聽到量子力學這個術(shù)語的時候，你的腦海里一定會泛起一些怪異和反直覺的東西，比如既是波又是粒子的電子，還有既生又死的貓。然而，雖然這些亞原子“靈異”事件確實怪異到幾乎令人難以置信，但要是量子力學并不正確，那么我們的現(xiàn)代社會壓根不會存在。

為紀念量子力學誕生100周年，聯(lián)合國宣布2025年是“量子科學和技術(shù)國際年”，既是為了慶賀這個理論在過去一個世紀中收獲的成功，也是為了規(guī)劃全球人民未來怎樣從至關(guān)重要的量子技術(shù)中獲益。

創(chuàng)立一個改變世界的理論

在19世紀末，物理學家已經(jīng)很好地掌握了許多自然運作法則。他們發(fā)現(xiàn)了運動定律、電磁定律和熱原理。這樣的堅實物理學基礎(chǔ)推動了我們現(xiàn)在稱之為“工業(yè)革命”的文明變遷。然而，彼時還是有一些看上去不太起眼的小謎團存在。舉例來說，鑄鐵廠里冶煉鋼鐵時發(fā)出的光并不像理論預期的那樣呈紫色。

正是在思考這個現(xiàn)象和其他現(xiàn)象的過程中，物理學家意識到原子世界的運作原理與我們用感官體驗到的日常世界迥然不同。1900年，德國物理學家馬克斯 · 普朗克推測，光和其他波段的電磁波攜帶的能量與波的頻率有關(guān)，標志著物理學家朝原子世界邁出了第一步。

在隨后的幾十年中，陸續(xù)出現(xiàn)的諸多實驗發(fā)現(xiàn)和理論修正緩緩揭開了原子世界的神秘面紗——那是一個由一系列看似矛盾的行為支配的領(lǐng)域。電子和光的行為有時像是一只極微小的棒球，有時又像是一片因擠滿了孩童而波光粼粼的池塘水面。對物理學家來說，那是一段令人摸不著頭腦的時期。

1925年，當奧地利物理學家、社交達人埃爾溫 · 薛定諤寫下現(xiàn)在所稱的“薛定諤方程”時，原子世界的圖景已經(jīng)變得明朗許多。薛定諤方程有效地描述了原子釋放的光的波譜，標志著原子從一種化學角度上的奇景轉(zhuǎn)變成了其神秘特性可以造福人類社會的重要物體。

技術(shù)上的巨大飛躍

在過去的一個世紀中，我們對量子世界的認識呈指數(shù)式增長，且原子物理學也步入了電子時代。晶體管以及其他半導體技術(shù)奠定了現(xiàn)代信息社會的基礎(chǔ)。如今點亮筆記本電腦和智能手機的LED燈正是源自我們對原子工作方式的深刻理解和相關(guān)技術(shù)的嫻熟運用。即便是我們拿來逗弄小貓的普通激光筆，其本質(zhì)也是一種手持形式的量子驅(qū)動技術(shù)，原理與現(xiàn)在使用的全球通信技術(shù)并無二致。

量子技術(shù)的進化還遠未結(jié)束。研究人員仍在不斷研發(fā)新型材料，它們有可能成為室溫超導體，從而為全球供能體系帶來革命性發(fā)展。太陽能電池性能的提升則能幫助我們更為有效地從太陽那兒汲取能量，從而幫助我們抵御使用化石燃料不可避免的風險。

對量子力學的深刻理解還推動了計算機產(chǎn)業(yè)的變革。量子計算機并不依賴傳統(tǒng)計算機那樣的“開/關(guān)”二元體系，可以在幾分之一秒的時間內(nèi)迅速解決傳統(tǒng)計算機花上幾年才能處理的問題。舉個例子，用于保護信用卡交易和跨國私人通信的傳統(tǒng)加密算法會輕松地被量子計算機破解。

聯(lián)合國宣布2025年為“量子科學和技術(shù)國際年”，既肯定了量子理論對建設(shè)現(xiàn)代科技社會的積極作用，也表達了對量子技術(shù)革新的殷切期許。另外，這一舉動無疑會激勵世界各國的物理機構(gòu)、組織制定相關(guān)教育和推廣計劃，向廣大民眾宣傳量子力學這一具有革命意義的物理學理論對全人類的深刻影響。

在接下去的一年內(nèi)，我們肯定會了解到更多關(guān)于量子力學如何影響人類社會，未來又將如何繼續(xù)改造人類社會的信息。

資料來源 Big Think

本文作者唐 · 林肯（Don Lincoln）博士是美國國家費米實驗室的資深科學家，參與了頂夸克和希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，發(fā)表的科研論文超過1500篇，同時還著有多部科普作品