量子力学是什么,潘建伟院士如是说
经典物理学大家都学过,但有个问题可能没有进一步思考过。在经典物理学中,微分方程告诉我们,一旦确定初始状态,所有粒子的未来运动状态都可精确预测。比如卫星什么时候经过,什么时候落地,落在哪里,从原则上讲,只要计算能力足够,都可以精确预测。从这个角度看,世界似乎都是可预测的。但事实并非如此,在微观世界中,在一定的条件下,一个粒子在某个位置出现是概率性的,对此经典力学却无法解释。20 世纪初,在普朗克、爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡、狄拉克等科学家的努力下,量子力学得以创立,从而解释了微观粒子的运动规律。量子力学是一种描述微观物质的理论,与相对论一起被认为是现代物理学的两大支柱。
量子,不是指某一种粒子,而是构成物质基本单元的统称,包括光子、原子、分子等。它是能量的最基本携带者,具有不可分割性。比如,水分子是具有水的化学性质的最基本单元,不存在"半个"水分子。如果把一杯水进行分割,半杯、1/2 杯、1/4 杯,直到最后变成一个个水分子。这时,如果再分割,就变成 2 个氢原子、1 个氧原子,它就不具有水最基本的化学性质了。
量子除了不可分割,还有一个有趣的特征,我们称为量子叠加。1935 年,奥地利著名物理学家薛定谔提出一个思想实验:将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在概率,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就能存活。根据量子力学理论,由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,猫就理应处于"死猫"和"活猫"的叠加态。这只"既死又活"的猫,被称为"薛定谔的猫"(图 1)。如果一定要追问这只猫到底是死是活的话,必须打开箱子去看才会知道结果。这就是量子的特征:不观测时,量子处于叠加态;一旦测量时,量子就表现出唯一状态。这个实验,试图从宏观尺度阐述微观尺度的量子叠加原理的问题,巧妙地把微观物质在观测后的存在形式和宏观的猫联系起来,从而论述了观测者介入时量子状态的演化。
量子力学是微观世界的原理。宏观世界中,猫不存在既死又活的状态,但微观世界中,这种现象比比皆是。比如,根据经典物理学理论,光也是一种电磁波。光在真空中以 30 万千米每秒的速度传播。这种波的振动,一种是沿着水平方向振动,一种是沿着竖直方向振动。如果把水平方向振动叫作 0,竖直方向振动叫作 1,当把振动方向转一下角度,按照 45 度振动时,就处于这两种状态的相干叠加,这个状态就是量子叠加的状态(图 2)。
量子力学这些看似古怪的理论帮助人们加深了对微观世界的理解,一个直接的结果就是构建了现代信息技术的硬件基础。例如,半导体场效应晶体管是建立在量子力学基础上的,所以说量子力学直接促成了半导体晶体管的发明,以及现代意义上的通用计算机的诞生。再例如,利用量子力学来构建原子钟,利用原子内部电子在两个能级间跃迁辐射的电磁波作为标准,控制校准电子振荡器,进而控制钟的走动,用来进行卫星导航等。
内容源自《迈向自立自强——中国科技会堂论坛》(第1辑),中国科学技术出版社