“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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

“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。

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。

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。