文/陳根

在物理學的發(fā)展道路上曾經(jīng)出現(xiàn)過四大神獸：薛定諤的貓，芝諾龜，拉普拉斯獸，麥克斯韋妖。這四大神獸里，最為人熟知的、也是量子力學中最著名的思想實驗也許就是薛定諤的貓了。

假如有一只貓被關(guān)在一個裝有有毒氣體的箱子里，而決定有毒氣體是否釋放的開關(guān)則是一個放射性原子。在這個實驗里，如果放射性原子發(fā)生衰變，那么毒氣就會釋放，這個貓就會被毒死。但是這個原子是否會衰變是不可知的，我們想要知道這只貓是否死亡，只能打開箱子來看。但是在我們沒有打開箱子觀看時，這只貓是處于生與死的疊加態(tài)的，也就是既死又活的狀態(tài)。

薛定諤的貓厲害之處就在于從宏觀尺度闡述了微觀世界的量子疊加原理，也就是將微觀不確定轉(zhuǎn)化為宏觀不確定，從而巧妙地把微觀物質(zhì)在觀測后是粒子還是波的存在形式和宏觀的貓聯(lián)系起來，以此求證觀測介入時量子的存在形式。

后來量子力學理論的核心就是薛定諤方程，薛定諤方程可以類比經(jīng)典力學中的牛頓第二定律。但二者的不同之處在于薛定諤方程是建立在薛定諤的貓這個著名的思想實驗上的。

解釋不通 穿越時空

量子物理的奠基人尼爾斯·波爾曾經(jīng)說：“如果誰不對量子力學感到困惑，他就沒有理解它。”

確然如此，但我們總還有途徑能窺探到量子力學的奧秘。無疑，量子力學和相對論作為20世紀最重要的兩大科學成就，將對我們的未來起著重大作用。

1900年，普朗克在論文里首次提出了能量的不連續(xù)性，一腳踢開了量子力學的大門。那么，量子到底是什么呢？

把一個長一米、寬一米的物體，放大十倍，再放大十倍，然后放大一千倍，再放大一千倍，最后再放大一百億倍，你就進入了量子的世界。

量子世界里，所有物質(zhì)都可以被還原成61種基本粒子，其中最重的基本粒子，質(zhì)量也不超過3.1×10^-25千克。

和宏觀世界不同，量子世界里很多物理量是不連續(xù)的，比如質(zhì)量、電荷，甚至是能量，都有一個最小的單元。這些單元不可分割，任何數(shù)值只能取它們的整數(shù)倍。這就好比你可以從口袋里掏出5毛或者1分錢，但你永遠也掏不出來半分錢。所謂量子，就是指這些不可分割的最小單元。

普朗克提出輻射量子假說，假定電磁場和物質(zhì)交換能量是以間斷的形式(能量子)實現(xiàn)的，能量子的大小同輻射頻率成正比，比例常數(shù)稱為普朗克常數(shù)，從而得出黑體輻射能量分布公式，成功地解釋了黑體輻射現(xiàn)象。

1905年，愛因斯坦引進光量子(光子)的概念，并給出了光子的能量、動量與輻射的頻率和波長的關(guān)系，成功地解釋了光電效應。其后，他又提出固體的振動能量也是量子化的理論，解釋了低溫下固體比熱問題。

1913年，玻爾在盧瑟福有核原子模型的基礎(chǔ)上建立起了原子的量子理論。按照這個理論，原子中的電子只能在分立的軌道上運動，原子具有確定的能量，它所處的這種狀態(tài)叫“定態(tài)”。并且，原子只有從一個定態(tài)到另一個定態(tài)，才能吸收或輻射能量。這個理論雖然有許多成功之處，但對于進一步解釋實驗現(xiàn)象還有許多不足。

1924年，在愛因斯坦光量子概念的啟發(fā)下，德布羅意提出了物質(zhì)波假說，最終將光所具有的波粒二象性賦予了所有物質(zhì)粒子，從而指出了自然界中的所有物質(zhì)都具有波粒二象性，或稱“量子特性”。德布羅意的物質(zhì)波概念為人們發(fā)現(xiàn)量子的規(guī)律提供了最重要的理論基礎(chǔ)。

