好书伴读 - 揭开“量子”的神秘面纱

量子是我们的老朋友，而不是最近才有的东西。事实上，20世纪90年代，诺贝尔奖得主莱德曼就指出，量子力学贡献了当时美国国内生产总值的三分之一。现在更是很难找到与量子无关的新技术。所以说，量子力学是当代文明的一个重要基础。近年来，基于量子叠加的量子信息和量子计算得到很大发展。从技术到理论，我们都需要继续量子革命。

“量子”是我们的老朋友

量子力学最重要的特征，是它的描述是概率性的。在我们日常生活中，也使用概率的说法。比如，扔骰子，每个面朝上都有可能，概率大概1/6。但是这种概率是基于对细节的忽略。如果我们知道骰子运动的力学细节，原则上我们可以预言每次扔骰子的结果。而在量子力学中，概率是实质性的。关键在于，我们使用的最基本的概念是“概率的开方”，称作波函数或者概率幅，比概率信息更丰富，就好比复数比实数的信息丰富。德布罗意所说的物质波本质上就是波函数。因为是一种波，所以有干涉效应，两种可能性叠加的概率不一定是原先两个概率相加。量子力学建立以后，成为整个微观物理学的理论框架，取得一个又一个的成功。

量子力学解释了化学。元素周期表、化学反应、化学键、分子的稳定性等，都是在电子和原子核的电磁力作用下，量子力学规律所导致。所以狄拉克在1929年就说：“整个化学所依赖的物理定律已经完全知道了。”

量子力学帮助我们理解宇宙。我们的宇宙跨越各种尺度，从最小、最微观的基本粒子到原子分子，到我们可以看见的宏观世界，到天体，到整个宇宙。从光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及大量原子构成的凝聚态物质，量子力学都起了重要的作用，也因此成为现代技术的基础。在微观的尺度上，电磁力和弱相互作用（主宰中子衰变为质子从而导致放射性）已经统一为电弱相互作用，这是量子场论（量子力学与狭义相对论的结合）的成功。在更微观的尺度上，电弱相互作用可能与强相互作用（将夸克结合为核子的力量）统一，但是还没有成功。

更加微观的尺度上，它们还可能与引力统一。这些统一问题依赖对量子力学的探究，都还没有解决。其他的未解之谜，比如，暗物质和暗能量，答案也依赖于量子力学。很多天体物理过程，例如太阳这样的恒星发光，白矮星和脉冲星的存在，以及刚才说过的宇宙背景辐射的存在，都是因为量子力学规律。太阳发出的中微子到达地球时，一部分变成其他类型的中微子，这本质上就是量子概率幅的振荡。整个宇宙起源于大爆炸，然后一直膨胀。所以在宇宙诞生的早期，宇宙就像一锅基本粒子的汤，受量子力学支配。所以不少人用咬尾蛇来象征最大和最小的统一。在宇宙早期，量子力学决定了我们的宇宙中有多少氢和氦。后来重原子核在恒星中的合成也是量子力学决定的。大尺度上，我们的宇宙中有星系结构。追根溯源，宇宙结构的形成是因为最初量子力学导致的涨落，这是量子力学的概率本性决定的。

终极问题——为什么有宇宙存在，而不是什么也没有，也需要用量子力学去寻找答案，不管能不能找到。各种材料的物理性质在很大程度上是因为材料中电子的量子力学行为。比如，导体和绝缘体的区别，比如，磁性的起源，超导电性的原因，等等。量子力学带来了非常丰富的应用，深刻地改变了我们人类社会的文明。

它让我们拥有了新的能源：来自原子核的能量，也让我们能够更有效地利用太阳能。原子弹影响了世界历史，而核电则是原子核能量的和平利用。

量子力学为信息革命提供了硬件基础。激光、半导体晶体管，芯片的原理都源于量子力学。量子力学也使得磁盘和光盘的信息存储、发光二极管、卫星定位导航等新技术成为可能。从X射线到电子显微镜、正电子湮没、光学和核磁共振成像，等等，量子力学为材料科学、医学和生物学提供了分析工具。所以，量子是我们的老朋友，而不是最近才有的东西。事实上，20世纪90年代，诺贝尔奖得主莱德曼就指出，量子力学贡献了当时美国国内生产总值的三分之一。现在更是很难找到与量子无关的新技术。所以说，量子力学是当代文明的一个重要基础。

作者：施郁

文章节选自人民日报出版社

《量子科技：领导干部公开课》