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“遇事不決、量子力學(xué)”

量子糾纏與心靈感應(yīng)有關(guān)？

當(dāng)社交網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)“量子物理”的字眼

你心中是否有許多疑惑？

當(dāng)我們談?wù)摿孔游锢頃r(shí)

到底在談?wù)撌裁矗?/p>

后天（11月8日）

“浦江科學(xué)大師講壇”第四期

將在復(fù)旦大學(xué)相輝堂開(kāi)講

諾獎(jiǎng)得主、法國(guó)物理學(xué)家

塞爾日• 阿羅什（Serge Haroche）將以

 “光的科學(xué)：從伽利略到量子物理”

為題作報(bào)告

我們邀請(qǐng)

復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授李曉鵬

通過(guò)10個(gè)問(wèn)答

為你提前科普奇妙又迷人的量子世界

首先要強(qiáng)調(diào)，量子力學(xué)不存在任何的模棱兩可，而是非常確切的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子力學(xué)就是描述微觀世界的一種理論，主要研究物質(zhì)世界微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

我們面對(duì)的世界，在尺度上可以分為宏觀和微觀世界，而宏觀和微觀世界的大致的分界線，就是原子。大量的原子組成的物質(zhì)就是宏觀世界，單原子或者更小尺度的物質(zhì)，就是微觀世界。

無(wú)論在宏觀世界還是在微觀世界，能量無(wú)所不在、無(wú)時(shí)不有。與宏觀世界能量傳遞連續(xù)變化不同，在微觀世界，能量的傳遞是間斷的，事物的變化是跳躍的，變化的最小單元就被定義為“量子”。換句話說(shuō)，量子就是離散變化的最小單元。這種不可再分、非連續(xù)的量子概念是微觀世界的基礎(chǔ)現(xiàn)象。作為研究微觀世界的理論，量子力學(xué)因此得名，與相對(duì)論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。

歷史上，物理學(xué)家一度認(rèn)為微觀和宏觀世界的物理規(guī)律是一樣的。但后來(lái)發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)世界相去甚遠(yuǎn)。

在量子的世界中，經(jīng)典物理學(xué)理論幾乎不具有解釋力。經(jīng)典物理學(xué)依賴于連續(xù)性和決定論的原則，它的世界觀大體分為兩部分——絕對(duì)時(shí)空觀和因果論。通俗來(lái)說(shuō)，在經(jīng)典物理學(xué)中，所有物理量的變化在空間和時(shí)間中是連續(xù)發(fā)生的，每個(gè)物理量都有明確的值，整個(gè)世界都嚴(yán)格依照物理規(guī)律發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化。

而量子理論顛覆了這一原則，量子力學(xué)的基本原理是：在基本層面上，自然界的所有變化都是不連續(xù)的量子化的過(guò)程，這些量子化過(guò)程的發(fā)生不是確定性的，而是由概率定律控制的。量子力學(xué)的研究為揭示世界本源提供了一種全新的視角。

量子力學(xué)的創(chuàng)立，是20世紀(jì)物理學(xué)的重大突破，革命性地改變了人們對(duì)于物理世界的認(rèn)識(shí)，開(kāi)啟了一個(gè)新的時(shí)代。量子力學(xué)為我們提供了一種獨(dú)特的視角，增加了人類探索和認(rèn)識(shí)世界的深度和廣度，有助于我們深入地了解物質(zhì)世界的本質(zhì)，從而用一種更可控的手段來(lái)控制微觀世界。

量子力學(xué)的重要性不僅在于科學(xué)的理論價(jià)值，更在于技術(shù)的實(shí)用價(jià)值。它為人類創(chuàng)造了無(wú)盡的可能性。20世紀(jì)90年代，諾貝爾獎(jiǎng)得主萊昂·萊德曼（Leon Lederman）就指出，量子力學(xué)貢獻(xiàn)了當(dāng)時(shí)美國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的三分之一。現(xiàn)在更是很難找到與量子無(wú)關(guān)的新技術(shù)，量子力學(xué)在化學(xué)、生物學(xué)、核物理學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，都成為至關(guān)重要的理論基礎(chǔ)。可以說(shuō)，量子力學(xué)對(duì)現(xiàn)代文明的發(fā)展貢獻(xiàn)巨大，是驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代科技取得飛躍性進(jìn)展的關(guān)鍵因素。

