量子为何物，量子为何物,量子的秘密

吉姆·哈利利·约翰乔·麦克法登

如果今天在科学家中进行民意调查，问他们整个科学领域最成功、最深远、最重要的理论是什么，答案可能取决于你问的科学家是在非生物学领域还是生物学领域。

大多数生物学家认为，达尔文的自然选择进化论是人类历史上最深刻的理论。物理学家更倾向于认为量子力学理论应该占据科学的首位。因为量子力学构建了大多数现代物理和化学的基石，揭示了宇宙的基本积木，为人类呈现了一幅非凡的宇宙全景图。

事实上，如果没有量子力学的解释，我们目前对世界如何运作的大多数观点都无法成立。

几乎所有人都听说过“量子力学”，但“量子力学是一门艰深难懂的科学，只有极少数非常聪明的人才看得懂”的想法一直很普遍。但事实是，自20世纪初以来，量子力学已经成为我们生活的一部分。

20世纪20年代中期，量子力学发展成为解释最小世界(现在称为微观世界)的理论。原子组成了我们眼睛看到的一切，量子力学描述了原子的行为以及组成这些原子的更小粒子的属性。比如量子力学，通过描述电子遵循的规则，以及电子如何在原子内部安排自己的行为，奠定了整个化学、材料科学甚至电子学的基础。不仅如此，在过去的半个世纪里，大多数技术进步都是以量子力学的数学规则为中心的。

没有量子力学对电子如何在材料中穿梭的解释，我们就无法理解半导体的行为。半导体是现代电子学的基础。不了解半导体，就不可能发明硅晶体管以及后来的微芯片和现代计算机。如果没有量子力学对我们知识的改善，就不会有激光、智能手机、卫星导航或核磁共振扫描仪。这样的例子不胜枚举。事实上，据估计，如果没有我们对量子世界力学原理的理解，发达国家超过1/3的GDP都不会实现。

这只是开始。十有八九，我们会在有生之年见证一个量子时代的到来。当时人类可以从激光驱动核聚变中获得近乎无限的电能；分子级别的人造机器将帮助人类完成工程、生物化学和医学领域的大量任务；量子计算机将开始提供人工智能；过去只出现在科幻作品中的隐形传态技术，将可能成为一种常规的信息传递方式。起源于20世纪的量子革命将在21世纪继续加速，以难以想象的方式改变我们的生活。

但是量子力学到底是什么？对于刚接触量子力学的早期采用者，我们在这里通过几个量子力学对我们生活的微妙影响的例子，向你展示这些真理如何塑造了我们的生活。

的奇异波粒二象性

第一个例子展示了量子世界中最奇怪的特征，也可以说是量子世界的决定性特征:波粒二象性。

我们已经熟悉了世界的构成，知道我们周围的一切都是由许多微小而离散的粒子组成的，比如原子、电子、质子和中子。你可能知道，能量(如声音或光)是以波的形式传播的，而不是粒子。波会向外扩散，而不是像粒子一样四处运动；在空之间穿过的波浪会像大海中的波浪一样形成波峰和波谷。20世纪初，科学家发现亚原子粒子可以像波一样运动，光波具有粒子的性质。量子力学就是在那个时候诞生的。

虽然波粒二象性不是你每天都需要考虑的事情，但它构成了许多非常重要的机器的基础，比如电子显微镜。电子显微镜使医生和科学家能够看到、区分和研究用传统光学显微镜看不见的微小物体，如艾滋病病毒和普通流感病毒。“电子具有波的性质”这一发现直接催生了电子显微镜的发明。

