“遇事不决、量子力学”
量子纠缠与心灵感应有关?
当社交网络出现“量子物理”的字眼
你心中是否有许多疑惑?
当我们谈论量子物理时
到底在谈论什么?
后天(11月8日)
“浦江科学大师讲坛”第四期
将在复旦大学相辉堂开讲
诺奖得主、法国物理学家
塞尔日• 阿罗什(Serge Haroche)将以
“光的科学:从伽利略到量子物理”
为题作报告
我们邀请
复旦大学物理学系教授李晓鹏
通过10个问答
为你提前科普奇妙又迷人的量子世界
Q1 量子力学到底是什么?
首先要强调,量子力学不存在任何的模棱两可,而是非常确切的。简单来说,量子力学就是描述微观世界的一种理论,主要研究物质世界微观粒子的运动规律。
我们面对的世界,在尺度上可以分为宏观和微观世界,而宏观和微观世界的大致的分界线,就是原子。大量的原子组成的物质就是宏观世界,单原子或者更小尺度的物质,就是微观世界。
无论在宏观世界还是在微观世界,能量无所不在、无时不有。与宏观世界能量传递连续变化不同,在微观世界,能量的传递是间断的,事物的变化是跳跃的,变化的最小单元就被定义为“量子”。换句话说,量子就是离散变化的最小单元。这种不可再分、非连续的量子概念是微观世界的基础现象。作为研究微观世界的理论,量子力学因此得名,与相对论一起构成了现代物理学的两大基本支柱。
Q2 量子力学和经典物理学之间的区别和革命性是什么?
历史上,物理学家一度认为微观和宏观世界的物理规律是一样的。但后来发现,这两个世界相去甚远。
在量子的世界中,经典物理学理论几乎不具有解释力。经典物理学依赖于连续性和决定论的原则,它的世界观大体分为两部分——绝对时空观和因果论。通俗来说,在经典物理学中,所有物理量的变化在空间和时间中是连续发生的,每个物理量都有明确的值,整个世界都严格依照物理规律发生对应的变化。
而量子理论颠覆了这一原则,量子力学的基本原理是:在基本层面上,自然界的所有变化都是不连续的量子化的过程,这些量子化过程的发生不是确定性的,而是由概率定律控制的。量子力学的研究为揭示世界本源提供了一种全新的视角。
Q3 为什么量子力学能够得到如此快速的发展?
量子力学的创立,是20世纪物理学的重大突破,革命性地改变了人们对于物理世界的认识,开启了一个新的时代。量子力学为我们提供了一种独特的视角,增加了人类探索和认识世界的深度和广度,有助于我们深入地了解物质世界的本质,从而用一种更可控的手段来控制微观世界。
量子力学的重要性不仅在于科学的理论价值,更在于技术的实用价值。它为人类创造了无尽的可能性。20世纪90年代,诺贝尔奖得主莱昂·莱德曼(Leon Lederman)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,量子力学在化学、生物学、核物理学、材料科学、信息科学等多个学科领域,都成为至关重要的理论基础。可以说,量子力学对现代文明的发展贡献巨大,是驱动现代科技取得飞跃性进展的关键因素。
量子时代已经到来。可以说,谁掌握了量子技术,谁就掌握了发展的主动权,这是它能够得到学界及业界重视并实现快速发展的根本原因。
Q4 量子物理学诞生的历史背景和发展脉络是怎样的?
量子力学的起源可以追溯到20世纪初,当时科学家们试图理解原子和分子的行为,但经典物理学无法解释它们的稳定性和光谱现象。
▲波粒二象性示意图
在这个背景下,普朗克提出能量量子化假说,爱因斯坦提出光量子假说和光的波粒二象性理论,玻尔通过量子化假设提出了原子能级的概念,这三位冲破了经典物理学的束缚,踢开了量子力学的大门。20年代,海森堡提出了矩阵力学,薛定谔和德布罗意则提出了波动力学,量子力学的系统理论得以建立起来。30年代后,量子力学进入检验和深入发展时期。
玻尔说过:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。”事实上,量子力学自诞生之日起,就争议不断,受到来自各方面的质疑和攻击。甚至量子力学内部也分为好几个派系,论争不断。100多年来,几代物理学家不断求索,量子纠缠、量子隧道效应等许多微观世界中奇妙现象得以被观察,我们正逐渐揭开微观世界的神秘面纱。
Q5 如何理解爱因斯坦所说"上帝不掷骰子"这句话?
在量子力学发展前期,爱因斯坦认为量子的排列是有序的,并坚信宇宙是经典物理式的,每一个瞬间都决定着下一个瞬间。但到量子力学发展后期,出现了新的量子力学主张——以哥本哈根学派为代表,认为“一些事情不是决定论的,它们的发生是随机的”,粒子是以概率波的形式分布的,这并不符合经典的物理学范式。比如,一个光子并不是我们理解中以直线传播的,它的路径无法预测,理论上来说它可能在任何一个位置,你只能知道它在什么地方出现的概率大。
爱因斯坦与哥本哈根学派的核心人物玻尔就这个问题争论了近30年。在半个世纪的验证和探索后,不确定性已经成为量子力学让人不得不接受的硬事实。量子的世界本质上是随机的,量子在与其它事物作用时才会显现,但如何作用则是随机的。我们永远无法同时准确测量量子的位置和动量,位置越精确,动量的不确定性就越大;反之,动量越精确,位置的不确定性就越大。量子力学让我们不得不相信,上帝似乎是玩骰子的。
Q6 量子力学的应用现状如何?
