量子力学曾一度困扰科学家。如今，它正在改变世界

德克萨斯农工大学的马兰·斯库利博士在《科学》杂志发表的一篇新观点文章中，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棘手问题的强大框架。

“量子力学最初是为了解释微小粒子的行为而诞生的，”同时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。他合著了具有影响力的教科书《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。他还提出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·薛定谔提出了他的猫悖论。这个思想实验提出，一只猫可以处于既死又活的状态，直到被观察为止。薛定谔提出这个想法是为了突显量子理论看起来多么离奇。

如今，那些曾经离奇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·海森堡在内的先驱者建立的。他们发展了两种不同的数学方法，即波动力学和矩阵力学，来描述量子系统。随着时间的推移，这些方法得到了统一，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，该模型将电子描绘成绕原子核运行，就像行星绕太阳运行一样。虽然后来的发现修正了这一图景，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上也能保持协调状态的关联。

量子相干性直接导致了激光的发展，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，并提高了复杂仪器的灵敏度，例如用于探测时空中微小涟漪的激光干涉引力波天文台（LIGO）。

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允许的最大效率。研究人员发现，通过利用量子相干性，有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规则的惊人例子，”斯库利说。

量子生物学、引力与湍流

量子力学的影响现已远远超出了物理学的范畴。

在生物学中，相干拉曼光谱等技术允许研究人员在纳米尺度上检查病毒和其他结构，从而为微观世界提供宝贵的见解。

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协调起来，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（一种表现出不寻常量子行为的物质），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。

引力能否被量子化（即引力在量子层面上是否表现得像其他力一样）？量子计算机能否改变医学和材料科学？未来的量子技术可能会带来关于宇宙的哪些新见解？

斯库利认为，寻找答案的工作才刚刚开始。

“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

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。