改变世界的量子物理学，就在身边！

Pierre Henriquet

核物理学博士、瞰创新专栏撰稿人

虽然许多量子实验着眼于非常非常小的东西，比如电子和光子，但量子现象就发生在我们周围，在各个尺度上都发挥着作用。量子物理学领域的研究内容是什么？我们身边的哪些现象是属于量子物理的范畴？

量子物理学研究微观粒子之间的行为和相互作用，以及驱动它们的力场。

对物质中电子能量交换的研究带来了几项颠覆性技术创新，成为了几乎所有现代电子技术的基石。

量子物理学的应用在我们身边随处可见：激光、光纤、发光二极管…

量子理论也可以解释自然现象，如天空的颜色，甚至植物的光合作用。

二十世纪末，第二次量子革命掀起，随着人类对这一学科基本规律的理解加深，我们的技术水平必将达到一个新高度。

量子物理学研究微观粒子之间的行为和相互作用，以及驱动它们的力场。这门学科诞生于一个多世纪前，被认为是所有现代科学中最令人费解的领域之一。

在超微观世界，宏观世界所有基础规律都荡然无存。例如，一个粒子能同时具有粒子和波动的特性。另外，微观粒子的位置不能用一个精确的点描述，而是要用“概率云”：粒子可以几乎同时存在于所有位置，在某个位置观察到粒子的可能性，取决于该处粒子存在概率的大小。

量子世界里，就连测量的概念也与我们所熟悉的完全不同。粒子的特质难以精确测量。更糟糕的是，根据海森堡不确定性原则，对某个属性（例如位置）测量得越精确，对其他属性（例如能量）测量结果的精确度就越低。这并非仪器不够精密，而是由支配超微观世界的规则决定的。

“量子力学的研究范畴包括粒子之间的能量交换。”

量子力学之所以叫量子“力”学，是因为它描述粒子之间的能量交换。在宏观世界中，物体的能量可以取任何值，而原子的核外电子只能释放或吸收固定的能量单元，最小的能量单位被称为“量子”，量子物理学由此得名。这些能量交换以分散的、间断的方式进行，有别于宏观世界常见的连续能量交换。

量子世界种种奇怪的规则，催生了许多看似违背常理的情况：一个量子物体可以同时存在于多种状态；发生“量子纠缠”的两个粒子无论相聚多远，改变一个粒子的状态会立刻影响到另一个粒子。

01

我们身边的量子物理

全球各地的学者们都在研究奇妙的量子现象。不过，在实验室之外，量子现象已得到了广泛的应用，就在我们的日常接触的各种设备中。

量子物理学最引人注目的发现之一是著名的波粒二象性。19世纪，大量实验已验证了光的波动性，但直到1905年爱因斯坦才证明了光电效应——光可以撞击电子，使其弹出，形成光电流。20年后，法国物理学家德布罗意提出任何微观粒子都具有波粒二象性，不仅限于光子。如今，波粒二象性成为了许多常见设备的工作原理，例如光伏电池板、数码相机中的CCD传感器等。

对物质中电子能量交换的研究带来了几项颠覆性技术创新，成为了现代电子学的基石。

图片来源：PI France

最典型的例子是激光：用于CD播放器读取数据、切割工业材料、测量地球和月球之间的距离、医学手术、读取超市商品条形码、激光打印、洲际光纤通信…

激光是一种非常特殊的光，通过迫使大量原子释放相同量的能量子而产生，由运动状态完全一样的光子组成，已成为现代社会不可或缺的技术。

即使说量子理论是一切现代电子设备的基础，也毫不为过！我们的手机、智能手表、汽车、电脑、医疗设备（心脏起搏器、浴室秤、血压监测器、心脏除颤器）和无数其他日常应用设备都有赖于半导体作为关键部件。半导体是一种介于绝缘和导体之间的材料，对其施加小电压，便可从绝缘态变成导电态。与这一特性相关的电子行为可通过量子力学解释。

该特性可用于灵活地控制电流通过或关闭，制造二极管和晶体管，即所有电子器件的基本组成部分。LED（发光二极管）就是利用半导体控制光发射，能耗显著低于传统灯泡。

02

自然现象中的量子物理

量子力学无处不在，既存在于人类的技术应用中，也存在于自然现象中。事实上，有些现象必须用量子理论才能解释。

为什么太阳会发光？是因为太阳核心发生核聚变，而核聚变则是基于量子隧穿效应——微观粒子穿入或穿越位势垒的量子行为。在经典力学里，这是不可能发生的，但使用量子力学理论却可以给出合理解释。天空之所以是蓝色，是因为光的散射，而量子力学可以解释为什么短波长的光（蓝色光）更容易被散射。

在最新的研究中，有学者试图使用量子物理解释光合作用背后的奥秘。植物究竟是如何将太阳的能量转化为有机物，滋养世间万物的？恐怕也要在量子物理中寻找答案。

总而言之，量子物理学彻底改变了人类理解和塑造世界的方式。二十世纪末，第二次量子革命掀起，随着人类对这一学科基本规律的理解加深，我们的技术水平必将达到一个新高度。

作者

Pierre Henriquet

编辑

Meister Xia