量子：微觀世界的跳躍與糾纏

1900年12月，德國物理學家馬克斯斯普朗克在試圖解釋經典黑體輻射規律時，拼湊出一個數學公式，極好地與實驗結果相吻合。可是當他試圖從物理理論推導出這個公式的時候，發現無論如何也不可能從牛頓的力學理論或者麥克斯韋的電磁理論推導出來，唯一的可能是，假定黑體的輻射能量是一份一份不連續地輻射出來的。他的公式成功地解釋了黑體輻射現象，但留下巨大的困惑：自然界的相互作用，並不是連續進行的，而是成顆粒狀一份一份地進行的。他把這種情形稱作能量的「量子」作用。據說，當天晚上普朗克在與兒子一同散步時，告訴兒子，你父親可能做出了有史以來最驚人最偉大的發現。1905年，26歲的愛因斯坦讀到了普朗克的論文，當時他試圖解釋困擾物理學界3年的一個新發現——金屬物質的「光電效應」：某些金屬物質，受到光照的時候，會有電子從金屬表面跳出來，然而，跳出來的電子的能量，與照射光線的強度無關，只與光的頻率有關。經典物理學不能理解這一現象。愛因斯坦認為，普朗克的量子概念也許有用。他假定光對物體的作用是一份一份的，也就是說，有一種「光量子」存在，它的能量大小由光的頻率而不是光的亮度決定。把這一假設帶進描述光電效應的公式，理論與實驗結果之間的矛盾立即解除。後來，愛因斯坦在1921年因為這項精彩簡練的工作獲得諾貝爾物理學獎，而他那時早已因為相對論理論享譽世界。1908年，丹麥人尼爾斯?玻爾在劍橋大學著名的卡文迪許實驗室找題目做研究，科學巨擘盧瑟福讓他解決氫原子的光譜問題。早在19世紀晚期，科學家們已經發現，每一種元素物質都有自己特有的「特徵光譜」，其中氫原子的光譜最為簡單，譜線之間似乎有一定的規律性。德國的一位中學教師巴爾默用一個簡單的數學公式很好地表達了氫原子的光譜，其中最引人注目的是，公式中出現一個不確定的字母符號n，它只能取自然正整數值，當n等於1的時候，就得到第一條譜線的波長，當n等於2的時候，就得到第二條譜線波長，依次類推。可是當物理學家們試圖從經典物理學來推導出巴爾默的公式的時候卻遇到巨大困難，實際上，無論是牛頓理論還是麥克斯韋理論，都不能推導出這一看上去並不複雜的公式。玻爾研究了盧瑟福的原子有核模型和愛因斯坦的光量子假設，成功地把兩者結合在一起。氫原子核帶正電，核外帶負電的電子沿著不同的軌道圍繞原子核旋轉。當電子獲得能量時，它從低軌道跳到距離原子核較遠的軌道上；當它放出能量時，又從較高的軌道跳到較低軌道上。其中電子處於較低軌道時的狀態後來被稱作「基態」，在核外電子處於基態時，原子系統保持穩定；當電子處於較高軌道狀態時，原子處於「激發態」，原子處於不穩定狀態。軌道之間是有間隔不連續的，因而電子吸收和放出的能量只可能是一份一份的，而電子吸收與放出的能量，是以不同頻率的光的形式表現的。核外電子軌道的能量間隔，決定了電子跳躍時吸收或放出光線只能以固定的頻率，這就是原子的特徵光譜。至於電子為什麼採取分離的軌道，玻爾解釋說，那是自然規律，不是我們講得清楚的；我們需要做的是準確地描述自然。玻爾的理論很好地解釋了氫原子的光譜現象，更進一步用原子的有核模型和分層電子軌道圖景揭示出量子現象的物理機制。玻爾的氫原子理論獲得巨大成功，他回到家鄉哥本哈根興辦尼爾斯?玻爾物理研究所，吸引世界各地大批青年才俊跟隨他研究原子世界和量子學說。到1920年代中後期，玻爾與麾下的一群年輕人完成了一次深刻的物理學革命，建立起量子物理學。量子概念從此成為理解現代物理學所必需的基本概念。量子力學建成伊始，就成功地解釋了經典物理學一直束手無策的固體物理諸多現象和問題，直接引發半導體物理學和現代電子技術的突飛猛進。它與相對論相結合，形成量子場論，之後逐漸發展成規範場理論，在20世紀後半葉先後取得弱電統一、弱電強統一以及大爆炸宇宙模型等一系列重要成就。然而，量子力學理論本身以及對這一理論的詮釋長期以來眾說紛紜，莫衷一是，爭論涉及基本的自然觀與科學觀，最典型的有愛因斯坦與玻爾之間關於量子力學理論的解釋的幾場論戰。有趣的是，當量子力學建成的時候，玻爾和他的同事以及學生們拋棄了玻爾早期的量子概念，特別是描述氫原子行為的分層電子軌道模型，轉用量子狀態來表述微觀粒子的狀態與行為。根據這樣的理論，吸收和放出能量導致原子的量子態發生變化，核外電子的位置和行為並不是確定的，它們可能在任何地方，我們無法精確知道。對微觀世界的任何測量都會改變它原先的物理狀態，而對它的描述只能用它的量子態來把握，這種把握並不是經典物理學意義上的精確了解，只能是統計學意義上的把握。量子態描述的微觀世界存在著一些令人迷惑的現象，其中最引人注目的就是「量子糾纏」。根據量子力學理論，本地的粒子的量子態變化，可以瞬時引發異地另一粒子的量子態變化，無論二者距離有多麼的遠。這一現象可以用來實現量子通訊，現在正是在國際上如火如荼研究和競爭的課題。這種量子效應不能即時傳遞物質，只能傳遞某種量子狀態，我們也可以說傳遞某種信息。由於量子效應極其微弱，同時，在收發兩端維持與識別相干量子態需要高度精密複雜的裝置和過高的成本，要實現量子通訊殊非易事。目前我國中國科技大學和清華大學已有16公里距離量子通訊的國際領先報道，但其穩定性、可靠性還需要進一步研究，目前還遠遠不能付諸實用。原則上說，量子態可以表徵單個粒子的特定物理狀態，每個粒子可以有至少2個量子態。這一認識使得人們意識到它可以用來製造量子計算機。一個系統內，如果有N個粒子，它的量子態就可以多達2N個，通過改變每個粒子的量子態，就能夠同時實現計算和存儲，其計算速度與存儲能力遠非當今最強大的超級計算機可以比擬，因而引發人們巨大興趣和激烈國際競爭。然而，量子計算機目前仍然停留在理論討論階段，雖然已有些商業機構宣稱已經研發成功量子計算機，但它究竟是否具備計算功能還未獲得國際計算領域認同。實際上，實現量子計算功能的物理條件、計算結果的維持與讀出、量子計算與經典計算機之間的銜接等一系列重大問題，目前都還沒有現成的技術條件具備。要實現量子計算，人們還需要上下求索，路途漫漫。
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