量子力学到底是什么？

　　1935年的一只猫，足足横行了科学圈几十年，还成了科学史上的四大神兽之一。杠精、著名物理学家薛定谔本来想讽刺一把量子力学，可命运弄人，他的猫却成了量子力学最致命的代言人。

　　这只既生又死的猫到底是何方神圣？今天，就让我们来揭开它的神秘面纱。

神奇的量子世界

　　在遨游神奇的量子世界之前，我们先要从日常生活的世界，也即经典世界说起。

　　在20世纪以前，我们对经典世界的认知主要来自牛顿，他在自己最著名的学术著作《自然哲学的数学原理》中，建立起了经典的牛顿力学体系，其核心就是牛顿三定律和万有引力定律。

　　我们的日常生活，大到日月星辰，中到江河湖海，小到柴米油盐，全都可以用牛顿的理论来解释，因此人们认为这就是主宰整个宇宙的终极真理。进入20世纪，科学家们发现，牛顿力学只适用于我们的宏观世界，放到尺度特别小的微观世界，这套理论就完全行不通了。

　　所以，量子力学是关于微观物质世界运动规律的理论体系。它与相对论一起构成现代物理学的理论基础，而且在化学等学科和许多近代技术中得到广泛应用。

　　那么，量子力学又是怎么诞生的呢？

　　简单地说，人类是在研究光的过程中偶然邂逅了量子。

　　我们知道世界上的物质都是由原子构成的。除了原子以外，还有一种常见的东西——光。早在19世纪科学家们就已经发现光是一种以光速传播的波，而且物体热辐射发出来的光，其能量并不连续，而是一份份的，这种特性被称之为“量子化”。换言之，在量子世界里，物理量总是存在着一个最小值，无法像在经典世界中那样，直接趋近于零。这个伟大的发现开启了通往量子世界的大门。它的发现者——普朗克也因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。

　　接下来，就是金光闪闪的爱因斯坦登场了。他在1905年做出了三项震惊世界的重大发现——狭义相对论、布朗运动和光电效应。而光电效应是人类在理解量子世界的道路上迈出的第二步，爱因斯坦也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

　　什么是光电效应？就是当某一光子照射到对光灵敏的物质上时，它的能量可以被该物质中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量之后，动能立刻增加，如果动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能在十亿分之一秒时间内飞逸出金属表面，成为光电子，形成光电流。

　　这是一种特别稀奇的物理学现象，因为这种现象的发生取决于光的频率。在一定频率之上的光，只要一照就可以从金属中打出电子；而在此频率之下的光，无论照射多长时间也无法把电子打出来。这就很难让人理解。因为在牛顿的经典力学中，能量是连续的。比如，要把一个大水缸装满水，你用大脸盆一盆一盆地往里倒水，可以把水缸装满；你用小水杯一杯一杯地接水，也可以把水缸装满。但现在光电效应实验告诉我们，你用大脸盆可以把水缸装满，但是用小水杯就不行。

　　爱因斯坦解释说，由于光本身并不连续，而是由一个个叫光子的微粒组成。光子的能量取决于光的频率，光的频率越高，光子的能量就越大。如果光子的能量小，它传递给电子的能量也就小，如果这个能量一直低于电子逃出去所需要的最低能量，电子就会一直被束缚在金属内部。

　　光电效应现象昭示出世界不再是线性的，而是非线性的。所有微观世界中的粒子，包括原子、原子核、电子以及光子，全都是量子的，而且它们全都不满足牛顿力学的规律。这背后是人类从未涉足的领域——微观量子世界。

　　在这片光电效应的蓝色火花之中，一场物理界的飓风即将到来，从宏观现实世界过渡到以往经验完全不适用的微观量子世界。“量子魔王”呼之欲出。

薛定谔的猫是死，是活？

　　一名叫拉普拉斯的物理学家曾经预言，如果能知道某一时刻所有物体的运动状态，就能知道未来发生的一切。比如说，你抓起一把石子往天上扔，只要能知道扔出去时的高度，以及丢出去时石子的速度或动量（物体的质量乘以它的速度），就可以精确地算出每个石子最终会落在哪里。

　　但海森堡却发现，在微观世界里，根本无法同时测出物体的位置和动量。换言之，如果你的“石子”只有原子那么小，你要想精确地测出它的位置，那它的动量就一定测不准；反之，你要想精确地测出它的动量，那它的位置就一定测不准。总之就是鱼和熊掌不可兼得。而这种结果，就是量子力学中最重要的海森堡不确定性原理。

