沒有它就沒有電腦…世界首顆量子衛星「墨子號」上天，來補一堂物理課

8月16日1時40分，我國自主研發的全球首顆量子科學實驗衛星「墨子號」成功發射，這將使我國在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信，量子通信比傳統通信安全得多。為什麼起名叫「墨子號」？量子科學實驗衛星首席科學家潘建偉院士說，墨子在2000年前就提出光線沿直線傳播，設計了小孔成像實驗，奠定了光通信、量子通信的基礎。

儘管量子理論與我們的生活關係密切，沒有量子理論就造不出微小的晶體管，不會有集成電路，也就不會有電腦、手機和網路，但對普通人來說，量子、量子理論究竟是什麼還真需要補補課。

別急，有一本在歐美市場上火得一塌糊塗的科普書，叫《七堂極簡物理課》，作者卡洛·羅韋利本人是義大利的一位物理學家，在這本小書中，卡洛·羅韋利僅用了7堂簡單明了的物理課，就把20世紀物理學的重要理論都包含進去了。中國著名理論物理學家李淼推薦這本書說：「簡潔通俗的語言讓你了解物理」，我們一起來看看，卡洛·韋利是如何向大家解釋「量子」這一概念的。

本期推薦

《七堂極簡物理課》

[意] 卡洛·羅韋利著，文錚/陶慧慧 譯，

湖南科學技術出版社，2016年5月

20世紀物理學的兩大支柱，一個是廣義相對論，另一個就是量子力學，它們之間有著天壤之別。

這兩個理論都告訴我們，自然的細微結構要比我們看到的更加微妙。廣義相對論是一顆小巧的寶石：它是由愛因斯坦憑藉一己之力思考、孕育而來的，是關於引力、空間和時間簡潔而又統一的觀點。然而量子力學，或者說「量子理論」則正好相反，它在實驗上獲得了無與倫比的成功，其應用也改變了我們的日常生活（比如用來寫文章的電腦就和它息息相關）。但是這個理論在誕生一百多年之後，仍然籠罩在一片神秘莫測的奇異氛圍中。

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馬克斯·普朗克：

假設能量是一堆「碎磚塊」

量子力學正好誕生於1900年，它幾乎引領了整整一個世紀的密集思考。德國物理學家馬克斯·普朗克計算了一個「熱匣子」內處於平衡態的電磁場。為此他用了一個巧妙的方法：假設電磁場的能量都分布在一個個的「量子」上，也就是說能量是一包一包或一塊一塊的。用這個方法計算出的結果與測量得到的數據完全吻合（所以應該算是正確的），卻與當時人們的認知背道而馳，因為當時人們認為能量是連續變動的，硬把它說成是由一堆「碎磚塊」構成的，簡直是無稽之談。

對於普朗克來說，把能量視為一個個能量包塊的集合只是計算上使用的一個特殊策略，就連他自己也不明白為什麼這種方法會奏效。然而5年以後，又是愛因斯坦，終於認識到這些「能量包」是真實存在的。

愛因斯坦：

被同行嘲笑卻藉此獲了諾貝爾獎

愛因斯坦指出光是由成包的光粒子構成的，今天我們稱之為「光子」。他在那篇文章的引言中寫道：「在我看來，如果我們假設光的能量在空間中的分布是不連續的，我們就能更好地理解有關黑體輻射、熒光、紫外線產生的陰極射線，以及其他有關光的發射和轉化的現象。依據這個假設，點光源發射出的一束光線的能量，並不會在越來越廣的空間中連續分布，而是由有限數目的『能量量子』組成，它們在空間中點狀分布，作為能量發射和吸收的最小單元，能量量子不可再分。」

這幾句話說得簡單而又清晰，是量子理論誕生的真正宣言。

起初，愛因斯坦的這項成果被同行們當成笑柄，他們認為這個年輕才子在信口開河。後來愛因斯坦就是憑藉這項研究獲得了諾貝爾獎。如果說普朗克是量子理論之父的話，那麼愛因斯坦就是讓這一理論茁壯成長的養育者。

尼爾斯·玻爾：

電子會從一個原子軌道「跳」到另一個軌道

就像天下所有的孩子一樣，量子理論長大以後就走上了自己的道路，後來愛因斯坦也不再承認這個孩子。

在20世紀10年代和20年代，丹麥人尼爾斯·玻爾引領了這一理論的發展，他了解到原子核內電子的能量跟光能一樣，只能是特定值，而更重要的是，電子只有在特定的能量之下才能從一個原子軌道「跳躍」到另一個原子軌道上，並同時釋放或吸收一個光子，這就是著名的「量子躍遷」。

