揭秘百年量子物理奥秘

“信息的存储、处理，电子通信、显示，精密测量，全球定位，移动通信，这些信息时代最前沿的关键技术中都涉及量子力学。”在前不久举行的2017年(第20届)北京科技交流学术月院士专家报告会上，中国科学院院士薛其坤用一场精彩的演讲，让我们真切地感受到：听上去云山雾罩的量子物理，其实一直就在我们身边。

了解量子物理，先从光和电开始

我们用眼睛观察美丽的大自然——这是可见光入射到我们的眼睛里。但是光是什么?我们每天都用计算机、笔记本电脑、手机处理一些电子信号——电子又是什么?有些人很快就会回答：光是一种电磁波，电磁波是周期运动的、波动性的。我们眼睛能识别的光线(可见光)，其波长在400~800纳米。而雷达、移动通信、卫星通信，用到的波则是微波或超短波，它们的波长在1毫米~10米左右，比可见光的波长长得多。不同波长的电磁波在我们日常生活中扮演着不同的角色。另一方面，电子是带负电的亚原子粒子。电子所带电荷为e=1.6×10-19C(库仑)，质量为9.11×10-31kg(即0.51MeV/C2)，能量为5.11×105eV(通常表示为e-)。电子的反粒子是“正电子”，它有着和电子相同的质量、能量、自旋，以及等量的正电荷(因此正电子的电荷为+1)。

物质的基本构成单位“原子”，是由电子、中子和质子三者共同组成。原子整体对外不显电性，但其中的中子不带电、质子带正电。相对于中子、质子，电子的质量极小——质子的质量大约是电子的1840倍。电子脱离原子核束缚在其它原子中自由移动时，其产生的净流动现象称为“电流”。电流的大小是由单位时间内通过导线横截面的电子数目决定的。

以上关于光和电的内容相对比较简单，许多人在学校里都接触过。

量子物理已经有一个世纪的历史

1900~1920年代，物理学界发生了一次重大的革命——建立了量子力学。量子力学、爱因斯坦的广义相对论，以及生命科学中的“DNA双螺旋结构”的发现，被称为上个世纪的“三大科学发现”。

“量子力学”这个名词出现在100多年以前。建立量子力学的五位物理学家——普朗克、玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克累计4次获得诺贝尔物理奖，在上个世纪20年代基本上就建立起了量子物理的基础。所以我们现在谈到的量子通信、量子计算，是基于100年前建立的科学，其实不是全新的东西，而是一个非常古老的话题了。

爱因斯坦是一位伟大的物理学家。由于种种原因，他1921年获得诺贝尔物理奖不是因为提出了相对论，而是因为“解释了光电效应”。光电效应在现代技术中应用非常广泛。太阳能电池的基本原理，就是把光转化成电。爱因斯坦在解释光电效应的时候，首次提出了一个量子的概念，提出了“光的粒子学说”——即光是一种粒子，全称光量子或光子。

爱因斯坦的伟大之处就是：他提出光束是由一个个“光子”组成的，每一个光子的能量E=hv(公式中E代表光子的能量，h是普朗克常数,v是光的频率)。在这个公式中，左边的能量是典型的粒子概念，而右边的普朗克常数和波长，则是典型的波的概念，所以这个公式实际上就显示了，粒子和波是等同的——这是一个非常伟大的量子力学发现。它直接告诉我们，一束光的能量不再是连续变化的，因为光的最小单元是一个光子。引入“量子化”的概念后的光是分离、不再连续的，而研究这种不连续变化的科学就叫量子力学、就叫量子物理。

既然微观粒子都具有“波粒二象性”——既有波的特性，也有粒子的特性。那么是不是每个人也都有“波粒二象性”?回答是肯定的，宏观物体表现出的粒子行为更多——我们有确定的位置、有确定的质量、有确定的大小、高度。同时，用公式一算你就会知道，人类产生的“波”

波长非常短，我们的波动性质几乎无法测量。

由于波动性只在微观世界中才会有明显的表现，而量子力学(或者叫量子物理)，就是研究物质世界中微观粒子运动规律的工具。有了这个概念，我们就能够理解什么叫量子通信、什么叫量子计算机、什么叫量子物理。

▲ 爱因斯坦因解释了“光电效应”获得1921 年诺贝尔物理学奖，他身旁的普朗克在1918年就获得诺贝尔物理学奖（来源： Buz***eed.com）

信息时代见证了量子力学的发展