　　我们用波长较长的光，能测准微观粒子的动量，却测不准它的位置；而用波长较短的光，能测准微观粒子的位置，却测不准它的动量。也就是说，我们不可能同时将微观世界某个物体的位置和速度同时测准，因此也就无法精确地算出它们未来的运动情况。

　　现在，我们可以让薛定谔的猫登场了。

　　薛定谔是量子力学的奠基人之一。他发现了量子力学中最核心的方程——薛定谔方程，从而获得了1933年诺贝尔物理学奖。也正是通过这个方程，物理学家们发现在量子的世界中粒子是可以同时存在于很多地方。著名的“薛定谔的猫”处于50%生和50%死的叠加状态就是源于这个道理。

　　实验大概是这样的，把猫放进一个不透明的盒子里，盒子连接到一个包含放射性原子核和有毒气体的实验装置中。如果原子衰变了，毒气瓶会被打破，盒子里的猫会被毒死。要是原子核没有衰变，猫就好好活着。

　　根据量子力学理论，原子核处于衰变和未衰变的叠加态，所以这只猫就进入了一种“既生又死”的状态……

　　这样的结论实在太可怕了，这只猫也吓坏了一大批科学家，特别是信奉量子力学的科学家。为了将这只行走于阴阳两界的猫拯救出来，科学家们忙活了一个多世纪，提出了五花八门的解释。如上帝掷骰子般的概率论、多世界存在的平行宇宙，这也是量子力学让人觉得特别像哲学或者是玄学的原因……

　　目前量子力学的主流理论之一是退相干理论。世界只有一个，只不过历史有很多个，分为粗粒历史、精细历史。精细历史是量子历史，无法求解概率；粗粒历史是经典历史，在宏观上显示，类似于路径积分，可以计算概率。每一个粒子都处在所有精细历史的叠加之中，比如放射性原子；但一旦涉及宏观物体，我们所能够观察到的就是一些粗粒历史，比如打开盒子后看到的薛定谔的猫。因为量子退相干了，这些历史永久地失去了联系，只剩下一种被我们感知到了。最后，本该是无序纠缠的量子，就表现得如互相独立的经典世界一样——本该是粒子叠加态的薛定谔的猫，打开后就只能看到一种或生或死的状态了。

　　虽然这一解释也不能说是十全十美，但毕竟从数学上还是哲学上，都让处于现实世界的我们多了一份笃定，不再那么纠结了。世界各国的科学家也开始利用这种理论来建立真正的现实应用，如量子计算和量子通信。

玄乎的量子力学有什么用？

　　大家可能觉得量子理论生涩拗口，完全超乎常人的生活经验，实在太难以理解了。但它实际上早就在我们的生活中有着广泛的应用。

　　量子力学的第一个应用是激光。平时我们常常会看到一些激光祛斑脱毛的广告，拿激光器往脸上一照，色斑就消失了；往胳膊上一扫，体毛也脱落了。这是怎么回事儿啊？

　　激光和其他任何光一样都是由光子种组成的，但激光非常特别，它里面的每个光子的能量都一样大。激光祛斑的工作原理就是当激光照到脸上的时候，好皮肤里的电子能量与激光光子能量不匹配，所以会完好无损，而黑色斑块里的电子能量与激光光子能量匹配，所以就会吸收激光，并最终被激光所破坏，激光脱毛也是这个道理。

　　量子力学的第二个应用是半导体。我们用的手机、电脑，看的电视，还有之前用的收音机，里面最核心的元件都是用半导体做的。我们知道原子中有电子，在一定条件下电子会摆脱原子核的束缚，在某种材料中自由运动，这就形成了电流。

　　让我们把运动的电子想象成一辆小汽车，把电子跑过的材料想象成一条公路，那么电流大不大或者说小汽车跑得快不快，取决于公路的状况。有些材料，它们的路况很好，汽车在上面可以跑得很快，不会受到明显的阻碍，这种材料就叫做导体。绝大多数金属，比如铜、铝、铁都是导体，而有些材料，它们的路况很糟糕，障碍重重，汽车一上路就被堵得水泄不通，根本跑不起来。这种材料就叫绝缘体，我们常见的陶瓷、橡胶、玻璃都是绝缘体。