量子力学带来了丰富的技术和应用,也衍生出一些全新的学科,包括量子计算、量子通信、量子生物学、量子材料科学等等。近年来,基于对单个量子态的操控,量子科学技术又出现了新的方向和新的领域,正在迎来量子革命的第二次高潮,量子计算就是其中的一个重要的例子。
量子科技有一个非常吸引人的特征,就是超强的运算能力,这是一种基于量子位的计算方式,它有潜力在某些问题上比传统计算机更高效。一个原本需要传统计算机运算几万年的题目,用量子计算机也许只需要几秒钟。这是因为传统计算机采用0和1的二进制,量子的单位可以同时既是0又是1,就像走迷宫,传统计算机一次只能走一条路径,而量子计算机一次可以试探多条路径。可以预见,量子计算将会带领我们进入一个新的计算时代。
如果说未来能够研发出更为先进的量子计算机,算力会得到前所未有的释放,我们的生活将会发生天翻地覆的变化。
Q7 量子力学与我们的日常生活有多大关联?
由于量子力学的理论基础相对复杂,一些人可能觉得量子力学只有科学家需要去关注。其实不然,量子力学与我们的日常生活联系非常紧密,比如我们日常使用的激光笔、各种半导体芯片。
正如戴瑾所著《从零开始读懂量子力学》一书的引言中所述:“从微小的原子到浩瀚的宇宙,从每一滴水到闪亮的钻石,从划破夜空的激光到你身边的手机,所有事物的背后都有量子力学在主宰!”如果没有量子力学,我们的智能手机会沦为一块废铁。如果没有量子力学,我们也无法享受到精准有效的核磁共振检查。如果没有量子力学,准确的时间、位置和速度信息都无法获得。所以无需再问量子力学在哪儿,你无时无刻不沉浸于其中。
Q8 我们应该如何看待量子力学在大众媒体上的出现?是否有必要向大众科普量子力学?
“遇事不决,量子力学”是现在年轻人很喜欢挂在嘴边的一句话,这当然是句调侃。近年来,“薛定谔的猫”、“平行宇宙”等量子力学领域的专业名词在社交媒体上热度颇高,这虽然反映了量子力学的深奥与神秘,但也体现了公众对它的好奇以及量子力学科普化的趋势。
在不同的语境下,我们应当区分其概念的不同。在社交媒体上,很多时候量子力学常常与 “不确定性较高”划等号,作为一种大众流行语来使用,在这种情况下,我认为不必进行过于严苛的是非评判。
▲量子纠缠示意图
来源:Nature Photonics 17, 1009–1016 (2023)
而有些情况则不然。比如一些网购平台上会看到各种五花八门打着“量子”旗号的产品,其实大多是欺骗消费者的行为。此外,“心灵感应是一种量子纠缠现象”的说法,也被一部分人推崇。实际上量子纠缠完全是一个科学概念,在实验上都可以测量出来。按照我们目前对科学的理解,量子力学与玄学占卜、心灵感应之类的毫无关系。
因此,即便不是专业人士,学习掌握一定的量子力学知识也是必要的,往小了说可以帮助我们分辨许多言论的真伪,往大了说可以帮助我们更深刻地认识所生活的这个世界。
Q9 目前,我国在量子物理的研究处于什么水平?
与十年前相比,我国的量子科技已经实现从跟跑到部分领跑的历史飞跃,量子通信研究处于国际前列水平,量子计算、量子精密测量等领域也亮点频现。
比如2016年,“墨子号”量子科学实验卫星成功发射升空,我国率先在国际上实现了星地量子通信;2017年,量子保密通信骨干网络“京沪干线”正式开通,并与“墨子号”连接,实现世界首次洲际量子通信;“九章”光量子计算原型机、“祖冲之二号”超导量子计算原型机先后实现“量子计算优越性”里程碑。这些都体现着我国量子科技发展进入了快车道。
Q10 关于量子物理,还有多少疑问尚待解答?
人类对世界的探索永无止境,直到现在,我们其实仍没有真正理解量子世界到底是如何运作的,比如关于“波-粒二象性”、“量子隧穿”“量子坍缩”等重要的概念和假设依然十分难以理解和解释,这也成为物理学家不断研究和求证的突破点。
读完这篇
你是否对量子力学多了些认识?
还想更深入地了解量子力学的历史与未来,
快来与诺奖大师面对面!
11月8日
浦江科学大师讲坛(第四期)
欢迎你的参与!
报告人:塞尔日• 阿罗什(Serge Haroche)
- 法兰西公学院名誉教授
- 法国科学院院士
- 欧洲科学院院士
- 美国国家科学院外籍院士
- 美国人文与科学院外籍院士
- 巴西科学院外籍院士
- 2012年诺贝尔物理学奖得主
报告主题:光的科学: 从伽利略到量子物理
报告摘要:
光在基础物理学和技术中发挥着至关重要的作用。回顾17世纪以来光的科学史,正是科学家对于光本质的探索,引发了电磁学、相对论和量子物理的革命。最近半个世纪,激光技术取得了巨大进步,从而实现了对空间和时间的超高精度测量,推动了原子物理学和宇宙学的根本性进展。基础科学与应用科学之间联系紧密,互相促进,科学的进步也依赖于科学仪器的发展。本次报告将回顾光科学发展史,介绍新型量子技术的发展,并特别强调光科学从伽利略时代延续至今的连续发展历程。