量子之年，量子的世界

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-12-16 11:31

正文

联合国宣布2025年为“量子科学与技术之年”，以纪念海森堡发表论文《运动学和力学关系的量子力学重新诠释》一百周年。在这篇论文中，海森堡奠定了物理学的新基石。

在1925年，海森堡提出的新方法对于物理学界来说还显得相当奇特与陌生。那时，爱因斯坦已经提出了光具有粒子性的观点，玻尔则进一步指出，原子中的电子并非连续运动，而是会发生跃迁。随着他们理论的成功，当时的人们都已经清晰地意识到，物理学的旧基石正在发生动摇。然而，尽管爱因斯坦和波尔的观点直接挑战了经典物理学的传统基础，但他们却未能构建出一个逻辑严密的新理论体系来替代它。爱因斯坦在致敬玻尔的工作时，曾生动地描绘了这一局面：

在这样一个摇摇欲坠、自相矛盾的理论基础之上，玻尔竟然凭借他那无与伦比的直觉与能力，揭示了原子光谱线和电子壳层的主要规律，以及它们对化学世界的深远意义。时至今日，我都觉得这一切不可思议。这真是思维领域中最美妙的旋律。

新一代的物理学家们积极的投身于这些新思想的探索之中。并非巧合的是，引领量子革命的先驱者们都很年轻（1925年，海森堡年仅24岁，狄拉克23岁，即便是相对“年长”的薛定谔，也不过38岁。海森堡于1932年荣获物理诺贝尔奖，而狄拉克与薛定谔则在1933年分享了这一殊荣。）很快，这些年轻的物理学家们就构建起了一个新的理论体系，不仅详尽预测了原子行为与辐射性质，其准确程度更是令人叹为观止。1929年，狄拉克公开宣称：物理学的大部分和整个化学的数学处理所必需的基本定律已经被完全掌握；唯一的困难在于应用这些定律得到的方程往往过于复杂而无法求解。

▲ 保罗·狄拉克，英国理论物理学家，量子力学奠基者之一，1933年诺贝尔物理学奖获得者

自1925年以来，量子理论的范畴在一个世纪里得到了极大拓展。如今，它已经涵盖了能够将原子核紧紧束缚并为恒星提供能量的强力和弱力。这不仅促进了加速器上的高能物理研究，还推动了天体物理学与宇宙学领域的深远且持续的发展。神奇的是，早在20世纪20年代就构建的量子理论基本框架，竟优雅地承载了这么多新的内容。量子理论在持续地发挥着它的影响力。

这里我想重点从另一个维度来阐述量子理论的胜利：它在技术领域所扮演的角色。量子技术已经渗透到我们生活的方方面面，并且其未来的发展前景一片光明。很多重要的技术皆源自量子理论。接下来，我将重点介绍其中两项核心技术，顺带提及其他的。

如果没有半导体中电子行为的量子理论，人类便无法想象、更遑论设计出固态晶体管。而倘若没有固态晶体管的出现，我们仍将停留在一个没有个人电脑和快速的全球通信的世界。

量子理论告诉我们原子能够用来制造极其精准的时钟。确实，原子钟不受摩擦力影响，原子能够保持非常规律的振动，几乎没有损耗。而且，不同地方的同类原子具有相同的性质，这使它们能够自然地保持同步。通过利用已知的光速，我们能够巧妙地将精确的时间测量转化为精确的距离测量。如此一来，精准的原子钟便为我们提供了一把精准的“尺子”！这正是全球定位系统（GPS）背后的核心原理，它让地图制作与导航技术——乃至我们日常生活中寻找方向——都迈上了一个崭新的台阶。

▲原子钟

激光、磁共振成像（MRI）、磁悬浮、核能……历经一个世纪的发展，量子技术的清单已然蔚为壮观，令人赞叹。

一个深刻的教训在于，从长远来看，基础研究往往是以出人意料的方式在实际应用中结出硕果。（有时候，这种转化的路径并不是那么遥远！）海森堡以及那些年轻的量子理论先驱们，他们受到对自然界无尽好奇心的驱动，坚信自然界是可以被理解的，而并非仅仅出于某种狭隘的“实用”目的去进行研究。而正是这些纯粹的研究重塑了我们的物质世界。

展望未来，我们有充分的理由相信未来还有更多的可能。

一个普遍的原因是科学是一个建设者：每一次新的发现都会转化为新的工具——“昨日的发现，是今日的校准”。物理学家们利用大量激光—它们的脉冲序列由计算机辅助设计、借助原子钟精准计时--在由超流体制冷器打造的极净、极冷环境中，在灵敏的超导电路的监测下，在原子层面上操控量子世界。这样设计出来的新型材料，将助力我们建造太空电梯，或实现太阳能的超高效采集与储存，以及研发出性能更强、能耗更低的计算机。这些发展将促生出更为先进的量子工具，进而赋能科学家们研发出更卓越的量子技术……在这螺旋式上升的创新过程中，新的梦想将被激发，新的现实也将被塑造。

▲电影《流浪地球2》中的太空电梯

一个更具体的原因在于，我们对物理世界的深刻理解与操控，与计算机科学及生物学领域的前沿探索产生了协同效应。今年的诺贝尔物理学奖与化学奖便是对这一趋势的有力证明。科学家们巧妙地将物理学中的洞察力运动用到人工神经网络的研究之中——顾名思义，人工神经网络源自于人们对生物大脑工作机制的探索——进而开发出了强大的机器学习新方法。当这些创新方法被应用于蛋白质结构的研究，不仅能够助力科学家们理解现有蛋白质的复杂构型，还能设计出全新的蛋白质结构。这些研究跨越了物质、生命与思维之间的传统概念界限。