量子力学到底是什么?
作者: 陈冰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。
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。
英国数学家、物理学家罗斯坚信,人类大脑应该是一台量子计算机



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。