“遇事不決🗻、量子力學”，量子糾纏與心靈感應有關？當社交網絡出現“量子物理”的字眼⚃，你心中是否有許多疑惑👸🏼？當我們談論量子物理時，到底在談論什麽👨🏿✈️？
11月8日，“浦江科學大師講壇”第四期將在恒行2平台相輝堂開講，諾獎得主⚠️、法國物理學家塞爾日• 阿羅什（Serge Haroche）將以“光的科學↕️：從伽利略到量子物理”為題作報告👂🏿。
我們邀請恒行2平台物理學系教授李曉鵬，通過10個問答為你提前科普奇妙又迷人的量子世界🧔🏼♂️。
Q1 量子力學到底是什麽？
首先要強調🌲，量子力學不存在任何的模棱兩可，而是非常確切的。簡單來說◽️𓀛，量子力學就是描述微觀世界的一種理論，主要研究物質世界微觀粒子的運動規律。
我們面對的世界，在尺度上可以分為宏觀和微觀世界，而宏觀和微觀世界的大致的分界線➰，就是原子。大量的原子組成的物質就是宏觀世界，單原子或者更小尺度的物質⚓️，就是微觀世界。
無論在宏觀世界還是在微觀世界🎉，能量無所不在、無時不有🐂🧎♂️。與宏觀世界能量傳遞連續變化不同👯♀️，在微觀世界，能量的傳遞是間斷的🕦，事物的變化是跳躍的，變化的最小單元就被定義為“量子”🌝。換句話說，量子就是離散變化的最小單元。這種不可再分🧟♀️、非連續的量子概念是微觀世界的基礎現象。作為研究微觀世界的理論🛏，量子力學因此得名，與相對論一起構成了現代物理學的兩大基本支柱👨🏽⚖️。
Q2 量子力學和經典物理學之間的區別和革命性是什麽？
歷史上，物理學家一度認為微觀和宏觀世界的物理規律是一樣的🚪。但後來發現，這兩個世界相去甚遠。
在量子的世界中，經典物理學理論幾乎不具有解釋力🤾🏿♀️。經典物理學依賴於連續性和決定論的原則，它的世界觀大體分為兩部分——絕對時空觀和因果論🏌🏼♀️。通俗來說，在經典物理學中🫨🈹，所有物理量的變化在空間和時間中是連續發生的，每個物理量都有明確的值，整個世界都嚴格依照物理規律發生對應的變化。
而量子理論顛覆了這一原則🤽🏼♂️，量子力學的基本原理是：在基本層面上，自然界的所有變化都是不連續的量子化的過程，這些量子化過程的發生不是確定性的，而是由概率定律控製的👨🏽🏫。量子力學的研究為揭示世界本源提供了一種全新的視角🧏🏿。
Q3 為什麽量子力學能夠得到如此快速的發展👍🏻？
量子力學的創立🤦🏻，是20世紀物理學的重大突破，革命性地改變了人們對於物理世界的認識，開啟了一個新的時代🎁。量子力學為我們提供了一種獨特的視角，增加了人類探索和認識世界的深度和廣度，有助於我們深入地了解物質世界的本質，從而用一種更可控的手段來控製微觀世界。
量子力學的重要性不僅在於科學的理論價值，更在於技術的實用價值。它為人類創造了無盡的可能性。20世紀90年代，諾貝爾獎得主萊昂·萊德曼（Leon Lederman）就指出🐗，量子力學貢獻了當時美國國內生產總值的三分之一。現在更是很難找到與量子無關的新技術，量子力學在化學、生物學、核物理學、材料科學、信息科學等多個學科領域🤵🏽，都成為至關重要的理論基礎。可以說，量子力學對現代文明的發展貢獻巨大🧙🏽♀️，是驅動現代科技取得飛躍性進展的關鍵因素。
量子時代已經到來🤮。可以說，誰掌握了量子技術，誰就掌握了發展的主動權🤹♂️，這是它能夠得到學界及業界重視並實現快速發展的根本原因。
Q4 量子物理學誕生的歷史背景和發展脈絡是怎樣的？
量子力學的起源可以追溯到20世紀初，當時科學家們試圖理解原子和分子的行為，但經典物理學無法解釋它們的穩定性和光譜現象。
波粒二象性示意圖