1925至1926年間，定量描述物質(zhì)量子特性的最初理論——量子力學誕生。

1925年7月，海森伯在玻爾原子理論的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了將物理量（如位置、動量等）及其運算以一種新的形式和規(guī)則表述時物質(zhì)的量子特性，如原子譜線的頻率和強度可以被一致地說明，這是關(guān)于量子規(guī)律的一種奇妙想法。

1925年末，在愛因斯坦的建議下，薛定諤仔細研究了德布羅意的論文，并產(chǎn)生了物質(zhì)波需要一個演化方程的想法。1926年初，經(jīng)過反復嘗試和努力之后，薛定諤終于發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)波的非相對論演化方程，即今天人們熟知的薛定諤方程。薛定諤方程的發(fā)現(xiàn)標志著量子力學的另一種形式體系——波動力學的建立。

1926年下旬，看上去非常不同的矩陣力學和波動力學很快被證明在數(shù)學上是等價的。薛定諤首先證明了波動力學與矩陣力學的等價性。之后，狄拉克進一步通過變換理論把矩陣力學和波動力學統(tǒng)一起來。至此，量子力學的理論體系被創(chuàng)建。

從此，人類開始進入量子時代。

量子生活

那么，厲害又遙遠的量子力學和我們的生活有什么關(guān)系呢？其實在當下，量子力學已經(jīng)在不經(jīng)意間滲透到我們的生活中去了。

量子力學的第一個應用是激光。平時我們?？吹揭恍┘す忪畎呙撁膹V告。拿激光器往臉上一照，色斑就消失了；往胳膊上一掃，體毛也脫落了。這是什么原理呢？

我們知道，物質(zhì)都是由原子組成的。原子中間有一個原子核，原子核外還有在固定軌道上運動的電子，不同軌道上運動的電子具有不同的能量。這是什么意思？

舉個簡單的例子，當我們負重爬樓梯，十樓明顯比五樓更累，越高的樓層消耗的能量就越多，而消耗的能量則轉(zhuǎn)化為我們的重力勢能。換句話說，十樓的重物本身就比五樓的重物擁有更多的能量。在地球上發(fā)射火箭也是如此，發(fā)射時消耗的燃料越多，就能把火箭送上離地球越遠、本身能量也越大的軌道。

原子世界也遵循同樣的規(guī)律。你要把電子送上更高的軌道，就需要給它更多的能量。換句話說，位于較高軌道上的電子，本身也具有較高的能量。

激光和其他任何光一樣，都是由光子組成的，每個光子都有一定的能量。生活里常見的光，比如太陽光，就包含著許許多多的光子，這些光子的能量有大小之分。但激光非常特別，它里面每個光子的能量都一樣大。這就是激光與普通光最大的區(qū)別。

我們剛才已經(jīng)說過，對于不同軌道，其內(nèi)部電子的能量是不一樣的。與此同時，每種激光的光子又都有一個特定的能量。當激光打到皮膚上時，如果皮膚里電子的能量與激光光子的能量不匹配，那它就不會吸收這種激光。反之，它就會吸收這種激光。

激光祛斑的工作原理就是如此。當激光照到臉上的時候，好皮膚里的電子能量與激光光子能量不匹配，所以會完好無損；而黑色斑塊里的電子能量與激光光子能量匹配，所以會吸收激光并最終被激光所破壞。激光脫毛的工作原理也是如此。

量子力學的第二個應用是半導體。半導體現(xiàn)在已經(jīng)廣泛地應用于我們的生活。我們手里拿的手機，家里看的電視，還有平時用的電腦，里面最核心的元件就是用半導體做的。

那么什么是半導體呢？大家已經(jīng)知道，原子中有電子，在一定條件下，電子會擺脫原子核的束縛，在某種材料中自由運動，這就形成了電流。

讓我們把運動的電子想象成一輛汽車，把電子跑過的材料想象成一條公路，就很容易理解了。電流大不大，或者說汽車跑得快不快，取決于公路的路況。有些材料，它們的路況就很好，汽車在上面可以跑得很快，不會受到明顯的阻礙，這種材料就叫作導體。