　　但是有一些特殊的材料，它们的路况很诡异。路上有不少障碍，一般汽车开上去就会被堵死，但要是外部条件发生变化，比如温度升高，汽车就又能在路上开了。这些特殊的材料，就是半导体。利用半导体的特性就可以做出一些有用的电子元件，其中最重要的是二极管和晶体管。

　　二极管有一个非常特殊的性质，在一个方向上给它加上电压它就会产生电流，而在相反的方向上给它加上电压就不会有电流产生，这就像城市里的单行道，你可以沿一个方向开车，但是沿另一个方向开车就不行了。LED灯就是用发光二极管做出来的。它的发光效率非常高，很节能，而且使用寿命很长，所以LED灯差不多已经成为我们最主要的光源。

　　还有一种电子元件跟二极管不同，它有三个接口，这种电子元件叫三极管，也叫晶体管。晶体管可以放大电流，同时可以充当开关。这些晶体管集成在一起，就是今天大家熟悉的集成电路，经过50多年的发展，与最早的集成电路相比，现在的芯片计算能力已经提升了2亿多倍。今天区区一个iPhone手机的计算能力，都已经超过了上世纪60年代美国人登陆月球所用的全部计算资源。

　　目前最小的芯片尺寸已经做到了只有十纳米，依照这个速度发展下去，到2030年晶体管就会变成只有一个原子那么大，到那个时候，根据不确定原理的话，任何操作都会直接干扰这些晶体管的运行，所以2030年以后，或许半导体芯片就会停止发展了。

　　量子传输也是一种极具前景的应用。1982年，三位物理学家发现了一个重要的定理，叫做量子不可克隆定理——在量子世界里，没有一个东西可以被完全地复制，换句话说，你没办法拷贝一个电子、一个原子或一个分子那么小的东西。

　　虽然量子不可克隆定理禁止了微观世界中的拷贝，但它却没有禁止微观世界中的传输，也就是说在两个世界中，你还是可以把一个微小的物体的信息全部复制到一堆原材料里，从而制造出一个一模一样的东西，但与经典世界不同的是，原来的物体一定会被破坏掉，最终的效果是一个物体突然从自己原来的位置消失，与此同时，另一个地方会出现一个一模一样的东西。

　　所以从理论上讲，人们可以制造一套量子传输机，实际上，量子传输已经在真实世界里实现了。1993年，6位物理学家想出了一个用量子纠缠来实现量子传输的办法。他们传输的东西非常简单，只有一个光子，而且传输的距离很短，只有一个普通实验室的长度，经过近20年的发展，今天人类创造的量子传输最远距离纪录已经达到了340公里，相当于从武汉到长沙的距离。当然，我们还不能高兴得太早。目前人类一次能传输的光子数目最多只有128000个，别说瞬间传送一个人了，就是传送一个盒子都还做不到！

　　最后再来说说量子计算。量子计算机的主要元件是一种奇特的开关，它可以同时处于开和关的叠加状态，也就是说它可以同时表示0和1这两个数字，这样的量子开关被称为量子比特。在传统的计算机当中，一个经典的开关，它能存储的数字只有0或1。量子开关它有50%的几率存储0，还有百分之50%的几率存储1。换言之，一个量子开关，一次就可以表示0和1这两个数字，如果是两个量子开关，一次就能表示00、01、10、 11这4个数字，以此类推，随着开关数的增加，经典系统一次表示的数字依然是一个，但量子系统一次表示的数字将会以指数的方式快速增加。这个速度有多快呢？当量子开关数达到20的时候，它一次能表示的数字就会超过100万，这就是量子计算机的计算能力为什么会如此强大。

　　2019年9月，谷歌宣布成功利用一台 54 量子比特的量子计算机，实现了传统架构计算机无法完成的任务。在世界最牛的超级计算机需要计算 1 万年的实验中，量子计算机只用了200 秒。2020年12月4日，中国科学技术大学潘建伟团队成功构建了76个光子的量子计算原型机，并将其命名为“九章”。“九章”只需200秒就可以求解5000万个样本的高斯玻色取样，比世界上最快的超级计算机快一百万亿倍。

　　当然，九章目前最大用途还只能是成为实验室工具，取代一部分超算的负担。这就像激光的发明一样，最开始也只是在实验室应用，最终要普及生活应用中，可能还需要15-20年的时间。记者｜陈冰（资料来源：李淼著《给孩子讲的量子力学》、微信公众号：量子派、墨子沙龙）