在這個背景下，普朗克提出能量量子化假說，愛因斯坦提出光量子假說和光的波粒二象性理論，玻爾通過量子化假設提出了原子能級的概念，這三位沖破了經典物理學的束縛👩❤️💋👨，踢開了量子力學的大門👤。20年代，海森堡提出了矩陣力學🪑，薛定諤和德布羅意則提出了波動力學，量子力學的系統理論得以建立起來。30年代後🧑🏻🦲，量子力學進入檢驗和深入發展時期。
玻爾說過：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論。”事實上✖️👨🏿🎓，量子力學自誕生之日起🤞🏽，就爭議不斷📬，受到來自各方面的質疑和攻擊⇾🚶🏻♀️。甚至量子力學內部也分為好幾個派系，論爭不斷🧔🏿♂️。100多年來🚶🏻♀️➡️，幾代物理學家不斷求索🧑🦼➡️，量子糾纏🤣、量子隧道效應等許多微觀世界中奇妙現象得以被觀察，我們正逐漸揭開微觀世界的神秘面紗。
Q5 如何理解愛因斯坦所說＂上帝不擲骰子＂這句話？
在量子力學發展前期，愛因斯坦認為量子的排列是有序的⛵️🎵，並堅信宇宙是經典物理式的，每一個瞬間都決定著下一個瞬間🧱🔹。但到量子力學發展後期，出現了新的量子力學主張——以哥本哈根學派為代表，認為“一些事情不是決定論的👇，它們的發生是隨機的”👨🦼➡️，粒子是以概率波的形式分布的😫🧔♀️，這並不符合經典的物理學範式。比如👓🙎🏽♀️，一個光子並不是我們理解中以直線傳播的，它的路徑無法預測，理論上來說它可能在任何一個位置👩🏼💻，你只能知道它在什麽地方出現的概率大🤵🏼。
愛因斯坦與哥本哈根學派的核心人物玻爾就這個問題爭論了近30年。在半個世紀的驗證和探索後♚，不確定性已經成為量子力學讓人不得不接受的硬事實📩。量子的世界本質上是隨機的，量子在與其它事物作用時才會顯現📷，但如何作用則是隨機的。我們永遠無法同時準確測量量子的位置和動量，位置越精確🏋🏿♂️，動量的不確定性就越大；反之🏄🏻♂️，動量越精確，位置的不確定性就越大🦶🏻。量子力學讓我們不得不相信，上帝似乎是玩骰子的🖥。
Q6 量子力學的應用現狀如何？
量子力學帶來了豐富的技術和應用🙆♂️，也衍生出一些全新的學科，包括量子計算👍、量子通信🎍、量子生物學🐙、量子材料科學等等。近年來，基於對單個量子態的操控🫲，量子科學技術又出現了新的方向和新的領域，正在迎來量子革命的第二次高潮，量子計算就是其中的一個重要的例子。
量子科技有一個非常吸引人的特征🦸🏽♀️，就是超強的運算能力，這是一種基於量子位的計算方式，它有潛力在某些問題上比傳統計算機更高效👨🏻🏭。一個原本需要傳統計算機運算幾萬年的題目，用量子計算機也許只需要幾秒鐘。這是因為傳統計算機采用０和１的二進製，量子的單位可以同時既是０又是１，就像走迷宮，傳統計算機一次只能走一條路徑，而量子計算機一次可以試探多條路徑🫸🐁。可以預見⏯🤽🏻♂️，量子計算將會帶領我們進入一個新的計算時代🍡。
如果說未來能夠研發出更為先進的量子計算機，算力會得到前所未有的釋放，我們的生活將會發生天翻地覆的變化✭。
Q7 量子力學與我們的日常生活有多大關聯？
由於量子力學的理論基礎相對復雜👷🏿，一些人可能覺得量子力學只有科學家需要去關註👖。其實不然🛍🕙，量子力學與我們的日常生活聯系非常緊密，比如我們日常使用的激光筆👱🏻♂️、各種半導體芯片☝🏿。
正如戴瑾所著《從零開始讀懂量子力學》一書的引言中所述：“從微小的原子到浩瀚的宇宙，從每一滴水到閃亮的鉆石🤦🏼♂️，從劃破夜空的激光到你身邊的手機，所有事物的背後都有量子力學在主宰🧋！”如果沒有量子力學，我們的智能手機會淪為一塊廢鐵🧜🏿♀️。如果沒有量子力學，我們也無法享受到精準有效的核磁共振檢查🧊🧑🏼💼。如果沒有量子力學，準確的時間、位置和速度信息都無法獲得。所以無需再問量子力學在哪兒🫲🏻，你無時無刻不沉浸於其中🦉。