量子時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。可以說(shuō)，誰(shuí)掌握了量子技術(shù)，誰(shuí)就掌握了發(fā)展的主動(dòng)權(quán)，這是它能夠得到學(xué)界及業(yè)界重視并實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展的根本原因。

量子力學(xué)的起源可以追溯到20世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們?cè)噲D理解原子和分子的行為，但經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋它們的穩(wěn)定性和光譜現(xiàn)象。

▲波粒二象性示意圖

在這個(gè)背景下，普朗克提出能量量子化假說(shuō)，愛(ài)因斯坦提出光量子假說(shuō)和光的波粒二象性理論，玻爾通過(guò)量子化假設(shè)提出了原子能級(jí)的概念，這三位沖破了經(jīng)典物理學(xué)的束縛，踢開(kāi)了量子力學(xué)的大門。20年代，海森堡提出了矩陣力學(xué)，薛定諤和德布羅意則提出了波動(dòng)力學(xué)，量子力學(xué)的系統(tǒng)理論得以建立起來(lái)。30年代后，量子力學(xué)進(jìn)入檢驗(yàn)和深入發(fā)展時(shí)期。

玻爾說(shuō)過(guò)：“如果誰(shuí)不為量子論而感到困惑，那他就是沒(méi)有理解量子論。”事實(shí)上，量子力學(xué)自誕生之日起，就爭(zhēng)議不斷，受到來(lái)自各方面的質(zhì)疑和攻擊。甚至量子力學(xué)內(nèi)部也分為好幾個(gè)派系，論爭(zhēng)不斷。100多年來(lái)，幾代物理學(xué)家不斷求索，量子糾纏、量子隧道效應(yīng)等許多微觀世界中奇妙現(xiàn)象得以被觀察，我們正逐漸揭開(kāi)微觀世界的神秘面紗。

Q5 如何理解愛(ài)因斯坦所說(shuō)＂上帝不擲骰子＂這句話？

在量子力學(xué)發(fā)展前期，愛(ài)因斯坦認(rèn)為量子的排列是有序的，并堅(jiān)信宇宙是經(jīng)典物理式的，每一個(gè)瞬間都決定著下一個(gè)瞬間。但到量子力學(xué)發(fā)展后期，出現(xiàn)了新的量子力學(xué)主張——以哥本哈根學(xué)派為代表，認(rèn)為“一些事情不是決定論的，它們的發(fā)生是隨機(jī)的”，粒子是以概率波的形式分布的，這并不符合經(jīng)典的物理學(xué)范式。比如，一個(gè)光子并不是我們理解中以直線傳播的，它的路徑無(wú)法預(yù)測(cè)，理論上來(lái)說(shuō)它可能在任何一個(gè)位置，你只能知道它在什么地方出現(xiàn)的概率大。

愛(ài)因斯坦與哥本哈根學(xué)派的核心人物玻爾就這個(gè)問(wèn)題爭(zhēng)論了近30年。在半個(gè)世紀(jì)的驗(yàn)證和探索后，不確定性已經(jīng)成為量子力學(xué)讓人不得不接受的硬事實(shí)。量子的世界本質(zhì)上是隨機(jī)的，量子在與其它事物作用時(shí)才會(huì)顯現(xiàn)，但如何作用則是隨機(jī)的。我們永遠(yuǎn)無(wú)法同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量量子的位置和動(dòng)量，位置越精確，動(dòng)量的不確定性就越大；反之，動(dòng)量越精確，位置的不確定性就越大。量子力學(xué)讓我們不得不相信，上帝似乎是玩骰子的。