維爾納·海森堡：

這個方程讓愛因斯坦也頭暈

1925年，量子理論的方程終於出現了，取代了整個牛頓力學。很難想像什麼比這更偉大的成就了。霎時間，一切現象都找到了歸宿，一切都可以被計算出來。率先為這個新理論列出方程的是一個非常年輕的德國天才——維爾納·海森堡，他所依據的理念簡直讓人暈頭轉向。海森堡想像電子並非一直存在，只在有人看到它們時，或者更確切地說，只有和其他東西相互作用時它們才會存在。當它們與其他東西相撞時，就會以一個可計算的概率在某個地方出現。從一個軌道到另一個軌道的「量子躍遷」是它們現身的唯一方式：一個電子就是相互作用下的一連串跳躍。如果沒有受到打擾，電子就沒有固定的棲身之所，它甚至不會存在於一個所謂的「地方」。

似乎上帝設計現實時沒有重重地畫上一筆，而只是用點隱約描出了輪廓一樣。在量子力學中，沒有一樣東西擁有確定的位置，除非它撞上了別的東西。為了描述電子從一種相互作用到另一種相互作用的飛躍，就要藉助一個抽象的公式，它只存在於抽象的數學空間，而不存在於真實空間。

更糟的是，這些從一處到另一處的飛躍大多是隨機的，不可預測。我們無法預知一個電子再次出現時會是在哪兒，只能計算它出現在這裡或那裡的「概率」。這個概率問題直搗物理的核心，可原本物理學的一切問題都是被那些普遍且不可改變的鐵律所控制的。

這是不是很荒謬？愛因斯坦也這麼認為。一方面，他提名海森堡參選諾貝爾獎，承認他探究到了世界某些最本質的東西。但另一方面，他只要一有機會就抱怨，說這實在太不合理。

愛因斯坦與玻爾：

兩人吵了很多年

玻爾耐心地給愛因斯坦解釋了這些新的想法，可愛因斯坦並不認同。為了證明這些新想法是自相矛盾的，愛因斯坦設計出了一些思想實驗：「想像一個充滿光的盒子，我們允許一個光子瞬間逃逸……」「光子盒」思想實驗就這樣開始了，這是他一系列著名例證中的一個。但最後玻爾總能成功駁斥愛因斯坦的觀點。通過演講、信件往來和論文，兩位科學家的對話一直持續了好多年……在這些交流的過程中，兩位偉大的人物都不得不做出讓步，改變看法。愛因斯坦不得不承認，這些新想法中並沒有自相矛盾的地方；而玻爾也不得不承認，事情並沒有他最初想的那麼簡單清晰。

但是愛因斯坦並不願意在最關鍵的地方做出讓步，他堅持認為確有獨立於相互作用之外的客觀存在。而玻爾也堅稱新理論確定的這種全新又深刻的存在方式是有效的。

最後，愛因斯坦承認，量子理論是人類認識世界進程中的一個巨大進步，但他還是堅信，事情不可能如此荒誕離奇，在這理論的「背後」一定存在一個更為合理的解釋。

一個世紀過去了，我們還停在原點。量子力學的方程以及用它們得出的結果每天都被應用於物理、工程、化學、生物乃至更廣闊的領域中。量子力學對於當代科技的整體發展有著至關重要的意義。沒有量子力學就不會出現晶體管。在實驗室里運用量子力學方程的人通常不太關心這些方程本身的問題，然而這些方程仍然十分神秘：因為它們並不描述在一個物理系統內發生了什麼，而只說明一個物理系統是如何影響另外一個物理系統的。

近幾年，越來越多的物理學家和哲學家在論文中和會議上持續探討這個問題。量子理論誕生至今已有一百多年，但它究竟是什麼呢？

愛因斯坦去世的時候，玻爾——他最強勁的對手——表達了對他的敬仰之情，感人至深。幾年後，當玻爾也去世的時候，有人拍下了他書房黑板的照片。黑板上畫著一幅圖，是愛因斯坦思想實驗中那個「充滿光的盒子」。直到生命的最後一刻，他仍在挑戰自己，仍然想要知道得更多。直到最後一刻，他仍未停止懷疑。

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