅力。

近代光学的出现和发展可以追溯到牛顿（Isaac Newton ,1643~1727）甚至更早的时代。牛顿对光作了一系列的探索发现了太阳光的七色光谱，发明了反射望远镜，等等。在他光学著作中，牛顿提出了光的“微粒说”理论，用以解释光的发明了反射反射和折射现象，并推断光在稠密介质中传播速度要比在稀疏介质中的速度快。

与牛顿同时代的胡克（ RobertHooke ,1635~1703)，实际上在更早的时候就提出了光的“波动说”。胡克认为光线在一个以太介质中以波的形式传播，并预测光在进入高密度介质时会减速。这一假说后来由荷兰科学家惠更斯（ ChristiaanHuygens ,1629~1695）作了进一步发展和完善，并提出了著名的惠更斯原理，成功地解释了光的直线传播、反射和折射现象。特别是1801年，托马斯▪杨( ThomasYoung ,1773~1829)进行了著名的氏双缝实验，发现了光的干涉性质，从而有力地证明了光的波动特性。至此，光的“微粒说”解释渐渐被人们抛弃，光的“波动说”普遍为人们所认可。

1873年，麦克斯韦（JamesClerkMaxwell ,1831~1879)出版了他的科学名著《电磁理论》。在这里，麦克斯韦提出了著名的麦克斯韦方程组，统一了电、磁理论。麦克斯韦由此推导出电磁波的传播速度等于光速，并推断光是电磁波的一种形式，从而进一步揭示了光现象和电磁现象之间的联系。

20世纪物理学的重大进展均离不开对光的奇妙特性的认识和理解。1900年，普朗克( MaxPlanck ,1858~1947)基于黑体辐射现象，提出了光场能量量子化假说。这一概念后来又被爱因斯坦 AlbertEinstein ,1879~1955）进一步发展，并提出了光子的概念，用以解释光电效应。至此光的“粒子”特性又被重新重视起来。由此人们认识到，光可以同时具有“粒子性”和“波动性”。受到光的波粒二象性的启发，德布罗意（ LouisdeBroglie ,1892~1987)提出了著名的物质波假说，从而给出了微观世界中波粒二象性普遍存在的重要推断，并很快被外验所证实，大大促进了量子力学的建立和发展。另一方面，基于光的传播谏庭不依赖于参照系的特性，1905年，爱因斯坦提出了著名的狭义相对论，并进步发展了广义相对论，从而极大地促进了人类对时空本质的认识和理解。而相对论和量子力学的交叉又促进了量子电动力学的诞生，并进一步导致量子场论的建立。

尽管光的量子特性已很早被认知，然而对光场量子特性的研究，实际上是在20世纪60年代激光技术出现以后才变得越来越普遍。激光由于其高度的相干特性使得光场的量子特性很容易展现出来，同时高功率的激光场与物质之间强烈的相互作用使得微观世界中的量子效应更方便地在实验上被观测和调控。激光技术的发展对人类科学技术的影响是深刻的，从物理、化学到生物、医学等等，几乎渗透到各个学科领域，并持续影响着当代自然科学的发展和人们的日常生活。

作为研究光场量子特性的重要学科分支，量子光学也是在激光技术诞生后才渐渐发展和成熟的。尽管量子电动力学中对单个光子和电子的量子特性及相互作用做了非常精确的描述，但是对于多光子间关联特性的探讨，在早期量子电动力学中很少涉及。1956年， RobertHanburyBrown (1916~2002）和 RichardQ . Twiss (1920~2005）首次观测到了光场的强度关联效应（ HBT 干涉效应）。这是早期促进量子光学发展的重要实验进展。激光的出现使得实验观测光场的量子特性变得方便，从而大大促进了对光场量子特性及光场的非经典关联效应的研究。1963年， RoyGlauber (1925~2018）系统地发展了光场的量子相干理论。这一理论框架不仅可以用来解释 HBT 实验，同时还为接下来量子光学数十年的发展奠定了基础。量子光学着重研究光子与原子及其他微观量子系统之间的关联和相互作用等各种量子效应。对这些简单微观量子客体的研究，可以让我们避开一些复杂系统中不可控制的干扰因素，从而有利于对纯粹的量子效应进行深入探讨，实现理论和实验结果的双方面验证。这些成果不仅加深了我们对量子理论本身的理解，同时也推动了人们操控微观量子系统技术的提升，从而使得人类对微观世界的操控变得越来越丰富和成熟。