1925年,当时年仅24岁的物理学家——海森堡在德国北海的赫尔戈兰岛上写下了一篇有关“矩阵力学”的论文。随后,39岁的薛定谔提出“波动力学”进一步完善了薛定谔方程。两项工作共同构成了量子力学的理论基础。至此,一扇新世界的大门被悄然推开——量子力学诞生了。
在接下来的100年里,量子力学蓬勃发展,从一门颠覆性的理论发展为现代物理学的核心,并深刻影响了人类对自然、技术和哲学的认知。
经过一个世纪的不断发展,人类从最初的“解释原子”逐渐迈入了“重构世界”,量子信息科学开始深刻地嵌入未来世界的蓝图之中,成为未来最重要的科技手段之一。
时至今日,我们国家已在量子信息科学领域中,跻身全球第一梯队。近些年来,无论是在量子计算、量子通信还是量子模拟、量子精密测量等领域,中国都取得了多项世界级的突破,国家也将量子科技列为战略优先发展方向之一。
毕竟,量子信息科学已经深刻影响着材料科学、密码安全、人工智能……甚至是对宇宙本质的探索。“量子”这个词也不断出现在我们的日常生活中,你或许曾听到过:量子芯片、量子导航、量子网络……
可你是否有认真的思考过:到底什么是量子?它跟我们的日常生活又有什么关系?
“你为什么说‘量子,更像是一种规则’呢?如果说这个世界里的规则是量子的,那我之前所在的世界里的规则,就是经典的吗?那如果是这样,两个世界的规则不就不统一了吗?”圆子纳闷地说到。
“嗯……你这个问题很有意思,看不出你还是个爱动脑筋的小姑娘。其实,不管是量子的世界,还是经典的世界,都是同一个世界,它们应该是完全统一的,不应该有任何冲突。唯一不同的,是观测尺度。我问你啊,在你之前的世界里,你觉得往一个杯子里倒水的过程,是经典的,还是量子的呢?”点点以一个小老师的口吻问到。
“当然是经典的,因为倒水的过程是连续的!”
“你看到那边的小溪了吗?”
圆子顺着点点指的方向远远看过去,发现很多小球挤在一条通道中,正按照一定的速度,一个一个地向前跑。
“什么?你说那是一条小溪?”圆子惊讶的问到,“那不是一堆小球,挤在一起往前走吗?”
“哈哈,那就是水分子的流动。”点点一听乐了,“你之所以认为,往杯子里倒水的过程是经典的,就是因为在宏观世界里,你们都用宏观的尺度去看待水,你觉得它是流动的、连续的。可是在我们量子世界中,以微观的尺度去看‘水’,它就变成了一个个的水分子,不再是连续的,而是离散的了。”
点点停顿了一下,又接着说到:“其实,我们两个世界看到的东西,本质上是相同的、统一的。不同的是,我们的观测尺度不一样。而在不同的尺度下,我们会得到不同的结果。”
“噢……就像是不同的人,看待事物的角度不同,对同一件事物得出的看法和结论也不同,对吗?”圆子眨巴着大眼睛问到。
“是的,可以这么理解。”点点回应到。
上面的这段文字摘录于最近出版的一本量子物理科普书《量子奇境环游记》。这本书以一个孩子的视角,向你解释什么是量子世界,它与我们所处的宏观世界有什么样的联系。它以故事的形式出发,跟随变成了质子的小女孩“圆子”和她的电子“点点”,一起探索光怪陆离的量子世界。
原本只出现在化学课本中的氢、氧、铷、铯、氦、氙,在书中全都变成了主要角色,它们帮助主角圆子和点点,顺利通过了一个又一个的考验。而它们的化学属性也影响着它们的角色个性,于是很多时候,它们说出的语言和作出的行为,总是会闹出不少笑料,让人不禁莞尔。
在量子世界的一场场冒险中,读者可以和主角们一起去身临其境地感受故事中所蕴藏的物理规则,再利用这些规则去克服一个个困难和障碍。在这个过程中,书中的角色将以问答的形式,向读者们解释量子物理的基本概念,用举例的形式展示清晰的物理图像,探索量子世界的基本规则。
这本书没有晦涩的物理公式,也没有复杂的实验数据,而是以氢原子小队的探险故事为主,让抽象的物理概念,在你的脑海中化为一个具象的场景。比如量子叠加态、量子隧穿、超流体相变、量子涡旋、光镊、光电效应……
因为在现实世界里积累的经验,并不能帮我们在量子世界里顺利通过考验。量子世界不同于宏观经典世界的运转规则,也使得那里有着独特的物理现象:
在那个世界里,河水不是流动的液体,而是一个一个的水分子小球;不同原子的电子只能吃特定颜色的小光球;光子在面对两扇门的时候,不是选一扇门进入,而是可以同时进入两扇门……
这些故事情节,恰恰是作者将量子物理中那些抽象而又反直觉概念,以一种通俗易懂的方式直接呈现给读者,让我们去感受,也让我们思考,如果你是那一粒原子,面对书中的挑战时,你会做出什么样的选择?
所以这本书不仅可以作为青少年的“量子物理”启蒙读物,对初高中物理课本(经典物理)进行补充,而且随书附录的视频也会对每一章节的知识点,进行归纳和集中讲解,让小读者在不知不觉中建立起对应的知识模块,形成自己的思维体系。
同时,这本书也可以是成年人的量子入门读物,哪怕你曾经在上学期间对物理这门学科敬而远之,也可以从这本书中获得最基本的物理概念和图像。最后,冒险的故事也往往与成长有关,在过程中思考,在过程中成长,或许在故事的最后,掌握了更多量子物理知识的你,也会和经历过冒险的主角圆子一样,变成了一个新的自己。