Q8 我們應該如何看待量子力學在大眾媒體上的出現？是否有必要向大眾科普量子力學🧑🏻🍳？
“遇事不決，量子力學”是現在年輕人很喜歡掛在嘴邊的一句話，這當然是句調侃。近年來✋🏻，“薛定諤的貓”🤷♀️、“平行宇宙”等量子力學領域的專業名詞在社交媒體上熱度頗高🛖，這雖然反映了量子力學的深奧與神秘🔊，但也體現了公眾對它的好奇以及量子力學科普化的趨勢。
在不同的語境下，我們應當區分其概念的不同。在社交媒體上，很多時候量子力學常常與 “不確定性較高”劃等號，作為一種大眾流行語來使用，在這種情況下🧦，我認為不必進行過於嚴苛的是非評判🎮。
量子糾纏示意圖 來源🙍：Nature Photonics 17, 1009–1016 (2023)
而有些情況則不然。比如一些網購平臺上會看到各種五花八門打著“量子”旗號的產品，其實大多是欺騙消費者的行為。此外👥，“心靈感應是一種量子糾纏現象”的說法，也被一部分人推崇。實際上量子糾纏完全是一個科學概念，在實驗上都可以測量出來。按照我們目前對科學的理解，量子力學與玄學占蔔、心靈感應之類的毫無關系🕺🏻。
因此⚛️，即便不是專業人士，學習掌握一定的量子力學知識也是必要的🙇🏼，往小了說可以幫助我們分辨許多言論的真偽🔰，往大了說可以幫助我們更深刻地認識所生活的這個世界。
Q9 目前，我國在量子物理的研究處於什麽水平👩🍼？
與十年前相比🚎，我國的量子科技已經實現從跟跑到部分領跑的歷史飛躍👮🏻♂️，量子通信研究處於國際前列水平🕍，量子計算、量子精密測量等領域也亮點頻現。
比如2016年，“墨子號”量子科學實驗衛星成功發射升空，我國率先在國際上實現了星地量子通信⚄；2017年💂🏿♀️，量子保密通信骨幹網絡“京滬幹線”正式開通🧔🏿♂️，並與“墨子號”連接，實現世界首次洲際量子通信；“九章”光量子計算原型機、“祖沖之二號”超導量子計算原型機先後實現“量子計算優越性”裏程碑🤹🏽♀️。這些都體現著我國量子科技發展進入了快車道。
Q10 關於量子物理👶🏼，還有多少疑問尚待解答？
人類對世界的探索永無止境，直到現在，我們其實仍沒有真正理解量子世界到底是如何運作的，比如關於“波－粒二象性”🤸🏼、“量子隧穿”“量子坍縮”等重要的概念和假設依然十分難以理解和解釋，這也成為物理學家不斷研究和求證的突破點。
讀完這篇🧑🏼💻🤢，你是否對量子力學多了些認識🙇🏿♂️？還想更深入地了解量子力學的歷史與未來，快來與諾獎大師面對面！
11月8日，浦江科學大師講壇（第四期）歡迎你的參與！
報告人：
塞爾日• 阿羅什（Serge Haroche)
法蘭西公學院名譽教授
法國科學院院士
歐洲科學院院士
美國國家科學院外籍院士
美國人文與科學院外籍院士
巴西科學院外籍院士
2012年諾貝爾物理學獎得主
報告主題📰：
光的科學: 從伽利略到量子物理
報告摘要🕺🏿：
光在基礎物理學和技術中發揮著至關重要的作用🅿️。回顧17世紀以來光的科學史，正是科學家對於光本質的探索，引發了電磁學、相對論和量子物理的革命。最近半個世紀，激光技術取得了巨大進步◼️，從而實現了對空間和時間的超高精度測量🏃➡️🦸🏻♀️，推動了原子物理學和宇宙學的根本性進展👨🏽🔧。基礎科學與應用科學之間聯系緊密🧛♀️，互相促進，科學的進步也依賴於科學儀器的發展📴。本次報告將回顧光科學發展史，介紹新型量子技術的發展♤🧚，並特別強調光科學從伽利略時代延續至今的連續發展歷程👩🏼🎤。