量子力學(xué)帶來(lái)了豐富的技術(shù)和應(yīng)用，也衍生出一些全新的學(xué)科，包括量子計(jì)算、量子通信、量子生物學(xué)、量子材料科學(xué)等等。近年來(lái)，基于對(duì)單個(gè)量子態(tài)的操控，量子科學(xué)技術(shù)又出現(xiàn)了新的方向和新的領(lǐng)域，正在迎來(lái)量子革命的第二次高潮，量子計(jì)算就是其中的一個(gè)重要的例子。

量子科技有一個(gè)非常吸引人的特征，就是超強(qiáng)的運(yùn)算能力，這是一種基于量子位的計(jì)算方式，它有潛力在某些問(wèn)題上比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更高效。一個(gè)原本需要傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算幾萬(wàn)年的題目，用量子計(jì)算機(jī)也許只需要幾秒鐘。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)采用０和１的二進(jìn)制，量子的單位可以同時(shí)既是０又是１，就像走迷宮，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一次只能走一條路徑，而量子計(jì)算機(jī)一次可以試探多條路徑。可以預(yù)見(jiàn)，量子計(jì)算將會(huì)帶領(lǐng)我們進(jìn)入一個(gè)新的計(jì)算時(shí)代。

如果說(shuō)未來(lái)能夠研發(fā)出更為先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)，算力會(huì)得到前所未有的釋放，我們的生活將會(huì)發(fā)生天翻地覆的變化。

由于量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)相對(duì)復(fù)雜，一些人可能覺(jué)得量子力學(xué)只有科學(xué)家需要去關(guān)注。其實(shí)不然，量子力學(xué)與我們的日常生活聯(lián)系非常緊密，比如我們?nèi)粘Ｊ褂玫募す夤P、各種半導(dǎo)體芯片。

正如戴瑾所著《從零開(kāi)始讀懂量子力學(xué)》一書的引言中所述：“從微小的原子到浩瀚的宇宙，從每一滴水到閃亮的鉆石，從劃破夜空的激光到你身邊的手機(jī)，所有事物的背后都有量子力學(xué)在主宰！”如果沒(méi)有量子力學(xué)，我們的智能手機(jī)會(huì)淪為一塊廢鐵。如果沒(méi)有量子力學(xué)，我們也無(wú)法享受到精準(zhǔn)有效的核磁共振檢查。如果沒(méi)有量子力學(xué)，準(zhǔn)確的時(shí)間、位置和速度信息都無(wú)法獲得。所以無(wú)需再問(wèn)量子力學(xué)在哪兒，你無(wú)時(shí)無(wú)刻不沉浸于其中。

“遇事不決，量子力學(xué)”是現(xiàn)在年輕人很喜歡掛在嘴邊的一句話，這當(dāng)然是句調(diào)侃。近年來(lái)，“薛定諤的貓”、“平行宇宙”等量子力學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)名詞在社交媒體上熱度頗高，這雖然反映了量子力學(xué)的深?yuàn)W與神秘，但也體現(xiàn)了公眾對(duì)它的好奇以及量子力學(xué)科普化的趨勢(shì)。

與十年前相比，我國(guó)的量子科技已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從跟跑到部分領(lǐng)跑的歷史飛躍，量子通信研究處于國(guó)際前列水平，量子計(jì)算、量子精密測(cè)量等領(lǐng)域也亮點(diǎn)頻現(xiàn)。

比如2016年，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射升空，我國(guó)率先在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了星地量子通信；2017年，量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)“京滬干線”正式開(kāi)通，并與“墨子號(hào)”連接，實(shí)現(xiàn)世界首次洲際量子通信；“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)、“祖沖之二號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)先后實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑。這些都體現(xiàn)著我國(guó)量子科技發(fā)展進(jìn)入了快車道。

人類對(duì)世界的探索永無(wú)止境，直到現(xiàn)在，我們其實(shí)仍沒(méi)有真正理解量子世界到底是如何運(yùn)作的，比如關(guān)于“波－粒二象性”、“量子隧穿”“量子坍縮”等重要的概念和假設(shè)依然十分難以理解和解釋，這也成為物理學(xué)家不斷研究和求證的突破點(diǎn)。