絕大多數(shù)金屬，比如銅、鋁、鐵，都是導體。而有些材料，它們的路況很糟糕，障礙重重，汽車一上路就被堵得水泄不通，根本跑不起來。這種材料就叫作絕緣體。我們常見的陶瓷、橡膠、玻璃，都是絕緣體。

但有一些特殊的材料，它們的路況很詭異。路上有不少障礙，一般汽車開上去就會被堵死。但如果外部條件發(fā)生變化，比如溫度升高，那汽車就又能在路上開了。這些特殊的材料就是半導體。

這些奇怪現(xiàn)象的出現(xiàn)還是由于量子力學。半導體的技術(shù)實際上是基于量子力學派生出來的能帶論，或者固體的能帶論跟量子力學里的一些重要的結(jié)論。

半導體電子器件運作的本質(zhì)其實就是利用電場來對載流子的輸運進行調(diào)控，而載流子的輸運需要在不同的溫度下，對載流子濃度進行控制。半導體電子器件中的物理核心在不同的電子器件當中是不一樣的，但是一般是PN結(jié)和MOS接觸。但是對于PN結(jié)和MOS接觸中載流子濃度的控制卻需要用固體物理中的能帶理論來解釋和指導。能帶理論是由量子力學的規(guī)則所建立起來的，也可以說是計算出來的。

利用半導體的特性，可以做出一些很有用的電子元件，其中最重要的是二極管和晶體管。二極管有一個非常特殊的性質(zhì)：在一個方向上給它加上電壓，就會產(chǎn)生電流；而在相反方向上給它加上電壓，卻不會有電流產(chǎn)生。這就像是城市里的單行道：你可以沿一個方向開車，但是沿另一個方向開車就不行了。二極管有什么用呢？它可以在電路里扮演一個開關(guān)的角色。

LED就是發(fā)光二極管的簡稱，LED的發(fā)明者赤崎勇、天野浩和中村修二于2014年獲得諾貝爾物理學獎。LED燈就是一種特殊的、能夠發(fā)光的二極管。使用發(fā)光二極管有什么好處呢？

第一，它的發(fā)光效率非常高，比過去的白熾燈要高很多，這就使它變得非常節(jié)能。所以現(xiàn)在很多商店，比如宜家，賣的燈泡都是用發(fā)光二極管做的。第二，它的使用壽命很長，比白熾燈的壽命要長十倍以上。這些優(yōu)點也讓人們普遍相信，LED將成為未來最主流的光源。

量子科學作為行代物理學的兩大基石之一，是現(xiàn)代物理學不可或缺的概念。今天我們?nèi)祟愒诿鎸α孔涌茖W所能理解與解釋的事物都還非常有限，正如我在《別告訴上帝祂該怎么做：開啟量子糾纏與平行宇宙的大門》一書中所討論的一樣，我們?yōu)槭裁磿行撵`感應？我們?yōu)槭裁磿兴圃嘧R？我們?yōu)槭裁磿霈F(xiàn)夢境與現(xiàn)實重疊的現(xiàn)象？生活中一些事情在曾經(jīng)的科學理論視角下難以解釋，但在今天的量子科學中我們就能獲得解釋。

曾經(jīng)，量子力學可謂是離我們足夠遙遠的科學，但如今卻悄然出現(xiàn)在我們的生活中。那些我們曾經(jīng)幻想的技術(shù)也許也已經(jīng)在不經(jīng)意間出現(xiàn)了，從智能口罩到智能戒指，前有麻將機器人，后有能識別人類情緒的游戲陪玩機器人，在2020年我們也見到了足夠多新奇的技術(shù)。

這個世界處在浪潮迭起的風口。如今，前沿科技的迅猛發(fā)展不斷改變著人們的日常生活，科技和追求完美的思潮漸成時尚，前沿科技也不再是描述小眾群體的名片。相反，它正在成為一種富有激情和不斷革新的意識形態(tài)。

我們常說人生識字憂患始。當然，這里的憂患可以被“糊涂”或者“好奇”替換。只要人還保持著對萬物的好奇心和新鮮感，這就是了不起的一點。智識的好奇心以及對新生事物探索的欲望將成為我們前進的最大動力。