德国科学家马克斯·诺尔(Max Knoll)和恩斯特·鲁斯卡(Ernst Ruska)发现，由于电子的波长(任何波中两个连续波峰或波谷之间的距离)比可见光的波长短得多，因此基于电子成像的显微镜可以捕捉到比普通光学显微镜更多的细节。这是因为，当波浪遇到任何微小的物体时，如果它的三维比波浪的波长短，那么这个物体就不会影响和改变波浪的传播，就像波长为几米的波浪冲击海滩上的鹅卵石一样。你需要一个更短的波长，比如学校科学实验课上常见的水箱里的波纹，遇到卵石后产生反射和衍射，我们才能最终“看见”卵石。因此，诺尔和鲁斯卡在1931年制造了世界上第一台电子显微镜，并用它拍摄了世界上第一张病毒照片。恩斯特·鲁斯卡获得了1986年诺贝尔物理学奖。这个奖可能来得有点晚，因为克诺尔在很多年前(1969年)就去世了，鲁斯卡在获奖两年后也去世了。

量子隧道:穿过墙壁的粒子

第二个例子会更重要。

你知道太阳为什么发光吗？大多数人大概都知道，太阳本质上是一个核聚变反应堆，消耗氢气释放热量和阳光，阳光维系着地球上所有的生命。然而很少有人知道，如果没有让粒子“穿墙而过”的奇特量子属性，太阳根本不会发光。

太阳(或宇宙中所有的恒星)之所以能发出如此大的能量，是因为氢原子(即带单位正电荷的质子)的原子核能与我们称之为太阳光的电磁辐射融合释放能量。如果两个氢核想要融合，它们需要靠得非常近，但越近，它们之间的斥力越大，因为它们每个都带正电荷，而同种电荷相互排斥。

事实上，如果两个质子足够接近融合，它们必须能够穿过亚原子的“砖墙”——一个显然无法穿透的能量屏障。以牛顿定律为基础，能很好地描述日常生活中各种现象，甚至天体的力和运动的经典物理学，认为这样的穿越是不可能的。换句话说，因为粒子不能穿墙，所以太阳不应该发光。

然而，原子核这种遵循量子力学原理的粒子却有一个奥秘——它们可以通过一种叫做“量子隧穿”的过程轻松穿透上述屏障。本质上，正是它们的波粒二象性使得它们能够完成隧穿。就像波可以在物体周围传播一样(比如沙滩上的鹅卵石)，波也可以在物体周围传播(比如声波可以穿透墙壁，让你听到邻居的电视声)。当然，空气体作为声波的媒介，并没有真正穿透墙壁——空气体中的振动，也就是声音，使得你和邻居共用的墙壁振动，进而推动你房间里的空气体，将同样的声波传入你的耳朵。

但是细胞核不一样。如果你能像细胞核一样行动，那么有时候，你真的可以像幽灵一样直接穿过固体屏障。

太阳内部的氢核就是这么做的——它可以把自己展开，像幽灵一样穿透能量屏障，让自己足够靠近墙那边的伙伴，完成最近的聚变反应。所以，下次你在沙滩上晒太阳的时候，不妨看看拍岸的海浪，想想量子粒子像幽灵一样波动。这种波动不仅能让你享受温暖的阳光，还能让我们这个星球上的所有生命成为可能。

叠加:华尔兹与爵士共舞

第三个例子也与上一个例子有关，但展示了量子世界的一个不同甚至更奇怪的特征:一种叫做“叠加态”的现象。

叠加现象是指粒子可以同时完成2100件甚至100万件事情。这个性质可以解释为什么我们的宇宙如此复杂有趣。大爆炸后，宇宙诞生了。当时空房间里充满了单个原子，也就是最简单形式的氢原子——由一个带正电的质子和一个带负电的电子组成。这是一个相当单调的世界。没有恒星和行星，当然也不会有任何生命。因为，包括我们自己在内，构成我们周围一切的“基本单位”是比氢原子更复杂的物质，比如像碳、氧、铁这样更重的元素。幸运的是，在充满氢的恒星内部，另一种形式的氢可以用来产生这些较重的元素。这种较重的氢叫做氘或重氢。氘原子的存在部分是由于量子魔法。

如前所述，合成的第一步是当两个氢核，也就是质子，通过量子隧穿靠得足够近时，它们会释放一些能量。正是这些能量转化为阳光，温暖了我们的星球。第二步，两个质子必须结合在一起。这个过程并不容易，因为两个质子之间的相互作用无法提供足够的粘合力。

