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了解量子計算,不得不说量子力學殿堂级人物Max Born

没有Max Born对量子力學的贡献,人类在上个世纪所所取得的许多技术进步是不可能的。

Born作爲德國物理學家和和平倡導者,他奠定了其他人將建立的定量基礎,從而改變了我們今天看待和與世界互動的方式。

了解量子計算,不得不说量子力學殿堂级人物Max Born诺贝尔基金会[Public Domain] / Wikimedia Commons

Max Born的早期职业生涯

還是孩童時期的Born,因身體虛弱而被禁止進入德國的公立學校。他的父母依靠私人教師,仍然竭盡全力的爲他提供了盡可能強大的教育,因爲他們認爲可以在Born去上大學之前學習數學和物理。

1907年,Born在德國哥廷根大學獲得了博士學位,並在接下來的十五年的工作中,贏得其了自己作爲一名出色的物理學家的聲譽。

很快他開始研究愛因斯坦的相對論,並且定期與愛因斯坦本人通信,這樣的交流使得兩人很快成爲了真誠的朋友。

Born于1915年移居柏林,在Max Planck的组下工作,但随着整个欧洲大战的爆发,他很快被迫服兵役加入了战争。

了解量子計算,不得不说量子力學殿堂级人物Max Born资料来源:??Benjamin Couprie,国际物理研究所Solvay / Wikimedia Commons

而這一去,就錯過了與一位偉大的科學家一起學習工作的機會,這給Born留下了深刻的印記。但毫無疑問,戰爭本身就是如此,個人無從抉擇。

他在軍隊的各個無線電工程部門工作,他經常會幫忙周旋一些人事,以確保他的前同事和學生被分配到他的部門,使他們免受西線的恐怖遭遇。

戰爭結束後,Born于1921年回到哥廷根大學擔任物理學副教授。他的聲譽與其他名人一起引領哥廷根,而後該大學發展成爲歐洲最重要的原子物理中心。

了解量子計算,不得不说量子力學殿堂级人物Max Born來源:sutulo

像他一样的当代人尼尔斯·波尔(Neils Bohr)一样,Max Born是一位非常受追捧的导师,而后他们都成为20世纪物理学界的杰出人物。

在哥廷根工作者们的集体才华为Born的开创性工作做出了巨大贡献,其中大部分工作都源于他的推崇者Werner Heisenberg(海森堡)的发现。

當Heisenberg于1925年撰寫了他的第一篇關于量子力學的論文時,他向Born展示了手稿以供審查。

海森堡的論文描述了關于亞原子粒子作爲離散實體的可觀察事實,即它的位置,動量和能量。該論文是20世紀具有裏程碑意義的科學論文之一。

在論文發表之後立即,他即看到粒子的這些特征完全可以表示爲數學矩陣。

在Heisenberg和Jordan的協助下,Born在Heisenberg建立的工作基礎上,有史以來第一次以矩陣形式制定了量子力學的基本描述。

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Niels Bohr的量子力學和物理哲学

與此同時,奧地利物理學家埃德溫·薛定谔(EdwinSchr?dinger)正在忙于制定他自己版本的的量子力學,並于1926年發表了他的量子力學波動理論。

單很快就發現,量子力學的矩陣形式和波形在數學上是等價的,但是仍然有大量的工作要做,以充分表達這種控制亞原子粒子的顯著系統。

也就是說,薛定谔的波理論結合了一個尚未完全解釋的波函數。

Born決心消除他正在制定的新規則中的缺陷,于是開始探索控制波形中粒子的波函數性質。

量子力學中的波函數

 

了解量子計算,不得不说量子力學殿堂级人物Max Born资料来源:维基媒体共享社区的Alexandre Gondran

波函數是表達亞原子粒子狀態系統的一種相對簡單的方法。雖然粒子處在未觀察到的和未測量的狀態,量子力學說粒子處于一種稱爲疊加狀態(Superposition)的不確定狀態。

這使得粒子能夠同時在空間的兩個不同位置存在,從直覺來講,這嚴重違反經典物理學,因爲,經典物理學認爲物體在特定時間點上只能有一個位置存在。

然而,對于波函數表述的粒子,一旦觀察到,粒子必須“決定”它在空間中的實際位置,確定其位置的粒子的這個過程中被稱爲波函數的坍塌。

沿函數的每個點代表空間中的特定位置,由波函數上該點處的波幅度確定。Born在1926年發表的一篇論文中所呈現的是,沿著函數線的這些點,它可以用于計算一旦波函數坍塌,就會在特定位置找到坍塌粒子的概率。

而通过Born给定的计算规则(Born Rule),就能观察或测量粒子在指定位置坍塌的概率。当然,满足概率都小于或等于1.

其中1代表,該粒子以絕對確定的概率將在給定位置找到,0代表絕對確定的概率粒子不會出現在該位置。

通过Born Rule这一发现,使得量子力學的基本数学框架基础得到了充分的描述。

Max Born的遗产

 

了解量子計算,不得不说量子力學殿堂级人物Max Born

現在,量子力學的數學框架已經形成,量子力學不再是研究者的學術活動或好奇心探求,因爲,現在已經投入使用。

从激光器到核磁共振成像机到量子計算机的所有东西都依赖于Max Born在20世纪20年代中期那几年所做的工作。

通過制定量子力學的實際規則和公式,人們可以進行新的測試,並進行新的研究,以進一步了解亞原子微觀世界。

1954年,他從學術界退休一年後。他在1925年至1926年的努力被研究者麽高度認可並引用,因爲他被授予了諾貝爾物理學獎。

而且在他去世之前,退休后的Max Born继续为追求和平和核裁军做出值得称贊的工作。

纵观史册,Max Born关于量子力學的研究完全是革命性的,他当之无愧是20世纪物理学万神殿中的殿堂级人物。

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