十万个高科技为什么:第一辑

什么是量子翁文康

    18世纪末，物理学获得空前成功，牛顿力学、电磁学和热力学等传统物理学科都已经非常成熟。科学家们认为物理学大厦已经建好．基础物理问题不值得深入研究了。然而，在一个物理学会议上，开尔文勋爵(Lord Kelvin)提出，在物理学的万里晴空中，依然有两朵小乌云，还有两个“小问题”没有被完美解决。

    一朵乌云是“以太”问题，这个问题直接导致相对论的创立；另外一朵乌云是“黑体辐射”问题，它成为量子力学的起点。

    当时，根据经典的电磁学和热力学理论，物理学家推导出一个公式，试图去解释黑体辐射的实验结果。但是，根据这个公式，预测出的短波辐射能量为无限大，与实验结果完全不符。为了解决这个难题，马克斯·普朗克(Max Planck)脑洞大开，提出黑体里面原子发H{来的光并不连续，而是离散的，每一个粒子都有最小的能量单位。这个新模式可以有效地描述黑体辐射的几乎所有实验数据，在物理学界引起了轰动。

  后来，物理学家用“量子”(quantum)一词，来表达微观世界能量非连续的这个特征。量子世界的神秘面纱被普朗克揭开了一角，同时也激起了一众物理学家的好奇心。在接下来的数十年间，普朗克、埃尔温·薛定谔(Erwin Schr6dinger)和维尔纳·海森堡(Wemel‘Heisenberg)等诸多伟大的物理学家，展开想象力，用严谨的T作态度共同构筑起量子力学这座大厦。

  量子力学触及微观世界，其性质和宏观世界大相径庭，这导致其存在众多“鬼魅”特性而饱受科学家的质疑。可是在过去几十年中，量子力学经受住了无数实验的考验。物理学家逐渐认识到，微观世界和宏观世界确实不一样，我们所习惯的宏观世界限制了我们对微观世界的想象力。

    下面，我们先简略地介绍几个概念，一同感受量子力学的不可思议之处。

    第一个概念是“量子叠加”。想象我们前面有一面高墙，上面有左右两道门，选择其中任意一道门都可以通过这面墙(图l—1)。在宏观世界，任何人要穿过这面墙，都只能挑其中一道门。然而，在量子微观世界，这个人的运动规则会发生翻天覆地的改变。

  在量子微观世界，这个人好像能分身一样，用标准的量子力学语言来描述，就是这个人可以“同时”经过两道门通过这面墙。这种量子现象非常奇特，用经典的牛顿力学根本无法解释，就连量子力学奠基人之一的伟大物理学家薛定谔也百思不得其解。后来，他想象出......