所有的原子核实际上都由两种粒子组成:质子和电中性的中子。如果原子核中某一种粒子过多，量子力学原理认为，原子核中的平衡会重新调整，一些多余的粒子会变成另一种粒子:质子变成中子，或者中子变成质子。这个转变过程被称为β衰变。

这正是两个质子结合时发生的情况:两个质子不能共存，其中一个将β衰变为一个中子。剩余的质子和新产生的中子将结合形成新物质氘(氘的原子核，氢的同位素)。之后，氘会进行进一步的核反应，合成出比氢更重的更复杂的原子核，从氦(两个质子加一两个中子)到碳、氮、氧等等。

这里的重点是，氘的存在归功于它同时以两种状态出现的能力，而这种能力恰恰是量子叠加态的体现。这是因为质子和中子由于自旋模式不同，可以以两种不同的方式结合。想象一下《申命记》中质子和中子的共转是一段精心制作的“舞蹈”，它融合了“缓慢而亲密的华尔兹”和“节奏稍快的爵士乐”两种特征。早在20世纪30年代末，科学家就发现《申命记》中的这两种粒子同时以两种状态在跳舞，而不是一种形式——它们同时跳着“华尔兹”和“爵士”——正是这种舞蹈形式将它们紧密地结合在一起。

看完以上，你可能会忍不住问“你怎么知道的？”是的，原子核太小，肉眼看不见。那么，为了更合理，是不是应该假设我们对“核力”的理解还不够完善？答案是否定的，上述结论已经在很多实验室被反复证明:如果质子和中子以任何形式的“量子华尔兹”或“量子爵士乐”结合，它们之间的核“内聚力”都不足以强到使它们结合在一起；只有两者相互叠加，也就是两种状态同时存在时，粘合力才足够强。我们可以把这两种状态的叠加想象成两种颜料的混合(比如蓝色和黄色，会形成一种新的颜色——绿色)。虽然你知道绿色是原来两种颜色的混合，但它既不是蓝色也不是黄色。蓝色和黄色的不同比例也可以产生不同的绿色阴影。同样，质子和中子之所以能组合成氘，是因为它们的舞蹈大多是“华尔兹”，但同时也夹杂了少量的“爵士乐”。

因此，如果粒子不能同时跳“华尔兹”和“爵士”，那么我们的宇宙仍将是一锅氢粥，除了氢什么都没有——没有发光的恒星，没有其他元素，你也不会在这里读到这些文字。我们之所以能存在，是因为质子和中子以反直觉的量子方式存在。

核磁共振的秘密

我们的最后一个例子是把你带回科技的世界。量子世界的性质不仅可以用来观察像病毒这样微小的东西，还可以用来观察我们身体的内部。

磁共振成像(MRI)是一种医学扫描技术，可以创建具有极其丰富细节的软组织图像。磁共振成像通常用于诊断疾病，尤其是检测内脏器官中的肿瘤。大多数关于核磁共振扫描仪的流行描述都没有提到它。事实上，这项技术依赖于量子世界奇特的运行原理。

核磁共振扫描仪使用一个具有强大磁力的大磁体来排列患者体内氢原子核的自旋轴。之后，这些原子受到辐射波的刺激，迫使排列整齐的原子核以一种奇怪的量子态存在，同时向两个方向自旋。试图把这个过程形象化，对理解它没有任何作用，因为它离我们目前的日常生活还很远。重点是，当这些原子核回到原来的状态(即没有受到能量脉冲的刺激，进入量子叠加态)时，就会释放出之前接收到的能量。核磁共振扫描仪上的电子仪器将收集这种能量，并用它来对比患者体内的器官，以生成详细的图像。

因此，如果你有机会躺在核磁共振扫描仪中，或许听着耳机中的音乐，你不妨花一点时间思考一下亚原子粒子的反直觉量子行为，因为正是这种行为使核磁共振技术成为可能。

本文节选自《神秘的量子生命》一书，作者吉姆·阿尔-哈利利和约翰乔·麦克法登，侯新志、朱金杰译，浙江人民出版社，2016年8月。