在发表于《科学》杂志的一篇新观点文章中，德克萨斯农工大学的马兰·斯库利博士回顾了量子力学的显著演变，它从关于微小粒子的抽象理论发展成为帮助研究人员解决科学界一些最困难问题的强大框架。
“量子力学最初是解释微小粒子行为的一种方式，”同时也隶属于普林斯顿大学的斯库利说道。“现在它正在推动一代人以前难以想象的创新。”
斯库利在推动该领域发展方面发挥了重要作用。他合著了颇具影响力的教科书《量子光学》，这本书教育了几代物理学家。他在相干纳米激光光谱学方面的研究使得以原子级精度研究分子成为可能。他还开发了涉及量子热机的开创性概念，这些概念挑战了关于热力学效率的传统假设，并可能在未来引领新的能源技术。
从薛定谔的猫到量子技术
量子力学最著名的例证之一出现在1935年，当时埃尔温·薛定谔提出了他的“薛定谔的猫”佯谬。这个思想实验提出，一只猫在被观察之前可以处于既死又活的状态。薛定谔引入这一概念是为了突显量子理论看起来有多么奇怪。
如今，那些曾经怪诞的概念已经远远超出了哲学辩论的范畴。
“那种‘量子怪诞性’不再仅仅是一个哲学谜题，”斯库利说。“它是量子计算、量子密码学甚至引力波探测的基础。”
量子力学的基础是由包括薛定谔和维尔纳·海森堡在内的先驱们建立的。他们开发了两种不同的数学方法——波动力学和矩阵力学——来描述量子系统。随着时间的推移，这些方法被统一起来，并促成了量子场论的发展，该理论解释了粒子如何通过电磁力和核力进行相互作用。
他们的工作扩展了尼尔斯·玻尔的早期原子模型，该模型将电子绕原子核运行描绘得就像行星绕太阳运行一样。虽然后来的发现完善了这一图景，但玻尔的模型为现代量子理论铺平了道路。
量子相干性与激光的兴起
量子力学中最重要的概念之一是量子相干性。这种现象允许原子和光子等粒子即使在相当远的距离下也能保持协调状态的关联。
量子相干性直接促成了激光的开发，这是一项许多人曾经认为永远无法实现的技术。如今，激光广泛应用于现代社会，从超市条形码扫描仪到视力矫正手术以及先进的科学仪器。
相干性也与量子纠缠密切相关，这一现象曾促使阿尔伯特·爱因斯坦将其描述为“鬼魅般的超距作用”。
纠缠使粒子能够通过独特的量子特性共享信息。这些效应构成了量子加密系统的基础，并提高了诸如激光干涉引力波天文台（LIGO）等精密仪器的灵敏度，LIGO能够探测时空中的微小涟漪。
量子热机挑战经典极限
量子物理学更令人惊讶的应用之一涉及量子热机。
传统发动机受到卡诺极限的约束，该极限定义了经典热力学所允许的最大效率。研究人员发现，通过利用量子相干性，可能制造出超越这些经典极限的发动机。
“这是一个量子原理如何改写经典物理学规则的惊人例子，”斯库利说。
量子生物学、引力和湍流
量子力学的影响如今已远远超出了物理学的范畴。
在生物学领域，相干拉曼光谱学等技术使研究人员能够在纳米尺度上检查病毒和其他结构，为微观世界提供了宝贵的见解。
量子思想也正在塑造人们理解宇宙本身的努力。致力于弦论和量子引力等概念的科学家们正试图将量子力学与爱因斯坦的相对论统一起来，这是现代物理学中最大的未解难题之一。
研究人员甚至将量子概念应用于理解湍流这一长期存在的挑战。空气和流体的混沌运动影响着天气模式、气候系统和飞机性能。通过研究超流氦——一种表现出异常量子行为的物质——科学家们正在揭示可能改善气候建模、风暴预测和航空安全的模式。
量子发现的下一个世纪
尽管取得了一个世纪的成功，量子力学仍然不断提出深刻的问题。
引力能被量子化吗（即引力在量子层面上是否表现得像其他力一样）？量子计算机能否变革医学和材料科学？未来的量子技术可能会揭示关于宇宙的哪些新见解？
斯库利认为对答案的探索才刚刚开始。
“在20世纪初，许多人认为物理学已经完备，”他说。“现在，在21世纪，我们知道这场冒险才刚刚开始。”
量子力学影响日常生活的五种方式
- 激光 从杂货店扫描仪到眼科手术，激光依赖于放大光的量子原理。
- 安全通信 量子密码学可以创建高度安全的代码，帮助保护敏感信息。
- 更快的计算 量子计算机有潜力在几秒钟内解决某些经典计算机需要数千年才能解决的问题。
- 更精确的测量 引力波天文台使用“压缩光”等量子技术来探测时空中的微小扭曲，并揭示关于宇宙的新细节。
- 医学突破 量子成像方法帮助科学家在原子尺度上研究病毒、分子和其他生物结构。